基于BIM的既有工业遗存改造研究.pdf

建筑经济CONSTRUCTION ECONOMY第 44 卷第 S1 期2023 年 7 月Vol.44 No.S1Jul.2023摘要：近年来随着城市产业结构不断调整，城中工业厂区逐渐搬离，遗留的工业遗存难以适应当下绿色化、信息化、工业化的发展需求，亟待更新。工业遗存改造项目难度往往高于新建项目，传统更新改造模式难以应对日益复杂的改造需求。本研究为应对现阶段既有工业建筑改造中存在综合性能改造不足、缺乏信息化介入、流程化介入不足等诸多问题，提出通过合理运用BIM技术，构建数字信息模型，提高更新决策效率、提供流程智能监管，实现既有工业建筑空间的创新性转型，满足既有建筑更新改造的多样化功能 需求。关键词：BIM；工业建筑；改造中图分类号：TU731.2；TU17文献标识码：A文章编号：1002-851X（2023）S1-0339-05DOI：10.14181/ki.1002-851x.2023S1339Research on the Transformation of Existing Industrial Relics Based on BIMDENG Yuanyuan，LI Han，YANG Nan，ZHU Yiwen（School of Architecture and Design，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221000，China）Abstract：In recent years，with the continuous adjustment of urban industrial structure，industrial plants in the city have gradually moved out，leaving behind industrial heritage that can hardly adapt to the current development needs of greening，informatization and industrialization，and are in urgent need of renewal.The difficulty of industrial heritage renovation projects is often higher than that of new projects，and the traditional renewal and renovation model can hardly cope with the increasingly complex renovation needs.This study is designed to cope with many problems such as insufficient comprehensive performance transformation，lack of informationization intervention and insufficient process intervention in the renovation of existing industrial buildings at this stage.It is proposed to build digital information model through the rational use of BIM technology，improve the efficiency of renewal decision，provide process intelligent supervision，realize the innovative transformation of existing industrial building space，and meet the diversified functional needs of existing building renewal and renovation.Keywords：BIM；industrial buildings；transform我国既有工业遗存建筑面积约有120亿m2，这些既有工业建筑长期处于不利环境，且早期建设的安全水准低，使用过程中缺乏正常维护，结构破坏、倒塌事故时有发生，难以满足现阶段绿色化、信息化、工业化的发展需求。