建筑文化遺產數字化保護探索

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摘要：新形勢下建筑文化遺產的數字化保護與實踐成為社會關注的熱點。以世界文化遺產地鼓浪嶼為例，提出了一種基于BIM+理念的建筑文化遺產數字化保護方法。首先通過三維激光儀采集點云數據，生構建繪圖紙；再構建文化遺產建筑信息模型（BIM），并集成歷史建筑的綜合信息；最后結合VR技術實現效果展示，通過復原和再現將建筑文化遺產轉換成可共享再生的數字形態，以全新的視角加以解讀和利用。通過實際案例，系統全面地構建了以BIM為核心的建筑文化遺產數字化保護方法和實踐路徑，搭建了信息技術與文化遺產保護的信息橋梁。

關鍵詞：BIM+；點云數據；VR；鼓浪嶼

隨著社會發展與進步，建筑文化遺產的還原保護與傳承利用愈加受到人們的重視。目前，在建筑文化遺產保護中出現了許多新技術，其中建筑信息模型（BIM）技術最受關注。BIM是以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目中各種相關信息的工程數據模型。在國外，MurphyM[1]、ChiabrandoF[2]等探討了BIM技術對當今歷史建筑保護的重要作用。在國內，呂芳[3]通過思南路古建筑改造項目，將激光掃描與BIM相結合，根據掃描的點云數據創建了保留原始數據完整性的Revit模型；劉慧媛[4]通過BIM與GIS平臺的結合，基本上實現了河西斗拱譜系研究的可視化；王茹[5-6]等研究了古建筑構件信息標準化以及關鍵信息量化提取的方法，設計了一種基于圖形數據庫擴展數據和擴展字典儲存古建筑附加信息的明清古建筑構件信息模型系統。BIM實現了建筑相關信息詳盡的數字化表達與可視化，有利于建筑的全生命周期管理，適用于建筑文化遺產的數字化表達、數字化復原、數字化保護和管理等方面。BIM在創建三維模型、信息存儲與共享、信息可視化等方面具有優勢，能較好地滿足日益提高的建筑實踐需求。同時，結合其他現代數字化技術而形成的，以BIM技術為核心的BIM+理念更是BIM的一次突破。當前BIM與多種技術相結合的實踐研究主要集中在BIM+PM[7-8]、BIM+物聯網[9-10]、BIM+GIS[11]、BIM+三維掃描[12]、BIM+三維打印[13]、BIM+VR[14]等領域，覆蓋范圍涉及規劃與建筑設計、項目管理、建筑全過程信息集成與共享等多方面。BIM+理念及其實踐探索具有廣泛的可操作性與實用性，在多種技術的融合下突破了BIM的單一運用極限[15]。因其具有信息管理效率高、計算方法科學性強和模擬演練真實性好等優勢，BIM+理念為建筑文化遺產的保護、傳承、展現與開發提供了新的發展契機，創造了新的技術和物質手段。開展基于BIM+理念的建筑文化遺產保護路徑探索，對于推動建筑文化遺產保護方式的進步和人們對建筑文化遺產的接觸與了解具有重要作用。根據BIM+理念，首先可通過與三維激光掃描技術相結合的方式獲得建筑點云數據，完成建筑數字化信息采集。在國外，ArayiciY[16]等認為三維激光掃描技術能對建筑物、場地和物理對象的數字文件進行重建和恢復；KerstenT[17]等利用三維激光掃描技術對漢堡市政大廳內兩個歷史悠久的大廳進行三維掃描，并建立了模型。在國內，呂翠華[18]等探討了利用三維激光掃描技術進行建筑物三維建模的方法；張遠翼[19]等運用三維激光掃描技術不僅成功展示了測繪成果的實景三維影像，而且可通過影像圖自身的點云數據賦值信息對具體構件尺寸進行量取。研究實踐表明，將三維激光掃描技術運用于建筑遺產保護中，能通過數字記錄的方式為古建筑保護提供依據，并能在掃描已知數據的基礎上再現古建筑原貌，從而建立完整、準確、永久的數字檔案，為后續的模型創建工作打下基礎，因此BIM與三維掃描技術的結合具有廣泛的應用前景。將BIM與VR技術相結合是BIM+理念實現成果表達的重要方式之一。不同于傳統的建筑效果表達，借助VR技術能讓建筑文化遺產具有沉浸性、多感知性、構想性和交互性，從而使得建筑文化遺產的展現更為直觀。LINYC[20]將HBIM與VR技術相融合完成了漢式傳統建筑三維沉浸式數字管理；數字故宮運用VR技術為參觀者提供了身臨其境的體驗感受[21]。目前，將VR技術運用于歷史建筑保護的研究，除了展示和體驗外還有待進一步探索。

