成功运用BIM技术于历史建筑保护的关键因素分析

李 艳，李光范，董 锴

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.天津大学 经济与管理学部，天津 300222；

3.天津城建大学 管理工程学院，天津 300384)



成功运用BIM技术于历史建筑保护的关键因素分析

李 艳1,2，李光范1，董 锴3

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.天津大学 经济与管理学部，天津 300222；

3.天津城建大学 管理工程学院，天津 300384)

近年来，BIM技术因其可视化、协调性、模拟性等特点成为了有效的历史建筑建模和建筑信息集成工具.文章通过文献，分析了BIM在历史建筑保护中的影响因素，问卷调研了从事历史建筑保护和BIM相关领域的工程人员，同时运用主成分分析法，归纳出BIM技术在我国历史建筑保护领域中所面临的5个主要影响因素，即软件自身因素、人才因素、观念因素、环境因素的经济因素，并以此为据，从软件功能的完善、专业人才的培养、传统观念的转变、有利环境的营造、经济效益的论证等5个方面BIM技术在历史建筑保护中提出了对策和建议.

历史建筑保护；BIM； 主成分分析法

如何有效地运用信息技术，整合、处理和保存历史建筑的各种相关信息，合理地安排保护措施，实现历史建筑在其生命周期内的全面信息管理是我国历史建筑保护亟需考虑的问题.在这一领域，BIM为实现这些目标提供了可能，然而尽管我国在历史建筑保护中已有成功运用BIM技术的实践，但该技术仍未能得到广泛的利用.为此，笔者通过问卷调查和分析，研究了BIM技术成功运用于我国历史建筑保护中的关键影响因素，并根据关键影响因素提出了对策，旨在推进BIM技术在历史建筑保护中的应用发展.

1 研究背景和意义

BIM(BuildingInformationModeling)即建筑信息模型，最早由Autodesk提出，用来形容以三维图形为主、面向对象并与建筑学有关的电脑辅助设计，以各项相关信息数据(几何数据、空间关系、地理信息系统、各种建筑组件的性质及数量等)作为模型的基础来建立建筑模型，建筑内的各个部分和各个系统都可以通过其呈现出来.发展到现在，BIM不仅仅是一种设计工具，更成为了一种集成管理的模式和理念，其所具有的可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等5个特点使设计、建造和管理可在同一个平台下工作，构建了工程的集成管理环境，提高了工作效率并减少了风险概率.

在历史建筑的保护中运用BIM技术有着非常重要的意义.一方面，在修缮过程中充分利用历史建筑的信息模型比利用传统测绘图纸有更大的灵活性，根据实际测绘过程所建立的模型，不仅能完全代替纸质图纸，详细记录历史建筑本身的几何信息、构件尺寸、工艺做法和材料数据，而且还可以在正式修缮前对残坏的构件进行数字化模拟修补或更换，从而降低了风险.此外，对于残损严重、濒临坍毁或已经损毁的需要复原的建筑，也可以运用数据信息对其进行设计、施工、维护；另一方面，历史建筑信息模型精确记录参数化的建筑信息，能够给史学家提供准确的研究资料；参数化的模型能对建筑进行详细的三维展示，从而更直观地展现建筑的面貌；强大的参数数据库也有利于系统的统计与分类，例如在木结构的历史建筑中，对构件实现的基于斗口尺寸的参数化控制有助于更加清晰地和深刻地理解木结构的营造方式.

2 BIM技术在历史建筑保护中成功应用的关键因素分析

目前，国内关于BIM应用影响因素的研究已有一定的基础[1-5].马智亮[5]提出了应用软件、标准和应用模式是我国BIM发展的3个核心问题；张建新[1]研究了中国建筑设计领域的BIM应用现况，并分析BIM应用上的阻碍因素；吴吉明[2]阐述了目前我国BIM本土化过程中所遇到的机遇和挑战.可见，历史建筑保护领域实际上是由建筑专业、材料专业和历史、文博专业交叉整合而成.基于对文献的分析，结合我国历史建筑保护的现实情况，总结了BIM在历史建筑保护应用中的影响因素，如表1所示.

