歷史性建筑的數(shù)字化復原與應用價值研究★

谷 巖 王 欣

(東北林業(yè)大學材料與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

·規(guī)劃·建筑·

歷史性建筑的數(shù)字化復原與應用價值研究★

谷 巖 王 欣

(東北林業(yè)大學材料與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

介紹了采用數(shù)字化技術進行歷史性建筑復原的優(yōu)越性，并經反復實踐，提出了對歷史性建筑外部結構、內部結構、周邊環(huán)境等進行復原的方法和設想，同時指出了對歷史性建筑進行數(shù)字化復原的重要應用價值。

歷史性建筑，數(shù)字化復原，保護，應用價值

所謂數(shù)字化復原就是指利用計算機數(shù)字化模擬技術、后期合成技術等現(xiàn)代先進的技術手段，來將已經不存在的事物進行三度空間還原。這種復原與純的二維空間復原效果不同，是一種可以使參觀者能夠從多個角度全面感受事物真實狀態(tài)的復原。這種技術是當前世界范圍內，數(shù)字模擬技術的研究熱點。我國目前也已經取得了一些初步的成就，但是在對歷史性建筑進行數(shù)字化復原這一領域，研究還未深入。下文筆者就來對這一領域的數(shù)字化復原技術與應用問題進行簡單探討，提出對歷史性建筑進行復原時的設想，指出歷史性建筑進行數(shù)字化復原的重要應用價值和研究意義。

1 對歷史性建筑進行數(shù)字化復原的意義

對于一個國家來講，城市的發(fā)展進程可以被看做是經濟、文化宏觀發(fā)展的外在表現(xiàn)，而建筑的形態(tài)變化則是城市發(fā)展進程的組成單元。而這里所指的形態(tài)變化，并不單單是指建筑外觀和構造上的變化，還包含其內部空間和裝修方式的變化。可以說，建筑作為一個微觀載體，承載了社會發(fā)展的整個過程。對一個國家某個時代的建筑進行研究，就可以窺探出這個國家在當時的經濟形態(tài)、社會形態(tài)和文明程度。這種研究是人類承接“過去”文明發(fā)展和“未來”文化創(chuàng)新的重要途徑。

一直以來，人們對于歷史性建筑的研究手段都停留在文字或圖紙這類抽象載體和二維載體上，直觀性比較差，研究者很難感受到蘊含在建筑整體性中的深層次內容。而近年來興起的數(shù)字化復原技術，則可以通過軟件將歷史性建筑進行全方位還原，并將其放置在三維虛擬世界中，形成立體的建筑結構。在此基礎上，研究者可以像研究真實建筑一樣，置身其中，對歷史建筑形成更加直觀的認知感受，這對于提高歷史性建筑研究水準，促進人類文明發(fā)展具有重大意義。

2 采用數(shù)字化技術進行歷史性建筑復原的優(yōu)越性

數(shù)字化復原技術是一項集軟件技術、硬件技術、渲染技術、成像技術等多項技術為一體的先進科技，其中軟件技術是最主要的核心技術。復原時，首先要通過類似于建筑構建過程的虛擬建模來實現(xiàn)建筑空間的虛擬模型；其次，在現(xiàn)實建筑中，通過數(shù)字照相采集建筑表面肌理與材質樣本，通過賦予材質來實現(xiàn)建筑外觀的模擬；再次，對已創(chuàng)建好的建筑模型進行真實光環(huán)境的營造。我們都知道，目前的3D軟件技術已經取得了階段性的進展，尤其是光環(huán)境的渲染可以通過技術手段實現(xiàn)非常接近于真實的效果，可以根據(jù)每個季節(jié)和時間段的需要來調整建筑的光影，不僅使人產生身臨其境的感覺，還為場景增加了藝術美感。這對于研究歷史性建筑來講，要遠遠比二維空間研究更具有優(yōu)越性。如果歷史性建筑的圖紙保存相對完整，對于建筑以及其構造描繪較為詳細，則所模擬的場景就會更加真實，能夠更好地為歷史性建筑的研究服務。

