基于全生命周期的歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字保護(hù)研究
——以段祺瑞舊居修繕為例

苑娜，郭峰，張建光

（1天津國(guó)土資源和房屋職業(yè)學(xué)院，天津 300270；2天津市歷史風(fēng)貌建筑整理有限責(zé)任公司，天津 300041；3天津天成華海科技有限公司，天津 300143）

0 引言

信息化是當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的大趨勢(shì)，正在全球展開的信息和信息技術(shù)革命，促使各行各業(yè)都在進(jìn)行前所未有的信息化變革?！熬W(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”、“數(shù)字中國(guó)”、“智慧社會(huì)”亦被寫入十九大報(bào)告，從宏觀政策層面對(duì)信息化提出要求。建筑業(yè)作為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，其信息化勢(shì)在必行?！笆濉币?guī)劃中就明確提出，在“十三五”期間，全面提高建筑業(yè)信息化水平，著力增強(qiáng)BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動(dòng)通訊、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)集成應(yīng)用能力，建筑業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化取得突破性進(jìn)展，初步建成一體化行業(yè)監(jiān)管和服務(wù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)資源利用水平和信息服務(wù)能力明顯提升。

在建筑業(yè)信息化的變革中，BIM技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)，都需要嫁接網(wǎng)絡(luò)化、智能化以及物聯(lián)網(wǎng)等平臺(tái)，信息化的關(guān)鍵不再是信息自身的內(nèi)容，而是信息的流動(dòng)傳達(dá)共享。歷史建筑的保護(hù)也不應(yīng)是一個(gè)個(gè)孤立的項(xiàng)目，而是涵蓋了歷史建筑的前期調(diào)研、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維乃至再次修復(fù)的全生命周期的信息的記錄、傳遞、共享，實(shí)現(xiàn)歷史建筑的數(shù)字和信息化保護(hù)。

1 國(guó)內(nèi)外研究概況

對(duì)于歷史建筑的保護(hù)研究，發(fā)達(dá)國(guó)家開展得較早。自19世紀(jì)中葉開始，逐步形成了法國(guó)派、英國(guó)派、意大利派等不同的保護(hù)觀念，它們之間既互相否定又互相借鑒、融合，最后逐漸形成了以意大利派為代表的，以強(qiáng)調(diào)歷史價(jià)值為特征的歷史建筑保護(hù)觀念。我國(guó)歷史建筑的保護(hù)工作起步較晚，再加上我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平所限以及文化傳統(tǒng)方面的差異，保護(hù)觀念及力度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及西方發(fā)達(dá)國(guó)家。隨著近年來各方面的努力，我國(guó)在歷史建筑保護(hù)方面取得了一定的發(fā)展，歷史建筑保護(hù)概念立法、現(xiàn)代保護(hù)理論技術(shù)、保護(hù)專業(yè)等從無到有并逐步深入成熟。

對(duì)歷史建筑的數(shù)字化保護(hù)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)一些優(yōu)秀的案例。意大利阿奎拉圣瑪麗亞教堂復(fù)原工程，用BIM技術(shù)服務(wù)損壞構(gòu)件并對(duì)其實(shí)施干預(yù)行為，隨之運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和分析；圣阿伯利雷納教堂的可視化項(xiàng)目，利用插件將點(diǎn)云按層位關(guān)系導(dǎo)入Revit2012中，更加精確地實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化構(gòu)件進(jìn)而構(gòu)建模型；武英殿保護(hù)工程從對(duì)族的構(gòu)建、階段化設(shè)置、成果交付三個(gè)部分論述了三維激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)在遺產(chǎn)記錄與真實(shí)性中的應(yīng)用；天津大學(xué)在文物建筑測(cè)繪領(lǐng)域中應(yīng)用BIM也取得了一定的成果，吳哥遺址公園核心地帶保護(hù)中首次應(yīng)用BIM，張掖大佛寺保護(hù)中是BIM與河西走廊的結(jié)合，德和園大戲樓案例中是BIM與傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的結(jié)合[1]。也有學(xué)者對(duì)于該項(xiàng)研究發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文。學(xué)位論文《信息化測(cè)繪背景下基于BIM技術(shù)的建筑遺產(chǎn)信息采集與表達(dá)》嘗試?yán)肂IM技術(shù)進(jìn)行修繕施工和階段化的表達(dá)（李舒靜，2014）[2]；論文《基于HBIM的嘉峪關(guān)信息化測(cè)繪研究——以嘉峪關(guān)木構(gòu)建筑為例》認(rèn)為HBIM不應(yīng)該作為對(duì)視圖圖紙的補(bǔ)充，而應(yīng)該作為“索引框架”統(tǒng)領(lǐng)全局（李珂，2015）[3]；論文《BIM技術(shù)在歷史建筑信息采集中的應(yīng)用——以黃?；瘜W(xué)工業(yè)研究社為例》研究的是BIM技術(shù)在歷史建筑信息采集中的應(yīng)用，重點(diǎn)討論如何利用三維激光掃描與BIM技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)歷史建筑信息的無損傳遞及如何利用BIM解讀歷史建筑全生命周期概念（石越、青木信夫、徐蘇斌、吳蔥，2014）[4]；論文《BIM技術(shù)在城市結(jié)構(gòu)調(diào)整中對(duì)歷史建筑保護(hù)的應(yīng)用研究——以吉林建筑工程學(xué)院體育館復(fù)原為例》研究的是BIM概念下的歷史建筑的數(shù)字化復(fù)原（韓銳、張俊峰，2013）[5]。通過研究國(guó)內(nèi)外案例及學(xué)術(shù)論文，可以肯定的是對(duì)歷史建筑進(jìn)行數(shù)字保護(hù)的價(jià)值是顯著的，亦是歷史建筑保護(hù)的必然趨勢(shì)。

