BIM技術(shù)組合應(yīng)用在石庫門建筑改造管理中的牽引力

(上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計集團(tuán)工程建設(shè)咨詢有限公司，上海 200041)

1 引言

在沒有引入BIM技術(shù)前，傳統(tǒng)石庫門改造管理步伐沉重、難點(diǎn)重重。由建業(yè)里歷史變遷和住戶搭建改建等客觀原因改變了建筑使用功能，對房屋質(zhì)量及歷史風(fēng)貌的維護(hù)造成了一定的影響。然而作為優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑，建業(yè)里在改造管理上受到了方方面面的限制。例如：由于時代久遠(yuǎn)，原有設(shè)計圖紙資料缺失現(xiàn)象十分嚴(yán)重，施工或裝修時的歷史變更沒有在案記錄，導(dǎo)致難以對建筑做出確切診斷。其次，對于設(shè)計管理，原有石庫門建筑材料不明確，機(jī)電管線安裝和走向錯綜復(fù)雜，品種繁多，想要增加新設(shè)備而發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有建筑內(nèi)狹小的空間導(dǎo)致設(shè)計管理難度陡然增加。再而，對于施工管理，因為場地條件限制，現(xiàn)場測繪受場地限制，實(shí)施困難； 對于項目管理，因?qū)I(yè)交叉眾多，使得管理效率低下。這些管理阻力不僅來自建筑本身的固有特點(diǎn)，還有傳統(tǒng)陳舊管理模式本身的因素。因此，應(yīng)用新技術(shù)對原有項目管理方式方法的改造勢在必行。

近年來，在我國隨著政府有力地推廣BIM技術(shù)，政府企業(yè)、行業(yè)協(xié)會、科研院校等也開始重視并推廣BIM； BIM技術(shù)的普及應(yīng)用已經(jīng)從最初的1.0時代漸漸進(jìn)入“BIM+”的2.0時代。城市更新隨著時代的發(fā)展已然成為社會發(fā)展的必然趨勢，在新時代中應(yīng)用新技術(shù)不僅能夠改善目前既有建筑改造管理的憨態(tài)，也對城市更新具有積極重要的意義。

2 研究目標(biāo)和方向

以坐落于上海市徐匯區(qū)的石庫門典型建筑群落建業(yè)里為案例，通過對現(xiàn)有項目管理在既有建筑改造中應(yīng)用的難點(diǎn)分析，從引入BIM技術(shù)角度出發(fā)，將云平臺、三維掃描技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等“BIM+”技術(shù)在該項目管理中的組合應(yīng)用作為研究方向，探索其對項目管理模式和效率的影響。

3 BIM技術(shù)組合應(yīng)用

3.1 BIM+三維掃描技術(shù)

三維掃描是獲取精準(zhǔn)石庫門建筑現(xiàn)狀的重要方式，是實(shí)現(xiàn)三維精細(xì)化管理重要的前置步驟。位于浦東濱江金融城的上海船廠老廠房改擴(kuò)建項目就在質(zhì)量管控應(yīng)用了BIM三維掃描技術(shù)對施工質(zhì)量進(jìn)行檢查，通過掃面避免后續(xù)工期的延誤[1]。Cepurnaite等人也提出三維掃描對于既有建筑中的應(yīng)用對后續(xù)項目精準(zhǔn)的造價管理及對環(huán)境保護(hù)的價值[2]。

在改造中借助三維激光數(shù)字掃描技術(shù)采集記錄石庫門建筑形態(tài)現(xiàn)狀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖1)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是通過三維掃描儀直接獲取的空間原始幾何信息，但包括很多冗余數(shù)據(jù)，因此通過三維建模前對數(shù)據(jù)的去噪預(yù)處理，能夠精準(zhǔn)還原現(xiàn)更正“失真”的原始數(shù)據(jù)。通過在項目現(xiàn)場布置球形標(biāo)靶，利用標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行每個掃描測站的數(shù)據(jù)拼接。圖2和圖3記錄了樣板房衣帽間和機(jī)電管線的數(shù)據(jù)。三維掃描的應(yīng)用有助于對數(shù)據(jù)的源頭精確管理，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化數(shù)據(jù)采集，為后續(xù)各項BIM技術(shù)的全過程應(yīng)用在項目全生命周期中打下了重要的基礎(chǔ)。

