BIM技術(shù)在文物建筑保護(hù)中應(yīng)用

第三屆工程建設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新論壇論文集上海.2011PAGEBIM技術(shù)在文物建筑保護(hù)中的應(yīng)用研究趙景學(xué)姜立王會(huì)一建研科技股份有限公司[摘要]研究在建筑信息模型BIM（BuildingInformationModeling）中記錄文物建筑生命周期中的的所有信息的方法，基于三維數(shù)字技術(shù)的全息幾何模型的瀏覽，整體建筑的歷史人文信息、設(shè)計(jì)與建造信息、災(zāi)害與維修信息的記錄與查詢，局部構(gòu)件的物理屬性、歷史信息、施工工藝等記錄與查詢，基于的BIM的文物建筑管理，基于BIM的文物建筑分析。為文物保護(hù)所有決策提供可靠依據(jù)，為文物建筑的研究提供最全面的信息。[關(guān)鍵詞]BIM文物建筑保護(hù)虛擬營(yíng)造歷史信息全生命周期1引言在過(guò)去的20多年的文物建筑保護(hù)中，CAD技術(shù)的普及和推廣將文物建筑保護(hù)和維護(hù)人員從傳統(tǒng)的手工繪圖中解放出來(lái)，可以說(shuō)是文物建筑保護(hù)領(lǐng)域的第一次數(shù)字革命。而現(xiàn)在，建筑信息模型（BIM）的出現(xiàn)將引發(fā)整個(gè)文物建筑保護(hù)領(lǐng)域的第二次數(shù)字革命。BIM不僅帶來(lái)現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步和更新?lián)Q代，它也間接影響了生產(chǎn)維護(hù)組織模式和管理方式，并將更長(zhǎng)遠(yuǎn)地影響人們思維模式的轉(zhuǎn)變。BIM技術(shù)的核心是通過(guò)在計(jì)算機(jī)中建立虛擬的建筑三維模型，同時(shí)利用數(shù)字化技術(shù)為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑信息庫(kù)。該信息庫(kù)不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對(duì)象（例如空間、運(yùn)動(dòng)行為）的信息。借助這個(gè)富含建筑工程信息的三維模型，建筑的信息集成化程度大大提高，應(yīng)用到文物建筑保護(hù)中可以為保護(hù)的相關(guān)方提供一個(gè)保護(hù)信息交換和共享的平臺(tái)。結(jié)合更多的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)，BIM模型中包含的建筑信息還可以被用于模擬文物建筑在真實(shí)世界中的狀態(tài)和變化，使得建筑物在進(jìn)行保護(hù)的全生命周期中，相關(guān)方就能對(duì)文物建筑的現(xiàn)狀、變化規(guī)律及發(fā)展趨勢(shì)做出完整的分析和評(píng)估。

隨著BIM在國(guó)內(nèi)逐漸被認(rèn)可與應(yīng)用，特別是近年來(lái)在國(guó)內(nèi)工程建造行業(yè)高速發(fā)展的背景下，BIM已經(jīng)在國(guó)內(nèi)一些大型工程項(xiàng)目中得到積極應(yīng)用，涌現(xiàn)出很多成功案例。美國(guó)bSa（buildingSMARTalliance）曾經(jīng)對(duì)目前美國(guó)工程建設(shè)行業(yè)領(lǐng)域的BIM應(yīng)用情況做過(guò)詳細(xì)調(diào)查，并總結(jié)出目前美國(guó)市場(chǎng)上BIM的25種不同應(yīng)用并加以分析研究，用于指導(dǎo)工程項(xiàng)目在不同階段選擇合適的BIM應(yīng)用。國(guó)內(nèi)目前還缺少在這一領(lǐng)域的深入研究，我們可以借鑒美國(guó)對(duì)BIM應(yīng)用的分類框架，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)BIM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、市場(chǎng)對(duì)BIM應(yīng)用的接受程度以及國(guó)內(nèi)的特點(diǎn)，將BIM技術(shù)結(jié)合文物建筑保護(hù)的需要進(jìn)行分析，對(duì)實(shí)用性進(jìn)行研究，最后得出最適合中國(guó)文物建筑保護(hù)的具體措施，再加以推廣。