基于BIM和傳感物聯(lián)的智慧建筑遺產(chǎn)管理

張佳瑩

(倫敦大學(xué)學(xué)院，英國(guó) 倫敦 WC1E 6BT)

0 引言

建筑遺產(chǎn)蘊(yùn)含著巨大的文化、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價(jià)值，遺產(chǎn)建筑全生命周期的可持續(xù)保護(hù)與發(fā)展意義非凡。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與建筑信息模型BIM技術(shù)的不斷成熟，傳感技術(shù)不斷升級(jí)，傳統(tǒng)建筑遺產(chǎn)保護(hù)與發(fā)展方式也應(yīng)適應(yīng)信息化和智慧化的要求。本文通過(guò)歸納分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)外智慧建筑從建設(shè)階段到運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段所應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，探索適合遺產(chǎn)建筑全生命周期可持續(xù)保護(hù)與發(fā)展的技術(shù)應(yīng)用，構(gòu)建智慧遺產(chǎn)建筑運(yùn)維管理框架。

1 框架構(gòu)建

基于無(wú)線傳感的遺產(chǎn)建筑運(yùn)維管理框架主要包括物理感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)收集層、服務(wù)分析層和管理決策層[1]，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)遺產(chǎn)建筑的各因素和參數(shù)的采集、傳輸，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后利用建筑信息模型和數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)所獲得的信息進(jìn)行分析，協(xié)助管理決策。更具體地說(shuō)，物理感知層主要由溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、光照傳感器、人流密度傳感器和預(yù)應(yīng)力傳感器等傳感器獲得數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸層利用有線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將物理感知層所采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)收集層，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)支持服務(wù)分析層，即支持建筑信息模型的建立與數(shù)據(jù)平臺(tái)的建立，最終協(xié)助管理決策層判定遺產(chǎn)建筑的狀態(tài)并進(jìn)行管理決策。遺產(chǎn)建筑運(yùn)維管理框架如圖1所示。

圖1 遺產(chǎn)建筑運(yùn)維管理框架

2 測(cè)繪與記錄

建筑遺產(chǎn)具有極高的文化價(jià)值，不同歷史階段背景下建成的歷史建筑往往具有時(shí)下特殊形制，不同時(shí)期不盡相同。而由于歷史久遠(yuǎn)，絕大部分的建筑圖樣沒(méi)有保存下來(lái)，對(duì)這些珍貴的歷史遺跡進(jìn)行測(cè)繪和記錄，將遺產(chǎn)建筑信息化數(shù)字化，可為遺產(chǎn)建筑的保護(hù)與傳承提供信息數(shù)據(jù)支撐。

基于BIM技術(shù)的建筑遺產(chǎn)測(cè)繪，首先是利用BIM、GPS和GIS、三維激光掃描技術(shù)等信息化手段，對(duì)建筑物表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行迅速采集，之后導(dǎo)入BIM平臺(tái)建立建筑信息模型，從而實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)建筑的數(shù)字3D模型再現(xiàn)，完成遺產(chǎn)建筑的3D測(cè)繪[2]；其次是對(duì)遺產(chǎn)建筑的現(xiàn)狀、歷史、環(huán)境、建筑本體、監(jiān)測(cè)與干預(yù)信息進(jìn)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(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)建筑尤其是建筑構(gòu)件的信息化管理，并且可對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新與維護(hù)，完成遺產(chǎn)各階段的記錄、維修、改造、監(jiān)測(cè)、管理?，F(xiàn)狀信息包括對(duì)遺產(chǎn)建筑當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行記錄、測(cè)繪、勘察和評(píng)估所產(chǎn)生的記錄信息；歷史信息涵蓋相關(guān)歷史文獻(xiàn)、修繕記錄等揭示其歷史、藝術(shù)和科學(xué)價(jià)值的信息；環(huán)境信息記錄遺產(chǎn)建筑環(huán)境檢測(cè)信息包括溫度、濕度、紫外線等；建筑本體信息記錄各構(gòu)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(yù)記錄和檢測(cè)取樣點(diǎn)等屬性；監(jiān)測(cè)與干預(yù)信息涵蓋對(duì)建筑常態(tài)及受干預(yù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)和記錄的信息包含管理部門信息、動(dòng)態(tài)影像等資料；保護(hù)信息，包括對(duì)其未來(lái)的保護(hù)、管理、研究、展示、利用、更新和規(guī)劃等信息[3]。遺產(chǎn)建筑信息模型如圖2所示。

