基于建筑信息模型技术的历史建筑保护研究

摘要：本研究以历史建筑保护和城市发展为学科主线，以计算机技术为理论工具，以多年建筑遗产调查与研究成果为基础，注重跨学科的交叉，侧重采用数据分析手段，以研究城市历史建筑保护模式与方法为目的，设计面向历史建筑的BIM信息集成平台，建立在多维数据模型基础上的BIM数据仓库分析与处理技术，为城市建设和开发提供科学有效的依据。

关键词：历史建筑；保护；建筑信息模型

中图分类号：TU201.4

文献标识码：A

文章编号：1008-0422（2013）10-0090-02

1 我国历史建筑保护发展与现状

改革开放以来中国的社会经济迅猛发展各类建设活动高潮迭起，城市化和现代化进程飞速推进。历史建筑作为一种文化旅游资源的载体越来越被广泛的发掘。对于城市、地区及国家而言，它也日益成为一个经济来源。在经历了20世纪90年代的复古、仿古风之后，开始逐渐发展到对历史建筑进行维修和保护。保护历史建筑使得城市的优秀历史和文化在弘扬社会文明、丰富城市内涵中发挥独特作用。保护城市历史建筑对继承和发扬优秀文化传统，研究国家和民族地域性特征，研究政治、社会、经济、思想、文化、艺术、工程技术等方面的发展史，均有重要意义。然而，出于交通、居住、商业等多方面的需求必将引发大规模的土地开发和城市建设活动，引发城市建设和文化遗产保护之间的矛盾，这给历史建筑保护工作带来巨大的挑战。城市化进程中，随着城市向大型化、现代化、经济化方向发展，历史文化遗产赖以生存的环境正日益遭到侵蚀。如何处理好保护与发展的关系，既是学术界要研究的重大课题，也是各级政府要解决的现实问题。

从历史建筑保护工程的研究领域来看，发达国家由于对于历史建筑的保护工作开展的较早。国内历史建筑保护工作起步到建立相对来说比较晚，遗产保护概念、立法、现代保护理论技术、保护专业等从无到有并逐步深入成熟，尤其是改革开放三十多年来，随着世界遗产保护事业的进行，我国建筑遗产保护取得巨大进步。1930年产生了中国关于古建筑保护的最初的法律《古物保存法》。1980年专门了《关于加强历史文物保护工作的通知》，并批转了国家文物事业管理局、国家基本建设委员会《关于加强古建筑和文物古迹保护管理的报告》。我国历史建筑的保护工作正在逐步开展，同时很多历史城市与建筑保护工程都有评估工作做为先导。

然而，目前各地的历史建筑保护工作的信息，大多数仍停留在纸质文档，或者是单个计算机的电子文档，这些电子文档没有形成统一的规范的数据库。个别地方开展了基于计算机技术的历史建筑的虚拟复原，如西安的大明宫复原工程，也需要形成统一的规范的数据库，实现资源共享，开展更深入的研究。各地的建筑规划设计施工部门已经开始采用建筑信息模型，这些建筑信息模型多是针对一个建筑的具体操作。一些单位如大型设计院已经将本单位的建筑信息模型在内部联网，但是这种联网还没有形成统一的规范的数据库或数据仓库，无法在统一的指标体系下在海量信息中自动搜集到相关的信息。

历史建筑价值包括历史价值、科学价值、经济价值、使用价值、环境价值、保护价值，需要科学的评估；历史建筑保护的先进技术包括虚拟复原技术需要进行大量的数据处理；历史建筑保护的材料选购、价格计算，也需要数据分析；历史建筑的分类、寿命分析预测，也需要运用数学模型。这些分析工作需要强大的分析工具，因此历史建筑保护工作急需与信息技术紧密结合。

2 建筑信息模型技术的概况与应用

与其它专业相比，建筑学专业由于专业的特殊性，技术的开发和应用水平相对较为落后，设计工作具有较大的随机性和经验型。随着科学技术的发展和人们生活的日益复杂化，单纯以经验、直觉和灵感等传统建筑方法已不能满足现代社会的需求。因此需要引入科学理论研究建筑设计和方法，引入各种计算机分析技术对建筑作出客观、正确和符合实际的评价。

