BIM技術(shù)在里弄建筑更新改造中的應(yīng)用研究

蔡樂(lè)剛 朱 杰

(1.上海市房地產(chǎn)科學(xué)研究院 上海市住宅修繕工程質(zhì)量檢測(cè)中心，上海 200031；2.上海市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站，上海 200003)

引言

BIM技術(shù)作為一種共享性的數(shù)字化表達(dá)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)階段、不同專(zhuān)業(yè)之間的信息集成和共享，在全球工程建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球BIM市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2022年達(dá)到117億美元，預(yù)計(jì)2018年至2022年的復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)21.6%[1]。近年來(lái)，我國(guó)政府亦積極推廣BIM技術(shù)應(yīng)用，已從試點(diǎn)示范逐步向全國(guó)各城市房建、市政、基礎(chǔ)設(shè)施等工程中推廣。上海進(jìn)一步明確要求總投資額1億元及以上或者單體建筑面積2萬(wàn)m2及以上的新建、改建、擴(kuò)建的建設(shè)工程等應(yīng)當(dāng)應(yīng)用BIM技術(shù)，并發(fā)布了《上海市建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用指南(2017版)》、《上海市保障房住房項(xiàng)目BIM技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)收評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)》、《預(yù)制裝配式混凝土建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工BIM技術(shù)應(yīng)用指南》等指導(dǎo)文件。

目前，BIM技術(shù)主要應(yīng)用在重大工程、重點(diǎn)區(qū)域以及保障房建設(shè)方面，在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域也有較多研究應(yīng)用，如BIM和GIS技術(shù)整合應(yīng)用時(shí)存在的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問(wèn)題及其在文物建筑信息管理與展示系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[2-3]，思南路古建筑群改造項(xiàng)目探索多維技術(shù)解決舊房改造疑難問(wèn)題的全過(guò)程解決方案[4]，玉佛寺大雄寶殿平移工程引入BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理各方遠(yuǎn)程監(jiān)控施工過(guò)程[5]，建業(yè)里石庫(kù)門(mén)建筑改造管理應(yīng)用“BIM+”技術(shù)推動(dòng)信息化、精細(xì)化管理發(fā)展[6]等。在既有建筑改造方面，也有專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)以實(shí)際工程為背景，研究了基于BIM技術(shù)的工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)建筑改造設(shè)計(jì)方法[7]，文獻(xiàn)分析了歷史建筑修繕改造面臨的施工難點(diǎn)及BIM解決方案，利用BIM協(xié)同管理平臺(tái)高效實(shí)現(xiàn)進(jìn)度管理、質(zhì)量管理及文檔管理[8]。然而，里弄建筑更新改造既有別于歷史建筑修繕改造，也有別于一般既有建筑改造，其不僅需考慮歷史風(fēng)貌保護(hù)，還需考慮如何在有限條件下最大程度優(yōu)化設(shè)計(jì)以改善居民條件，實(shí)施難度更大。本文在分析當(dāng)前形勢(shì)下里弄建筑更新改造項(xiàng)目特征及所面臨主要困難，研究BIM技術(shù)在里弄建筑更新改造中的應(yīng)用性。

1 里弄建筑更新改造面臨的主要困難

里弄建筑作為城市特殊文化遺產(chǎn)，更新改造需同時(shí)考慮歷史風(fēng)貌保護(hù)與建筑安全、居住使用功能提升，即兼具保護(hù)要求和改造提升要求。在實(shí)施過(guò)程中，主要存在以下問(wèn)題：

(1)居民溝通的問(wèn)題。一方面，里弄建筑居住密度大、戶(hù)均居住面積普遍較小，居民對(duì)改造后其居住條件改善情況極為敏感，對(duì)改造方案設(shè)計(jì)提出更高要求； 另一方面，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為二維平面圖紙，而居民普遍缺乏專(zhuān)業(yè)知識(shí)，溝通效率低，甚至存在誤解的現(xiàn)象，改造后效果與居民原設(shè)想存在差異，造成居民矛盾。

圖1 里弄建筑BIM模型構(gòu)建基本流程示意圖

(2)項(xiàng)目實(shí)施周期長(zhǎng)的問(wèn)題。里弄建筑改造為既有建筑改造的一種類(lèi)型，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為遞進(jìn)式流程，各設(shè)計(jì)活動(dòng)有固定的開(kāi)展順序和明確任務(wù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，造成各專(zhuān)業(yè)間的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)矛盾突出，設(shè)計(jì)效率低。并且，里弄建筑改造往往存在反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案的情況，進(jìn)一步加劇項(xiàng)目實(shí)施周期長(zhǎng)的問(wèn)題。