表1 BIM在我国历史建筑保护中成功应用的影响因素

将总结的32个影响因素做成问卷发放给从事历史建筑保护和BIM相关领域的工程人员，目的是要了解32个影响因素的影响程度.此次调查的人群主要集中在BIM软件开发单位、BIM咨询与培训单位、施工单位和设计单位，所有调查对象都曾直接接触或参与过BIM项目，其作答均基于一定的BIM背景知识和BIM工程经验，故调查结果有借鉴意义.

通过对调查数据进行多元统计分析，巴特利检验表明，巴特利值=1 875.336，合计P<0.000 1，由于影响因素的相关矩阵并构成一个单位矩阵，进一步采用因子分析的方法.通过Kaiser-Meyer-Olkin分析可以看出，KMO度量值=0.796，逼近于1，表明其结果可以被接受，已有样本所进行的因子分析效果较好.进一步对所得数据进行因子分析，从表2可以看出，原有的32个影响因子中有5个主成分累计可以解释所有影响因子的84.163%.5个主成分可以归纳软件、人才、观念、环境和经济的因素，主成分所包含的主要因子的贡献程度，如表3所示.从表3可以分析得到在影响BIM在中国推行的5个因素中，软件本身的因素和人才培养的因素对BIM的影响是最大的.

表2 BIM影响因素的主成份提取结果-解释的总方差

表3 各主成份所包含的主要因子的贡献程度

其中，F为影响因子

3 BIM在历史建筑保护中运用的主要问题

3.1BIM软件的开发与应用不足 尽管目前BIM软件种类繁多，但根据加拿大BIM学会在2011年4月的统计数据，全球BIM产品的79 款软件大多集中于设计阶段，大概有62款，用于施工的仅有 25 款，可以明显的看出BIM应用还集仍然集中设计阶段，产品还不能形成完全寿命的应用体系，从而不能为项目的后期运营和维维护提供导向.从我国现实情况看，国内自主研发的BIM核心建模软件仍基本处于空白状态，已有的BIM软件也大多引进国外技术，并且由于国内建筑产业背景和环境的差异，使得软件本土化工作非常困难.

3.2BIM人才紧缺 我国BIM应用软件人才仍是很紧缺.从“数量”上看，全国建筑行业能运用BIM进行工程设计及实践的人，与传统掌握CAD设计人才的数量相比差距太大.从“质量”上看，容易将BIM与3D可视化画等号，然后3D模式仅仅是BIM应用模式的最基础部分.深入应用后，BIM数据规范如何定义、协同沟通机制如何建立和BIM模式的交付标准如何定义等等问题也需要人才支实现.因此，企业级的BIM应用模式就不可能再由一个或几个软件简单构成，人才培养模式也需要以软件培训为开端，深入进行.

3.3 观念保守 如果把BIM和目前已经普及使用的CAD技术进行比较的话，就会发现CAD基本上是一个软件的事情，只是换了一个工具、换了一种介质，更多地表现为使用者的个人能力.BIM则远非如此，BIM不仅仅是一个软件的事，其价值的最大化需要通过建筑信息的最大程度集成与共享，这就要求使用者具备较强的协同观念和对数据共享的开放态度.而传统CAD模式保留的的“各自为政”的保守观念不利于BIM价值的实现.

3.4 效益评估不到位 效益评估任何一种新技术或新方法得以被行业普遍采用的必要条件，因此BIM应用效益是BIM使用者关心的主要议题之一.但目前出现了片面地量化效益的现象，把目光锁定在短期费用的减少，架空了BIM实施中带来的无形的社会效益以及返工率、工程失误和资源优化配置等评估折合后的巨大商业价值，造成BIM投入产出比虚低的现象.

