BIM技术在文物建筑保护中应用

第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集上海.2011PAGEBIM技术在文物建筑保护中的应用研究赵景学姜立王会一建研科技股份有限公司[摘要]研究在建筑信息模型BIM（BuildingInformationModeling）中记录文物建筑生命周期中的的所有信息的方法，基于三维数字技术的全息几何模型的浏览，整体建筑的历史人文信息、设计与建造信息、灾害与维修信息的记录与查询，局部构件的物理属性、历史信息、施工工艺等记录与查询，基于的BIM的文物建筑管理，基于BIM的文物建筑分析。为文物保护所有决策提供可靠依据，为文物建筑的研究提供最全面的信息。[关键词]BIM文物建筑保护虚拟营造历史信息全生命周期1引言在过去的20多年的文物建筑保护中，CAD技术的普及和推广将文物建筑保护和维护人员从传统的手工绘图中解放出来，可以说是文物建筑保护领域的第一次数字革命。而现在，建筑信息模型（BIM）的出现将引发整个文物建筑保护领域的第二次数字革命。BIM不仅带来现有技术的进步和更新换代，它也间接影响了生产维护组织模式和管理方式，并将更长远地影响人们思维模式的转变。BIM技术的核心是通过在计算机中建立虚拟的建筑三维模型，同时利用数字化技术为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象（例如空间、运动行为）的信息。借助这个富含建筑工程信息的三维模型，建筑的信息集成化程度大大提高，应用到文物建筑保护中可以为保护的相关方提供一个保护信息交换和共享的平台。结合更多的相关数字化技术，BIM模型中包含的建筑信息还可以被用于模拟文物建筑在真实世界中的状态和变化，使得建筑物在进行保护的全生命周期中，相关方就能对文物建筑的现状、变化规律及发展趋势做出完整的分析和评估。

随着BIM在国内逐渐被认可与应用，特别是近年来在国内工程建造行业高速发展的背景下，BIM已经在国内一些大型工程项目中得到积极应用，涌现出很多成功案例。美国bSa（buildingSMARTalliance）曾经对目前美国工程建设行业领域的BIM应用情况做过详细调查，并总结出目前美国市场上BIM的25种不同应用并加以分析研究，用于指导工程项目在不同阶段选择合适的BIM应用。国内目前还缺少在这一领域的深入研究，我们可以借鉴美国对BIM应用的分类框架，结合目前国内BIM技术的发展现状、市场对BIM应用的接受程度以及国内的特点，将BIM技术结合文物建筑保护的需要进行分析，对实用性进行研究，最后得出最适合中国文物建筑保护的具体措施，再加以推广。2文物建筑保护中的难点行业信息化中，我们的研究表明，文物建筑保护是信息化最难的一个行业，难度远超制造业、家电等其他的行业，而我们现阶段信息化的文物保护理念、方法论和应用技术大都还在翻版其他行业的模式和技术为主，遇到的困境是难以避免的。明白发展什么样的信息技术、方法论和模式才能应对文物建筑保护信息化困境，理清文物建筑保护信息化的特点和难点是关键，理论和实证表明以下行业特点和难点是对文物保护信息化产业具有重大影响。2.1海量基础数据的创建、计算、整合、共享相当困难文物建筑的各类信息都面临同样的境况，关系到核心数据管理的海量基础数据我们如果不能很好的掌控：及时准确的获取、分析、共享，管理提升和信息化都将成为一句空话。信息数据的计算和文物建筑保护管理过程的数据分析工作量大，难度高，这是一个4D关联数据计算分析问题。传统的处理难以应对全过程管理的需求，也难以满足获取基础数据的需求。每个部分的保护和维护都面临着选择和调配，每个地区也不同。这样的海量数据的及时、准确地获取和分析有巨大的挑战。维护方同样面临海量信息处理难题。文物建筑保护是数据很大的一个行业，人工收集处理信息根本无力以对，但现阶段我们还只有在用人力战术。2.2知识库建设困难文物建筑保护业务管理需要很多知识库支撑：文物知识库、文物维护工法库、古建知识库、材料知识库、岗位职责知识库等。这些知识库不仅数据量大，而且根据时间的推移和技术的革新变化很快。