宋天任 張 銘 孫沈鵬 談駿杰 江 凱

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

建筑物的運營維護管理（簡稱“運維管理”），是整合人員、設(shè)施、技術(shù)和管理流程，主要包括對人員工作和生活空間進行規(guī)劃、維護、維修、應(yīng)急等管理。其目的是滿足人員在建筑空間中的基本使用、安全和舒適需求。

大量調(diào)研表明，公共歷史建筑具有系統(tǒng)復雜、能耗高、安全風險大、運維穩(wěn)定性和公共安全保障要求高等特點，傳統(tǒng)被動式管理模式，突發(fā)故障多，管理效率低[1]。公共歷史建筑運維周期長，圖紙缺失或錯誤現(xiàn)象嚴重，運維依賴管理人員經(jīng)驗。而與此同時，大多數(shù)公共建筑運維管理委托外包團隊完成；外包團隊管理人員數(shù)量萎縮、青年人員從業(yè)意愿下降、老齡化趨勢明顯，導致外包團隊水平參差不齊。公共歷史建筑亟需一套智能化程度和集成化程度更高的先進管理手段。

BIM技術(shù)的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等特點使之成為了有效的歷史建筑建模和建筑信息集成工具。在運維管理中引入BIM技術(shù)，不僅可以滿足用戶的基本活動需求，增加投資收益[2]，還能實現(xiàn)設(shè)計、施工和運維的信息共享，提高信息的準確性，并為各方人員提供一個便捷的管理平臺，以提高對建筑運維管理的效率。

公共歷史建筑的BIM運維關(guān)鍵數(shù)據(jù)應(yīng)當包含建筑固有的靜態(tài)數(shù)據(jù)和建筑使用過程中產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括建筑各專業(yè)信息數(shù)據(jù)、建筑文化資料等，在建筑竣工時就已經(jīng)產(chǎn)生；動態(tài)數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、安保管理數(shù)據(jù)、樓宇自控系統(tǒng)（BA）數(shù)據(jù)、建筑維保維修數(shù)據(jù)等。

目前BIM運維技術(shù)已經(jīng)在大量新建建筑中實施，在運維系統(tǒng)能正確地建立、穩(wěn)定地更新關(guān)鍵運維數(shù)據(jù)情況下，BIM運維技術(shù)已經(jīng)被證明是一種可以有效記錄和管理建筑日常運行狀態(tài)的工具[3-5]。然而針對公共歷史建筑的BIM運維管理實施，仍然停留在初級階段，不同于新建建筑的建筑信息創(chuàng)建和管理流程相對完善、建筑運維的實施過程與施工過程間相對銜接順利，歷史建筑鮮有新建項目，大部分都是改建、修繕工程，建筑數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和管理工作面臨更大的難度，對歷史建筑的運維工作開展影響較大，對運維平臺持續(xù)提供價值影響也較大。

1 現(xiàn)有方法分析

公共建筑運維BIM實施的總體技術(shù)路線如圖1所示，包括4個階段、9項工作。其中最核心的工作是建筑BIM創(chuàng)建、運維信息錄入、運信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接、運維BIM系統(tǒng)定制開大和管理體系建設(shè)。建筑BIM創(chuàng)建、運維信息錄入、運維信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接是關(guān)鍵數(shù)據(jù)集成工作的內(nèi)容。

圖1 既有歷史建筑運維BIM實施技術(shù)路線

1.1 建筑BIM創(chuàng)建和運維信息錄入階段

當前歷史建筑的建筑信息模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建的主要方法如下：

1.1.1 逆向建模獲取點云數(shù)據(jù)

目前，歷史建筑實景建模的主要方法為利用三維激光掃描、近景攝影測量等手段獲取建筑外形點云數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)格封裝形成高精度的網(wǎng)格模型，能夠真實、精細地反映建筑的幾何外形、色彩與紋理等信息數(shù)據(jù)。

林文修等[6]利用激光掃描技術(shù)完成了重慶某建筑運維項目的運維BIM建立，實現(xiàn)了既有建筑的逆向建模。但是因為點云數(shù)據(jù)的散亂、非結(jié)構(gòu)化以及無強特征屬性，導致通過逆向建模技術(shù)生成的模型在應(yīng)用上存在一定問題，模型單體化困難，難以附加建筑信息，僅停留在觀看、漫游的應(yīng)用層級，因此大大限制了其在建筑BIM運維中的應(yīng)用（圖2）。

圖2 某建筑文保區(qū)點云立面

1.1.2 采用Revit等BIM建模軟件對既有建筑進行翻模

目前，大部分BIM建模方法主要針對在建建筑的正向建模，正向建模是最傳統(tǒng)的計算機三維設(shè)計建模，根據(jù)設(shè)計者的構(gòu)想，預先定制好設(shè)計的內(nèi)容及尺寸信息，在計算機環(huán)境下進行三維模型的建立[7]。正向建模的BIM可以向建筑生命周期參與單位提供完善信息，但正向方法不適用于既有建筑，主要原因如下：

