既有建筑改造设计中的问题一方面来自于既有建筑本身的特点:建造过程信息缺失、损坏, 并且缺乏运营期的维护管理, 故信息精确度和可追溯性差;另一方面来自于现有的计算机辅助设计软件:多支撑传统设计思想和过程, 无法实现协同设计, 许多信息无法及时传递, 信息利用率低、易失真和丢失, 进而形成信息孤岛和断层。综合分析, 有以下几个问题。

1) 既有建筑特殊性由于既有建筑的竣工验收文件多为纸质材料, 易因保存时间过久或保存不善导致原始信息损坏或缺失、信息精确度差, 后期检测与鉴定补充建筑信息会造成巨大的浪费。且图纸文档信息提取过程中表现出查询难、提取速度慢、效率低等问题。不仅如此, 我国已有建筑缺乏有效的运营维护管理、信息可追溯性差, 总之, 与新建建筑工程相比, 既有建筑改造中存在设计难度大、质量和安全管理要求高、施工难度大、场地条件差、项目管理动态性强等特点。

2) 既有建筑改造项目设计工作耗时较长且效率低其流程主要由5个部分组成, 如图1所示, 特点是:每个设计活动有固定的开展顺序和明确任务;前后阶段互为基础与发展。这种方式适用于较简单的建筑项目, 也能提高工作效率, 但传统过程中递进式传递导致信息滞后, 使专业设计改造矛盾突出且无法及时发现解决, 故设计周期长、效率低。

3) 既有建筑改造的设计方法现阶段建筑及室内设计师的设计工具虽能够提高工作效率和图纸精度, 但多无法避免以下3种问题: (1) 二维绘图以CAD为例, 仅能呈现各类的二维平面图, 缺少三维空间图的层次感和构建信息, 对设计师的空间想象力要求高, 对读者的专业知识及经验要求高; (2) 三维绘图虽能创建原始旧建筑的三维几何模型, 但模型信息却无构件的属性参数; (3) 工程文档管理

由于阶段性成果较多, 存在多种文件种类, 信息整合与利用难度大。

4) 设计平台的分隔与设计软件兼容性既有建筑改造设计过程较复杂, 需设计项目组内部设置详细的任务分工表, 保证设计工作的顺利进行。故具有不同设计任务的设计人员多采用不同的设计软件在不同的设计平台上完成各自的设计内容。

设计内容关联度高, 故需各小组相互交流、信息互补、更新传递完成整个改造设计。但在传统设计流程里, 不同设计软件、统一设计软件不同版本之间多存在兼容性问题;设计平台相对独立, 无法实现协同设计, 且多使用语言交流, 而信息利用也较为独立, 难以完成信息的高效传递。

5) 信息特殊性既有建筑改造的设计过程中设计信息零散、不易整合、形态多样化, 未经整合的信息传递效率低、易丢失、难定位。而各个专业设计人员在不同阶段缺乏信息交流, 在不同阶段都有信息丢失和重建, 浪费时间和人力。对现代项目实施现状进行统计分析发现, 设计师10%~30%的时间都处于寻找合适的信息中。因此在实际工程中, 要加强保存与管理既有建筑的信息、提高建筑信息各阶段传递效率和利用率。另外考虑到后续建筑的运行与使用, 应规范建筑日常维护管理计划。

BIM技术以最新的科学成果和科学数字化理念为支撑, 改进传统设计理念和流程, 突破传统旧建筑改造的复杂问题, 以其独有的可视化、关联性、协调性、优化性和可出图性为旧建筑改造设计提供了新兴、适用、方便、精准的方法, 为旧建筑改造设计带来了正面影响, 能较好满足日益增长的旧建筑改造设计市场的需求。

三维激光扫描方法不仅安全性和效率高, 其数据结果也更加准确、精度和密度更高、更立体, 且对结果进行相关操作后可直接为BIM软件所使用。此外, 三维激光扫描技术采用非接触式的激光测量方式, 无须反射棱镜, 即可采集可见目标表面点云的三维坐标信息。在目标体积过大、扫描环境恶劣、人员难以接近等特殊情况下, 传统测量方法和工具无法获取较全面的已有建筑改造设计所需数据、结构等方面信息。此时, 可利用三维激光扫描技术, 即通过对目标建筑物的物体表面各个点开展详细的测量, 进而提供物体的三维点云数据信息。不同于单点测量, 三维扫描技术能够针对目标对象开展十分密集的测量, 从而获取该物体大量、丰富的数据点, 形成点云。在旧建筑改造设计前期, 对于难以测量或者危险性较高的测量, 采取三维激光扫描技术, 得到精度和分辨率高的建筑物信息模型, 将成为工程行业的趋势。

