基于BIM和傳感物聯的智慧建筑遺產管理

張佳瑩

(倫敦大學學院，英國 倫敦 WC1E 6BT)

0 引言

建筑遺產蘊含著巨大的文化、社會、經濟和環境價值，遺產建筑全生命周期的可持續保護與發展意義非凡。隨著物聯網技術與建筑信息模型BIM技術的不斷成熟，傳感技術不斷升級，傳統建筑遺產保護與發展方式也應適應信息化和智慧化的要求。本文通過歸納分析當前國內外智慧建筑從建設階段到運營維護階段所應用的關鍵技術，探索適合遺產建筑全生命周期可持續保護與發展的技術應用，構建智慧遺產建筑運維管理框架。

1 框架構建

基于無線傳感的遺產建筑運維管理框架主要包括物理感知層、網絡傳輸層、數據收集層、服務分析層和管理決策層[1]，旨在實現對遺產建筑的各因素和參數的采集、傳輸，建立相應的數據庫，然后利用建筑信息模型和數據平臺對所獲得的信息進行分析，協助管理決策。更具體地說，物理感知層主要由溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器、光照傳感器、人流密度傳感器和預應力傳感器等傳感器獲得數據，網絡傳輸層利用有線或者無線網絡將物理感知層所采集的數據傳輸至數據收集層，建立相應數據庫支持服務分析層，即支持建筑信息模型的建立與數據平臺的建立，最終協助管理決策層判定遺產建筑的狀態并進行管理決策。遺產建筑運維管理框架如圖1所示。

圖1 遺產建筑運維管理框架

2 測繪與記錄

建筑遺產具有極高的文化價值，不同歷史階段背景下建成的歷史建筑往往具有時下特殊形制，不同時期不盡相同。而由于歷史久遠，絕大部分的建筑圖樣沒有保存下來，對這些珍貴的歷史遺跡進行測繪和記錄，將遺產建筑信息化數字化，可為遺產建筑的保護與傳承提供信息數據支撐。

基于BIM技術的建筑遺產測繪，首先是利用BIM、GPS和GIS、三維激光掃描技術等信息化手段，對建筑物表面點云數據進行迅速采集，之后導入BIM平臺建立建筑信息模型，從而實現遺產建筑的數字3D模型再現，完成遺產建筑的3D測繪[2]；其次是對遺產建筑的現狀、歷史、環境、建筑本體、監測與干預信息進行記錄，而后將信息錄入3D模型中，形成完整、有效、可共享的信息數據系統，實現遺產建筑尤其是建筑構件的信息化管理，并且可對信息數據進行動態更新與維護，完成遺產各階段的記錄、維修、改造、監測、管理。現狀信息包括對遺產建筑當前的狀態進行記錄、測繪、勘察和評估所產生的記錄信息；歷史信息涵蓋相關歷史文獻、修繕記錄等揭示其歷史、藝術和科學價值的信息；環境信息記錄遺產建筑環境檢測信息包括溫度、濕度、紫外線等；建筑本體信息記錄各構件的年代、材料、殘損情況、保存狀況、表面處理、特殊痕跡、附屬物、干預記錄和檢測取樣點等屬性；監測與干預信息涵蓋對建筑常態及受干預狀態進行實時跟蹤監測和記錄的信息包含管理部門信息、動態影像等資料；保護信息，包括對其未來的保護、管理、研究、展示、利用、更新和規劃等信息[3]。遺產建筑信息模型如圖2所示。

3 環境監測

影響遺產建筑的環境因素主要是物理因素、化學因素和生物因素[1]。物理因素指的是溫度、濕度、相對濕度、紫外線等；化學因素主要指環境中加速和催化文物損壞的因素，如腐蝕、風化和空氣污染等；生物因素指蟲害、霉變等。