3 歷史性建筑的數(shù)字化復原方法

由于目前還沒有相對較為健全的建筑復原技術體系，因此經過反復的實踐，筆者根據(jù)自己的理解和研究，提出了在復原建筑時，至少要做到以下五點。

3.1 對建筑外部結構進行復原

建筑外部結構是一座建筑的骨架，在復原歷史性建筑時，首先要做的就是要對建筑的外部結構進行復原，包括對主體框架結構的復原和對建筑外部立面裝飾結構的復原兩方面。其中，對外部框架結構的復原能夠建立建筑的骨架，降低單元內技術錯誤的影響范圍。而對建筑外部立面裝飾結構進行復原時，要充分考慮到原歷史性建筑的裝飾材質以及一些細部構造，盡量貼近真實。另外，針對不同類型的建筑，需要開發(fā)出不同的技術模塊和方法對其進行支撐。就以我國的古建筑來講，大都是以磚木結構為建筑主體，直到近代以來，才逐漸轉向磚混結構、框架結構和鋼結構等新型建筑結構。那么對我國古建筑構件和機理的制作就完全不同于現(xiàn)代流行的建筑結構，這就需要在復原建模過程中開發(fā)出更加適合這種建筑類型的建模技術模塊組。在對不同的建筑結構和建筑材質進行仔細分析的同時，還要對建筑風格加以分類，理順建模思路，分門別類開發(fā)不同的技術單元模塊，使還原的建筑更接近實際。另外，若條件允許，最好對建筑材質進行實地的信息采集，這樣所做出的建筑飾面效果的質感才更接近原建筑。

3.2 對建筑內部結構進行復原

在完成建筑的骨架構造復原之后，就要對其內部進行相應的復原。這是建筑復原的重要組成部分，如只對建筑的室外進行復原，則對建筑的研究作用不大。因為建筑是空間的藝術，只有對建筑內部和外部共同形成的空間構造加以復原才能使數(shù)字化還原更加有價值。若能夠通過數(shù)字模擬技術來還原建筑內部的各種狀態(tài)，必然對研究歷史性建筑提供極大的幫助。

3.3 對周邊環(huán)境的復原

任何建筑都不是獨立于外界環(huán)境而存在的，因此在復原古代歷史性建筑時，還要充分考慮到建筑周邊的人文和城市環(huán)境，并對周邊環(huán)境也進行適宜的搭配。只有這樣，才能使建筑主體更加真實，另外，由于建筑在相當長的歷史時期內既對周邊環(huán)境造成影響，同時也被周邊環(huán)境所改造，因此對周邊環(huán)境進行復原也有助于研究建筑與周邊地理環(huán)境、人文環(huán)境的相互影響。若在數(shù)字化復原時，深入詳細的了解和勘察，將建筑的地理位置、周邊的人文景觀、附近的交通狀況都加以復原，并做出一個模型，則歷史性建筑的復原就基本完整了。從技術角度來講，對周邊環(huán)境進行復原也是很有必要的，這是創(chuàng)建三維瀏覽動畫的基本背景，不可或缺。若之后再對建筑進行重新規(guī)劃和設計，周邊環(huán)境可以為其提供一個良好的虛擬原型場景，更利于建筑復原的設計和規(guī)劃。但由于一般情況下建筑周邊環(huán)境的資料相對于建筑本身比較有限，很長一段歷史時期內的建筑周邊環(huán)境變化較大，筆者主張復原歷史性建筑的周邊環(huán)境：第一，不宜過繁復，喧賓奪主；第二，背景選擇要典型化，真實化。這就要求我們復原建筑周邊環(huán)境時未必選擇建筑初建時的周邊環(huán)境，而要選擇整個建筑歷史時期內比較經典的周邊環(huán)境或擁有資料細節(jié)最多的歷史環(huán)境。

3.4 不同時間與季節(jié)和時代下建筑特質的表現(xiàn)

不同建筑的功能不同、特點不同、年代不同、設計師不同則會表現(xiàn)出不同的特質；就算同一棟建筑在不同的時間和季節(jié)或在歲月變遷及使用功能流變下，所表現(xiàn)出的特質也會有所不同。那么我們在做歷史性建筑數(shù)字化復原的過程中就要盡可能多的模擬建筑在不同環(huán)境下的不同特點，以求通過這種模擬，幫助研究者發(fā)現(xiàn)建筑更多隱性特征，這對了解建筑的文脈、設計師的設計意圖以及建筑使用功能的變化都會起到積極的作用。

3.5 三維瀏覽動畫的創(chuàng)建和虛擬現(xiàn)實技術的應用

建筑瀏覽動畫有別于傳統(tǒng)的建筑數(shù)字化復原效果圖，其在三維空間內要盡量根據(jù)人的行走順序以觀察視角定義空間尺度，這就涉及到影視鏡頭轉換與剪輯技巧。想要使模擬場景具有更豐富、更直觀、更生動的表現(xiàn)形式，就一定要在這方面做足功夫。制作三維瀏覽動畫時，一定要嚴謹科學的規(guī)劃流程。按照先后順序主要分為：瀏覽相機設定、分層渲染與信息采集、后期非線性剪輯與配樂、樣片測評與歸納信息入庫。讓建筑研究者能夠利用最有效的時間了解建筑的內、外部構造以及建筑的周邊環(huán)境，同時借助影視后期處理軟件還可以加注解說，極大程度上充實其信息攜帶量與易讀性。

