BIM技术在里弄建筑更新改造中的应用研究

蔡乐刚 朱 杰

(1.上海市房地产科学研究院 上海市住宅修缮工程质量检测中心，上海 200031；2.上海市建设工程安全质量监督总站，上海 200003)

引言

BIM技术作为一种共享性的数字化表达技术，可实现各个阶段、不同专业之间的信息集成和共享，在全球工程建设领域中的应用逐渐增长，据统计，全球BIM市场预计将在2022年达到117亿美元，预计2018年至2022年的复合增长率达21.6%[1]。近年来，我国政府亦积极推广BIM技术应用，已从试点示范逐步向全国各城市房建、市政、基础设施等工程中推广。上海进一步明确要求总投资额1亿元及以上或者单体建筑面积2万m2及以上的新建、改建、扩建的建设工程等应当应用BIM技术，并发布了《上海市建筑信息模型技术应用指南(2017版)》、《上海市保障房住房项目BIM技术应用验收评审标准》、《预制装配式混凝土建筑设计、生产、施工BIM技术应用指南》等指导文件。

目前，BIM技术主要应用在重大工程、重点区域以及保障房建设方面，在建筑遗产保护领域也有较多研究应用，如BIM和GIS技术整合应用时存在的数据转换问题及其在文物建筑信息管理与展示系统中的应用研究[2-3]，思南路古建筑群改造项目探索多维技术解决旧房改造疑难问题的全过程解决方案[4]，玉佛寺大雄宝殿平移工程引入BIM技术实现项目管理各方远程监控施工过程[5]，建业里石库门建筑改造管理应用“BIM+”技术推动信息化、精细化管理发展[6]等。在既有建筑改造方面，也有专家学者进行了研究，如文献以实际工程为背景，研究了基于BIM技术的工业钢结构建筑改造设计方法[7]，文献分析了历史建筑修缮改造面临的施工难点及BIM解决方案，利用BIM协同管理平台高效实现进度管理、质量管理及文档管理[8]。然而，里弄建筑更新改造既有别于历史建筑修缮改造，也有别于一般既有建筑改造，其不仅需考虑历史风貌保护，还需考虑如何在有限条件下最大程度优化设计以改善居民条件，实施难度更大。本文在分析当前形势下里弄建筑更新改造项目特征及所面临主要困难，研究BIM技术在里弄建筑更新改造中的应用性。

1 里弄建筑更新改造面临的主要困难

里弄建筑作为城市特殊文化遗产，更新改造需同时考虑历史风貌保护与建筑安全、居住使用功能提升，即兼具保护要求和改造提升要求。在实施过程中，主要存在以下问题：

(1)居民沟通的问题。一方面，里弄建筑居住密度大、户均居住面积普遍较小，居民对改造后其居住条件改善情况极为敏感，对改造方案设计提出更高要求； 另一方面，传统设计为二维平面图纸，而居民普遍缺乏专业知识，沟通效率低，甚至存在误解的现象，改造后效果与居民原设想存在差异，造成居民矛盾。

图1 里弄建筑BIM模型构建基本流程示意图

(2)项目实施周期长的问题。里弄建筑改造为既有建筑改造的一种类型，传统设计方法为递进式流程，各设计活动有固定的开展顺序和明确任务，无法实现协同设计，造成各专业间的设计协调矛盾突出，设计效率低。并且，里弄建筑改造往往存在反复修改设计方案的情况，进一步加剧项目实施周期长的问题。

(3)建筑信息难以有机更新与留存的问题。一方面，里弄建筑建造年代久，原始图纸资料多为纸质版，长期使用过程中因使用人或产权人变更造成相关信息的遗失或损坏。另一方面，里弄建筑改造参与者众多，不仅包括各专业人员、建设方、管理方，还包括广大普通百姓，对里弄建筑的信息需求提出更高要求，且建筑数据信息与图纸模型分离，阶段性成果较多、文件类型差异大，工程文档信息整合与利用难度大。因此，历史信息难以追溯、现有资料难以有机整合，是里弄建筑运维管理与可持续保护利用所面临的问题之一。