2文物建筑保護(hù)中的難點(diǎn)行業(yè)信息化中，我們的研究表明，文物建筑保護(hù)是信息化最難的一個(gè)行業(yè)，難度遠(yuǎn)超制造業(yè)、家電等其他的行業(yè)，而我們現(xiàn)階段信息化的文物保護(hù)理念、方法論和應(yīng)用技術(shù)大都還在翻版其他行業(yè)的模式和技術(shù)為主，遇到的困境是難以避免的。明白發(fā)展什么樣的信息技術(shù)、方法論和模式才能應(yīng)對(duì)文物建筑保護(hù)信息化困境，理清文物建筑保護(hù)信息化的特點(diǎn)和難點(diǎn)是關(guān)鍵，理論和實(shí)證表明以下行業(yè)特點(diǎn)和難點(diǎn)是對(duì)文物保護(hù)信息化產(chǎn)業(yè)具有重大影響。2.1海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、計(jì)算、整合、共享相當(dāng)困難文物建筑的各類信息都面臨同樣的境況，關(guān)系到核心數(shù)據(jù)管理的海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)我們?nèi)绻荒芎芎玫恼瓶兀杭皶r(shí)準(zhǔn)確的獲取、分析、共享，管理提升和信息化都將成為一句空話。信息數(shù)據(jù)的計(jì)算和文物建筑保護(hù)管理過(guò)程的數(shù)據(jù)分析工作量大，難度高，這是一個(gè)4D關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)計(jì)算分析問(wèn)題。傳統(tǒng)的處理難以應(yīng)對(duì)全過(guò)程管理的需求，也難以滿足獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需求。每個(gè)部分的保護(hù)和維護(hù)都面臨著選擇和調(diào)配，每個(gè)地區(qū)也不同。這樣的海量數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取和分析有巨大的挑戰(zhàn)。維護(hù)方同樣面臨海量信息處理難題。文物建筑保護(hù)是數(shù)據(jù)很大的一個(gè)行業(yè)，人工收集處理信息根本無(wú)力以對(duì)，但現(xiàn)階段我們還只有在用人力戰(zhàn)術(shù)。2.2知識(shí)庫(kù)建設(shè)困難文物建筑保護(hù)業(yè)務(wù)管理需要很多知識(shí)庫(kù)支撐：文物知識(shí)庫(kù)、文物維護(hù)工法庫(kù)、古建知識(shí)庫(kù)、材料知識(shí)庫(kù)、崗位職責(zé)知識(shí)庫(kù)等。這些知識(shí)庫(kù)不僅數(shù)據(jù)量大，而且根據(jù)時(shí)間的推移和技術(shù)的革新變化很快。文物建筑保護(hù)新工藝、新材料不斷快速增加，而維護(hù)工作要干多年，一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的項(xiàng)目管理人員每天仍然會(huì)遇到很多新問(wèn)題。文物建筑保護(hù)信息化只有在知識(shí)積累和共享發(fā)揮出巨大作用時(shí)才能體現(xiàn)價(jià)值。目前，傳統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)建設(shè)方法往往是：集中式殲滅戰(zhàn)，修訂周期長(zhǎng)，依賴專家，紙介質(zhì)方式共享。這種傳統(tǒng)知識(shí)庫(kù)建設(shè)方法帶來(lái)的問(wèn)題是無(wú)法跟上建筑保護(hù)需求變化和維護(hù)變化，知識(shí)庫(kù)修訂好時(shí)往往有需要更新了。當(dāng)前文物建筑保護(hù)需求快速增長(zhǎng)，聚集專家花很長(zhǎng)時(shí)間建設(shè)一個(gè)知識(shí)庫(kù)已越來(lái)越不可能。不僅是一個(gè)單位沒(méi)有這樣的能力，一個(gè)地區(qū)主管部門也同樣困難。導(dǎo)致現(xiàn)在整個(gè)文物建筑保護(hù)業(yè)至今還靠經(jīng)驗(yàn)，僅靠人的能力來(lái)工作，錯(cuò)誤的產(chǎn)生和管理失控越來(lái)越常見(jiàn)。傳統(tǒng)方法還存在共享能力弱的問(wèn)題，不方便知識(shí)隨時(shí)隨地在全員范圍內(nèi)獲取。