1）既有建筑是已經(jīng)建設(shè)完成、真實存在的建筑，并且既有建筑竣工圖紙普遍與現(xiàn)況不符，資料缺失。導致按照正向建模方法創(chuàng)建的BIM模型與現(xiàn)況有偏差，不能滿足運維管理的需要。

2）采集既有建筑空間幾何信息困難。應(yīng)用于運維管理的既有建筑對數(shù)據(jù)精度要求較高，要求能夠準確地反映房屋的實際情況。很多既有建筑，如歷史保護建筑往往具有獨特的造型、風格或建筑細節(jié)，傳統(tǒng)測繪方法受人為因素及測量手段的影響精度較低。

周紅波等[8]利用逆向建模的結(jié)果，在點云模型的基礎(chǔ)上建立了Revit模型，實現(xiàn)了既有建筑的BIM建模。但問題集中于：當應(yīng)用于改建頻繁、外形復雜的歷史建筑時，難以實現(xiàn)快速建模，BIM修改成本極高；建模過程復雜，需要使用4種以上軟件，依賴于軟件之間的格式認同；由于圖紙缺失、現(xiàn)場施工中的復雜情況，導致建模效率低下、錯誤率高。

歷史建筑資料來源復雜，相對于新建建筑在BIM建模階段更容易出現(xiàn)建模失誤，而在當前業(yè)內(nèi)對BIM復核工作中，大多采用人工抽查的方式進行檢查，全部檢查的成本過高，亟需工具與創(chuàng)新方法。

1.2 建筑數(shù)據(jù)集成對接

建筑數(shù)據(jù)集成技術(shù)是以傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合樓宇自控中的監(jiān)控系統(tǒng)，在建筑運維過程中持續(xù)自動獲取建筑運行信息；以云計算平臺為支撐，對運維階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行管理，解決BIM運維信息管理中的集成、提取和共享等問題[9]。

建筑數(shù)據(jù)集成技術(shù)已經(jīng)被證明可以改善傳統(tǒng)的作業(yè)方式困局，正確、高效、可更新的數(shù)據(jù)集成實施能夠最大程度發(fā)揮信息模型的作用，但同時也是應(yīng)用的難點。當前歷史建筑的信息對接系統(tǒng)主要有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、安保監(jiān)測數(shù)據(jù)、資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、平臺設(shè)備BA數(shù)據(jù)。

以BA數(shù)據(jù)對接為例，當前常見的數(shù)據(jù)對接方式需要BA施工方、BIM建模方、運維數(shù)據(jù)庫開發(fā)方三方進行合作，由BA施工方進行現(xiàn)場的BA設(shè)備安裝和調(diào)試，將點位的名稱、點位含義和對接地址整理成表格交付BIM建模方和運維數(shù)據(jù)庫開發(fā)方，由開發(fā)方進行數(shù)據(jù)匯總，并定制開發(fā)運維平臺系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的流通媒介主要是Excel表格，數(shù)據(jù)的流通內(nèi)容如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)對接工作方式關(guān)系

上述數(shù)據(jù)對接方式，對三方的開發(fā)協(xié)作要求高、對項目本身數(shù)據(jù)穩(wěn)定性要求高，當發(fā)生點位變更、BIM變更、數(shù)據(jù)異常等，對各方的及時響應(yīng)能力要求高，這極易影響“數(shù)字孿生”的真實性，最終影響運維平臺正常使用。因此歷史建筑的關(guān)鍵運維數(shù)據(jù)對接有如下值得改進的內(nèi)容：

1）提高數(shù)據(jù)對接自動化程度。傳統(tǒng)方法需要人工關(guān)聯(lián)大量信息以及人工傳遞數(shù)據(jù)，對人工正確性依賴程度高。而面對大量的數(shù)據(jù)，人工工作發(fā)生錯誤難以避免。

2）通過平臺來整合三方工作。由平臺集中數(shù)據(jù)，三方在平臺基礎(chǔ)上完善數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高效地獲取另一方的最新數(shù)據(jù)，提高工作效率。在解決數(shù)據(jù)變動、點位變動等問題時，高效獲取其他方數(shù)據(jù)更為重要。

2 歷史建筑BIM運維實施關(guān)鍵技術(shù)

基于以上分析，在歷史建筑領(lǐng)域的BIM運維應(yīng)用勢必需要面對資料缺失、數(shù)據(jù)變動、再次改建變化等問題，下文以上海音樂廳修繕工程為例，探究應(yīng)對以上問題的解決方案。