文物建筑保护新工艺、新材料不断快速增加，而维护工作要干多年，一个有经验的项目管理人员每天仍然会遇到很多新问题。文物建筑保护信息化只有在知识积累和共享发挥出巨大作用时才能体现价值。目前，传统的知识库建设方法往往是：集中式歼灭战，修订周期长，依赖专家，纸介质方式共享。这种传统知识库建设方法带来的问题是无法跟上建筑保护需求变化和维护变化，知识库修订好时往往有需要更新了。当前文物建筑保护需求快速增长，聚集专家花很长时间建设一个知识库已越来越不可能。不仅是一个单位没有这样的能力，一个地区主管部门也同样困难。导致现在整个文物建筑保护业至今还靠经验，仅靠人的能力来工作，错误的产生和管理失控越来越常见。传统方法还存在共享能力弱的问题，不方便知识随时随地在全员范围内获取。解决文物建筑保护知识库建设问题必须要创新方法论同时，用先进的信息技术来改变这一切。2.3协同效率低一个大型文物建筑保护项目的参与单位可以是多个。协同是项目管理一大难题，大量的时间和成本被损失在协同效率这一问题上。信息技术是突破这一难题的当然之选，但目前的项目管理系统局限性还很大。一是协同的平台仅基于二维数据。数据可视化和关联性差，技术层级不够，影响效率，容易引起错误理解，存在的问题不容易被发现。二是开放性不够。文物建筑保护管理系统还只能局限于一个单位内部，而一个维护项目的顺利进行显然不是一个单位的事，所有参与方的协同平台的创建应用越来越重要。2.4文物建筑地域性强文建筑保护地点分布十分广泛。不像其他行业在固定的流水线和办公室里办公，文物建筑保护管理是针对不同地域的文物建筑的，地域和建筑的类型和特点都有变化，应用系统随着不同地域文物建筑的变化而变化是信息化一大制约因素。2.5易用性要求高文物建筑保护管理人员计算和平均水平较其他行业会低很多，领导干部操作软件若要键盘、鼠标一起上，学习难度就已偏高，影响了普及速度。触摸技术，一指搞定，才是文物建筑保护信息技术的方向。2.6信息化人才缺乏文物建筑保护业信息化近年的发展表明，信息化进展受到信息化人才缺乏的严重制约。实施文物建筑保护信息化系统，目前各级操作人员都缺，且因文物保护任务繁重，相关人员都在进行文物建筑的本体保护，因此信息化系统部署和实施一定要更便捷，而不需一大堆人上去弄很长时间。3突破的关键技术：应对上述信息化难题，仅以原先成熟的和其他行业的经验已大为不够。所幸的是近年IT技术特别是互联网技术和商业模式的不断推陈出新，为文物建筑保护信息化突破创造了崭新的空间，BIM技术将是突破文物建筑保护业信息化最强有力的关键技术。BIM（BuildingInformationModeling建筑信息模型）技术被国际工程界公认为是一项建筑及维护相关产业生产力革命性技术，无论多重视都不为过。它的关键价值在于提供了一个项目核心基础数据的支撑平台。有了BIM，我们文物建筑保护界才有了一直需要的一个技术支撑平台：一个可随时、快速、普遍访问到的最新、最准确、最完整、最可靠的4D关联的基础数据库。BIM技术的这种价值解决了项目管理长期困扰的两大难题,一是海量基础数据全过程统计分析：方法选定、特征归纳、维护分类等等。二是协同难题。二维纸介质图不能同步，不能对每个文物建筑细节单独进行详细全方位解读，理解差别大，更难远程协同维护。同时BIM可提供强大基础数据支撑，免受人工处理大量数据之苦，又解决系统录入数据时不对应、不及时、不准确的问题。4BIM在文物建筑保护中具体的应用4.1文物建筑三维虚拟模型根据文物建筑保护方案建立和维护BIM模型，实质是使用BIM平台汇总各项目团队所有的维护相关信息，消除项目中的信息孤岛，并且将得到的信息结合三维模型进行整理和储存，以备项目全过程中项目各相关方随时共享。根据文物BIM模型的用途决定BIM模型的细节精度，同时仅靠一个BIM工具并不能完成所有的工作，所以可以采用“分布式”BIM模型的方法，建立符合维护项目现有条件和使用用途的BIM模型。BIM“分布式”模型还体现在BIM模型往往由相关的单位根据各自工作范围单独建立，最后通过统一的标准合成。确保BIM模型信息的准确、时效和安全。4.2文物建筑周边环境分析周边环境分析是研究影响文物建筑保护的主要因素，是研究文物建筑与周围景观的联系。