BIM5D施工模拟在历史建筑修复中的运用

王雪婷，林 耕

（天津城建大学 建筑学院，天津 300384）

“建筑是用石头写的史书”，人类所有的文明都被建筑艺术印刻在这本史书上，是历史发展的见证者.前苏联美学家鲍列夫指出：“我们常把建筑看作人类的发展史，当诗歌和传说都被遗忘，没有任何东西指引我们去回看曾经，只有建筑还在那里，见证着人类文明的过去.”[1]当建筑被赋予历史印记，它所承载的价值就远远超越了设计师原本的设计意图，成为精神与文化的承载体.

历史建筑作为见证地域文化发展的一种不可再生的文化遗产，对人们了解传统、了解文化有着不可替代的作用.我国开始关注文化遗产的保护工作是在20 世纪30 年代，以减少对历史建筑的人为损坏与破坏，使建筑所蕴含的历史信息可以长久保存为保护工作的核心目标[2].随着对历史建筑的深入了解，在20世纪80 年代召开了第一次中国近代建筑史研讨会，颁布了《中华人民共和国文物保护法》.几十年来，我国针对历史建筑保护在理论方面取得了显著的成果，在实践方面也积累了丰富的经验，但仍存在着完善的理论体系与不足的修复技术能力之间的诸多问题.

1 历史建筑保护与利用中存在的问题

根据相关理论与实践经验，历史建筑保护的一般流程为：前期调研，建筑遗产价值评估，残损现状调查，技术分析，初步修复方案与技术清单，制定进度计划，优化方案，设计评审与报批，修复方案应用与施工，这是一个关联多维度、多专业的巨大工程.然而，建筑遗产的保护工作在多专业合作的过程中，容易出现由于建筑信息采集不全而造成的建筑真实性缺失.同时，数据资料记录和管理的方式容易割裂建筑本身空间信息的相关属性，导致不同类型的数据混淆，且不便查询.仅仅在修复方案的应用与实施过程中就存在由于各专业人员交流不到位，从而造成修复施工过程中建筑的二次损坏，以及修复结果未达到预期，造成后续工作的连续返工、工期延长等诸多问题.

2 BIM5D在历史建筑保护中的应用优势

历史建筑保护中存在的上述诸多问题，大部分原因在于历史建筑与数据信息的不统一，加之缺少协同合作的平台，导致建筑信息精确度不高，各专业人员配合效率低下.现如今历史建筑的信息化保护已成为必然趋势，在此大环境下，建筑信息模型（building information modeling，简称BIM）技术的应用实施显得尤为重要.

2.1 从BIM到BIM5D施工模拟的发展

BIM 是建筑信息的数字化表达.作为建筑虚拟替代物的数字化模型，保证所有几何及非几何信息的无损传递；同时作为基于建筑信息模型的多专业协同合作平台，有利于实现数据信息的交流共享.因此，BIM为历史建筑的保护提供了多维度的可视化信息传递及多专业的协同合作平台.

最先提出的施工模拟理论为BIM4D 理论，即计算机三维模型与施工进度关联的应用研究，是在1996年美国斯坦福大学的综合施工工程中心[3].20 年来，4D理论已广泛运用于项目施工，逐步实现了施工作业流水的三维可视化管理.随着BIM 技术的发展和经济意识的提升，施工管理者希望在掌控进度的同时，掌控施工成本，从而使施工模拟突破4D 界限，延伸至5D（4D 模型的基础上关联成本信息）.

如今，BIM5D 作为BIM 平台下的施工操作精细化管控工具，为历史建筑的修复施工提供了集信息交互、协同合作为一体的施工过程可视化管理平台，提高了修复工作效率和质量，减少了资金资源的浪费，保证了历史建筑保护工作的顺利进行.