解決文物建筑保護(hù)知識(shí)庫(kù)建設(shè)問(wèn)題必須要?jiǎng)?chuàng)新方法論同時(shí)，用先進(jìn)的信息技術(shù)來(lái)改變這一切。2.3協(xié)同效率低一個(gè)大型文物建筑保護(hù)項(xiàng)目的參與單位可以是多個(gè)。協(xié)同是項(xiàng)目管理一大難題，大量的時(shí)間和成本被損失在協(xié)同效率這一問(wèn)題上。信息技術(shù)是突破這一難題的當(dāng)然之選，但目前的項(xiàng)目管理系統(tǒng)局限性還很大。一是協(xié)同的平臺(tái)僅基于二維數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可視化和關(guān)聯(lián)性差，技術(shù)層級(jí)不夠，影響效率，容易引起錯(cuò)誤理解，存在的問(wèn)題不容易被發(fā)現(xiàn)。二是開放性不夠。文物建筑保護(hù)管理系統(tǒng)還只能局限于一個(gè)單位內(nèi)部，而一個(gè)維護(hù)項(xiàng)目的順利進(jìn)行顯然不是一個(gè)單位的事，所有參與方的協(xié)同平臺(tái)的創(chuàng)建應(yīng)用越來(lái)越重要。2.4文物建筑地域性強(qiáng)文建筑保護(hù)地點(diǎn)分布十分廣泛。不像其他行業(yè)在固定的流水線和辦公室里辦公，文物建筑保護(hù)管理是針對(duì)不同地域的文物建筑的，地域和建筑的類型和特點(diǎn)都有變化，應(yīng)用系統(tǒng)隨著不同地域文物建筑的變化而變化是信息化一大制約因素。2.5易用性要求高文物建筑保護(hù)管理人員計(jì)算和平均水平較其他行業(yè)會(huì)低很多，領(lǐng)導(dǎo)干部操作軟件若要鍵盤、鼠標(biāo)一起上，學(xué)習(xí)難度就已偏高，影響了普及速度。觸摸技術(shù)，一指搞定，才是文物建筑保護(hù)信息技術(shù)的方向。2.6信息化人才缺乏文物建筑保護(hù)業(yè)信息化近年的發(fā)展表明，信息化進(jìn)展受到信息化人才缺乏的嚴(yán)重制約。實(shí)施文物建筑保護(hù)信息化系統(tǒng)，目前各級(jí)操作人員都缺，且因文物保護(hù)任務(wù)繁重，相關(guān)人員都在進(jìn)行文物建筑的本體保護(hù)，因此信息化系統(tǒng)部署和實(shí)施一定要更便捷，而不需一大堆人上去弄很長(zhǎng)時(shí)間。3突破的關(guān)鍵技術(shù)：應(yīng)對(duì)上述信息化難題，僅以原先成熟的和其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)已大為不夠。所幸的是近年IT技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和商業(yè)模式的不斷推陳出新，為文物建筑保護(hù)信息化突破創(chuàng)造了嶄新的空間，BIM技術(shù)將是突破文物建筑保護(hù)業(yè)信息化最強(qiáng)有力的關(guān)鍵技術(shù)。BIM（BuildingInformationModeling建筑信息模型）技術(shù)被國(guó)際工程界公認(rèn)為是一項(xiàng)建筑及維護(hù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)力革命性技術(shù)，無(wú)論多重視都不為過(guò)。它的關(guān)鍵價(jià)值在于提供了一個(gè)項(xiàng)目核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐平臺(tái)。有了BIM，我們文物建筑保護(hù)界才有了一直需要的一個(gè)技術(shù)支撐平臺(tái)：一個(gè)可隨時(shí)、快速、普遍訪問(wèn)到的最新、最準(zhǔn)確、最完整、最可靠的4D關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。BIM技術(shù)的這種價(jià)值解決了項(xiàng)目管理長(zhǎng)期困擾的兩大難題,一是海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全過(guò)程統(tǒng)計(jì)分析：方法選定、特征歸納、維護(hù)分類等等。二是協(xié)同難題。二維紙介質(zhì)圖不能同步，不能對(duì)每個(gè)文物建筑細(xì)節(jié)單獨(dú)進(jìn)行詳細(xì)全方位解讀，理解差別大，更難遠(yuǎn)程協(xié)同維護(hù)。