三维激光扫描仪基于激光测距的工作原理, 对目标物体设置多个站点, 对每个站点均进行大量且密集的点测量, 即通过向目标物体发射一系列的激光束, 进而被目标物体反射, 综合考虑反射距离、反射角度, 得出该站点被测物体的三维坐标、纹理、颜色信息等, 形成目标物体的三维数字化点阵。将各个站点的点阵对接专业分析软件, 进行必要的数据编辑和输出, 进而对不同站点的点云进行信息对接和合成, 得到目标物体的全景点云。目前的三维激光扫描仪在进行各站点测量的同时能够拍摄大量连续的彩色照片, 分析、编辑点阵时, 可将照片中的色彩对应至点云, 形成全面的点云信息, 使目标物体的测量结果真实而立体。在站点的个数及位置选择方面, 应尽量选择无测量死角且视角合理、测量高效的站点设置方案。

1) 扫描仪三维激光扫描仪是三维激光扫描技术的核心设备, 其测量原理为相位差、三角测距、脉冲式3种。

2) 脚架支撑扫描仪能够适应多种复杂的地形, 并起到重要的找平作用, 有助于保证测量结果的准确性。

3) 标靶三维激光扫描仪测量时需设置多个站点, 最后综合各个站点信息, 拼接得到目标物体的三维立体模型, 而拼接的依据和约束便是各个不同站点的重合信息, 故需在测量每两站时, 设置3个公共测量点。标靶是各个站点测量前放置在测量场景中的标志物, 用来保证拼接公共点具有高精度和高准确性的定位。

4) GPS定位仪是附设在扫描仪上的配套设备, 在测量时可选择使用与否, GPS定位可测量各个站点定位仪的大地坐标。不同站点扫描仪的大地坐标综合其测量结果可以更准确地确定目标物体的定位坐标。

5) 计算机在扫描过程中及测量完成后, 需将扫描仪数据对接计算机, 进行必要的处理和不同站点数据的对接及对点云色彩分配等操作, 故计算机配置必须满足这些过程和专业软件的运行要求, 一般为双核或多核计算机。

1) 扫描距离和物体表面材质由于采用激光测距的方法, 扫描仪和被测物体之间的距离、激光束强度、被测物体的反射率都会影响测量精度。

2) 点云配准方式三维激光扫描得到相对于扫描仪的点云数据集, 需要进行点云配准将其转化为相同基准坐标系表示的数据。点云配准方式一般有标靶配准、同名点对配准等。

若采用同名点对配准, 配准结果由既有建筑点云的数据精确度、扫描设备与被测物体间的距离、被测物体的反射率等因素决定;若采用标靶配准, 配准结果由标靶与测站的距离、激光束和标靶的夹角、测量者操作规范性等方面决定。

3) 光斑直径和点云采样间距在实时环境中, 设备与被测物体之间的距离越大, 激光在物体上的光斑面积越大, 且相邻测站的距离会积累放大, 进而降低测量结果的精度和拼接质量;相同工作环境下同一束激光光斑照射具有不同反射率的被测物体, 则三维激光测距是一种无效结果。

1) 确定测量方案在已有既有建筑资料及充分的现场调研基础上, 综合改造需求、既有建筑空间形态、扫描精度及目标分辨率确定各个站点的个数及位置和不同站点间合适的标靶设定处。

为了保障站点设置时的测量精度, 确定站点个数及位置时, 应保证设备和被测建筑物的距离<50m, 否则应通过增加站点个数达到要求;并且应结合实际的要求选择相应的技术, 确定扫描主距、内点云采样间距。