2.1 工程概況

上海音樂廳建于1930年，是全國第1座由中國建筑設(shè)計師設(shè)計的西方古典建筑風格的音樂廳，是上海演藝大世界核心劇場之一，也是“上海文化”品牌的金名片。2019年上海音樂廳修繕工程包含文保區(qū)和非文保區(qū)兩部分，其中文保區(qū)主要包括北立面、北廳、觀眾廳以及東走廊等區(qū)域。文保區(qū)內(nèi)包含較多極具歷史價值且造型優(yōu)美、配色豐富的特色保護部位，比如觀眾廳內(nèi)被稱為“歐特碧之瞳”的海天藍雕花穹頂、北進門廳的科林斯裝飾柱、北立面的漢白玉浮雕等。

上海音樂廳已有90年歷史，在2000年以前已經(jīng)經(jīng)歷多次大修改建；在2003年上海音樂廳進行了平移頂升改造，音樂廳向東南方向移動了66.46 m，并抬高3.38 m，抵達新址。此次改建后，舞臺深度加大一倍，新建南廳和西廳，增加演員休息室，重建屋頂，座位增加到1 200座；在2020年上海音樂廳再次進行改建，在保持整體建筑風格不變的基礎(chǔ)上，提升硬件設(shè)施設(shè)備和服務(wù)能級水平，新增地下新的音樂展演空間，內(nèi)部格局改變后功能性更強，運行效率更高，可向喜愛藝術(shù)的群眾提供更好的環(huán)境。

2.2 建筑BIM創(chuàng)建和運維信息錄入階段關(guān)鍵技術(shù)

上海音樂廳的BIM創(chuàng)建過程中，應(yīng)對的主要問題是：圖紙資料缺失、已有BIM與現(xiàn)場不符。

2.2.1 應(yīng)對圖紙缺失問題，使用多源模型融合技術(shù)

上音樂廳修繕項目中，將施工區(qū)域分為新建區(qū)域、建筑修繕區(qū)域和內(nèi)部裝飾區(qū)域，針對3個區(qū)域特點，分別采用不同的方法建模，最終將3部分的BIM融合得到了運維BIM。

對于新建的建筑部分，圖紙資料完善，根據(jù)設(shè)計院提供的圖紙，采用Revit翻模的方式進行BIM的創(chuàng)建。

對于實行修繕的建筑外墻部分，為了使模型具有高真實感，采用三維建模的方式得到面模型，配合真實的外墻材料團和基于物理渲染方式（圖4），實現(xiàn)在壓縮數(shù)據(jù)量的同時，保證視覺效果的保真。物理渲染技術(shù)和傳統(tǒng)渲染技術(shù)實現(xiàn)原理不同，物理渲染技術(shù)是1種利用多種物理來模擬真實世界的渲染技術(shù)的集合，更強調(diào)模型和環(huán)境的整體關(guān)系，在不同的環(huán)境、不同觀察角度，模型的光影效果的不同。

圖4 上海音樂廳基于物理渲染技術(shù)的高真實感模型

對于建筑中不改動的部分，采用三維激光掃描的方式，獲得模型點云，并使用高保真減面技術(shù)輕量化模型。主要的實現(xiàn)過程是：對原始點云進行濾波降噪處理，刪除體外孤點；在保留幾何細節(jié)和紋理映射的前提下，生成簡化三角化表面（圖5）。

圖5 上海音樂廳掃描點云模型與航拍實拍照片對比

2.2.2 應(yīng)對模型修改或錯誤問題，使用混合現(xiàn)實技術(shù)進行快速模型檢查

在項目過程中，由于信息傳遞不正確，或人為疏忽產(chǎn)生了大量建模錯誤；在運維的使用過程中，模型就是對現(xiàn)實的真實描述，對模型與現(xiàn)實匹配度要求極高?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)，能夠?qū)⑻摂M的BIM模型與現(xiàn)實世界的建筑實體相疊加，可以快速找到模型中與現(xiàn)場不一致的問題（圖6～圖8）。

圖6 將BIM模型加載到混合現(xiàn)實虛擬空間

圖7 檢查BIM對象的運維信息

圖8 現(xiàn)場使用情況

2.3 建筑信息系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對接技術(shù)

以下主要介紹上海音樂廳修繕項目的BA數(shù)據(jù)集成，其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成流程可參考BA數(shù)據(jù)集成的工作流程。BA點位是動態(tài)數(shù)據(jù)中的主要數(shù)據(jù)來源，上海音樂廳建筑中設(shè)計BA點位個數(shù)約1 300點，所有點位含有3個關(guān)鍵參數(shù)：點位名稱、對接地址、數(shù)據(jù)類型。如果采用傳統(tǒng)BA與BIM的對接方式，預計花費工期2個月。