同時(shí)BIM可提供強(qiáng)大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，免受人工處理大量數(shù)據(jù)之苦，又解決系統(tǒng)錄入數(shù)據(jù)時(shí)不對(duì)應(yīng)、不及時(shí)、不準(zhǔn)確的問(wèn)題。4BIM在文物建筑保護(hù)中具體的應(yīng)用4.1文物建筑三維虛擬模型根據(jù)文物建筑保護(hù)方案建立和維護(hù)BIM模型，實(shí)質(zhì)是使用BIM平臺(tái)匯總各項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)所有的維護(hù)相關(guān)信息，消除項(xiàng)目中的信息孤島，并且將得到的信息結(jié)合三維模型進(jìn)行整理和儲(chǔ)存，以備項(xiàng)目全過(guò)程中項(xiàng)目各相關(guān)方隨時(shí)共享。根據(jù)文物BIM模型的用途決定BIM模型的細(xì)節(jié)精度，同時(shí)僅靠一個(gè)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，建立符合維護(hù)項(xiàng)目現(xiàn)有條件和使用用途的BIM模型。BIM“分布式”模型還體現(xiàn)在BIM模型往往由相關(guān)的單位根據(jù)各自工作范圍單獨(dú)建立，最后通過(guò)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)合成。確保BIM模型信息的準(zhǔn)確、時(shí)效和安全。4.2文物建筑周邊環(huán)境分析周邊環(huán)境分析是研究影響文物建筑保護(hù)的主要因素，是研究文物建筑與周圍景觀的聯(lián)系。文物建筑周圍的地貌、植被、氣候條件都是影響保護(hù)決策的重要因素，傳統(tǒng)的環(huán)境分析存在諸如定量分析不足、主觀因素過(guò)重、無(wú)法處理大量數(shù)據(jù)信息等弊端，通過(guò)BIM信息系統(tǒng)，對(duì)文物建筑周邊及文物建筑物空間數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，分析保護(hù)和維護(hù)方案，通過(guò)BIM軟件的強(qiáng)大功能，迅速得出令人信服的分析結(jié)果，從而做出最理想的文物建筑保護(hù)方案。4.3虛擬文物建筑研究在文物研究方面，對(duì)文物建筑本體進(jìn)行研究，受到時(shí)間和空間的限制，給研究工作帶來(lái)極大的比便，利用BIM模型，可以使用BIM可以對(duì)文物建筑的布局、紋理、色彩以及歷史信息進(jìn)行全方位的研究。BIM甚至可以做到局部的細(xì)節(jié)推敲，通過(guò)BIM來(lái)研究文物建筑，可以獲得較高的互動(dòng)效應(yīng)，以便從文物管理方獲得更詳實(shí)的信息。各種相關(guān)的信息更容易的集中在一起，便于研究人員進(jìn)行探索和分析。4.4增強(qiáng)文物建筑保護(hù)的可視化3Dmax、Sketchup這些三維可視化設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)有力地彌補(bǔ)了因缺乏對(duì)傳統(tǒng)建筑圖紙的理解能力而造成的交流鴻溝，但由于這些軟件的理念和功能上的局限，使得這樣的三維可視化展現(xiàn)與文物建筑保護(hù)及研究之間存在著相當(dāng)大的差距。另外，傳統(tǒng)CAD的平臺(tái)主要使用平、立、剖等三視圖以及文字說(shuō)明的方式來(lái)表達(dá)和展現(xiàn)文物建筑信息。這種由于工具原因造成的信息割裂，在遇到文物建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況，非常容易出錯(cuò)。BIM不僅擁有了三維可視化的工具，所見(jiàn)即所得，更重要的是通過(guò)工具的提升，能使用三維的思考方式來(lái)完成文物保護(hù)方案，同時(shí)也真正擺脫了技術(shù)壁壘的限制。4.5文物建筑的虛擬營(yíng)造文物建筑歷史悠久，雖然有一定的規(guī)律但是古代的工匠大多不通文墨，不能對(duì)建筑的規(guī)律通過(guò)文字做系統(tǒng)性的總結(jié)的表達(dá)，幾千年來(lái)主要以師傅帶徒弟，口傳心受缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，加之交通和信息的不暢，造成不同的時(shí)期，不同的地域，不同的工匠之間營(yíng)造規(guī)律差別很大。