1鼓浪嶼現狀分析

1.1建筑遺產現狀。鼓浪嶼地處福建省廈門市西南隅，是一個面積僅為1.88km2的小島。1840年鴉片戰爭后，廈門被迫開放為通商口岸，而鼓浪嶼優越的地理位置與美麗的自然景觀，成為殖民者擇地發展的有利條件[22]。20世紀初，數十個國家先后來此設立領事館，構建了形式各異、風格不同的建筑，此外歸國華僑還引入了東南亞式樣建筑，很多當地人也模仿周圍洋房搭建房屋[23]。2000年廈門市政府頒布實施了《廈門市鼓浪嶼歷史風貌建筑保護條例》，規定重點保護的歷史風貌建筑嚴禁做不可恢復的改造，但允許適當改變功能。2017年7月8日聯合國教科文組織第41屆世界遺產委員會會議對鼓浪嶼進行審議，鼓浪嶼以“歷史國際社區”列入世界文化遺產名錄。世界遺產委員會認為，鼓浪嶼是中國在全球化發展早期階段實現現代化的一個見證，具有顯著的文化多樣性特征和現代生活品質。鼓浪嶼的發展體現了19世紀中葉至20世紀中葉現代人居的理念，目前擁有53個核心文化遺產點，391棟歷史風貌建筑和900多個擬列入的風貌建筑。目前鼓浪嶼現存建筑的使用情況主要包括：①改造為博物館或紀念館，使建筑的生命以另一種方式得到延續；②改造為精美酒店或高檔家庭旅館，但修葺使有些建筑已失去原來的建筑面貌；③繼續保留居住性質，因資金問題無法及時整修，存在房屋傾斜、滲水等問題；④因建筑內部和外部結構嚴重損壞，房屋已無人居住，房屋保護迫在眉睫。1.2案例分析。本文以復興路94號一處建筑為例，如圖1所示，該建筑屬于一類保護項目，面積為340m2，地上兩層地下一層，墻體清水紅磚，磚木結構，建造于1924年，時年由許春草營造公司設計施工。建筑現狀是無人居住，期間經過整修，外墻面有所破壞，建筑結構嚴重損壞，3層外屋面彎曲嚴重，外墻磚有部分損壞脫落，內部樓面結構破損嚴重，樓梯只保留部分欄桿和臺階。作為剛申請成功世界文化遺產的鼓浪嶼萬國建筑群，又是全國知名的旅游景點，如何利用當前先進的數字化技術，更有效地進行數字化保護、復原和展示已成為一個迫切需要解決的命題。本文結合工程實踐，提出了一條針對建筑文化遺產的數字化保護實踐路線，將三維激光掃描數字化技術與BIM相結合，實現了文化遺產建筑的數字化保護與復原。

2技術路線

本文提出的技術路線為：①通過三維激光掃描儀采集點云數據，再結合點云處理軟件生成完整的三維彩色點云數據，并繪制準確的測繪圖紙；②結合點云數據提供的三維測繪數據和測繪圖紙，精確創建三維形態的BIM，并集成調研所獲得的相關建筑信息；③提取BIM的族庫，形成歷史文化建筑門、窗、柱頭等部件圖，為文化遺產的保護、復原、再設計提供原始設計數據；④結合三維掃描儀采集的彩色圖片和現場拍攝的照片，利用數字化技術進行渲染，完成歷史建筑的虛擬復原；⑤通過VR技術，在網上實現復原后建筑效果的展現（圖2）。

3基于三維激光點云的建筑文化遺產數字采集

基于三維激光點云的數字化采集主要是通過三維激光掃描儀對建筑物室內外進行三維掃描，從而獲取建筑物的點云數據，同時進行高清攝像采集，為相應的點云獲取顏色信息，從而得到原建筑物的三維數據與紋理信息；再對點云數據進行點云去噪、點云拼接、統一坐標系統、三維建模、紋理映射等處理；最后通過點云優化，生成建筑物完整的點云數據文件。點云數據可通過插件直接導入AutoCAD/Revit/3dMax軟件。剖面切片可輔助平面、立面、剖面等測繪圖紙的精確繪制，改變了傳統手工測量和圖像拍照方式，由室外繁雜的測量工作轉向室內輕松的數字化測繪工作，極大地提高了工作效率，且數據更加精準。本文點云數據成果如圖3所示。