4 BIM在历史建筑保护中推广的对策和建议

4.1 完善软件功能

4.1.1 设置本土化插件 考虑原有软件的优点和使用者的习惯在长期使用原有国产二次开发软件的过程中，我国历史建筑保护的工作者已经形成适应软件中便捷模块的操作习惯，带着旧有的操作习惯来接触三维BIM软件时，会将原有的习惯与与新软件节操作进行比较，当旧的操作习惯与新软件的操作习惯不兼容时就会给初学软件的使用者带来额外的工作量，再加上历史建筑的修复工作具有繁杂而细致的特性，很容易产生一种抵触心理，不利于软件的推广.因此，为了降低抵触心理给软件推广带来的阻力，软件的开发者应将原有软件的使用优点及习惯作为新软件功能设计的考虑因素之一，在软件中设置更多的本土化插件，从而使新软件更容易被接受.

4.1.2 细化软件“族”应用BIM应用成功与否需要有一个合适的标准和一套成熟的信息平台，即一个完整的族库.在合适的标准下建立的信息平台方便于管理，也便于调用和查看信息，更方便于应用.对于历史建筑的BIM化保护，历史建筑构件信息平台的构建即为将历史建筑构件信息合适地标准化，而历史建筑的复杂性和构件的多样性又使得BIM的应用有非常高的难度，如屋脊的张口吞脊，琉璃小兽挂于四条垂脊的檐角部位；由木支条在梁架间搭制成方格网，格内装木板绘以彩画的天花板结构复杂，装饰独特；藻井位于佛坛的上方正中，下方上圆，结构复杂[6].诸如此类的古建筑细节使得BIM软件在“族”的应用多变，因此如何改进BIM使其更适合应用于构建复杂的历史建筑是BIM在历史建筑保护领域得到推广的关键.历史建筑较一般建筑有其特殊性，历史建筑信息模型不是简单地将BIM运用于历史建筑，而是要面向历史建筑的特殊性并进行适应性的改良.

4.2 培养专业人才

4.2.1 校园培训 历史建筑保护工作具有多学科交叉整合的性质，对专业人才的要求较高，专业人员不仅要有建筑学专业的基础，而且还要具备一定的文史知识.随着BIM在历史建筑保护领域的逐步推广，BIM技术也成为对专业人才的技能要求.BIM是于2006年才开始被我国各大高等院校的关注和研究[6]，其教育尚未能普及，因此还有待于从很多方面努力.首先，应有更多高等院校增设与BIM相关的前期软件课程，因为据2013年的最新统计，只有部分高校(例如清华大学、同济大学、天津大学等)在本科领域开设BIM软件课程[7]；其次，各大高等院校应设置BIM的科研机构，高等院校间应多举办有关BIM的技术交流会，从而推动BIM技术在我国的发展；最后，各大高等院校应积极参加全国高等院校建筑信息模型大赛.

4.2.2 企业培训 有别于只需要由个别专家掌握的核心科学技术，BIM作为一门涉及多学科的相对复杂的应用技术，其推动依赖于参与工程的全体人员对BIM技术的基本掌握.所以，针对没有接触过BIM软件的初级用户来说有必要进行系统的培训，考虑到软件的更新，还应针对BIM软件的老用户要进行相应的再培训.对于目前的中国，企业应从2个方面做好BIM的培训计划：首先是培训方式的针对性.总的来说BIM软件是“易学难精”，集中的初期培训以及再培训并不能让历史建筑保护者在实际项目中完全掌握并熟练运用软件，因此，针对具体历史建筑保护项目的指导显得十分必要，而这也是目前BIM培训机构的工作重点.在进行针对性培训时，为了防止可能产生的纠纷，应注意在进行项目指导前界定好双方工作的范围；为了提高效率，还应该在事前约定好考核的方式.其次要有适合项目的培训频率.针对项目的BIM培训寻求合适的发展结奏，把项目启动、团队建设、配合、输出作为项目的4个关键节点，结点的针对性培训是项目最关键和必须的环节.同时，要注重BIM的日常普及教育，因为BIM也是日常常态工作的一部分.