2 里弄建筑BIM模型构建的技术方法

因里弄建筑更新改造需同时考虑历史风貌保护、改善民生的特殊要求，其BIM模型构建应兼具精细保护与合理利用的特征，可综合运用BIM、二维图纸及三维激光扫描、摄影测量、无人机摄影等信息化技术进行模型构建。

2.1 里弄建筑BIM模型构建基本流程

根据里弄建筑的保护与利用要求，明确其重点保护部位或特色部位，明确模型构建深度、要求等。对于重点保护部位或特色部位，或难以测量的构件或部位，可结合信息化测绘技术采集构件信息，基于采集信息进行精细化建模； 对于一般构件，可通过二维图纸翻模。最后，通过BIM模型将构件属性信息与构件关联，实现多维信息的融合。里弄建筑BIM模型构建流程一般可分为三步：信息采集、模型构建和复核修正(图1)。

2.2 模型信息采集

信息采集是准确构建里弄建筑BIM模型的基础与核心，可分为三个方面：图纸信息、属性信息、点云数据。其中，点云数据可根据现场环境条件选择三维激光扫描、摄影测量、无人机摄影等技术进行采集。

(1)图纸信息

图纸信息主要为建筑竣工图纸包括建筑、结构、设备图纸，是建筑构件几何尺寸、空间位置等信息的主要来源。然而，因里弄建筑建造年代久，原始纸质图纸可能存在污损，甚至缺失的现象，并且长期使用过程中可能存在因改扩建等行为导致房屋现状与初始状态存在较大差异的情况，故应通过现场查勘对图纸信息进行复核或补充测绘采集信息。

(2)属性信息

属性信息主要指建筑构件的构造、材质类型、材料性能、表观色彩等，一般可通过日常检查资料、现场勘查及房屋质量检测的方式获得。

(3)点云数据

点云数据获取方式主要为非接触式，主要包括三维激光扫描、数字摄影测量、无人机倾斜摄影等形式。三维激光扫描技术主要通过连续的激光读取物体表面特征点的位置信息，将其存储在空间坐标系下形成点云数据； 数字摄影测量技术是利用像片进行三维空间测量的一种技术手段，可快速采集里弄建筑结构、构造、材质、纹理等信息，应用条件更广泛； 无人机倾斜摄影技术是将无人机技术和倾斜摄影技术有效结合，通过搭载多镜头多角度倾斜摄影相机、稳定云台的无人机对测量目标进行拍摄，通过数据处理系统能够较好地实现影像定位量测、轮廓提取等功能。

2.3 模型构建

(1)点云数据处理

无论哪种扫描方式，原始密集点云数据体量非常庞大，且在扫描过程中会有很多误差点，需对原始点云数据进行分析处理。首先，利用专业软件或人工的方法对扫描中出现的失真点、噪点及冗余点云数据进行必要的初步处理； 其次，利用各种算法如基于自由形态曲面的ICP算法、SURF算法等对点云进行稀疏处理[9]，针对建模目标，可分割与选取相应区域内点云降低模型体量； 在此基础上，可进一步采用特征线提取法[10]对点云模型进行精简处理。

点云数据经去噪、配准及精简处理后，导入BIM软件中进行模型绘制时，点云作为参照链接，而非嵌入文件，参考的点云文件自始至终为同一点云文件，缩小误差。

(2)BIM模型构建

首先，将二维平面AutoCAD图纸导入BIM软件Autodesk Revit，确定轴网、标高等基本信息，根据建筑、结构、设施设备图纸对一般构件如墙体、柱、板、设备管线等进行建模。其次，针对基于点云数据建模的构件，可通过Scene点云处理软件、WdgeWise软件等处理后导入Revit软件进行模型构建，可通过勾勒新建构件族，或以点云模型为依据对模型比对修正。最后，通过构件族设置，添加构件属性信息，如墙体采用基本墙，选择墙体类型与构造，墙体构造主要包括面层、保温层、结构层、衬底等，结合材性检测数据在构造材质项设置材质、表观色彩等信息。如图2为结合三维激光扫描技术采集上海某石库门里弄建筑门头的点云数据进行构件模型构建。