(3)建筑信息難以有機(jī)更新與留存的問(wèn)題。一方面，里弄建筑建造年代久，原始圖紙資料多為紙質(zhì)版，長(zhǎng)期使用過(guò)程中因使用人或產(chǎn)權(quán)人變更造成相關(guān)信息的遺失或損壞。另一方面，里弄建筑改造參與者眾多，不僅包括各專(zhuān)業(yè)人員、建設(shè)方、管理方，還包括廣大普通百姓，對(duì)里弄建筑的信息需求提出更高要求，且建筑數(shù)據(jù)信息與圖紙模型分離，階段性成果較多、文件類(lèi)型差異大，工程文檔信息整合與利用難度大。因此，歷史信息難以追溯、現(xiàn)有資料難以有機(jī)整合，是里弄建筑運(yùn)維管理與可持續(xù)保護(hù)利用所面臨的問(wèn)題之一。

2 里弄建筑BIM模型構(gòu)建的技術(shù)方法

因里弄建筑更新改造需同時(shí)考慮歷史風(fēng)貌保護(hù)、改善民生的特殊要求，其BIM模型構(gòu)建應(yīng)兼具精細(xì)保護(hù)與合理利用的特征，可綜合運(yùn)用BIM、二維圖紙及三維激光掃描、攝影測(cè)量、無(wú)人機(jī)攝影等信息化技術(shù)進(jìn)行模型構(gòu)建。

2.1 里弄建筑BIM模型構(gòu)建基本流程

根據(jù)里弄建筑的保護(hù)與利用要求，明確其重點(diǎn)保護(hù)部位或特色部位，明確模型構(gòu)建深度、要求等。對(duì)于重點(diǎn)保護(hù)部位或特色部位，或難以測(cè)量的構(gòu)件或部位，可結(jié)合信息化測(cè)繪技術(shù)采集構(gòu)件信息，基于采集信息進(jìn)行精細(xì)化建模； 對(duì)于一般構(gòu)件，可通過(guò)二維圖紙翻模。最后，通過(guò)BIM模型將構(gòu)件屬性信息與構(gòu)件關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多維信息的融合。里弄建筑BIM模型構(gòu)建流程一般可分為三步：信息采集、模型構(gòu)建和復(fù)核修正(圖1)。

2.2 模型信息采集

信息采集是準(zhǔn)確構(gòu)建里弄建筑BIM模型的基礎(chǔ)與核心，可分為三個(gè)方面：圖紙信息、屬性信息、點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件選擇三維激光掃描、攝影測(cè)量、無(wú)人機(jī)攝影等技術(shù)進(jìn)行采集。

(1)圖紙信息

圖紙信息主要為建筑竣工圖紙包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備圖紙，是建筑構(gòu)件幾何尺寸、空間位置等信息的主要來(lái)源。然而，因里弄建筑建造年代久，原始紙質(zhì)圖紙可能存在污損，甚至缺失的現(xiàn)象，并且長(zhǎng)期使用過(guò)程中可能存在因改擴(kuò)建等行為導(dǎo)致房屋現(xiàn)狀與初始狀態(tài)存在較大差異的情況，故應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘對(duì)圖紙信息進(jìn)行復(fù)核或補(bǔ)充測(cè)繪采集信息。

(2)屬性信息

屬性信息主要指建筑構(gòu)件的構(gòu)造、材質(zhì)類(lèi)型、材料性能、表觀色彩等，一般可通過(guò)日常檢查資料、現(xiàn)場(chǎng)勘查及房屋質(zhì)量檢測(cè)的方式獲得。

(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方式主要為非接觸式，主要包括三維激光掃描、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、無(wú)人機(jī)傾斜攝影等形式。三維激光掃描技術(shù)主要通過(guò)連續(xù)的激光讀取物體表面特征點(diǎn)的位置信息，將其存儲(chǔ)在空間坐標(biāo)系下形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)是利用像片進(jìn)行三維空間測(cè)量的一種技術(shù)手段，可快速采集里弄建筑結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、材質(zhì)、紋理等信息，應(yīng)用條件更廣泛； 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是將無(wú)人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)有效結(jié)合，通過(guò)搭載多鏡頭多角度傾斜攝影相機(jī)、穩(wěn)定云臺(tái)的無(wú)人機(jī)對(duì)測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行拍攝，通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)影像定位量測(cè)、輪廓提取等功能。