4.3 转变传统观念 目前在我国的历史建筑保护实践中，由于参与者对所持数据资源的保守态度，因此该领域一直存在信息堵塞和信息不完整的问题，信息模型缺少应用中所需的信息，当然也就无法达到软件设计的初衷.因此，需要转变传统的观念，营造历史建筑保护领域共享信息资源的开放性环境.适当的信息共享将会带来多赢局面，项目的各个参与方对外应采取更加开放的和积极的政策，从而使员工更加愿意与合作伙伴进行信息资源的交流.另外，为保障信息安全、保护自身权益，企业还应安排专人担当信息资源管理员的角色.

BIM技术的实施还需要改进项目管理模式，在传统模式中，项目参与方的集成化程度较低，设计和施工站在项目利益的两端，两者间并不容易形成长期的合作关系，相互之间的信任程度低，更加难以有效实现项目信息的共享，对BIM技术的实施也是不利的.以BIM为基础的IPD交付模式是一种新的项目交付模式，IPD模式实现了项目的信息的共享及跨职能团队的高效协作，能最大程度地促进项目参与方的整合并促进BIM的应用.

4.4 营造有利环境

4.4.1 制定BIM标准和指南标准和指南 应由政府行业主管部门颁发我国BIM技术亟待标准和指南的指引，其原因：首先，能给BIM软件使用者提供统一的BIM应用指导，也能给BIM软件设计者提供统一的BIM设计标准；其次，表明政府对BIM技术的重视和支持.例如，如果某历史建筑修复项目要利用BIM技术来建模，由于模型的成品标准在BIM指南中已有规定，因此设计方便可按照其标准进行工作.企业可以基于政府行业主管部门颁发的标准，按照企业内部的特殊要求或者特定项目的具体情况制定该企业的实施性更强的BIM标准.企业标准可涉及软件如何选择、团队怎样构成、数据交换标准、软件应用范围和出图标准等方面.

4.4.2 建立BIM项目的争议处理机制 在建设项目中常常涉及到协商问题、保险支付问题以及仲裁制度的合理性问题等，因此需要建立争议处理机制.而历史建筑信息模型项目比一般项目争议的处理机制更为复杂，因为历史建筑不同于一般的建筑，不允许项目过程中出现任何失误，更不存在返工整改的情况，所以项目参与方承担了更大的责任；再者，由于BIM项目采用了协同工作的方式从而在产生争议是难以区分项目参与各方之间的责任.因此有必要建立完善的BIM项目的争议处理机制，如制定BIM标准合同文本，并在合同文本上规定BIM数据模型在争议解决过程中可以起到的法律效果，具体应包括数据模型归属人和责任单位；又如保险公司可基于BIM项目各参与方的义务、参与方之间的责任关系等来规定有关BIM项目的保险条款.BIM项目参与方之间保持互动是在当前缺乏争议处理机制情况下的权宜之计.为尽早完成项目和达到双赢目标，BIM项目参与方在面对争议时应当尽力协商.

4.5 论证经济效益 一方面，某项目是否应用BIM，其决定权在于业主，可以说，业主是BIM应用的“马达”，在很多情况下，历史建筑保护项目的“业主”是政府，但政府会从经济性来考虑，如从增加的设计费用、购买软件的费用以及人员培训的费用等方面来加以考虑.另一方面，由于BIM的应用能提高设计的质量和速度、降低项目的风险、提高项目的管理质量，其最终受益者是业主.因此，只有业主能权衡其中的利弊，才会对设计方和承包方提出应用BIM的需求.