2.2 BIM5D在历史建筑修复中的运用思路

为了打破既有历史建筑修复施工的模式，运用BIM5D 施工模拟的研究思路如图1 所示.在Revit 软件创建的建筑3D 模型的基础上，通过链接Project 进度文件和GBQ 预算文件生成5D 模型；模型导入BIM5D 模拟软件，进行5D 施工模拟.将施工模拟运用于历史建筑修复施工，既可以验证修复进度计划的合理性，确定有效的修复方式；还可以通过构件的预制加工、模拟复杂节点的修复及砖墙的加固，提高修复施工的工作效率，加强对物料资源的控制，达到指导历史建筑修复施工的目的.

图1 BIM5D 在历史建筑修复中的研究思路

3 基于BIM5D的施工模拟分析

建筑施工模拟一般分为施工进度模拟和实时施工模拟.施工进度模拟是将建筑施工过程相关的时间信息和成本信息链接到三维的建筑信息模型中，从而生成可视化的动态模拟，可以直观展示各施工工序间的衔接，避免进度计划过于理想化.同时通过复杂节点的施工模拟，将复杂施工工艺与构件的空间关系的问题提前在模型上解决，合理安排施工工序，保证修复的准确性.

实时施工模拟是指在实际施工阶段，通过对工程计划的关联，进行不同专业、不同节点的计划时间与实际时间的进度对比，分析由于施工进度偏差对成本的影响.这样开展的可视化模拟更贴近项目本身的状态，从而使施工进度模拟更准确、更具有指导意义[4].

3.1 利用BIM5D软件实现施工进度模拟

（1）在Revit 中创建的建筑、结构、机电专业的.rvt格式模型（见图2），导入BIM5D 软件，进行模型整合.后续对模型的更新不受时间与空间顺序的约束，并且所有图像数据与数字数据具有双向关联性，一改皆改.

图2 Revit 建筑与结构整合模型

（2）施工模拟下的导入进度计划是模型与.mpp和.zpep 文件的对接口，通过该接口导入Project 与网络进度计划文件（见图3），实现进度时间与三维模型的完全匹配，此为BIM 模型的4D 模拟.

（3）对工程实体量与预算量的关注是多方参与时侧重点差异的具体表现.资金信息关联至模型后，实时通过模型提取相应的成本信息是对4D 进度模拟最大的突破，此为BIM 模型的5D 模拟.

图3 项目进度计划文件

3.2 基于BIM技术的实时施工模拟

实时施工模拟是基于建筑实时施工模型的，实时施工模型和施工进度模型的区别在于：施工进度模型建立与施工前期，用于施工进度的计划分析；而实时施工模型是与实际施工进度保持一致的动态模型，需要对实时采集施工现场的信息进行集成.2010 年Brilakis 专家组提出了实时施工模型自动创建框架，有效降低了资源成本，为实时施工模拟在实践中的运用增加了可能性.

基于BIM 的实时施工模拟是一个循环的过程，是将已完成施工部分为约束条件的后续施工作业5D 模拟，分析后续的进度计划和指导后续的现场施工作业（见图4）.通过对实时施工进度模型的查看，可以直观跟踪了解到已完成的施工作业和已执行的进度计划，随时掌握施工进度的快慢，查阅各流水段人、材、机的资金资源信息.

4 BIM5D的施工模拟在历史建筑修复中的运用

图4 基于BIM5D 模型的实时施工模拟

历史建筑的修复保护，最重要的是改善建筑所存在的质量安全问题，使其能够更长久存留下去.我国传统的历史建筑修复技术，如加固、挖补、替换等都是为了保存建筑原貌.从文献研究和实例运用中可以发现，BIM5D 技术在历史建筑修复施工中不仅具有可行性，而且比传统施工方式更具明显优势.

4.1 进度计划与修复方案的制定

在历史建筑修复施工之前，首先要制定进度计划.BIM 进度模拟技术是利用BIM 在时间维度、成本控制层面进行的可视化施工模拟来预防各种负面因素对施工进度的影响.通过建筑模型与实体工作任务的匹配，判断模拟施工得出各阶段的工程量与资金资源曲线是否满足实际需求（见图5），既提高进度管理水平和现场的工作效率，还可以最大限度避免进度拖延事件的发生，减少由于工程延误造成的损失.