圖1 樣板房點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖2 衣帽間點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 機(jī)電管道點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.2 BIM+逆向建模技術(shù)

根據(jù)原有圖紙建模是BIM技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用。在拓展應(yīng)用中，逆向建模技術(shù)與三維掃描技術(shù)組合，應(yīng)用于更正歷史錯誤數(shù)據(jù)，形成圖4樣板房BIM模型。在逆向建模與原有圖紙比對的過程中發(fā)現(xiàn)了諸多圖紙與實(shí)際情況不匹配之處，例如，在西弄樣板房的二層臥室中發(fā)現(xiàn)了衣帽間的隱藏梁以及建筑標(biāo)高與實(shí)際不一致的等問題。這些問題給傳統(tǒng)項目質(zhì)量管理增加了一定的難度，但逆向建模技術(shù)的應(yīng)用規(guī)避了因圖紙錯誤等歷史原因?qū)|(zhì)量管理產(chǎn)生的不利影響。

圖4 樣板房BIM模型

3.3 BIM+虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)

石庫門建筑改造的最終目的是為客戶帶去滿意的項目產(chǎn)品，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正是達(dá)到這一目的的有效手段。在開始施工建設(shè)的前期階段，根據(jù)BIM逆向建模的模型通過云端渲染形成真實(shí)的樣板房效果(見圖5)，輔助客戶直觀地以沉浸式的方式互動體驗。

圖5 渲染效果

AR技術(shù)在該項目中的應(yīng)用主要依靠Tango(AR移動工具)來實(shí)現(xiàn)。早在2008年，Uwe Rueppel和Kai Marcus Stuebbe就以法拉克福機(jī)場為研究對象提出了復(fù)雜建筑內(nèi)基于BIM技術(shù)的室內(nèi)疏散導(dǎo)航系統(tǒng)。其依靠BIM模型為基礎(chǔ)，以IFC及gbXML通用格式為保障，通過觸發(fā)射頻識別(RFID)標(biāo)識等方式建立了一套室內(nèi)導(dǎo)航的研究理論[3]。而Tango技術(shù)主要依靠SLAM(simultaneous localization and mapping)并發(fā)建圖與定位系統(tǒng)，在建筑物內(nèi)同樣不依靠GPS或北斗室外導(dǎo)航系統(tǒng)，將模型加載至Tango中投射至現(xiàn)實(shí)場景里提供客戶不同的設(shè)計方案(圖6)。VR和AR技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用能夠根據(jù)客戶的需求調(diào)整方案直至最優(yōu)化，最大程度地使客戶滿意，同時降低返工建造的成本風(fēng)險。

圖6 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)投射虛擬模型至真實(shí)場景中

4 改造管理新模式構(gòu)建

4.1 數(shù)據(jù)源標(biāo)準(zhǔn)化

為了解決由于建造年代久遠(yuǎn)，歷史性文件技術(shù)資料的缺失或錯誤對管理帶來的不便和影響，考慮在石庫門建筑改造管理中創(chuàng)造性地引入BIM技術(shù)輔助項目管理，完成虛擬設(shè)計建造與施工。項目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立能夠使各方在管理條線上快速準(zhǔn)確地獲得工程管理所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]，也能夠在各種“BIM+”技術(shù)的應(yīng)用場景下提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的支持，為管理者提供決策依據(jù)。前期工作的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化包括分析BIM需求、規(guī)劃項目管理各階段的BIM應(yīng)用、制定項目BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)、建立各專業(yè)統(tǒng)一的樣板文件、通過ECVS(元素—構(gòu)建—視圖—圖紙)規(guī)劃出圖方式，通過BIM標(biāo)準(zhǔn)化工作確保模型數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性，去除因數(shù)據(jù)源不正確產(chǎn)生的繁雜冗余的協(xié)調(diào)過程。