然而，目前我国还缺乏能够证明BIM经济效益的根据，也没有研究能让业主做出应用BIM技术的决定.在欧美发达国家，BIM技术所带来的经济效益已经通过了论证，效益非常明显；但在中国，引进BIM的时间尚短，还处在逐步本土化的阶段，在此阶段中，购买BIM软件的费用、硬件升级所需的成本、设计费用的增加、培训员工的费用和时间成本等，导致了BIM技术所带来的经济效益不明显.一旦BIM技术的本土化完成、特别是在项目参与者熟练了BIM工作模式后，收益会日益突显.为了准确地了解BIM的经济效益，政府机构或者企业应从实践出发，并以实际案例为本，委托高等院校研究人员对BIM项目进行经济效益的相关研究，从经济效益的研究中得出定量化的直观结果，并将研究成果在行业杂志上共享，让更多的业主认可BIM技术并推动BIM在项目的应用.

5 结束语

BIM技术若能在历史建筑保护乃至整个建筑领域得到广泛运用，其将带来不可估量的效益，但现在应用BIM进行历史建筑保护工作的实践仍较少，对BIM的了解还不够深入.鉴此，为了使BIM技术在我国历史建筑的保护中得到顺利推广，应从相关软件功能的完善、专业人才的培养和有利的行业政策环境的营造等多方面来促进BIM的本土化发展，以加速我国历史建筑保护工作的信息化进程.

[1] 张建新. 建筑信息模型在我国工程设计行业中应用障碍研究[J]. 工程管理学报， 2010(4): 387-392.

[2] 吴吉明. 建筑信息模型系统(BIM)的本土化策略研究[D]. 北京：清华大学, 2011.

[3] 张连营，李彦伟，高源.BIM技术的应用障碍及对策分析[J]. 土木工程与管理学报， 2013(3): 65-69.

[4] 赵源煜. 中国建筑业BIM发展的阻碍因素及对策方案研究[D]. 北京：清华大学, 2012.

[5] 马智亮.BIM技术及其在我国的应用问题和对策[J].中国建设信息,2010,4:12-15.

[6] 赵华英,叶红华,赵冠一,等. 上海玉佛禅寺修缮与改扩建工程中的BIM技术拓展应用[J]. 土木建筑工程信息技术,2014,1:101-105.

[7] 齐宝库，薛红，张阳. 建筑类高校BIM高端人才培养的瓶颈与对策[J]. 中国建设教育，2014(1): 30-33.

Key Factors of the Protection of Historical Buildings Analyzed by BIM Technology

LiYan1,2，LiGuangfan1，DongKai3

(1.InsitituteofCivilEngineering,HainanUniversity,HainanHaikou570228,China；2.Collegeofmanagementandeconomics,TianjinUniversity,Tianjin300222,China；3.SchoolofEconomicsandManagement,TianjinChenjianUniversity,Tianjin300222,China)

Inrecentyears,becauseofvisualization,coordination,andsimulation,BIMbecomesaneffectivehistoricalbuildingmodelingandinformationintegrationtool.Inthereport,basedonliteraturesearching,thefactorsaffectingtheapplicationofBIMinhistoricalbuildingprotectionwereanalyzed;thequestionnairesurveyonrelatedengineeringpersonnelwhoareengagedinthehistoricalbuildingsprotectionandBIM-relatedfieldswereperformed;theprincipalcomponentanalysismethodwasusedtosummarizethefivemainfactorsaffectingthehistoricalbuildingprotectionwithBIMtechnologyinourcountry,whicharesoftwareitselffactors,personnelfactors,theconceptfactors,environmentalfactorsandeconomicfactors,respectively.Thecountermeasuresincludingimprovingthesoftwarefunction,trainingprofessionaltalents,changingthetraditionalideas,creatingafavorableenvironment,anddemonstratingtheeconomicbenefitsofprotectionofhistoricalbuildingsofapplicationBIMtechnologysuccessfully,wereputforward.

Riegelhistoricvaluetheory;buildinginformationmodel;PrincipalComponentAnalyzes

2015-03-16

海南省自然科学基金项目(713182)

李艳(1977-)，女，湖南衡阳人，副教授，研究方向：历史建筑保护与开发、工程项目管理，E-mail:liyan_126.com

1004-1729(2015)03-0258-06

TU

ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0047