3 環(huán)境監(jiān)測(cè)

影響遺產(chǎn)建筑的環(huán)境因素主要是物理因素、化學(xué)因素和生物因素[1]。物理因素指的是溫度、濕度、相對(duì)濕度、紫外線等；化學(xué)因素主要指環(huán)境中加速和催化文物損壞的因素，如腐蝕、風(fēng)化和空氣污染等；生物因素指蟲(chóng)害、霉變等。

物理因素中，溫度對(duì)遺產(chǎn)建筑的影響主要體現(xiàn)在環(huán)境溫差較大時(shí)的熱脹冷縮[4]，這會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)我國(guó)木構(gòu)遺產(chǎn)建筑的影響尤甚。此外，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致遺產(chǎn)建筑構(gòu)件的皸裂，溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致霜凍破壞，這些都不利于遺產(chǎn)建筑良好狀態(tài)的保持。溫度與環(huán)境中的濕度、光、氧、蟲(chóng)、霉等環(huán)境因素共同作用時(shí)，對(duì)遺產(chǎn)的損壞往往起到加速和催化的作用；在一定溫度值內(nèi)，溫度每升高10℃，反應(yīng)速度就會(huì)加快1～3倍[4]?？傊侠砜刂茰囟葘?duì)于遺產(chǎn)建筑的保護(hù)十分重要，尤其是控制溫度在合理范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，相對(duì)濕度和溫度的波動(dòng)會(huì)對(duì)有機(jī)物產(chǎn)生嚴(yán)重的損害[4]。濕度過(guò)低，有些文物就會(huì)因干燥而出現(xiàn)翹曲干裂等問(wèn)題；濕度過(guò)高，則會(huì)引起文物蟲(chóng)害、霉變等問(wèn)題。所以，控制好溫濕度的變化將會(huì)延長(zhǎng)文物的壽命，熱標(biāo)準(zhǔn)建議保持(55±10)%的相對(duì)濕度對(duì)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(huì)隨著溫度的變化而變化，遺產(chǎn)的光氧化速度也會(huì)受溫濕度變化的影響[5]。紫外線對(duì)遺產(chǎn)有很大的破壞性，需做好對(duì)紫外線的隔離。紅外線會(huì)產(chǎn)生熱作用，因此要盡量濾除光源中的紅外線[4]，減少對(duì)遺產(chǎn)建筑的破壞。

圖2 遺產(chǎn)建筑信息模型[3]

化學(xué)因素中，空氣污染對(duì)遺產(chǎn)建筑的保護(hù)產(chǎn)生巨大危害?？諝獾挠泻怏w中，硫化物氣體對(duì)遺產(chǎn)影響較大。以SO2為例，它與空氣中的氧氣、水分反應(yīng)生成硫酸(H2SO4)，加速和催化對(duì)遺產(chǎn)的腐蝕[6]。

生物因素中，相對(duì)濕度高于70%時(shí)滋生霉菌。霉菌的生長(zhǎng)極限取決于兩個(gè)因素：空氣運(yùn)動(dòng)和溫度。在空氣運(yùn)動(dòng)停滯且溫暖的地方，易爆發(fā)大規(guī)模霉菌[4]。將濕度控制在70%以內(nèi)可以防止霉菌的生長(zhǎng)，細(xì)菌的生長(zhǎng)需要更高的濕度，大多數(shù)害蟲(chóng)也在濕度較高的情況下繁衍生息[5]。