资金资源曲线是在施工模拟中显示各施工周期的合同预算与成本预算，显示的曲线代表计划成本、实际成本以及二者之间的偏差.根据曲线分布，及时优化调整施工进度计划，以保证实际施工的正常运行（见图6）.

图5 BIM 进度计划制定流程

图6 BIM5D 资金资源曲线

历史建筑的保护等级多样，修复措施根据建筑损坏程度与保护等级分为：维护保养，维修加固，修复，恢复重建，迁建和改造利用.在建筑修复计划制定之前，要确定历史建筑的保护分级，在现有的检测结果的基础上，模拟荷载的传递以及结构的计算，根据实验结果对部分构件参数进行调整，确定修复方案.在中共六大会址修复工程中，由于工期要求极高，且不能在圈梁浇筑的过程中留施工缝，因此，项目部利用BIM模型进行修复方案的模拟，得出荷载与组合分析、内力位移计算结果.在反复对比调整后，最终确认采用在简易钢结构支撑体系临时支撑上部荷载的基础上，承重墙体圈梁一次性浇筑的主体结构修复方法[5].

4.2 建筑构件预制加工

历史建筑构件的修复分为替换修复和缺失修复：替换修复是指对历史修复中存在不合理以及不和谐的部位进行具有可识别、可逆性的构件替换；而缺失修复是指对于大面积肌体损坏后缺失的构件的复制修复.

历史建筑构件，例如木结构穹顶，结构复杂，施工难度大.在对其进行修复之前，根据施工图创建穹顶结构的BIM 模型，进行修复施工模拟，再将圆弧穹顶模型进行3D 打印，生成节点的安装图，方便施工现场的拼装锚固[5]，如图7 所示.

BIM 精细化建模与施工模拟相结合的方法，进一步精确了构件尺寸的放样，使构件的预制加工更加标准化、精确化，从而提高施工效率，减少资源损耗，节约工期.另外，BIM 模型的建立与施工流程模拟，消除了各专业人员的语境障碍，完善了整个建筑行业从上游到下游的沟通和交流环节，提高了沟通与协助效率，实现了项目全生命周期的信息化管理.

通过对构件的精细化建模以及标准化加工，逐渐丰富历史建筑构件信息库.在后期建筑评估检测时，可以直接打开建筑信息模型，各组成构件的名称、结构层次以及构件信息等数据会直观的显示.对建筑受损构件的替换与修复，提供了一个有效的数据支撑平台.

图7 穹顶安装图[5]

4.3 建筑复杂节点修复

历史建筑涉及的构件种类繁多，造型复杂多变.例如全木结构建筑中各构件间的榫卯连接、砖构造建筑涂料粉刷勾缝，修复原理看似简单，但实际操作却费时费力，容易出错造成返工[5].上海宝山衹园金塔作为古代传统高层木结构建筑，结构复杂，对构件轮廓及榫卯关系要求精准表达.技术人员在深化模型的过程中，对塔身角柱与梁、昂与襯方头等复杂节点进行施工模拟，发现不合理之处提前进行修改.如驼峰上的平槃抖与两侧素方及角梁间的交叉关系，通过模拟，对构件间的咬合关系进行优化处理，避免了在实际施工过程中由于拼接不上、局部构件交叉打架造成的返工情况[6].

基于BIM5D 的历史建筑复杂节点修复模拟，在精细化建模的基础上，将每一个复杂节点（如抱柱门窗墙板的工艺、墙体裂缝的修复）进行施工模拟，既表达各构件的空间关系，使修复过程有了可视化的模板；又将可能在施工过程中出现的问题提前在模型与图纸上解决.同时，对每一个节点详图的模型进行3D 打印，优化了的施工工序，也有利于现场施工交底.随着BIM 技术的深入广泛运用，为形成我国历史建筑的“构件资源库”以及“施工作业指导”奠定基础.