4.2 協(xié)同管理模式變革

BIM的實(shí)施帶動各方提前介入項目。BIM協(xié)同平臺同樣也是項目管理中的前置關(guān)鍵性工作。項目中眾多參與方的加入很大程度上增加了協(xié)調(diào)及進(jìn)度管理的難度。云平臺及其移動終端作為基于BIM技術(shù)的協(xié)同工具，通過上傳、存儲、共享、下載等方式，在不同地區(qū)可以實(shí)時更新云端上的同一個模型及其鏈接數(shù)據(jù)[5]，實(shí)現(xiàn)無紙化管理，節(jié)約項目成本。作為各參與方交叉作業(yè)的基礎(chǔ)平臺，云平臺促成各參與方之間建立以模型為中心的溝通交流機(jī)制。云平臺技術(shù)的引入不僅根本性地改變了項目管理的協(xié)同模式，也是各參與方協(xié)同的互聯(lián)載體，能夠在一定程度上減少溝通渠道的數(shù)量，提高管理效率，對干系人溝通方式進(jìn)行了重塑。

圖7 建業(yè)里項目基于BIM的協(xié)作交流方式

4.3 數(shù)字建筑與實(shí)體建筑互聯(lián)

新興BIM技術(shù)的組合應(yīng)用在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代背景下，發(fā)揮出各項技術(shù)在不同場景不同建設(shè)階段的應(yīng)用優(yōu)勢，促進(jìn)既有建筑改造形成新的數(shù)字—實(shí)體互聯(lián)的管理模式。在設(shè)計階段中，通過模擬不同施工現(xiàn)場場景，控制后期施工變更成本。由于房屋內(nèi)部現(xiàn)有空間狹小，改造時新增換氣設(shè)備以及中央空調(diào)的設(shè)計需精密契合房間現(xiàn)有的構(gòu)造設(shè)施。因此，設(shè)計方通過可視化BIM設(shè)計協(xié)調(diào)會比選不同設(shè)備安裝方案，在模型中精確定位安裝的為位置和尺寸，從而掌握精度，避免出現(xiàn)因間距過小導(dǎo)致的震動噪聲等后續(xù)問題，加快了項目進(jìn)度，進(jìn)一步提高設(shè)計協(xié)作與管理的效率與質(zhì)量。

BIM技術(shù)與VR和AR技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用是數(shù)字建筑與實(shí)體建筑之間的結(jié)合劑，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化精益化管理中人機(jī)交互的有效管理工具。在建業(yè)里改造項目中，AR作為輔助設(shè)計手段，將數(shù)字科技植入施工現(xiàn)場，可視化地比對不同的精裝方案。VR技術(shù)為客戶提供全新的沉浸式樣板房視覺體驗，可根據(jù)不同用戶的需求制定不同的精裝方案，不斷地調(diào)整直到客戶滿意。VR技術(shù)的應(yīng)用節(jié)約建筑材料以及項目施工成本，減少售后爭議，為既有建筑的改造與宣傳注入新活力。

5 BIM技術(shù)組合應(yīng)用的優(yōu)勢——同向牽引力

5.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動力

協(xié)同平臺的搭建打破了傳統(tǒng)項目管理的工作模式，數(shù)據(jù)源頭的正確性、傳遞的連續(xù)性以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化在打通信息鏈的同時能夠提高管理溝通效率。通過可視化設(shè)計協(xié)調(diào)會的召開，比選并擇優(yōu)選擇不同設(shè)備安裝方案可加快項目進(jìn)度。在施工管理階段，通過BIM可視化施工模擬為現(xiàn)場人員提供解決思路。BIM技術(shù)糾正了石庫門建筑改造管理中原有錯誤的輸入數(shù)據(jù)，為全過程項目管理的順利進(jìn)行打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

