基于BIM的公共历史建筑运维关键数据集成方法

宋天任 张 铭 孙沈鹏 谈骏杰 江 凯

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

建筑物的运营维护管理（简称“运维管理”），是整合人员、设施、技术和管理流程，主要包括对人员工作和生活空间进行规划、维护、维修、应急等管理。其目的是满足人员在建筑空间中的基本使用、安全和舒适需求。

大量调研表明，公共历史建筑具有系统复杂、能耗高、安全风险大、运维稳定性和公共安全保障要求高等特点，传统被动式管理模式，突发故障多，管理效率低[1]。公共历史建筑运维周期长，图纸缺失或错误现象严重，运维依赖管理人员经验。而与此同时，大多数公共建筑运维管理委托外包团队完成；外包团队管理人员数量萎缩、青年人员从业意愿下降、老龄化趋势明显，导致外包团队水平参差不齐。公共历史建筑亟需一套智能化程度和集成化程度更高的先进管理手段。

BIM技术的可视化、协调性、模拟性等特点使之成为了有效的历史建筑建模和建筑信息集成工具。在运维管理中引入BIM技术，不仅可以满足用户的基本活动需求，增加投资收益[2]，还能实现设计、施工和运维的信息共享，提高信息的准确性，并为各方人员提供一个便捷的管理平台，以提高对建筑运维管理的效率。

公共历史建筑的BIM运维关键数据应当包含建筑固有的静态数据和建筑使用过程中产生的动态数据。静态数据主要包括建筑各专业信息数据、建筑文化资料等，在建筑竣工时就已经产生；动态数据包括结构健康监测数据、安保管理数据、楼宇自控系统（BA）数据、建筑维保维修数据等。

目前BIM运维技术已经在大量新建建筑中实施，在运维系统能正确地建立、稳定地更新关键运维数据情况下，BIM运维技术已经被证明是一种可以有效记录和管理建筑日常运行状态的工具[3-5]。然而针对公共历史建筑的BIM运维管理实施，仍然停留在初级阶段，不同于新建建筑的建筑信息创建和管理流程相对完善、建筑运维的实施过程与施工过程间相对衔接顺利，历史建筑鲜有新建项目，大部分都是改建、修缮工程，建筑数据的创建和管理工作面临更大的难度，对历史建筑的运维工作开展影响较大，对运维平台持续提供价值影响也较大。

1 现有方法分析

公共建筑运维BIM实施的总体技术路线如图1所示，包括4个阶段、9项工作。其中最核心的工作是建筑BIM创建、运维信息录入、运信息系统数据对接、运维BIM系统定制开大和管理体系建设。建筑BIM创建、运维信息录入、运维信息系统数据对接是关键数据集成工作的内容。

图1 既有历史建筑运维BIM实施技术路线

1.1 建筑BIM创建和运维信息录入阶段

当前历史建筑的建筑信息模型数据创建的主要方法如下：

1.1.1 逆向建模获取点云数据

目前，历史建筑实景建模的主要方法为利用三维激光扫描、近景摄影测量等手段获取建筑外形点云数据，再通过网格封装形成高精度的网格模型，能够真实、精细地反映建筑的几何外形、色彩与纹理等信息数据。

林文修等[6]利用激光扫描技术完成了重庆某建筑运维项目的运维BIM建立，实现了既有建筑的逆向建模。但是因为点云数据的散乱、非结构化以及无强特征属性，导致通过逆向建模技术生成的模型在应用上存在一定问题，模型单体化困难，难以附加建筑信息，仅停留在观看、漫游的应用层级，因此大大限制了其在建筑BIM运维中的应用（图2）。

图2 某建筑文保区点云立面

1.1.2 采用Revit等BIM建模软件对既有建筑进行翻模

目前，大部分BIM建模方法主要针对在建建筑的正向建模，正向建模是最传统的计算机三维设计建模，根据设计者的构想，预先定制好设计的内容及尺寸信息，在计算机环境下进行三维模型的建立[7]。正向建模的BIM可以向建筑生命周期参与单位提供完善信息，但正向方法不适用于既有建筑，主要原因如下：

1）既有建筑是已经建设完成、真实存在的建筑，并且既有建筑竣工图纸普遍与现况不符，资料缺失。导致按照正向建模方法创建的BIM模型与现况有偏差，不能满足运维管理的需要。

2）采集既有建筑空间几何信息困难。应用于运维管理的既有建筑对数据精度要求较高，要求能够准确地反映房屋的实际情况。很多既有建筑，如历史保护建筑往往具有独特的造型、风格或建筑细节，传统测绘方法受人为因素及测量手段的影响精度较低。

周红波等[8]利用逆向建模的结果，在点云模型的基础上建立了Revit模型，实现了既有建筑的BIM建模。但问题集中于：当应用于改建频繁、外形复杂的历史建筑时，难以实现快速建模，BIM修改成本极高；建模过程复杂，需要使用4种以上软件，依赖于软件之间的格式认同；由于图纸缺失、现场施工中的复杂情况，导致建模效率低下、错误率高。