天津因其九國(guó)租界的特殊歷史背景，擁有大量風(fēng)格多樣的歷史風(fēng)貌建筑，最為典型的五大道建筑群，被稱為萬國(guó)建筑博覽苑。這些歷史風(fēng)貌建筑既是建筑文化的集中反映，也是天津市城市特色的主要特征和寶貴的文化資源。保護(hù)、利用好歷史風(fēng)貌建筑，對(duì)于傳承天津歷史文脈、提升城市文化品位、打造展示天津的對(duì)外窗口，都具有非常重要的意義。天津市在2005年便頒布了《天津市歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)條例》，使保護(hù)工作走上了法制化、規(guī)范化道路。建立了由市長(zhǎng)任主任的天津市歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)委員會(huì)，在《條例》基礎(chǔ)上，制定了《歷史風(fēng)貌建筑使用管理辦法》等一系列配套的規(guī)范性文件，編制了《天津市歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)修繕技術(shù)規(guī)程》，繪制了《天津市歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)圖則》，修繕了靜園、慶王府等文保項(xiàng)目，整理了百余幢歷史風(fēng)貌建筑，提升了歷史街區(qū)的社會(huì)綜合價(jià)值，推動(dòng)了歷史街區(qū)在當(dāng)代社會(huì)的整合與振興[6]。對(duì)歷史風(fēng)貌建筑的數(shù)字保護(hù)雖未普及，但也已進(jìn)行一些成功嘗試，例如對(duì)靜園、慶王府等已修繕項(xiàng)目的智能化綜合管理平臺(tái)改造。段祺瑞舊居修繕工程則是在全生命周期中應(yīng)用數(shù)字保護(hù)的典型案例。

2 段祺瑞舊居修繕工程簡(jiǎn)介

段祺瑞舊居位于今天津鞍山道38號(hào)，原日租界宮島街，屬于歐洲折中外廊式建筑風(fēng)格。該樓原為段祺瑞妻弟吳光新（曾任陸軍總長(zhǎng)）于1920年出資興建，后讓于段祺瑞居住，故被人稱之為“段公館”，是段祺瑞軍政生涯的起點(diǎn)和活動(dòng)的重要基地。

段祺瑞舊居是一座三層磚木結(jié)構(gòu)的西洋建筑，具有很強(qiáng)的歐洲庭院式古典建筑風(fēng)格，是當(dāng)時(shí)日租界最豪華的私人公館。該建筑在空間構(gòu)成、造型、裝飾等形式美方面不但嚴(yán)謹(jǐn)考究，而且體現(xiàn)了高水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)意匠和表現(xiàn)手法。這里是段祺瑞一生幾經(jīng)沉浮的傳奇見證，為人們講述民國(guó)初期風(fēng)云人物的生活片段，使人們更深刻的理解當(dāng)時(shí)的歷史，為天津近代社會(huì)研究領(lǐng)域提供第一手資料。段祺瑞舊居具有較高的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值、科學(xué)價(jià)值和史料價(jià)值，被列為天津市重點(diǎn)保護(hù)歷史風(fēng)貌建筑和天津市文物保護(hù)單位。