在2020年6月，国家发改委、工信部等五部委联合制定了 推动老工业城市工业遗产保护利用实施方案（以下简称 实施方案）提出，要加快推进城市工业遗产保护利用，发展新时代中国特色工业文化，打造一批集城市记忆、知识传播、创意文化、休闲体验于一体的“生活秀带”，延续城市历史文脉，为老工业城市高质量发展增添新的动力。实施方案 旨在推动工业遗*基金项目：校基本科研业务费项目重大项目培育专项基金“数字技术赋能的多尺度工业遗产文化保护与活化研究”（2023ZDPYSK11）；中国矿业大学校级大学生创新创业项目“基于大数据的工业用地更新设计策略研究”（20220384cx）作者简介：邓元媛，副教授，研究方向：城市更新、工业遗产保护。李晗，硕士研究生，研究方向：城市更新、工业遗产保护。基于BIM的既有工业遗存改造研究*邓元媛，李晗，杨楠，朱依玟（中国矿业大学建筑与设计学院，江苏 徐州 221000）建 筑 经 济2023年340产保护利用与文化保护传承、产业创新发展、并形成相对完整独立的当代工业遗产保护理论体系。在城市的高质量发展中，既有工业遗存作为城市中的重要一员，是历史工业文明的物质性载体，同时也是城市建设领域的现实性难题。因此，为了适应现代城市高质量发展，应当对现有工业遗存建筑进行改造，并在实施层面寻找具有针对性的技术解决方案。针对需要进行功能转型的工业遗存开展改造技术研究，对延续工业建筑寿命、推动工业建筑全寿命周期的可持续发展，服务城市更新和城市综合复兴，具有重要社会意义。现阶段，国内对于既有建筑改造主要局限于建筑安全性加固、空间拓展或者节约能耗等单一方面，对既有建筑的研究也集中在结构体系加固技术、墙体抗震连接技术、围护结构保温技术、设备改造技术等施工技术措施上，对既有建筑整体综合性能改造涉及较少。为充分利用既有工业建筑现有条件节约资源、提高效率、最大化优化方案，基于BIM技术的既有建筑改造可从改造项目的方案优化、能耗模拟、结构加固、协同设计、施工管理、运维管理等方面入手显著提高改造后的建筑品质。此外，工业遗存建筑改造类设计的难点在于其面对复杂的限制条件和未来使用场景的不确定，随着数字技术对于建造活动影响的不断升级，通过数字技术在虚拟空间形成工业建筑改造的使用模拟，从而提高方案在不同情景下的适应性与准确性。通过与物理模型伴生的数字模型技术，提高决策效率，提供流程智能监管，实现既有工业建筑空间的创新性转型，满足既有建筑多样化功能需求，是本研究的目的和意义 所在。1研究现状1.1BIM技术研究发展现状BIM（Building Information Medeling）是“建筑信息模型”的简称，最初源于Chuck Eastman博士提出的叫做“Building Description System”概念模型。他所提的概念正是现在BIM的原型核心内容“组件属性参数化，自动成图，实施进度模拟、算量分析、关系数据库存储和可视化的模型展示等”。此概念提出后，BIM软件最初从芬兰、挪威等国家开始实践，美国紧随其后，经过长期的研究探索与应用后成为建筑行业主流。美国BIM技术的发展和应用主要是从三个方面驱动；一是美国总务管理局推出的3D-4D-BIM计划，选择部分实际项目作为BIM试点研究，探索和验证BIM在建筑全生命周期内应用的模式、规则、流程等解决方案，规范和引导BIM在实际项目的应用；二是美国陆军工程兵（USACE）在2006年发展了一个为期15年的BIM发展大纲；三是美国国家建筑科学研究院（NIBS）在2007年、2012年和2015年分别发布了美国国家BIM标准的第一版、第二版和第三版，规范了从概述、方法到参考标准、交换信息标准直至建筑全生命周期的实施标准。北欧四国由于气候制约，并未强制要求建筑业使用BIM，BIM技术的发展基本是市场和企业主导。