应将扫描对象的具体情况作为确定标靶位置的主要考虑因素, 保证测量精度且尽量保证扫描仪与对应标靶距离最大值为50m的前提下, 均匀分布不同测量位置的各个标靶。

2) 根据制定的扫描工作, 组织现场分站测量获取既有建筑点云数据, 期间可根据现场情况适度调整设站方案。为了降低模型误差, 在确定扫描方案时, 应最大限度减小扫描设备与低反射率建筑体的间距;在确定扫描仪器位置时, 应最大程度缩小仪器发射激光束与仪器接收光束的夹角角度, 提高点云数据的测量及拼接质量。

1) 查找失真点, 去噪处理通过后处理软件Trimble Realworks, Autodesk Recap, Autodesk Revit 等去掉原始图形中的噪声点和失真点。

2) 空间坐标变换扫描仪测量到的点云数据, 是测量坐标下的测量值, 需要进行坐标转换, 将测量坐标转换为项目需要的空间坐标。

3) 冗余处理直接获得的资料中包含了一些对既有建筑改造设计和整个生命周期无意义的数据集, 且易造成视觉混乱的冗余云信息, 如目标物体旁的行人、植物等, 因此需定向清除。

为减小点云配准误差, 点云配准方式的选定应考虑测量实际情况, 一般按照标靶拼接、同名特征点拼接的顺序选择配准方法, 也可根据实际情况结合2种拼接方式以达到更好的配准结果。在处理完各个站点数据后, 根据标靶拼接成点云。

1) 数据导出 对原始点云进行去噪、坐标变换、冗余删除、配准等操作后, 生成*.lass格式的数据文件;将*.lass格式的点云数据导入到Revit软件中, 进行数据索引形成RCP格式;将RCP格式的点云数据重新插入Revit软件中, 此时点云数据中每个点的三维坐标信息, 均成功导入Revit软件。

2) 三维坐标识别 在Revit软件中识别工程现场中构件的三维定位坐标信息, 此时, 可以识别出的三维定位坐标信息即需要后期勾勒的有用信息。

3) 基于点云数据在计算机中呈现的模糊图形和三维坐标信息, 记录建筑信息模型, 勾勒其中的构件, 对既有建筑的细部构件新建Revit族, 即连系勾勒对应的可识别三维定位坐标信息。

4) 勾勒完全部构件后, 去掉点云数据, 形成BIM模型, 使工程现场中的建筑物构件在计算机中形成一一映射, 完成逆向建模, 结果如图2所示。

对于原始资料缺乏、现存资料特殊性强的既有建筑, 三维扫描技术能够高效、准确获取设计及全生命周期所需信息。通过构建Revit族模型, 可以实现既有建筑改造设计阶段的协同设计及改造过程中的信息共享与传递, 提高了既有建筑改造设计过程的科学性和技术性。

首先, 在已有建筑改造前期需确定其结构稳定性和安全性、所使用材质的节能、质量等其他方面的状况, 故需许多相关资料。但许多已有建筑建成时间长, 原始资料缺失, 材质信息较难追溯, 结构信息较难获取, 故资料获取较难。且在原始设计中缺少能量分析项, 因此在改造前期必须全面分析原有建筑的以下内容:旧建筑与周边环境的协调关系、旧建筑的空间环境 (包括光环境分析、风环境分析、温度湿度环境分析等) 等。BIM技术不仅是解决能量分析 (见图3) 的最好技术方法之一, 并且能够结合相应的结论指导旧建筑功能布局的改造设计, 以及立面造型改造设计。

其次, 已有建筑建造初期由于缺乏长期性考虑及纸质资料保存限制, 对于设计所需基本资料大多来自于实地踏勘所得。而传统的设计初期实地调研、测绘不仅耗时长, 且由于缺乏动态、关联的数字化意识, 误差也会很大。而使用各种现代化方法, 如三维扫描测量结合BIM软件, 可将调研资料数字化, 实现理性设计的过程, 在提高资料获取工作效率、准确性的同时也能保证调研结果的客观性。

BIM技术在既有建筑改造设计前期调研中的应用过程为:利用三维激光扫描技术测量既有建筑, 将得到的三维数据及其他方面信息导入计算机, 进而使用BIM工具进行已有建筑各项性能 (如日照、节能) 分析。基于扫描结果及历史资料可通过BIM软件生成既有建筑改造的数据模型底图。并借助逆向工程手段生成模型, 在改造过程中将设计与其进行逆向比较。该方法比传统测绘手段更加方便、快捷、准确。