舊居在1976年地震后損毀較為嚴(yán)重，拆除了坡屋頂式三層建筑及八角涼亭（圖1）。之后作為天津市和平區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，因辦公需要，重新加建了簡(jiǎn)易三層房屋，并在外檐處加裝了抗震柱和圈梁（圖2）。

圖1 地震前坡屋頂三層建筑

圖2 加建三層簡(jiǎn)易房屋后

為了更好地保護(hù)利用段祺瑞舊居，自2014年起，天津市歷史風(fēng)貌建筑整理有限責(zé)任公司便開始著手段祺瑞舊居的修繕保護(hù)?；诙戊魅鹋f居的保護(hù)價(jià)值和歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字保護(hù)的必要性，項(xiàng)目實(shí)施中充分發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研深度融合，建設(shè)單位聯(lián)合專業(yè)院校以及掌握先進(jìn)技術(shù)的企業(yè)，在段祺瑞舊居保護(hù)全過程中應(yīng)用BIM和三維激光掃描等先進(jìn)技術(shù)，探索數(shù)字保護(hù)在歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)中的實(shí)踐應(yīng)用。

3 數(shù)字保護(hù)在段祺瑞舊居全生命周期中的應(yīng)用

建筑全生命周期管理，即BLM （全稱Building Lifecycle Management）是建筑工程項(xiàng)目從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工，再到運(yùn)營(yíng)維護(hù)，直至拆除為止的全過程[7]。歷史建筑的保護(hù)與修復(fù)工程與新建工程不同，必須依托于歷史建筑本身，這就需要掌握歷史建筑的來龍去脈，經(jīng)歷前期調(diào)研、修復(fù)設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等四個(gè)階段。對(duì)段祺瑞舊居實(shí)施全生命周期的數(shù)字保護(hù)也從這幾個(gè)方面入手。

3.1 前期調(diào)研階段

前期調(diào)研對(duì)于歷史建筑保護(hù)與修復(fù)工程而言，是最重要的，是一切設(shè)計(jì)與施工工程的前提與基礎(chǔ)。前期調(diào)研做地越詳細(xì)，對(duì)建筑的歷史和現(xiàn)狀了解地越充分，后期的設(shè)計(jì)與施工才能越精確到位。若前期調(diào)研不做或不充分，將使后期設(shè)計(jì)與施工錯(cuò)誤百出，得不到理想的修復(fù)效果[8]。

在前期調(diào)研階段我們通過兩臺(tái)三維激光掃描儀協(xié)同作業(yè)，快速、大量的采集現(xiàn)狀空間點(diǎn)位信息，得到了段祺瑞舊居現(xiàn)狀完整的三維信息點(diǎn)云文件，該點(diǎn)云文件掃描精度為每秒106萬個(gè)點(diǎn)，誤差可達(dá)毫米級(jí)。該文件真實(shí)記錄了段祺瑞舊居的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了歷史建筑信息的無損傳遞。該點(diǎn)云文件具有多種應(yīng)用價(jià)值。

（1）基于三維點(diǎn)云文件，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)量測(cè)及特征提取，通過模型導(dǎo)出1∶1正射影像，繪制高精度現(xiàn)狀測(cè)繪圖紙，完善歷史建筑的現(xiàn)狀資料，如圖3、圖4。

圖3 三維激光掃描點(diǎn)云文件及數(shù)據(jù)量取

圖4 正射影像及測(cè)繪圖紙

（2）基于三維點(diǎn)云文件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)狀的檢測(cè)分析。后期每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次掃描，并對(duì)多次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行迭加分析比較，還可以實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)（圖5）。

圖5 現(xiàn)狀檢測(cè)分析

3.2 設(shè)計(jì)階段

前期調(diào)研完成后，便進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)階段決定了歷史建筑保護(hù)修復(fù)的最終效果，因而具有不可替代的重要性。基于段祺瑞舊居現(xiàn)狀測(cè)繪圖紙，我們建立了現(xiàn)狀BIM模型，進(jìn)一步補(bǔ)充了現(xiàn)狀資料，同時(shí)在現(xiàn)狀模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合修繕設(shè)計(jì)方案，建立了修繕設(shè)計(jì)BIM模型。通過對(duì)比現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)模型，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案（圖6）。