图2 上海某石库门里弄建筑门头模型构建

2.4 复核修正

里弄建筑BIM模型构建完成后，应进一步复核建筑准确性，如将模型与现场勘查、现状照片或者建筑点云模型进行比对，检查修正模型，建立与现状一致的建筑、结构、设备BIM模型，如图3。同时，针对建筑属性信息如材料强度、表观形态、构件或设备制作工艺、制造商等，可结合后期检查、检测及修缮过程进一步整合完善。

图3 上海某石库门里弄建筑BIM模型

3 BIM技术在里弄建筑更新改造中的应用

3.1 前期设计阶段

(1)基于三维可视化BIM模型促进居民沟通与协调参与

居民沟通协调是里弄建筑更新改造过程中的最主要困难之一，采用BIM技术设计的三维模型，可以让居民通过多角度、全方位的模型效果去感受更直观的效果，结合VR和AR技术还可使居民以沉浸式的方式互动体验改造效果。同时，基于更为直观表达的三维可视化模型，居民可在前期策划阶段参与改造效果讨论，增强居民参与度，提前化解矛盾，如图4。

图4 基于三维可视化BIM模型易于各方交流讨论

(2)改造方案优化设计

传统设计方法往往各专业独立设计，难以实现协同设计，且设计效果无法实时展现，造成不合理设计内容难以及时发现，导致施工矛盾、返工、工程影响，甚至引起居民矛盾，如顶部管线问题影响阁楼使用舒适性、底层外开上悬窗设计易造成过往行人磕碰隐患(图5)。利用BIM技术协同设计与碰撞检查，提前发现设计碰撞问题，结合三维可视化模型，更直观校对改造后的效果，提前分析设计存在的不足，在设计初期优化方案，减少后期反复变更。

图5 传统设计缺陷难以有效发现

(3)改造设计性能分析

里弄建筑更新改造更关注建筑居住使用功能提升，既有的建筑改造对居住性能分析多依据经验人为判断，存在较大的主观性[11]。结合BIM模型，各专业设计人员可进一步构建模型，通过专业软件进行建筑性能模拟分析，如采用Autodesk Ecotect Analysis软件进行能效、碳排放、日照等模拟，优化里弄建筑居住使用性能设计。

3.2 改造施工阶段

(1)场布模拟优化

里弄小区空间有限，改造过程中部分居民依然居住生活其中，为尽量不影响居民正常居住生活，可结合小区BIM模型优化材料设备堆场布置、施工流水设计及施工模拟，对施工场地周边及安全设施进行核实和优化调整。

(2)精细化工程施工管理

以里弄建筑BIM模型为基础信息载体开发协同管理平台，设计进度管控、安全监管、文档管理等功能模块，各参与方基于同一平台协作管理，提高管理效率与保障安全施工(图6)。其中，结合人脸识别、空间定位、移动互联等技术实现智能化管理，促进高效安全施工。

图6 结合BIM模型开发项目协同管理平台

3.3 运维管理阶段

(1)建筑信息动态存储与更新

基于BIM技术构建的三维模型为一个数字模型，可整合建筑几何信息、属性信息、文档信息等所有相关信息，且信息直接在实体构件的属性中表达，避免信息的分离与丢失，实现里弄建筑信息动态存储与更新，可作为里弄建筑运维管理的统一基准模型，提供数据支撑。

(2)多功能集成运维管理平台开发

应用BIM模型三维可视化、多元数据整合与动态更新等特征，结合物联网监测技术、移动互联等，进一步开发基于BIM技术的里弄小区运维管理平台，实现里弄小区三维可视化管理，设施设施周期性维护提示及快速空间定位跟踪巡检等。

4 结语

里弄建筑更新改造兼顾历史风貌保护与建筑功能提升的要求，实施难度相对一般既有建筑改造更大。文章梳理了当前里弄建筑改造所面临的困难，分析里弄建筑BIM模型构建的整体思路与技术方法，并从前期设计、改造施工及运维管理三个阶段分析BIM技术在里弄建筑更新改造中的应用功能。可以看出，BIM技术所具有的三维可视化、信息有机融合、协同设计等特征优势，可有效解决当前里弄建筑更新改造所面临的困难，其中建筑信息的采集是构建BIM模型的基础与核心。随着物联网技术、遥感技术、移动互联等技术的快速发展，后期可进一步研究BIM组合技术在城市更新、精细化管理与智慧城市建设等方面的应用。