文物建筑周围的地貌、植被、气候条件都是影响保护决策的重要因素，传统的环境分析存在诸如定量分析不足、主观因素过重、无法处理大量数据信息等弊端，通过BIM信息系统，对文物建筑周边及文物建筑物空间数据进行建模，分析保护和维护方案，通过BIM软件的强大功能，迅速得出令人信服的分析结果，从而做出最理想的文物建筑保护方案。4.3虚拟文物建筑研究在文物研究方面，对文物建筑本体进行研究，受到时间和空间的限制，给研究工作带来极大的比便，利用BIM模型，可以使用BIM可以对文物建筑的布局、纹理、色彩以及历史信息进行全方位的研究。BIM甚至可以做到局部的细节推敲，通过BIM来研究文物建筑，可以获得较高的互动效应，以便从文物管理方获得更详实的信息。各种相关的信息更容易的集中在一起，便于研究人员进行探索和分析。4.4增强文物建筑保护的可视化3Dmax、Sketchup这些三维可视化设计软件的出现有力地弥补了因缺乏对传统建筑图纸的理解能力而造成的交流鸿沟，但由于这些软件的理念和功能上的局限，使得这样的三维可视化展现与文物建筑保护及研究之间存在着相当大的差距。另外，传统CAD的平台主要使用平、立、剖等三视图以及文字说明的方式来表达和展现文物建筑信息。这种由于工具原因造成的信息割裂，在遇到文物建筑结构复杂的情况，非常容易出错。BIM不仅拥有了三维可视化的工具，所见即所得，更重要的是通过工具的提升，能使用三维的思考方式来完成文物保护方案，同时也真正摆脱了技术壁垒的限制。4.5文物建筑的虚拟营造文物建筑历史悠久，虽然有一定的规律但是古代的工匠大多不通文墨，不能对建筑的规律通过文字做系统性的总结的表达，几千年来主要以师傅带徒弟，口传心受缺乏统一的标准，加之交通和信息的不畅，造成不同的时期，不同的地域，不同的工匠之间营造规律差别很大。动态的营造过程更是很难完全体现出来。通过BIM技术将三维模型与工程进度相链接，将空间信息与时间信息整合在一个可视的4D（3D+Time）模型中，可以直观、精确地反映整个文物建筑的营造过程。通过BIM可以对文物建筑的重点或难点部分进行模拟。对于一些重要的营造工艺进行模拟和分析，也可以利用BIM技术结合维护组织计划进行预演以提高复杂文物建筑体系的维护可行性。借助BIM对文物建筑的维修进行的模拟，能够非常直观地了解整个维修过程的时间节点和维修工序，并清晰把握在维修过程中的难点和要点，也可以进一步对原有维修方案进行优化和改善，以提高维修效率和维修方案的安全性。4.6灾害应急模拟由于文物建筑的历史价值，对灾害的预防十分重要，利用BIM及相应灾害分析模拟软件，可以在灾害发生前模拟灾害发生的过程，制定避免灾害发生的措施，以及发生灾害后消防灭火、救援支持、重要文物转移、特殊文物建筑保护的应急预案。

当灾害发生后，BIM模型可以提供救援人员紧急状况点的完整信息，这将有效提高突发状况应对措施。此外通过BIM模型能清晰地呈现出建筑物内部紧急状况的位置，甚至提供最合适的救援路线，救援人员可以由此做出正确的现场处置，提高应急行动的成效。5结论从以上应用中可以看出，BIM的应用对于实现文物建筑保护及文物建筑管理，提高文物建筑保护的科学技术水平，促进文物建筑保护全面信息化和现代化，具有巨大的应用价值和广阔的应用前景。相信随着BIM技术的发展和市场的成熟，一定会涌现出更多类型的BIM应用。BIM，在某种程度上我们可以把它看作文物建筑的数字化、信息化进程。其实BIM的内涵及外延早已超出了模型的范畴，也延伸出了建筑行业，甚至到整个工程行业。因此，从BIM的实用性十分适用于文物建筑保护的工作。从信息应用的本质来说，BIM应用的目的是把隐含的的文物建筑信息（历史信息、人文信息）显式化。从时代发展的脉络来说，BIM要做就是把以2D图纸为基础的保护手段转变为3D模型为基础的保护手段。随着BIM的发展，不仅仅是现有技术的进步和更新换代，它所带来的巨大能动作用对文物建筑保护管理的思维模式、管理方式、组织形式进行着持续的改进、变革和创新，不断提高文物建筑的保护力度，推动文物建筑保护项目管理的理论和实践迈向新的台阶，提高文物建筑保护项目实施的效率和效果。BIM不仅有效的解决了文物建筑保护中存在的难点，并且随着计算机技术的不断更