圖6 段祺瑞舊居現(xiàn)狀及修繕設(shè)計(jì)BIM模型

利用BIM模型實(shí)現(xiàn)了修繕設(shè)計(jì)中管線碰撞的檢測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在BIM模型中對(duì)建筑結(jié)構(gòu)及設(shè)備安裝工程進(jìn)行碰撞分析，找到碰撞節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行溝通協(xié)商，合理調(diào)節(jié)管道的具體位置，減少交叉管道碰撞的發(fā)生、杜絕重疊碰撞的發(fā)生。通過設(shè)備管道的模型化，精確合理的布置，進(jìn)一步提出空間的優(yōu)化方案，通過模型的分析及優(yōu)化使管道高度最小化，從而實(shí)現(xiàn)空間高度的最大化利用（圖7）。

圖7 管線碰撞檢測(cè)分析

3.3 施工階段

施工階段最重要的是跟蹤段祺瑞舊居修繕施工全過程，可以將BIM模型和計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，以實(shí)現(xiàn)BIM基于時(shí)間維度的4D應(yīng)用。利用三維激光掃描儀記錄重要的施工節(jié)點(diǎn)和施工工藝，將施工過程在BIM模型中實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和及時(shí)調(diào)整，使施工管理更加高效。利用BIM模型進(jìn)行項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)模擬，實(shí)現(xiàn)施工方案的優(yōu)化。借助BIM提供的工程量清單以及各階段材料信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)材料的準(zhǔn)確加工和成本節(jié)約。此外，通過三維激光掃描、GPS、RFID、移動(dòng)通訊、云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與項(xiàng)目的BIM模型進(jìn)行整合，指導(dǎo)、記錄、跟蹤、分析作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各類活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字保護(hù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集，完成修繕BIM模型，建立修繕信息共享平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)[9]。數(shù)據(jù)庫(kù)的建立為修繕工程的協(xié)同合作提供平臺(tái)，為編制段祺瑞舊居數(shù)字化保護(hù)修繕實(shí)錄提供數(shù)據(jù)，也為項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)維護(hù)準(zhǔn)備了準(zhǔn)確、全面、直觀的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.4 運(yùn)維階段

在運(yùn)維階段，將建筑的歷史、現(xiàn)狀、修繕以及管理信息有機(jī)整合，針對(duì)項(xiàng)目設(shè)備設(shè)施及運(yùn)行系統(tǒng)的整個(gè)生命周期，建立運(yùn)維智能綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)變電站、電梯、照明、消防、電氣火災(zāi)、空調(diào)暖通等系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化管理。提高管理水平，節(jié)省人力成本，減少維護(hù)費(fèi)用；實(shí)時(shí)檢測(cè)、故障預(yù)警、降低風(fēng)險(xiǎn)，減少損失；實(shí)時(shí)維護(hù)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低物業(yè)成本；實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)客流人數(shù)，匯總?cè)我鈺r(shí)段客流信息，深度分析客流數(shù)據(jù)。

同時(shí)，大量的數(shù)字化資源，為開發(fā)數(shù)字旅游提供了數(shù)據(jù)支持。借助平臺(tái)同步提供建筑使用情況和性能，修繕完成后，可在段祺瑞舊居中布置二維碼，通過掃描將歷史信息、修繕工藝、隱蔽節(jié)點(diǎn)等信息進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)歷史風(fēng)貌建筑本身及其保護(hù)工作的展示宣傳，推進(jìn)保護(hù)工作的社會(huì)共享，提高民眾的認(rèn)知感和保護(hù)意識(shí)。

4 結(jié)語

對(duì)歷史風(fēng)貌建筑進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)數(shù)字化及平臺(tái)化管理，可降低歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)的難度，減少歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)的成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。云平臺(tái)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)的成果共享，展示了歷史風(fēng)貌建筑的價(jià)值和優(yōu)秀的傳統(tǒng)工藝，提高了民眾對(duì)歷史風(fēng)貌建筑的認(rèn)識(shí)和保護(hù)意識(shí)，具有極大的社會(huì)效益。對(duì)歷史風(fēng)貌建筑的數(shù)字化保護(hù)不應(yīng)僅僅停留在段祺瑞舊居這樣的重點(diǎn)建筑上，而應(yīng)該以此案例為起點(diǎn)，形成完善的保護(hù)模式并加以推廣，實(shí)現(xiàn)歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字化保護(hù)的全覆蓋，從而更好的實(shí)現(xiàn)歷史文化的傳承。