動(dòng)態(tài)的營(yíng)造過(guò)程更是很難完全體現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)BIM技術(shù)將三維模型與工程進(jìn)度相鏈接，將空間信息與時(shí)間信息整合在一個(gè)可視的4D（3D+Time）模型中，可以直觀、精確地反映整個(gè)文物建筑的營(yíng)造過(guò)程。通過(guò)BIM可以對(duì)文物建筑的重點(diǎn)或難點(diǎn)部分進(jìn)行模擬。對(duì)于一些重要的營(yíng)造工藝進(jìn)行模擬和分析，也可以利用BIM技術(shù)結(jié)合維護(hù)組織計(jì)劃進(jìn)行預(yù)演以提高復(fù)雜文物建筑體系的維護(hù)可行性。借助BIM對(duì)文物建筑的維修進(jìn)行的模擬，能夠非常直觀地了解整個(gè)維修過(guò)程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和維修工序，并清晰把握在維修過(guò)程中的難點(diǎn)和要點(diǎn)，也可以進(jìn)一步對(duì)原有維修方案進(jìn)行優(yōu)化和改善，以提高維修效率和維修方案的安全性。4.6災(zāi)害應(yīng)急模擬由于文物建筑的歷史價(jià)值，對(duì)災(zāi)害的預(yù)防十分重要，利用BIM及相應(yīng)災(zāi)害分析模擬軟件，可以在災(zāi)害發(fā)生前模擬災(zāi)害發(fā)生的過(guò)程，制定避免災(zāi)害發(fā)生的措施，以及發(fā)生災(zāi)害后消防滅火、救援支持、重要文物轉(zhuǎn)移、特殊文物建筑保護(hù)的應(yīng)急預(yù)案。

當(dāng)災(zāi)害發(fā)生后，BIM模型可以提供救援人員緊急狀況點(diǎn)的完整信息，這將有效提高突發(fā)狀況應(yīng)對(duì)措施。此外通過(guò)BIM模型能清晰地呈現(xiàn)出建筑物內(nèi)部緊急狀況的位置，甚至提供最合適的救援路線，救援人員可以由此做出正確的現(xiàn)場(chǎng)處置，提高應(yīng)急行動(dòng)的成效。5結(jié)論從以上應(yīng)用中可以看出，BIM的應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)文物建筑保護(hù)及文物建筑管理，提高文物建筑保護(hù)的科學(xué)技術(shù)水平，促進(jìn)文物建筑保護(hù)全面信息化和現(xiàn)代化，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。相信隨著BIM技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的成熟，一定會(huì)涌現(xiàn)出更多類型的BIM應(yīng)用。BIM，在某種程度上我們可以把它看作文物建筑的數(shù)字化、信息化進(jìn)程。其實(shí)BIM的內(nèi)涵及外延早已超出了模型的范疇，也延伸出了建筑行業(yè)，甚至到整個(gè)工程行業(yè)。因此，從BIM的實(shí)用性十分適用于文物建筑保護(hù)的工作。從信息應(yīng)用的本質(zhì)來(lái)說(shuō)，BIM應(yīng)用的目的是把隱含的的文物建筑信息（歷史信息、人文信息）顯式化。從時(shí)代發(fā)展的脈絡(luò)來(lái)說(shuō)，BIM要做就是把以2D圖紙為基礎(chǔ)的保護(hù)手段轉(zhuǎn)變?yōu)?D模型為基礎(chǔ)的保護(hù)手段。隨著BIM的發(fā)展，不僅僅是現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步和更新?lián)Q代，它所帶來(lái)的巨大能動(dòng)作用對(duì)文物建筑保護(hù)管理的思維模式、管理方式、組織形式進(jìn)行著持續(xù)的改進(jìn)、變革和創(chuàng)新，不斷提高文物建筑的保護(hù)力度，推動(dòng)文物建筑保護(hù)項(xiàng)目管理的理論和實(shí)踐邁向新的臺(tái)階，提高文物建筑保護(hù)項(xiàng)目實(shí)施的效率和效果。BIM不僅有效的解決了文物建筑保護(hù)中存在的難點(diǎn)，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更