4.4 历史建筑砖墙加固

砖砌体，既具承重作用也可充当建筑表皮，是历史建筑最具代表性的构筑材料之一.但由于材料性能的限制，耐久性的不足，历史建筑表面会存在砖面破坏与灰缝破坏的问题（见图8），而灰缝的破坏在一般情况下相对容易处理[7]，因此，砖面的修复与墙面的加固是历史建筑保护领域的核心问题.

图8 砖墙损坏现象[7]

砖墙采用较多的修复技术是：对风化、倾斜严重的外墙砖体清除污渍、风化层，然后将损坏严重的墙面按照“修旧如旧”的原则，采用替砖重砌的方法加以修复.修补的砖块可源自本身拆除部分，或者源自收集的同年代砖块以及仿制的旧砖.砖块的选用应符合历史建筑的保护等级，体现不同的修复理念与原则[8].

根据建筑整体受损情况以及建筑安全性能的判定，对于需要大面积“替砖”的墙面，采用BIM5D 施工模拟的自动排砖技术，依据原始砖墙的参数（砌块大小、灰缝厚度和侧缝搭接长度）和砌筑时的排砖方法（一顺一丁、全顺、顺丁相间），进行砖块的模拟精细排布（见图9）.淮安花漾城项目作为BIM 排砖试点，用BIM 排砖量和GCL 预算模型量进行对比，得出的数据差值高达7.73%，大幅度节约了成本，提高了内控能力.

在BIM5D 模拟排砖的基础上，导出CAD 排砖图和排砖量的记录表，不仅可以对建筑的修复施工进行技术校警，控制砖墙的砌筑质量，还可以为备砖量提供数据支撑.在淮安花漾城项目标准层试点砌筑过程中，根据工作经验的排砖与BIM 排砖图的排砖对比，共节约29 块大砖、33 块小砖，减少2 个工日，合计节约688.6 元[9].由于BIM 自动排砖技术在历史建筑修复中还未涉及，同时考虑到新建建筑与建筑修复间的通性，基于BIM5D 自动排砖的历史建筑砖墙加固，可以提高传统排砖的效率，增强砖块利用率，减少碎砖数量，达到更好的经济效益.

图9 BIM5D 的自动排砖技术

4.5 修复施工资源控制

在一般施工项目中，需要进行物资统计有两种状况：其一为施工前期的物资采购计划，合理规划整个施工区间的资源需求以及工程的耗材总量；其二为施工现场的材料管理，在固定时间段对各流水段进行材料分配，以控制资源的需求总量.

在历史建筑修复的施工过程中，例如屋面瓦片修复，除了可以再利用的旧瓦，还需要添配大量的新瓦.添配之前对现有的瓦样进行收集整理，通过BIM5D 模拟分析，得出在此施工阶段所需要的瓦片、砂石、水泥等资源需求量，作为施工现场前期采购的依据.以物资查询数据为基础进行的现场管控，减少了首次运输量，降低了二次运输的成本，是物料精细化管理和成本精细化管控的体现.

5 结 语

BIM5D 施工模拟是将与进度相关的时间信息和价值相关的成本信息链接到静态的3D 模型，进行5D 动态模拟，从而实现施工作业流水的三维可视化.BIM5D 运用在历史建筑的保护与修复中，使相关人员在项目准备阶段就可以预测修复的可行性；同时，将历史建筑繁琐复杂的修复技艺与施工过程中常遇的技术变更等诸多问题，利用BIM 技术的应用优势加以弥补，不仅可以实现资源的最大化利用，还能够解决建筑修复时出现的构件精度低、结构不合理、施工现场难以管控等问题，真正做到前期指导施工、过程把控施工、结果校核施工，直观、精确地反映整个项目的施工关键路径和过程，实现施工过程的精细化管理.基于BIM5D 的历史建筑修复拓展了BIM 应用的广度和深度，也为其他历史建筑提供了新的保护修缮模式.