4基于BIM+的建筑文化遺產數字化保護實施

結合基于點云生成的平面、立面、剖面圖紙，本文采用Revit建模軟件生成BIM。根據調研信息和測繪圖紙可知，該建筑分為3層，屋頂為坡頂。首先通過分析建筑的組成構件進行各類構件族的創建，依次生成門、窗、柱身、柱頭、拱、葫蘆欄桿、樓梯等構件族，并將調研該建筑所得的相關文化遺產保護資料（如材質、風格等）儲存在相應族中；然后根據墻體與屋頂的結構信息，定義內墻族、外墻族、樓板和屋頂族的相關構件信息；最后自下而上依次構建底層、一層、二層、屋頂的模型，并根據平面圖，繪制每層的內部墻，并布置內部的門、窗、樓梯，形成整個BIM。4.1基于BIM+的建筑構件模型庫。由于點云數據由方位角、距離、回光強度和顏色信息組成，因而可針對建筑的細節（如門、窗、柱頭等）進行精確建模。通過采用相應的顏色紋理信息，可很好地還原建筑原有的細節與材質信息；同時通過BIM軟件能精確地重構參數化的門、窗等構件，從而形成歷史建筑的構件模型庫，依據“修舊如舊”的原則為建筑的復原和維護提供有力的技術支持與保障。4.2基于BIM+的建筑文化遺產數字化集成。結合Revit中參數化建模技術所生成的BIM，把文化遺產的各類信息集成在一個模型上，可實現對建筑文化遺產多方面信息的數字化保護。根據《鼓浪嶼歷史風貌建筑保護規劃修編（2016）》，該項目的建筑編號、保護類別、地址、建筑建成時間、建筑面積、建筑層數、平面布局、屋頂形式、建筑風格、建筑結構形式、建筑現用途、建筑原用途、建筑質量、特色評價等歷史信息可通過標準化的共享參數集成至BIM的項目參數中，實現項目數據的無損永久保存，這是其他保護方式不具備的功能，如圖4右側表格所示。基于全生命周期的BIM將三維幾何模型與建筑信息相結合，可從根本上解決歷史建筑保護中存在的建設各階段信息斷層問題以及使用維護階段的信息流失問題，從而實現歷史建筑項目全生命周期的信息保存與共享。4.3基于BIM+的建筑文化遺產數字化虛擬復原。鼓浪嶼萬國建筑群作為鼓浪嶼建筑文化遺產的重要組成部分，大部分的建筑主體都保存完好，其中柱頭、欄桿、窗戶、外墻還保留為以前的樣式和材質，可作為島上其他受損建筑修復的參照物，秉承“修舊如舊”的原則，最大程度地還原建筑本來面貌。然而，由于資金的問題，很多建筑物無法及時修繕，再則即使資金到位，當年的施工工藝（如外墻水刷石工藝和紅磚裝飾）也沒有傳承下來，因此要恢復原貌難度很大。同時，由于有許多原住民居住了較長時間，已對建筑進行了改變，如封閉原有陽臺、更換新的門窗、改變建筑入口等；建筑的立面也被許多生活痕跡所影響，建筑的整體效果已偏離其歷史面貌。通過數字化技術進行虛擬復原，可精確還原歷史建筑的原有風貌，保存相關建筑信息。本文利用BIM結合先進的數字化渲染技術可很好地進行數字化虛擬復原，基本可以達到“修舊如舊”的目的，節省了時間，成本更低，效果更好，并為建筑文化遺產的修復和數字化展示提供了設計基礎，如圖5所示。

5基于BIM+的VR展示

BIM實現了歷史建筑全方位信息的集成，因此通過BIM與VR相結合的方式可為建筑遺產的復原與保護提供可視化的效果參照。Fuzor軟件是針對BIM開發的一款全能型VR插件，有效實現了與Revit軟件的無隙鏈接，可與Revit實時同步更新，擁有碰撞檢測的分析功能和高質量的仿真效果，尤其可直接支持頭盔VR展示。在VR漫游過程中，可實時查詢相關建筑信息，并進行在線編輯，通過可視化的方式展示實時效果，如圖6所示。

6結語

當前國內外針對建筑文化遺產的數字化保護方法主要是基于點云和測繪的BIM幾何建模方法，尚未形成成熟的系統化保護方法。本文探討和實踐了基于BIM+理念的建筑文化遺產保護基本過程和系統方法，通過三維激光掃描儀全方位采集建筑文化遺產的數字信息，并結合BIM將采集和調查的相關信息（如歷史信息、建造工藝、人文信息等）集成化，實現信息的無損傳遞，既保證了信息的準確性，又利用BIM的階段化管理實現了建筑文化遺產的全生命周期管理，最后采用VR技術進行多元化的成果表達，完整展現了建筑文化遺產的數字化復原形態，使建筑文化遺產的展示、傳播和利用變得更加便利和高效。歷史建筑作為不可再生的資源，已成為一座城市的象征。在目前千城一面的現代都市建設浪潮中，歷史建筑作為城市的名片顯得格外重要，因此歷史建筑的保護與復原對于文化的傳承和發揚有不可估量的意義，尤其采用全新的數字化技術進行數字虛擬復原與保護更具里程碑意義。本文采用先進的數字化技術和BIM實現了歷史建筑的數字化保護、歷史建筑的虛擬數字化復原；并通過VR技術展示了歷史建筑的數字化模型，將建筑文化遺產轉換、再現、復原為可共享再生的數字形態，以全新的視角加以解讀和利用；通過實際案例，系統全面地設計了基于BIM+理念的建筑文化遺產數字化保護方法和實踐路徑，搭建了信息技術與文化遺產保護的信息橋梁。在實際操作過程中，對于如何更好地管理和處理海量點云數據，保證其在處理過程中的精度仍有待進一步研究；BIM在保證信息量完整性的同時如何優化其在VR環境中的信息提取，以及與VR技術結合為建筑文化遺產保護開展更多的可能性研究將是下一步研究的方向。隨著計算機技術的進一步發展，相關的數字化技術將更加成熟，在可預見的未來，結合三維打印、大數據、AR/VR、人工智能、機器人等技術，建筑文化遺產的數字化保護手段和方法將更加成熟和系統化，必將推動建筑文化遺產的信息化建設。

作者:孟卉 李淵 張宇 單位:廈門華廈學院