物理因素中，溫度對遺產建筑的影響主要體現在環境溫差較大時的熱脹冷縮[4]，這會導致建筑結構的變形，對我國木構遺產建筑的影響尤甚。此外，溫度過高會導致遺產建筑構件的皸裂，溫度過低會導致霜凍破壞，這些都不利于遺產建筑良好狀態的保持。溫度與環境中的濕度、光、氧、蟲、霉等環境因素共同作用時，對遺產的損壞往往起到加速和催化的作用；在一定溫度值內，溫度每升高10℃，反應速度就會加快1～3倍[4]。總之，合理控制溫度對于遺產建筑的保護十分重要，尤其是控制溫度在合理范圍內的穩定性，相對濕度和溫度的波動會對有機物產生嚴重的損害[4]。濕度過低，有些文物就會因干燥而出現翹曲干裂等問題；濕度過高，則會引起文物蟲害、霉變等問題。所以，控制好溫濕度的變化將會延長文物的壽命，熱標準建議保持(55±10)%的相對濕度對于材料的保存是最適宜的[5]。此外，溫度和濕度在一定條件下相互作用、相互影響；濕度會隨著溫度的變化而變化，遺產的光氧化速度也會受溫濕度變化的影響[5]。紫外線對遺產有很大的破壞性，需做好對紫外線的隔離。紅外線會產生熱作用，因此要盡量濾除光源中的紅外線[4]，減少對遺產建筑的破壞。

圖2 遺產建筑信息模型[3]

化學因素中，空氣污染對遺產建筑的保護產生巨大危害。空氣的有害氣體中，硫化物氣體對遺產影響較大。以SO2為例，它與空氣中的氧氣、水分反應生成硫酸(H2SO4)，加速和催化對遺產的腐蝕[6]。

生物因素中，相對濕度高于70%時滋生霉菌。霉菌的生長極限取決于兩個因素：空氣運動和溫度。在空氣運動停滯且溫暖的地方，易爆發大規模霉菌[4]。將濕度控制在70%以內可以防止霉菌的生長，細菌的生長需要更高的濕度，大多數害蟲也在濕度較高的情況下繁衍生息[5]。

監測和分析數據記錄器所記錄的環境數據，利用圖表分析，將從傳感器上獲得的數據與標準進行對比，可以直觀地表現出當前保護條件下溫度的控制是否符合標準，能從數據中知道一年四季的情況以及是否存在異常，以確定是否存在任何使得建筑構筑物惡化和產生風險的影響因素，并依此及時做出環境改善行動。

以某磚混結構遺產建筑的環境監測為例，根據傳感器所獲數據，遺產建筑周邊環境的溫度范圍為-1.7～30.1℃，相對濕度范圍為32%～95%，將數據落在圖表中與文物保護的溫度濕度標準范圍進行比較(圖3)，發現該環境的溫度和濕度絕大多數情況下高于標準范圍。在這種情況下，霉菌的發生率增加(圖4)，會對文物建筑造成破壞。據此，應當及時采取手段對遺產建筑周圍環境進行干預，可利用空調系統等對溫度和濕度進行調整。

圖3 相對濕度溫度與標準比對圖

圖4 霉菌發生率比對圖

4 維修保護

在遺產建筑的維修保護方面，熱能傳感器所獲得的熱圖像以及結構預應力的應變傳感和傾角傳感等技術可對遺產建筑的構造和結構情況進行監測。

對熱能傳感器所獲得的熱圖像進行分析，可直接得知遺產建筑構造間的裂縫，如對磚混遺產建筑進行熱圖像分析，可知屋頂和墻壁交界處是否有裂縫，這種密封性的缺失會導致屋頂雨水的滲漏和滲透；也可分析門窗和墻壁的連接處是否有空隙(圖5、圖6)。門窗屋檐等建筑構件與建筑主體之間的縫隙可能是由于建筑結構本身的老化和間隙充填材料的侵蝕造成的，會導致防潮、保溫、通風等方面的性能不佳，需進行維修保護工作。