由于既有建筑改造本身的特殊性及传统设计流程和理念没有科学和系统的设计理念支撑, 在过去的既有建筑改造设计过程中, 设计成果甚至后期施工运营多会出现不同程度的问题。若能够在设计初期便以BIM技术为支撑, 将既有建筑改造全生命周期内所需的参数信息输入BIM软件中, 建立起可实时、动态、关联、一致性调整的建筑信息模型, 并将其作为整个设计过程的基础性电子文件;有准确的数据信息支撑且支持实时调整、协同设计, 则可更加科学、客观地进行既有建筑改造设计。

1) 在已有建筑改造设计的建筑信息模型的基础上, 利用BIM系统三维立体模型的可视化优势, 使业主更好地与设计方沟通、协调与修改, 从而最大程度上满足需求。在设计初期尽可能将方案修改至最合适状态, 不断深化、完善模型, 减少后期因未达到某方面要求而需反复修改设计, 增加工作量的现象。

由于BIM所构建的模型立足于项目的全生命周期, 故使用BIM技术进行既有建筑改造设计不仅有利于前期设计, 其所构建的建筑信息模型涉及虚拟改建、功能模拟、性能分析、技术经济计算等方面, 因此对于施工、运营阶段的展开都有很大贡献。

2) BIM系统可为设计过程提供统一的标准, 规范BIM模型中的表达方式, 如现行的使用范围较广的IFC标准等, 且提供统一的设计平台。在既有建筑改造的复杂设计过程中, 不同专业的设计师可以在BIM设计平台上获取所需的信息, 上传不同阶段的设计成果, 保证不同专业、不同阶段信息的实时有效传递, 避免信息丢失与信息孤岛, 最大程度上保证不同专业设计师在设计不同阶段的各项协同设计。

3) 以使用BIM系列软件———Revit构建的模型为例, 模型构建完毕后, 可直接导入碰撞检测的Navisworks软件, 快捷、准确、直观发现不同专业的冲突 (如经常出现的结构和建筑、机电的冲突及水、暖、通风与空调系统等各专业间管线、设备的冲突问题) 。设计师可根据项目实际情况及相关经验制定解决冲突的合理方案, 不断深化设计, 优化模型。确定该阶段的既有建筑优化建筑信息模型后, 利用BIM软件的可出图性, 导出所需的二维图纸与必要的建筑模型图片。导出的结果作为后期施工过程中材料采购、加工、安装等工作的基础、指导性文件, 能够很大程度上达到精益施工的要求。

因此, 在旧建筑改造设计的前期策划、优化设计过程中使用BIM工具, 能够实现实时信息交流与沟通, 保证协同设计的同时不断优化设计, 降低变更设计工作量、深化设计, 得到最终的优化模型, 为既有建筑改造全生命周期构建准确的信息化模型。

由于可持续发展等节能要求, 目前的旧建筑改造很大程度上是为了改造旧建筑的各方面性能, 而传统设计过程在判断旧建筑是否需要进行性能改造、多大程度上进行性能改造以及所应达到的性能要求标准时, 多依据经验进行人为主观判断, 故存在较大的主观性甚至错误。在BIM技术环境下, 可模拟分析建筑的性能, 比如照明环境分析、太阳能辐射分析、热环境分析、风环境及能耗模拟分析等。不同专业的设计人员在进行设计工作的过程中, 会利用BIM软件平台构建相应的既有建筑各项数据信息构成的模型, 将其对接相关能量分析软件, 分析既有建筑的各项性能, 确定能耗较低、材料利用率较高、施工方便等综合评价结果较高的设计方案。

1) 通过分析既有建筑改造的现状, 确定BIM软件可实现更理性的协同优化设计, 并具有较强的现场实际模拟功能, 能较好满足既有建筑改造设计市场的需求。

2) 通过对BIM技术在设计阶段运用关键技术, 探讨三维激光扫描技术的测量原理、设备、扫描过程、点云数据获取与处理、Revit模型构建的过程, 为既有建筑改造设计阶段获取建筑物的各项参数及协同设计提供了一种高效的方法, 也充分展示了BIM技术的优越性。

3) 通过对BIM技术在既有建筑改造设计阶段获取改造前期的信息, 设计过程的虚拟化、可视化设计、性能设计的智能性, 表明BIM技术在既有建筑改造设计过程中的应用优越性。