20世纪八十年代，计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）技术的应用，给建筑行业带来了一场革命。它让设计师们摆脱了制图板的束缚，使传统的纸质图纸电子化，为设计的增添和修改带来了很大的便利。不过，CAD技术只是一种二维图形数据处理方式，虽然很大程度上提高了出图效率，但是在后续阶段的再利用方面并不理想。在这种情况下建筑信息模型（Building Information Modenng，简称BIM）技术产生并发展起来。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是近年来出现的一项新的建筑数字技术，这个模型包含了建筑所有信息的综合数据库，可以管理建筑生命周期的全部信息。其对于信息的交流与共享、提高决策速度与准确性、降低成本、提高生产质量等方面具有显著的价值优势。美国国家建筑科学协会（American National Institute of Building Sciences，简称NIBS）给出BIM在实用中的定义：建筑信息模型是利用先进的数字技术建立存储项目全生命周期的所有物理和功能特性的计算机模型，便于业主和经营者利用信息进行建筑物全生命周期的维护。

BIM是一个基于3D的面向应用对象的工程数据库技术，包含了设计意图、项目资料、建造信息、设计管理数据等可视化信息。设计师运用BIM技术进行设计的过程，其实就是建造一个真实建筑的过程。这个虚拟的建筑模型其实是一个包含了建筑物从规划到设计、施工、运营、改造、拆除等全生命周期所有信息的综合大型数据库。

建筑信息模型为历史建筑保护项目提供从最初概念设计开始到整个生命周期里做出任何决策的可靠共享信息资源，使得历史建筑的管理和开发工作进入量化、科学化和法制化轨道。建筑信息模型将这些极其珍贵的历史文献发展为数字资源库，使得规划设计、文物保护和相关管理部门能够及时掌握各种能反映现状的动态资料，并将此作为管理部门保护和管理的依据。将建筑信息模型技术运用到日常的历史建筑管理和维护中，能够将历史建筑各方面的资料和信息整合起来，有助于这些数据的收集、整理、更新、检索、维护和交流，避免这些资料和信息因为分属不同部门而难以共享，同时可以避免有关的纸质书面资料因年代久远而破坏、遗失。同时，在前项工作的基础上，对历史建筑进行客观、公正、适时的追踪评估，建立历史建筑开发的监测和激励机制，保证历史建筑保护的有效性，并及时发现旅游开发带来的危害。

3 基于建筑信息模型技术的历史建筑资源管理

历史建筑保护研究需要着眼于拓宽视野，从历史建筑的生态观、历史文化观、法制观和经济价值观等方面，从更广阔长远的视角挖掘当今的城市建设中历史建筑的价值并提出相应保护对策。这种保护模式是系统的过程，其模式与方法研究能够最大限度的发挥历史建筑所蕴含的各种价值，提高现代城市的核心竞争力。建筑生命周期管理以及建筑信息模型的提出，为实现历史建筑保护建设项目全生命期的信息交换与共享，从根本上解决历史建筑保护项目建设各阶段的信息断层和使用维护阶段的信息流失问题。

3.1基于云服务体系的建筑信息模型系统

实际中建筑信息模型中的指数测评都是同时针对多个对象进行的，每个对象的属性更加复杂和多样，而且多数信息是图像信息，因此需要建立更为复杂的数学模型，需要运用更为高效的数据分析软件。云计算是一种基于互联网的、大众参与的计算模式，其计算资源（计算能力、存储能力、交互能力）是动态、可伸缩、且被虚拟化的，以服务的方式提供。这种新型的计算资源组织、分配和使用模式，有利于合理配置计算资源并提高其利用率，实现绿色计算。