2.3 模型構(gòu)建

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

無(wú)論哪種掃描方式，原始密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)體量非常龐大，且在掃描過(guò)程中會(huì)有很多誤差點(diǎn)，需對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。首先，利用專(zhuān)業(yè)軟件或人工的方法對(duì)掃描中出現(xiàn)的失真點(diǎn)、噪點(diǎn)及冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的初步處理； 其次，利用各種算法如基于自由形態(tài)曲面的ICP算法、SURF算法等對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行稀疏處理[9]，針對(duì)建模目標(biāo)，可分割與選取相應(yīng)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)云降低模型體量； 在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步采用特征線提取法[10]對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行精簡(jiǎn)處理。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)去噪、配準(zhǔn)及精簡(jiǎn)處理后，導(dǎo)入BIM軟件中進(jìn)行模型繪制時(shí)，點(diǎn)云作為參照鏈接，而非嵌入文件，參考的點(diǎn)云文件自始至終為同一點(diǎn)云文件，縮小誤差。

(2)BIM模型構(gòu)建

首先，將二維平面AutoCAD圖紙導(dǎo)入BIM軟件Autodesk Revit，確定軸網(wǎng)、標(biāo)高等基本信息，根據(jù)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備圖紙對(duì)一般構(gòu)件如墻體、柱、板、設(shè)備管線等進(jìn)行建模。其次，針對(duì)基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模的構(gòu)件，可通過(guò)Scene點(diǎn)云處理軟件、WdgeWise軟件等處理后導(dǎo)入Revit軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，可通過(guò)勾勒新建構(gòu)件族，或以點(diǎn)云模型為依據(jù)對(duì)模型比對(duì)修正。最后，通過(guò)構(gòu)件族設(shè)置，添加構(gòu)件屬性信息，如墻體采用基本墻，選擇墻體類(lèi)型與構(gòu)造，墻體構(gòu)造主要包括面層、保溫層、結(jié)構(gòu)層、襯底等，結(jié)合材性檢測(cè)數(shù)據(jù)在構(gòu)造材質(zhì)項(xiàng)設(shè)置材質(zhì)、表觀色彩等信息。如圖2為結(jié)合三維激光掃描技術(shù)采集上海某石庫(kù)門(mén)里弄建筑門(mén)頭的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)件模型構(gòu)建。

圖2 上海某石庫(kù)門(mén)里弄建筑門(mén)頭模型構(gòu)建

2.4 復(fù)核修正

里弄建筑BIM模型構(gòu)建完成后，應(yīng)進(jìn)一步復(fù)核建筑準(zhǔn)確性，如將模型與現(xiàn)場(chǎng)勘查、現(xiàn)狀照片或者建筑點(diǎn)云模型進(jìn)行比對(duì)，檢查修正模型，建立與現(xiàn)狀一致的建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備BIM模型，如圖3。同時(shí)，針對(duì)建筑屬性信息如材料強(qiáng)度、表觀形態(tài)、構(gòu)件或設(shè)備制作工藝、制造商等，可結(jié)合后期檢查、檢測(cè)及修繕過(guò)程進(jìn)一步整合完善。

圖3 上海某石庫(kù)門(mén)里弄建筑BIM模型

3 BIM技術(shù)在里弄建筑更新改造中的應(yīng)用

3.1 前期設(shè)計(jì)階段

(1)基于三維可視化BIM模型促進(jìn)居民溝通與協(xié)調(diào)參與

居民溝通協(xié)調(diào)是里弄建筑更新改造過(guò)程中的最主要困難之一，采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)的三維模型，可以讓居民通過(guò)多角度、全方位的模型效果去感受更直觀的效果，結(jié)合VR和AR技術(shù)還可使居民以沉浸式的方式互動(dòng)體驗(yàn)改造效果。同時(shí)，基于更為直觀表達(dá)的三維可視化模型，居民可在前期策劃階段參與改造效果討論，增強(qiáng)居民參與度，提前化解矛盾，如圖4。