韩国积极实践BIM应用，于2010年初分别在建筑和土木领域制订了BIM应用指南，并要求2016年前实现全部公共工程应用BIM技术。新加坡于2015年前，强制性执行电子化递交建筑、结构、机电等的审批图作，政府的公共部门计划所有的建筑项目必须应用BIM技术。我国建筑信息化起步相对较晚，我国建筑工程领域从2003年开始引进BIM技术，国内的应用以项目实践和市场的需求促进BIM规范标准的出台、行业协会的发展和相关人才的培养。为了推进工程建设信息化实施，统一建筑模型应用基本要求及交付标准，在2016年出台了 建筑信息模型应用统一标准（GB/T 51212-2016），2018年出台 建筑信息模型设计交付标准（GB/T 51301-2018），提高勘察、建设、设计、施工、物业等单位的BIM技术应用能力，规范BIM技术应用 环境。1.2既有工业建筑改造发展现状既有工业建筑改造衍生于欧洲的工业历史考古学研究。国外既有工业建筑在初期探索阶段，并没有引起人们对于其历史价值保护的重视，直到资源紧缺、环境恶化等问题出现，国外学者才开始思考既有工业建筑改造再利用问题。1933年的 雅典宪章 倡导对有重大历史价值的名胜古迹和历史建筑进行保护。1955年的 工业考古学 呼吁各个领域对工业革命时期的既有工业建筑给予研究与保护。1964年颁布的 威尼斯宪章 明确了既有工业建筑的定义和价值评判标准。20世纪80年代，经济全球化使得既有工业建筑改造备受重视。1996年巴塞罗那国际建协会提出对“模糊地段”的改造与再利用。2002年柏林国际建筑师协会上讨论包括鲁尔工业区在内的既有工业建筑改造的成功案例，并引起高度关注。到2003年 下塔尔宪章 的公布，明确了工业遗产这一概念及其价值体系，对工业遗产保护有了飞跃性的认识，并且改造范围也逐渐扩大，由单体既有工业建筑改造发展为工业区改造。2011年，针对工业遗产、工业区、第 44 卷第 S1 期341邓元媛，等基于BIM的既有工业遗存改造研究构筑物、工业场地和工业景观，由ICOMOS和TICCIH联合制定了 都柏林协定，该协定强调了工业遗产保护的重要性。我国的工业体系发展起步较晚，在第一个五年计划初步完成后，才建立起自己的工业体系。20世纪80年代之后，受国际既有工业建筑保护浪潮的影响，我国开始研究既有工业建筑改造，但大多数研究都是建立在对西方发达国家改造经验的借鉴与学习上形成的。1999年，吴良镛在 北京宪章 提出建筑的可持续发展和有机更新理论，对既有工业建筑造再利用具有重要指导意义。2006年“世界遗产日”无锡会议的召开，促使更多学者加入到既有工业建筑改造再利用研究的队伍中。在此后，我国完成的许多实践改造项目，主要分布在上海等一线城市，其改造模式与方法开始多样化。2010年绿色世博会的召开，学界开始关注既有工业建筑改造与绿色发展理念的结合，世博会期间的各类绿色改造展馆，为既有工业建筑改造提供了新的指导方向。1.3研究评述目前我国在建和已建项目中采用BIM技术的占比相对较少或仅部分专业使用，且主要应用于新建项目的规划、设计及施工阶段。而在既有建筑改造再利用过程中，BIM技术及BIM结合3D激光扫描、3D GIS、3D打印等技术开始被应用进来。而BIM技术对后期运行与维护的检测鉴定、更新改造及施工的应用研究较少，仍需进一步向深层次、全周期、协同化方向发展。2BIM技术优势2.1全流程介入既有工业建筑改造中存在应对资金、周期紧张、功能多样的弹性设计需求等问题。本研究是将基于数字技术的智慧改造设计技术运用于既有工业建筑的改造方案中，形成基于虚拟场景的智慧设计手法。如何通过数据观测与空间感知，将物理空间进行数字孪生、在线，从而更科学、高效地满足更新改造类项目施工周期紧张、资金紧张、能灵活应对政策条件、场地条件变化的需求；同时，通过虚拟模型实现用地、建筑改造全过程的智能管控，并在后期运营阶段继续发挥运营维护 作用。2.2辅助更新决策既有工业建筑改造在前期策划、后期评估中存在缺乏方案决策依据的问题。本研究将建筑性能化模拟纳入BIM模型中，增强了改造方案的性能提升。BIM模型主要运用于新建建筑的施工阶段，重点运用于机电管综优化、多专业协同等方面。