历史建筑资料来源复杂，相对于新建建筑在BIM建模阶段更容易出现建模失误，而在当前业内对BIM复核工作中，大多采用人工抽查的方式进行检查，全部检查的成本过高，亟需工具与创新方法。

1.2 建筑数据集成对接

建筑数据集成技术是以传感网络为基础的物联网技术，结合楼宇自控中的监控系统，在建筑运维过程中持续自动获取建筑运行信息；以云计算平台为支撑，对运维阶段产生的数据进行管理，解决BIM运维信息管理中的集成、提取和共享等问题[9]。

建筑数据集成技术已经被证明可以改善传统的作业方式困局，正确、高效、可更新的数据集成实施能够最大程度发挥信息模型的作用，但同时也是应用的难点。当前历史建筑的信息对接系统主要有结构健康监测数据、安保监测数据、资产管理数据、平台设备BA数据。

以BA数据对接为例，当前常见的数据对接方式需要BA施工方、BIM建模方、运维数据库开发方三方进行合作，由BA施工方进行现场的BA设备安装和调试，将点位的名称、点位含义和对接地址整理成表格交付BIM建模方和运维数据库开发方，由开发方进行数据汇总，并定制开发运维平台系统。数据的流通媒介主要是Excel表格，数据的流通内容如图3所示。

图3 传统数据对接工作方式关系

上述数据对接方式，对三方的开发协作要求高、对项目本身数据稳定性要求高，当发生点位变更、BIM变更、数据异常等，对各方的及时响应能力要求高，这极易影响“数字孪生”的真实性，最终影响运维平台正常使用。因此历史建筑的关键运维数据对接有如下值得改进的内容：

1）提高数据对接自动化程度。传统方法需要人工关联大量信息以及人工传递数据，对人工正确性依赖程度高。而面对大量的数据，人工工作发生错误难以避免。

2）通过平台来整合三方工作。由平台集中数据，三方在平台基础上完善数据，更新数据，实现高效地获取另一方的最新数据，提高工作效率。在解决数据变动、点位变动等问题时，高效获取其他方数据更为重要。

2 历史建筑BIM运维实施关键技术

基于以上分析，在历史建筑领域的BIM运维应用势必需要面对资料缺失、数据变动、再次改建变化等问题，下文以上海音乐厅修缮工程为例，探究应对以上问题的解决方案。

2.1 工程概况

上海音乐厅建于1930年，是全国第1座由中国建筑设计师设计的西方古典建筑风格的音乐厅，是上海演艺大世界核心剧场之一，也是“上海文化”品牌的金名片。2019年上海音乐厅修缮工程包含文保区和非文保区两部分，其中文保区主要包括北立面、北厅、观众厅以及东走廊等区域。文保区内包含较多极具历史价值且造型优美、配色丰富的特色保护部位，比如观众厅内被称为“欧特碧之瞳”的海天蓝雕花穹顶、北进门厅的科林斯装饰柱、北立面的汉白玉浮雕等。

上海音乐厅已有90年历史，在2000年以前已经经历多次大修改建；在2003年上海音乐厅进行了平移顶升改造，音乐厅向东南方向移动了66.46 m，并抬高3.38 m，抵达新址。此次改建后，舞台深度加大一倍，新建南厅和西厅，增加演员休息室，重建屋顶，座位增加到1 200座；在2020年上海音乐厅再次进行改建，在保持整体建筑风格不变的基础上，提升硬件设施设备和服务能级水平，新增地下新的音乐展演空间，内部格局改变后功能性更强，运行效率更高，可向喜爱艺术的群众提供更好的环境。

2.2 建筑BIM创建和运维信息录入阶段关键技术

上海音乐厅的BIM创建过程中，应对的主要问题是：图纸资料缺失、已有BIM与现场不符。

2.2.1 应对图纸缺失问题，使用多源模型融合技术

上音乐厅修缮项目中，将施工区域分为新建区域、建筑修缮区域和内部装饰区域，针对3个区域特点，分别采用不同的方法建模，最终将3部分的BIM融合得到了运维BIM。

对于新建的建筑部分，图纸资料完善，根据设计院提供的图纸，采用Revit翻模的方式进行BIM的创建。

对于实行修缮的建筑外墙部分，为了使模型具有高真实感，采用三维建模的方式得到面模型，配合真实的外墙材料团和基于物理渲染方式（图4），实现在压缩数据量的同时，保证视觉效果的保真。物理渲染技术和传统渲染技术实现原理不同，物理渲染技术是1种利用多种物理来模拟真实世界的渲染技术的集合，更强调模型和环境的整体关系，在不同的环境、不同观察角度，模型的光影效果的不同。