圖4 基于三維可視化BIM模型易于各方交流討論

(2)改造方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法往往各專(zhuān)業(yè)獨(dú)立設(shè)計(jì)，難以實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)效果無(wú)法實(shí)時(shí)展現(xiàn)，造成不合理設(shè)計(jì)內(nèi)容難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致施工矛盾、返工、工程影響，甚至引起居民矛盾，如頂部管線問(wèn)題影響閣樓使用舒適性、底層外開(kāi)上懸窗設(shè)計(jì)易造成過(guò)往行人磕碰隱患(圖5)。利用BIM技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)與碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)碰撞問(wèn)題，結(jié)合三維可視化模型，更直觀校對(duì)改造后的效果，提前分析設(shè)計(jì)存在的不足，在設(shè)計(jì)初期優(yōu)化方案，減少后期反復(fù)變更。

圖5 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷難以有效發(fā)現(xiàn)

(3)改造設(shè)計(jì)性能分析

里弄建筑更新改造更關(guān)注建筑居住使用功能提升，既有的建筑改造對(duì)居住性能分析多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為判斷，存在較大的主觀性[11]。結(jié)合BIM模型，各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員可進(jìn)一步構(gòu)建模型，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行建筑性能模擬分析，如采用Autodesk Ecotect Analysis軟件進(jìn)行能效、碳排放、日照等模擬，優(yōu)化里弄建筑居住使用性能設(shè)計(jì)。

3.2 改造施工階段

(1)場(chǎng)布模擬優(yōu)化

里弄小區(qū)空間有限，改造過(guò)程中部分居民依然居住生活其中，為盡量不影響居民正常居住生活，可結(jié)合小區(qū)BIM模型優(yōu)化材料設(shè)備堆場(chǎng)布置、施工流水設(shè)計(jì)及施工模擬，對(duì)施工場(chǎng)地周邊及安全設(shè)施進(jìn)行核實(shí)和優(yōu)化調(diào)整。

(2)精細(xì)化工程施工管理

以里弄建筑BIM模型為基礎(chǔ)信息載體開(kāi)發(fā)協(xié)同管理平臺(tái)，設(shè)計(jì)進(jìn)度管控、安全監(jiān)管、文檔管理等功能模塊，各參與方基于同一平臺(tái)協(xié)作管理，提高管理效率與保障安全施工(圖6)。其中，結(jié)合人臉識(shí)別、空間定位、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化管理，促進(jìn)高效安全施工。

圖6 結(jié)合BIM模型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目協(xié)同管理平臺(tái)

3.3 運(yùn)維管理階段

(1)建筑信息動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)與更新

基于BIM技術(shù)構(gòu)建的三維模型為一個(gè)數(shù)字模型，可整合建筑幾何信息、屬性信息、文檔信息等所有相關(guān)信息，且信息直接在實(shí)體構(gòu)件的屬性中表達(dá)，避免信息的分離與丟失，實(shí)現(xiàn)里弄建筑信息動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)與更新，可作為里弄建筑運(yùn)維管理的統(tǒng)一基準(zhǔn)模型，提供數(shù)據(jù)支撐。

(2)多功能集成運(yùn)維管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)

應(yīng)用BIM模型三維可視化、多元數(shù)據(jù)整合與動(dòng)態(tài)更新等特征，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)等，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基于BIM技術(shù)的里弄小區(qū)運(yùn)維管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)里弄小區(qū)三維可視化管理，設(shè)施設(shè)施周期性維護(hù)提示及快速空間定位跟蹤巡檢等。

4 結(jié)語(yǔ)

里弄建筑更新改造兼顧歷史風(fēng)貌保護(hù)與建筑功能提升的要求，實(shí)施難度相對(duì)一般既有建筑改造更大。文章梳理了當(dāng)前里弄建筑改造所面臨的困難，分析里弄建筑BIM模型構(gòu)建的整體思路與技術(shù)方法，并從前期設(shè)計(jì)、改造施工及運(yùn)維管理三個(gè)階段分析BIM技術(shù)在里弄建筑更新改造中的應(yīng)用功能?？梢钥闯?，BIM技術(shù)所具有的三維可視化、信息有機(jī)融合、協(xié)同設(shè)計(jì)等特征優(yōu)勢(shì)，可有效解決當(dāng)前里弄建筑更新改造所面臨的困難，其中建筑信息的采集是構(gòu)建BIM模型的基礎(chǔ)與核心。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遙感技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)的快速發(fā)展，后期可進(jìn)一步研究BIM組合技術(shù)在城市更新、精細(xì)化管理與智慧城市建設(shè)等方面的應(yīng)用。