監(jiān)測(cè)和分析數(shù)據(jù)記錄器所記錄的環(huán)境數(shù)據(jù)，利用圖表分析，將從傳感器上獲得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，可以直觀地表現(xiàn)出當(dāng)前保護(hù)條件下溫度的控制是否符合標(biāo)準(zhǔn)，能從數(shù)據(jù)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(gòu)筑物惡化和產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的影響因素，并依此及時(shí)做出環(huán)境改善行動(dòng)。

以某磚混結(jié)構(gòu)遺產(chǎn)建筑的環(huán)境監(jiān)測(cè)為例，根據(jù)傳感器所獲數(shù)據(jù)，遺產(chǎn)建筑周邊環(huán)境的溫度范圍為-1.7～30.1℃，相對(duì)濕度范圍為32%～95%，將數(shù)據(jù)落在圖表中與文物保護(hù)的溫度濕度標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行比較(圖3)，發(fā)現(xiàn)該環(huán)境的溫度和濕度絕大多數(shù)情況下高于標(biāo)準(zhǔn)范圍。在這種情況下，霉菌的發(fā)生率增加(圖4)，會(huì)對(duì)文物建筑造成破壞。據(jù)此，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取手段對(duì)遺產(chǎn)建筑周圍環(huán)境進(jìn)行干預(yù)，可利用空調(diào)系統(tǒng)等對(duì)溫度和濕度進(jìn)行調(diào)整。

圖3 相對(duì)濕度溫度與標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)圖

圖4 霉菌發(fā)生率比對(duì)圖

4 維修保護(hù)

在遺產(chǎn)建筑的維修保護(hù)方面，熱能傳感器所獲得的熱圖像以及結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的應(yīng)變傳感和傾角傳感等技術(shù)可對(duì)遺產(chǎn)建筑的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

對(duì)熱能傳感器所獲得的熱圖像進(jìn)行分析，可直接得知遺產(chǎn)建筑構(gòu)造間的裂縫，如對(duì)磚混遺產(chǎn)建筑進(jìn)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(huì)導(dǎo)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(gòu)件與建筑主體之間的縫隙可能是由于建筑結(jié)構(gòu)本身的老化和間隙充填材料的侵蝕造成的，會(huì)導(dǎo)致防潮、保溫、通風(fēng)等方面的性能不佳，需進(jìn)行維修保護(hù)工作。

圖5 某磚混遺產(chǎn)建筑的門

圖6 熱圖像分析

應(yīng)用主動(dòng)式RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)在遺產(chǎn)建筑工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，可以對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的應(yīng)變、傾角等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)遺產(chǎn)建筑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)遺產(chǎn)建筑構(gòu)件所發(fā)生變化的自動(dòng)化、集成化監(jiān)測(cè)。例如，對(duì)遺產(chǎn)建筑外墻墻體的傾斜量參數(shù)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用墻體三維變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)墻體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與實(shí)時(shí)比對(duì)，了解其是否產(chǎn)生變形并且進(jìn)行預(yù)警，增強(qiáng)監(jiān)控的智能化[7]。

5 更新改造

建立遺產(chǎn)建筑信息模型，可在建筑信息模型內(nèi)體現(xiàn)需要更新改造的部分，并且保留原先的建筑信息模型進(jìn)行比對(duì)。對(duì)于整個(gè)流程而言，遺產(chǎn)建筑的更新改造需要人員進(jìn)行大量的記錄與填表。若將這些紙質(zhì)信息轉(zhuǎn)化到BIM平臺(tái)，一方面，方便不同專業(yè)的人員之間進(jìn)行信息傳遞與交流；另一方面，有助于后期對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的歸檔工作[8]。應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行遺產(chǎn)建筑更新改造模擬施工，可提早在施工階段前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題并做出應(yīng)對(duì)，避免在施工階段對(duì)遺產(chǎn)建筑造成額外的損傷，還可預(yù)見(jiàn)更新改造后的效果，提升歷史風(fēng)格一致性，并降低對(duì)周遭環(huán)境的不利影響。施工階段，在建筑信息模型中進(jìn)行施工協(xié)同，在遺產(chǎn)建筑危機(jī)情況發(fā)生時(shí)便于做好相應(yīng)的處理。