3.2基于多维数据分析的云服务平台

基于云服务体系的建筑信息模型系统需要大量的数据分析，需要功能强大的、能根据需要及时更新的、实现集群计算的动态数据分析软件。基于多维数据分析的建筑信息管理平台BIM数据的存储与访问是实现面向历史建筑生命期工程信息管理的底层数据支持。然而由于BIM模型的复杂性，使其计算机实现十分困难，成为了推动基于BIM的信息集成和管理的障碍。这就提出了一个迫切需要解决的关键技术科技问题，即适应数据仓库下的多维数据集如何用数学模型和算法的多维矩阵表达。建立在多维数据模型基础上的BIM数据仓库与进行数据分析和查询的联机分析处理，使用户直观地理解、分析数据，最终能多角度、多侧面地观察数据，深入地了解包含在数据中的信息、内涵。数据仓库和联机分析处理是建立在多维数据模型基础上的，这种模型是以数据立方体的形式展现数据。

4 基于多维数据的建筑信息模型系统实现

基于云服务系统平台的物理基础，将以网络中心为支撑；并制定一定的资源共享规则，将武汉市近代建筑保护规划设计与施工等相关部门的历史建筑信息模型子系统连接入我们的云服务系统，汇集在统一的历史建筑的保护和管理信息系统平台，基于这个平台能够开展更加深入细致的研究工作，并实现部分信息的查询与交互。具体能够为用户提供如下功能：

1）提供历史建筑环境数据，了解武汉近代历史建筑分布情况；

2）显示历史建筑的相关数据，特别是其现状影响信息，包括平、立、剖面。通过虚拟建造、信息化建模实现建筑的可视化和信息数据的可查询化，能够根据建筑数据的各种属性，对其进行统计和分析；

3）辅助具体建设项目的计算，包括材料选择、结构优化、方案优化和决策；

4）建立武汉近代历史建筑价值的专家评判体系，并统计辅助保护规划；

5）构建针对武汉近代历史建筑保护的相关海量数据的集快速采集、存储、计算和分析的云计算服务体系，构建和配置联网云服务平台。

其中历史建筑测评系统的数据涉及到不同时间段多个专家的多个样本，因此我们采用数据仓库来存储这些从日常运行数据库中分离出来，分散的数据。其多维数据库技术提供上钻和下钻功能，易于投影转换，使用方便；且可以有效地根据不同的需要增加不同的指标，又可以方便快捷地对事实数据进行分析。

因此我们可以充分运用多种学科理论和方法，利用跨学科优势对城市建筑学、文化学进行完善与补充。从根本上解决历史建筑保护项目建设各阶段的信息断层和使用维护阶段的信息流失问题。实现历史建筑保护建设项目全生命周期的信息交换与共享。具体内容包括：

1）设计具有广泛性的时空观架构下的历史建筑保护的模式和方法，增进人们对城市历史建筑潜在价值的认识。并综合应用建筑信息模型、信息标准以及信息集成技术的最新研究成果，研究BIM构建的关键理论和技术，为-实现武汉近代历史建筑信息交换、共享和集成化管理提供理论、方法、技术和平台。

2）建筑信息模型的历史建筑保护的数据涉及到多个指标的不同时间的多个样本，因此可以设计开发面向多对象的基于多维数据分析的数学建模与动态数据分析软件，采用数据仓库来存储这些从历史建筑的日常运行数据库中分离出来，分散的数据。其多维数据库技术可以有效地根据不同的需要增加不同的指标，又可以方便快捷地对历史建筑的事实数据进行分析。

3）发展基于云计算服务架构的信息快速采集、存储、计算和分析技术。实现历史建筑信息海量基础数据的存储。

5 结语

历史建筑保护地域性强，需要很多的知识库支撑，而且根据时间的推移和技术的革新变化很快。历史建筑保护的先进技术包括虚拟复原技术需要进行大量的数据处理；历史建筑保护的材料选购、价格计算，也需要数据分析；历史建筑的分类、寿命分析预测，也需要运用数学模型。这些工作需要强大的分析工具，建筑信息模型提供了历史建筑信息化的技术支撑。基于云服务体系的建筑信息模型系统需要大量的数据分析，需要功能强大的、能根据需要及时更新的、实现集群计算的动态数据分析软件。BIM强大的基础数据支撑是实现面向历史建筑生命期工程信息管理的底层数据支持。将这些极其珍贵的历史文献发展为数字资源库，使得规划设计、文物保护和相关管理部门能够及时掌握各种能反映现状的动态资料，并将此作为管理部门保护和管理的依据，促进历史建筑保护的信息化与现代化。