图4 上海音乐厅基于物理渲染技术的高真实感模型

对于建筑中不改动的部分，采用三维激光扫描的方式，获得模型点云，并使用高保真减面技术轻量化模型。主要的实现过程是：对原始点云进行滤波降噪处理，删除体外孤点；在保留几何细节和纹理映射的前提下，生成简化三角化表面（图5）。

图5 上海音乐厅扫描点云模型与航拍实拍照片对比

2.2.2 应对模型修改或错误问题，使用混合现实技术进行快速模型检查

在项目过程中，由于信息传递不正确，或人为疏忽产生了大量建模错误；在运维的使用过程中，模型就是对现实的真实描述，对模型与现实匹配度要求极高。混合现实技术，能够将虚拟的BIM模型与现实世界的建筑实体相叠加，可以快速找到模型中与现场不一致的问题（图6～图8）。

图6 将BIM模型加载到混合现实虚拟空间

图7 检查BIM对象的运维信息

图8 现场使用情况

2.3 建筑信息系统关键数据对接技术

以下主要介绍上海音乐厅修缮项目的BA数据集成，其他系统的数据集成流程可参考BA数据集成的工作流程。BA点位是动态数据中的主要数据来源，上海音乐厅建筑中设计BA点位个数约1 300点，所有点位含有3个关键参数：点位名称、对接地址、数据类型。如果采用传统BA与BIM的对接方式，预计花费工期2个月。

为了确保运维工作顺利开展，项目实施过程中，需要确保BA施工方、BIM建模方、数据库开发方的全部数据对接无误，确保使用过程中点位更改、数据变化等问题可通过平台快速解决[10]。

上海音乐厅修缮项目中采用了基于BIM的数据对接流程，并研发了相应平台系统：

1）校对BA需要控制的设备（以下简称设备）是否在BIM中正确建模。此工作应使用上节提到的混合现实检查技术在建筑BIM创建阶段完成。

2）BA施工人员完成BA系统内部的参数建立、编程和调试工作，确保BA系统正常运行。所有监测点位应带有唯一识别码guid。

3）BIM建模人员与平台开发人员完成运维平台的搭建。BIM建模人员手工完成设备类型—传感器类型的关联（以Revit为例，则需建立设备族与此设备内传感器类型属性的关联），平台开发人员使用插件自动完成设备—设备类型—传感器类型的关系的建立，数据存储在云端数据库中。

4）在运维平台的关键数据对接功能中，逐个选取相应的设备，将此设备中的监测点位参数逐一录入对接地址和数据类型属性框中。

5）可导出BA施工人员所需的设备编号与传感器编号对应清单。可导出BIM建模人员所需BIM构件ID与传感器编号对应清单。可导出开发人员所需BIM构件ID、设备编号、传感器对接地址、数据类型清单，并自动生成后台到数据库中。

6）当传感器的点位名称、对接地址、数据类型任意参数发生变化时，则在运维平台的三维数据录入功能中，找到发生变化的设备，重新输入相应变化参数，即可完成数据更新操作。

本项目利用运维平台集成了BIM模型关键数据的优势，基于BIM模型开展BA数据对接工作，实现了通过一次数据绑定，完成了原本需要BA施工方、BIM建模方、数据库开发方的工作，并减少了大量人工操作导致的错误，实现了基于BIM的数据绑定，增强了项目的鲁棒性（图9）。

图9 基于BIM的数据对接流程

2.4 运维平台整合技术

在上海音乐厅修缮改造项目中，最终向业主交付了基于BIM的智慧运维平台。在建筑运维的日常实施过程中，运维平台不仅充当三维的建筑资料文档，更以三维可视化方式描述建筑运行机理和能耗走势，记录建筑及设备历史的维修、维保信息，形成建筑电子“病历卡”（图10）。在新大楼竣工后，运维人员使用智慧运维管理平台辅助日常的维修维保管理、机电设备管理、能耗管理，使用BIM模型进行设备操作维保培训，减少了处理故障的时间，降低了突发故障的发生率。

图10 运维数据弹性可视化页面

当上海音乐厅下一次改造修缮时，运维平台将会向业主和设计师提供建筑的建筑、结构、机电等静态BIM信息，同时将提供建筑运行大数据所得到的分析数据，辅助新一轮改建方案的设计和实施。

3 结语

本文结合上海音乐厅修缮工程，详细分析了公共历史建筑运维实施落地过程中产生的问题，阐述了BIM运维平台正确集成运维关键数据的重点、难点，讨论了历史建筑由于缺少资料、缺少维护、改建频繁等问题，而对BIM运维的落地实施产生的影响。介绍了在上海音乐厅修缮工程中应对这些问题的解决方法。实际应用表明，本文中所介绍的方法可以较好地辅助BIM运维数据集成工作，推动BIM运维平台落地使用，保障公共历史建筑运行维护工作顺利开展。