6 運(yùn)營(yíng)管理

對(duì)建筑遺產(chǎn)的運(yùn)營(yíng)管理是發(fā)揚(yáng)遺產(chǎn)價(jià)值、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。絕大部分已經(jīng)開(kāi)發(fā)的遺產(chǎn)建筑會(huì)被發(fā)展成旅游景點(diǎn)，不僅能更好地寓史于景，也能有效吸引游客。然而，歷史遺產(chǎn)區(qū)的環(huán)境承載力是有限的，通常比一般的城市環(huán)境更脆弱[9]，人流量過(guò)大會(huì)對(duì)遺產(chǎn)建筑產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的不良影響，所以人流量控制很重要。

現(xiàn)如今，有遺產(chǎn)建筑的景區(qū)，在旅游旺季可能會(huì)分時(shí)間段對(duì)人流量進(jìn)行控制，但進(jìn)入旅游區(qū)之后，卻沒(méi)有對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行人流量的控制。例如蘇州拙政園，雖然遺產(chǎn)區(qū)域整體的人流量是可接受的，但游客時(shí)常聚集在布置有展品的展廳而導(dǎo)致過(guò)度擁擠。針對(duì)這種情況，可使用人流量計(jì)量傳感器對(duì)細(xì)分區(qū)域的人流進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)警，從而安排合適的人流準(zhǔn)入時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

此外，在遺產(chǎn)建筑旅游區(qū)的衛(wèi)生和物業(yè)管理方面，也可以通過(guò)物聯(lián)傳感技術(shù)準(zhǔn)確得知需要進(jìn)行清潔與人員安排的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員排班與保潔安排的精準(zhǔn)管理，優(yōu)化提高效率。

7 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)線傳感的遺產(chǎn)建筑運(yùn)維管理框架主要包括物理感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)收集層、服務(wù)分析層和管理決策層，可實(shí)現(xiàn)對(duì)遺產(chǎn)建筑全生命周期的監(jiān)測(cè)和運(yùn)維管理。

在遺產(chǎn)建筑的測(cè)繪與記錄方面，通過(guò)BIM與傳感建立數(shù)字3D模型，而后將信息錄入3D模型中，可建立遺產(chǎn)建筑全生命周期信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新與維護(hù)。

在對(duì)遺產(chǎn)建筑進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，影響遺產(chǎn)建筑的環(huán)境因素主要是物理因素、化學(xué)因素和生物因素，可通過(guò)傳感技術(shù)獲得環(huán)境信息，據(jù)此確定是否有任何使得建筑構(gòu)筑物惡化和產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的影響因素并做出恰當(dāng)?shù)沫h(huán)境改善行動(dòng)。

在遺產(chǎn)建筑的維修保護(hù)方面，對(duì)遺產(chǎn)建筑的構(gòu)件，通過(guò)熱能傳感與預(yù)應(yīng)力傳感等技術(shù)得知肉眼難以識(shí)別的建筑構(gòu)件健康狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，以防情況進(jìn)一步惡化。

對(duì)于遺產(chǎn)建筑的更新改造，進(jìn)行建筑信息模型的建立與施工模擬等，能更好地對(duì)更新改造施工過(guò)程進(jìn)行把控和協(xié)同，保證結(jié)果符合預(yù)期。

針對(duì)運(yùn)營(yíng)管理，通過(guò)人流量計(jì)量傳感技術(shù)確定流量分布并進(jìn)行合理控制，可避免超出歷史遺產(chǎn)區(qū)的環(huán)境承載力而對(duì)遺產(chǎn)建筑產(chǎn)生不可逆的負(fù)面影響。此外，還可運(yùn)用物聯(lián)傳感技術(shù)優(yōu)化物業(yè)管理。