虛擬現(xiàn)實技術是近年興起的三維影像互動技術，能夠在觀察者與模型之間建立一個互動的平臺，讓觀察者能夠更加自主地對環(huán)境進行觀察。但這項技術的特點是，技術含量較高，實現(xiàn)成本較大。但仍不失為未來數(shù)字化模擬建筑復原的發(fā)展方向。

4 歷史性建筑數(shù)字化復原的應用價值分析

采用數(shù)字化技術對歷史性建筑進行復原是具有重大研究和應用意義的，這不但體現(xiàn)在科學研究價值上，還體現(xiàn)在一定教學研究價值上。同時，歷史性建筑復原對社會經濟的發(fā)展也具有一定的應用價值。

4.1 科學研究中的應用價值

受各種因素的影響，很多歷史性建筑都已經消亡，甚至連同類的建筑實體也沒有得以保存。這對于研究歷史文明是一個很大的缺失。而通過數(shù)字化復原，就可以最大限度地彌補這一缺失。為科研人員進行相關研究提供更好的研究資料。三維模擬還可以通過采集建筑當?shù)氐牡乩硇畔?、氣候信息和人文信息等參?shù)作為可變常量，來對建筑的長期變化進行全方位的模擬。這對于研究建筑的歷史與文脈有著非常大的意義。而這些研究數(shù)據(jù)，也為未來的建筑保護與再開發(fā)提供了重要參考依據(jù)。

4.2 教學研究中的應用價值

目前我國的很多高校的建筑類專業(yè)在教學時，只有字面或圖影等教學資料，學生也很難有機會深入工地進行實地考察和學習，對建筑的實際尺度和構造難以有直觀的認識，掌握知識時難免會出現(xiàn)偏差和臆斷。若能夠利用數(shù)字化所復原的動畫或虛擬現(xiàn)實場景來進行教學，就能使學生產生真實的空間感，對于尺度的把握和細部構造的認識也會更加真實客觀。因此歷史性建筑的數(shù)字化復原是具有重要教學價值的。

4.3 對于社會經濟發(fā)展的應用價值

對歷史性建筑的保護與再利用向來是社會性難題。當下的最流行的觀念是對歷史街區(qū)的改造融入時間軸概念，主張既不完全維持舊觀也不搞“一刀切”式的過快改造，這樣既能減少經濟浪費，又能使區(qū)域環(huán)境逐步得到改變，同時還能留給人們更多地對建筑功能進行二次開發(fā)的時間，在保護與利用的過程中找尋完美的平衡點。如何能針對其原有結構特點加以合理修繕與維護，并且加入可行的、美觀的設計元素，成為歷史性建筑再利用評估過程中最為重要的指標。有效利用數(shù)字化建筑模擬手段，將比較的常量輸入模型庫參數(shù)選項，計算機3D軟件會準確詳實地呈現(xiàn)比較效果，為我們做出最準確可行的判斷提供若干個參考標準,這能夠有效避免資源浪費和人力浪費，符合國家提出的節(jié)能減排可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標，具有重要的社會經濟價值。

5 結語

采用數(shù)字化復原技術對歷史性建筑進行重造和還原，是一項具有很大應用價值的科研課題。盡管目前針對這一課題的研究成果還很少，但是相信在未來的發(fā)展中，隨著數(shù)字信息技術水平的提升，對歷史性建筑進行數(shù)字化復原將成為未來對歷史性建筑進行研究必不可少的輔助材料，并且還將具有很廣闊的應用空間和更高的應用價值。

[1] 張 揚.基于圖像的古建筑物虛擬復原關鍵技術研究[D].天津：天津大學，2009.

[2] 林承陽.傳統(tǒng)與科技接軌——歷史建筑數(shù)字化保護及改造再利用研究[J].新建筑，2009(3)：10-12.

[3] 韓 銳，劉天府.歷史性建筑的數(shù)字化復原與應用價值研究[J].吉林建筑工程學院學報,2009(12)：70-71.

Study on digital restoration and application value of historical architecture★

GU Yan WANG Xin

(CollegeofMaterial&Engineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150000,China)

The thesis introduces the historical restoration advantages with digital technique, puts forward historical architecture restoration methods and concepts including its external structure, internal structure and surrounding environment through repeated practice, and points out the important application value of digital restoration for historical architecture.

historical architecture, digital restoration, protection, application value

1009-6825(2014)11-0001-02

2014-01-26★：黑龍江省教育廳人文社會科學研究項目“哈爾濱古教堂數(shù)字化復原與應用價值研究”(課題編號：12534013)

谷 巖(1971- )，男，碩士生導師，副教授； 王 欣(1982- )，女，在讀碩士，工程師

TU-05

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