5.2 協(xié)同作用力

通過云平臺傳遞的信息數(shù)據(jù)對于縮短項目中各項活動持續(xù)時間具有積極作用。在平臺上，信息可追溯，版本可控制，角色劃分清晰，任務(wù)分工明確，各參與方在三維工作模式下共享交流信息，消除“信息孤島”現(xiàn)象。各參與方之間的交流由相互之間零散、獨(dú)立、交叉的方式在協(xié)同平臺上轉(zhuǎn)而變?yōu)閷?shí)時、共享和整合的“可視化”方式，整合零散資源，化無序為有序，給項目管理帶來了信息有序、可追溯的便利，體現(xiàn)出BIM技術(shù)在既有建筑改造協(xié)同中的價值。BIM在既有建筑改造中幫助投資方在應(yīng)用創(chuàng)新科技手段決策的同時，也探索了一個新的協(xié)同工作模式，對歷史保護(hù)建筑的改造與建設(shè)具有重要的價值和意義。

5.3 動態(tài)聚合力

基于BIM技術(shù)的既有建筑改造管理將管理重心偏向建筑信息模型，通過平臺周轉(zhuǎn)模型，集成數(shù)據(jù)，各參與方圍繞以模型為中心建立新模式下的動態(tài)交流機(jī)制。工程實(shí)時過程中各專業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息具有獨(dú)特性、復(fù)雜性、易變性和動態(tài)性等特點(diǎn)[6]，BIM技術(shù)為數(shù)據(jù)的動態(tài)傳遞提供了良好的技術(shù)手段。BIM施工模擬為現(xiàn)場施工人員提供動態(tài)解決思路。BIM+VR/AR技術(shù)的應(yīng)用通過動態(tài)的視覺體驗滿足關(guān)鍵干系人的需求。VR/AR技術(shù)對于需求的跟蹤管理具有極大的科技創(chuàng)新價值，對于識別項目中關(guān)鍵干系人的期望能夠進(jìn)行細(xì)致、及時、有效的管理。

6 結(jié)語

BIM技術(shù)在既有建筑改造管理中的應(yīng)用普及率比起新建建筑較少，但不可否認(rèn)的是，在BIM技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)今，BIM技術(shù)的組合應(yīng)用為既有建筑管理帶去的價值遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)管理模式。三維掃描技術(shù)適用于在既有建筑拆除后的早期階段進(jìn)行應(yīng)用，掃描采集的源頭數(shù)據(jù)奠定了未來精確數(shù)據(jù)訪問的良好環(huán)境，能夠防止因數(shù)據(jù)錯誤產(chǎn)生的各種問題。三維掃描與逆向建模技術(shù)的組合改變了傳統(tǒng)設(shè)計模式。以模型為中心的云平臺是在BIM環(huán)境下協(xié)同工作的核心平臺，各參與方交流的模式由單點(diǎn)多方的雜亂交流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅Ｐ蜑橹行牡暮献魇浇涣鳎瑢ο笮畔⒌慕y(tǒng)一進(jìn)一步體現(xiàn)出了應(yīng)用BIM技術(shù)的價值。而AR技術(shù)利用以目標(biāo)為導(dǎo)向的SLAM定位技術(shù)同VR一起在項目后期，尤其在精裝修階段的場景下提供業(yè)主身臨其境的瀏覽方式，對于降低項目整體成本和風(fēng)險管控都具有重要意義。值得注意的是，在未來高度信息化智能化及移動化的時代，需要強(qiáng)大硬件支持的高精高感Tango已被更適用于致力于移動端布局的ARcore所替代，AR技術(shù)與智能手機(jī)的聯(lián)系將更為緊密，而BIM模型的輕量化會在更多的場景中適用。