本研究基于BIM技术提升建筑改造方案的性能，将结构安全性、物理舒适性、消防安全性等方面的影响因素植入BIM改造模型中，并通过三维环境模拟，对改造方案的选择形成直观的决策依据。运用BIM技术进行建筑性能模拟亦是需解决的主要问题。2.3改造智能化BIM技术应用功能的不断完善使得BIM技术在大型复杂建筑中的应用从建设项目的规划、设计、建造等建筑前期逐步推广到后期运营维护、修护、翻新改建直至拆除等全生命周期中。BIM技术在既有建筑改造再利用中的内容主要有：调查并建立竣工BIM模型；能源和运营管理；建筑改造方案评估；获取和维护信息、资源整合；多专业协调等方面，而既有工业建筑所面临的问题是与之相对应的。因此，BIM技术在既有工业建筑更新改造中可有效促进建筑智慧化及可持续的 进程。3改造更新流程构建根据工业建筑更新改造的既有流程，可以将数字技术介入工业遗产分为以下几个步骤：首先，通过文献梳理、历史图像收集、三维激光扫描技术等对建筑信息数据进行采集；再而，对建筑信息进行梳理，如标高、尺寸等，并建立初期模型，再根据三维激光扫描结果对初期模型进行精细化处理；最后，将建筑信息模型通过参数分析软件实施性能模拟，进而对更新改造提供意见参考。综上，构建以“建筑信息数据采集建筑信息模型构建模型性能模拟”为核心的应用框架。具体从现状建筑信息采集、建立现状建筑信息模型、建筑改造方案BIM模型、改造建筑BIM模型性能化模拟、BIM技术应用于建筑安全性能检测五个方面展开，并可据此构建更新改造流程（图1）。（1）现状建筑信息采集工业遗产信息数据采集可分为两方面，一方面通过文献阅读和田野调查了解获取研究对象的基本信息，掌握调研对象所在地、工业类型、工艺过程、发展历史、工业文化、现状困境等。另一方面可以通过各种数字技术手段直接获取世界工业与遗产的建筑、场地和现状等原始基础信息数据，可同时通过建筑空间抓取技术、高清数字遥感影像采集技术、高程等高线抓取技术等方式获取场地中的基础建筑、道路、山体、水体等信息。可通建 筑 经 济2023年342过无人机实地遥感勘测及测量，获取场地的原始建筑信息。在获取传统信息数据和数字信息数据的基础上，通过采集的原始信息对矫数字信息并进行整合调整，形成建筑信息数据的采集与录入。（2）建立现状建筑信息模型大部分工业厂房建设年代久远，基础设计资料存在缺失、发生改变的情况，因此须对建筑现状进行重新调查整理，对建筑工程、构件、材料做法、结构形式等信息进行数据收集，在与现有资料进行整合整理后，提高现状数据的准确度和前期工作效率。同时，既有工业建筑从建设到投入使用的过程中，可能存在建筑及结构材料性能老化、局部建筑使用功能变化以及改扩建需求，因此需要依据 工业建筑可靠性鉴定标准（GB50144-2019）进行结构检测或鉴定，其目的在于了解既有工业建筑的使用环境、长期使用后的材料性能以及是否存在沉降、倾斜等缺陷。将建筑现状调研数据和结构安全性数据相结合，将原有建筑工程的三维信息录入，从而建立相应的建筑现状信息模型（图2）。（3）建筑改造方案BIM模型通过BIM模型对现状建筑中的灾损结构进行修复，对建筑的结构耐久性和安全性进行提升、对建筑改造中的智能化与绿色节能等性能进行设计改造和提升、以及对建筑内部进行装修设计。此外依托现状BIM模型，各专业可在改造设计的不同阶段实现信息共享。改造方案设计过程中，在技术上开展性能碰撞，验证设计中是否存在专业技术碰撞问题。对建筑模型优化后，可以为方案比选、方案设计提供决策依据，同时能对现场材料选用、施工安装等环节提供指导方案。（4）改造建筑BIM模型性能模拟通过将建筑结构安全性、消防安全性、物理舒适性等性能模拟植入BIM模型，对于各项性能进行可视化对比分析，为方案的选题提供数据支撑。同时也可通过与其他软件进行联动，将建筑信息模型通过Grasshopper等类似参数分析软件实施性能模拟，进而对更新改造提供意见参考。从而形成在传统空间功能层面和性能层面图1更新改造流程图2更新实践中细碎厂房Revit建模界面图第 44 卷第 S1 期343都较为优选的方案。