圖5 某磚混遺產建筑的門

圖6 熱圖像分析

應用主動式RFID技術、物聯網技術、自動控制技術在遺產建筑工程監測領域，可以對結構預應力的應變、傾角等參數進行監測，進而對遺產建筑進行現場數據實時準確采集，實現對遺產建筑構件所發生變化的自動化、集成化監測。例如，對遺產建筑外墻墻體的傾斜量參數監測，運用墻體三維變形自動化監測系統對墻體進行實時監控與實時比對，了解其是否產生變形并且進行預警，增強監控的智能化[7]。

5 更新改造

建立遺產建筑信息模型，可在建筑信息模型內體現需要更新改造的部分，并且保留原先的建筑信息模型進行比對。對于整個流程而言，遺產建筑的更新改造需要人員進行大量的記錄與填表。若將這些紙質信息轉化到BIM平臺，一方面，方便不同專業的人員之間進行信息傳遞與交流；另一方面，有助于后期對整個項目的歸檔工作[8]。應用BIM技術進行遺產建筑更新改造模擬施工，可提早在施工階段前發現可能出現的各種問題并做出應對，避免在施工階段對遺產建筑造成額外的損傷，還可預見更新改造后的效果，提升歷史風格一致性，并降低對周遭環境的不利影響。施工階段，在建筑信息模型中進行施工協同，在遺產建筑危機情況發生時便于做好相應的處理。

6 運營管理

對建筑遺產的運營管理是發揚遺產價值、實現經濟與社會可持續發展的重要環節。絕大部分已經開發的遺產建筑會被發展成旅游景點，不僅能更好地寓史于景，也能有效吸引游客。然而，歷史遺產區的環境承載力是有限的，通常比一般的城市環境更脆弱[9]，人流量過大會對遺產建筑產生不可逆轉的不良影響，所以人流量控制很重要。

現如今，有遺產建筑的景區，在旅游旺季可能會分時間段對人流量進行控制，但進入旅游區之后，卻沒有對每個分區進行人流量的控制。例如蘇州拙政園，雖然遺產區域整體的人流量是可接受的，但游客時常聚集在布置有展品的展廳而導致過度擁擠。針對這種情況，可使用人流量計量傳感器對細分區域的人流進行檢測和預警，從而安排合適的人流準入時間節點。

此外，在遺產建筑旅游區的衛生和物業管理方面，也可以通過物聯傳感技術準確得知需要進行清潔與人員安排的位置，實現對人員排班與保潔安排的精準管理，優化提高效率。

7 結語

基于無線傳感的遺產建筑運維管理框架主要包括物理感知層、網絡傳輸層、數據收集層、服務分析層和管理決策層，可實現對遺產建筑全生命周期的監測和運維管理。

在遺產建筑的測繪與記錄方面，通過BIM與傳感建立數字3D模型，而后將信息錄入3D模型中，可建立遺產建筑全生命周期信息數據系統，并對信息數據進行動態更新與維護。

在對遺產建筑進行環境監測方面，影響遺產建筑的環境因素主要是物理因素、化學因素和生物因素，可通過傳感技術獲得環境信息，據此確定是否有任何使得建筑構筑物惡化和產生風險的影響因素并做出恰當的環境改善行動。

在遺產建筑的維修保護方面，對遺產建筑的構件，通過熱能傳感與預應力傳感等技術得知肉眼難以識別的建筑構件健康狀態，及時進行維護，以防情況進一步惡化。

對于遺產建筑的更新改造，進行建筑信息模型的建立與施工模擬等，能更好地對更新改造施工過程進行把控和協同，保證結果符合預期。

針對運營管理，通過人流量計量傳感技術確定流量分布并進行合理控制，可避免超出歷史遺產區的環境承載力而對遺產建筑產生不可逆的負面影響。此外，還可運用物聯傳感技術優化物業管理。