為了確保運維工作順利開展，項目實施過程中，需要確保BA施工方、BIM建模方、數(shù)據(jù)庫開發(fā)方的全部數(shù)據(jù)對接無誤，確保使用過程中點位更改、數(shù)據(jù)變化等問題可通過平臺快速解決[10]。

上海音樂廳修繕項目中采用了基于BIM的數(shù)據(jù)對接流程，并研發(fā)了相應(yīng)平臺系統(tǒng)：

1）校對BA需要控制的設(shè)備（以下簡稱設(shè)備）是否在BIM中正確建模。此工作應(yīng)使用上節(jié)提到的混合現(xiàn)實檢查技術(shù)在建筑BIM創(chuàng)建階段完成。

2）BA施工人員完成BA系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)建立、編程和調(diào)試工作，確保BA系統(tǒng)正常運行。所有監(jiān)測點位應(yīng)帶有唯一識別碼guid。

3）BIM建模人員與平臺開發(fā)人員完成運維平臺的搭建。BIM建模人員手工完成設(shè)備類型—傳感器類型的關(guān)聯(lián)（以Revit為例，則需建立設(shè)備族與此設(shè)備內(nèi)傳感器類型屬性的關(guān)聯(lián)），平臺開發(fā)人員使用插件自動完成設(shè)備—設(shè)備類型—傳感器類型的關(guān)系的建立，數(shù)據(jù)存儲在云端數(shù)據(jù)庫中。

4）在運維平臺的關(guān)鍵數(shù)據(jù)對接功能中，逐個選取相應(yīng)的設(shè)備，將此設(shè)備中的監(jiān)測點位參數(shù)逐一錄入對接地址和數(shù)據(jù)類型屬性框中。

5）可導出BA施工人員所需的設(shè)備編號與傳感器編號對應(yīng)清單?？蓪С鯞IM建模人員所需BIM構(gòu)件ID與傳感器編號對應(yīng)清單?？蓪С鲩_發(fā)人員所需BIM構(gòu)件ID、設(shè)備編號、傳感器對接地址、數(shù)據(jù)類型清單，并自動生成后臺到數(shù)據(jù)庫中。

6）當傳感器的點位名稱、對接地址、數(shù)據(jù)類型任意參數(shù)發(fā)生變化時，則在運維平臺的三維數(shù)據(jù)錄入功能中，找到發(fā)生變化的設(shè)備，重新輸入相應(yīng)變化參數(shù)，即可完成數(shù)據(jù)更新操作。

本項目利用運維平臺集成了BIM模型關(guān)鍵數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，基于BIM模型開展BA數(shù)據(jù)對接工作，實現(xiàn)了通過一次數(shù)據(jù)綁定，完成了原本需要BA施工方、BIM建模方、數(shù)據(jù)庫開發(fā)方的工作，并減少了大量人工操作導致的錯誤，實現(xiàn)了基于BIM的數(shù)據(jù)綁定，增強了項目的魯棒性（圖9）。

圖9 基于BIM的數(shù)據(jù)對接流程

2.4 運維平臺整合技術(shù)

在上海音樂廳修繕改造項目中，最終向業(yè)主交付了基于BIM的智慧運維平臺。在建筑運維的日常實施過程中，運維平臺不僅充當三維的建筑資料文檔，更以三維可視化方式描述建筑運行機理和能耗走勢，記錄建筑及設(shè)備歷史的維修、維保信息，形成建筑電子“病歷卡”（圖10）。在新大樓竣工后，運維人員使用智慧運維管理平臺輔助日常的維修維保管理、機電設(shè)備管理、能耗管理，使用BIM模型進行設(shè)備操作維保培訓，減少了處理故障的時間，降低了突發(fā)故障的發(fā)生率。

圖10 運維數(shù)據(jù)彈性可視化頁面

當上海音樂廳下一次改造修繕時，運維平臺將會向業(yè)主和設(shè)計師提供建筑的建筑、結(jié)構(gòu)、機電等靜態(tài)BIM信息，同時將提供建筑運行大數(shù)據(jù)所得到的分析數(shù)據(jù)，輔助新一輪改建方案的設(shè)計和實施。

3 結(jié)語

本文結(jié)合上海音樂廳修繕工程，詳細分析了公共歷史建筑運維實施落地過程中產(chǎn)生的問題，闡述了BIM運維平臺正確集成運維關(guān)鍵數(shù)據(jù)的重點、難點，討論了歷史建筑由于缺少資料、缺少維護、改建頻繁等問題，而對BIM運維的落地實施產(chǎn)生的影響。介紹了在上海音樂廳修繕工程中應(yīng)對這些問題的解決方法。實際應(yīng)用表明，本文中所介紹的方法可以較好地輔助BIM運維數(shù)據(jù)集成工作，推動BIM運維平臺落地使用，保障公共歷史建筑運行維護工作順利開展。