（5）BIM技术应用于建筑安全性能检测所建立的既有工业建筑BIM模型，集成既有建筑的几何信息、物理信息和拓补信息等参数，解决既有建筑改造信息收集难的问题，同时为下一步建筑信息化管理积累数据，提供决策依据。同时，利用BIM技术的及时性、可视化等特点，在运营维护阶段通过3D扫描技术和无损检测技术，完成既有建筑的信息化检测，以此实现结构安全性能的动态检测。4结语与展望工业遗存的保护性利用原则可概括为：原真性、整体性、可持续性和动态保护，表现为生产空间、生产设备、生产标语以及生产痕迹等；因此如何保存其既有空间以及结构的信息成为保护利用的重点，而参数化技术的出现提供了难得的契机，具体可总结为以下几个方面：对各类文本信息、空间信息可在一个建筑模型或是一张图上集中体现，对信息掌握愈加全面；将时间信息与空间信息进行结合，即具体分析了区域、建筑、结构的时间演变变化，也可据此掌握建筑全生命周期；三维扫描技术、倾斜摄影等技术的运用极大地丰富了数据获取的精细程度；建筑信息的收集汇总对工业遗产的原真性、整体性保护提供了详实的一手资料；参数化性能模拟对工业遗产的可持续性保护利用提供朝向、空间布局、能耗等方面的实际建议。但在具体实施过程中同样存在以下不足与展望：（1）研究工具、软件使用选择方面建筑信息数据采集阶段，在技术上可通过无人机、点云测绘、偏移摄影等技术获取场地的基础信息数据，通过采集的原始信息对矫测绘信息进行整合调整，形成建筑信息数据的采集与录入。但同时，除无人机拍摄和无人机建模操作门槛地以外，点云测绘、偏移摄影等技术的相关软硬件设施要求高，可实施难度大，因此在信息采集阶段收集的测绘信息对原始信息的校测调整存在局限性。建筑建模软件采用Revit软件实现BIM建模，其场地模型的构建可通过GIS+BIM的形式实现场地信息的录入，但同时受到场地信息获取精度的影响。在运用Revit软件进行建模中，其所获建筑信息的深度直接受到获取信息精度的影响，即信息量越大、越精细，建筑模型越精细。建筑性能模拟软件在比选中发现rhino软件相较于Revit软件更具优势，因此通过grasshopper来进行参数化建模，通过ladybu、honeybee等软件插件对建筑能耗、太阳辐射等相关建筑性能进行模拟，进而可快速获取性能模拟结果。应考虑通过不同软件的协同操作实现性能模拟的便捷化操作。（2）建立工业遗存建筑模型方面工业遗存建模阶段需要采用Revit软件对工业遗存的全生命周期进行精细化建模，其重难点在于工业遗存建筑会在整个全生命周期过程中多次发生各种设备上的更新、工艺方法的改进、空间功能的变更等复杂变化，造成建筑物实际空间与建筑物原始设计图纸相比存在重大偏差，难以建立符合实际情况的精细化 模型。但同时可以依据建筑原始所采集来的历史建筑信息，对原测绘图信息模型进行分析调整，推测出建筑的原始初步设计和意图，作为工程初期模型；以初期模型作为原始参照，运用BIM软件族类化、阶段化的操作优势，在后期模型深化过程中对建筑信息分级管理，描述建筑各时期的状态。参考文献1 张营.BIM技术在建筑物扩建改造中的应用J.中国建筑装饰装修，2023（3）：59-61.2 史艺林，郭喆，石健，等.基于“BIM+VR”技术的工业遗产改造研究以内蒙古工业大学传统建筑博物馆改造项目为例J.城市建筑，2023（1）：174-178+186.3 王瑞阳，曾旭东.BIM技术在传统民居建筑能耗分析中的应用研究以土家族三合水民居为例J.建筑技艺，2022（12）：104-107.4 陈卓逸，褚作勇.BIM技术在绿色厂房改造中的应用分析J.砖瓦，2022（12）：62-64.5 白振文，肖忠亮.建筑数字化升级改造探讨J.智能建筑电气技术，2022（4）：116-120.6 王帅，高军，易咸辉，等.BIM+三维激光扫描技术在机电安装工程中的深度应用J.安装，2022（7）：46-49.7 王宝玉，朱武卫，孙永民，等.BIM正向设计在地下综合交通枢纽中的应用研究以西安火车站北广场综合改造工程项目为例J/OL.铁道标准设计：1-92023-03-01.8 陈栋梁.数字化解构工业建筑改造设计以上海杨树浦电厂改造BIM正向设计为例J.房地产世界，2022（10）：52-54.邓元媛，等基于BIM的既有工业遗存改造研究