信息技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護與再利用中的應(yīng)用研究

賈 澤 慧

(天津美術(shù)學(xué)院,天津 300143)

1 概述

建筑遺產(chǎn)是城市發(fā)展的見證，是城市文化的靈魂，是城市特色的根基。建筑遺產(chǎn)所承載的不僅是居住者和使用者的柴米油鹽、點滴日常，更是城市從古至今的人文薈萃、歷史過往。保護建筑遺產(chǎn)就是捍衛(wèi)城市風(fēng)貌，延續(xù)歷史建筑的光芒才能讓城市文化的底蘊生生不息。破壞的建筑遺產(chǎn)是不可再生的，這意味著建筑遺產(chǎn)一旦消失后便只能通過文字或圖片去了解，再無法深切感知其存在。然而，由于城市的不斷建設(shè)與擴張以及人們對于歷史文化的不夠重視，建筑遺產(chǎn)的保護與發(fā)展正在遭受前所未有的考驗。

2 建筑遺產(chǎn)生存現(xiàn)狀

對于城市的發(fā)展建設(shè)而言，部分建筑遺產(chǎn)的歷史文化背景堪比城市“名片”，因而經(jīng)濟效益便成為其被關(guān)注的重要方向，這導(dǎo)致了對建筑遺產(chǎn)的過度開發(fā)和不當(dāng)利用。不僅如此，建筑遺產(chǎn)自身的結(jié)構(gòu)老化和功能退化也是影響建筑遺產(chǎn)生存的嚴(yán)重問題。

2.1 過度開發(fā)的建筑遺產(chǎn)

一直以來，我國的建筑遺產(chǎn)便存在著過度使用和不當(dāng)開發(fā)的現(xiàn)象。如安徽的宏村和西遞村，古老的村莊早已被林立的商鋪打破了寧靜，粉墻黛瓦旁也坐滿了前來采風(fēng)的學(xué)生和游客，每年十月份的喧鬧匆匆而過后，只有滿地的垃圾和日益老化的建筑相依在風(fēng)中蕭瑟。又如平遙古城，初見古城，除了被歷史悠久的城墻所吸引外，其“明清一條街”也是各個導(dǎo)游口中不可不去的地方。而這樣的商業(yè)街，在無錫也有一條，甚至其所具備的商鋪、所售賣的商品竟然也大同小異，觀賞過后沒有欣喜反而只剩下無盡的唏噓。這樣的不當(dāng)開發(fā)，讓古城失去了特色，也讓地域文化沒有了靈魂。而麗江古城、北京故宮等世界級建筑遺產(chǎn)，因“旅游業(yè)過度開發(fā)，遺產(chǎn)地不堪重負(fù)”，更是直接被世界遺產(chǎn)大會亮了“黃牌”。把建筑遺產(chǎn)當(dāng)做經(jīng)濟收益的搖錢樹，對其進行超負(fù)荷的利用，乃至超過了本身的承載能力，加速了建筑遺產(chǎn)本體的老化程度，嚴(yán)重破壞了其周邊環(huán)境，只會導(dǎo)致無法挽回的后果。

2.2 經(jīng)久失修的建筑遺產(chǎn)

隨著時間的發(fā)展，建筑遺產(chǎn)出現(xiàn)了許多問題，如建筑結(jié)構(gòu)的損壞問題。以應(yīng)縣木塔為例，應(yīng)縣木塔是我國現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)木結(jié)構(gòu)古代建筑中結(jié)構(gòu)最宏偉、高度最高、體量最大、年代最久遠(yuǎn)的建筑遺產(chǎn)。也是現(xiàn)存木結(jié)構(gòu)中存在安全風(fēng)險最大的一處，如木結(jié)構(gòu)的傾斜、位移、構(gòu)件損壞、材料風(fēng)化等病害[1]，使得這座建于遼代的名塔岌岌可危。此外，建筑遺產(chǎn)中存在許多具有居住功能的建筑，其中相當(dāng)一部分還處在使用中，但是其功能已無法滿足現(xiàn)代人的需求，為了更加便于使用，居住者私搭私建了其他建筑，導(dǎo)致古色古香的建筑旁立著彩鋼板建造的小房子，建筑遺產(chǎn)的原本風(fēng)貌遭受了很大破壞。

3 現(xiàn)有建筑遺產(chǎn)保護方式

現(xiàn)有的建筑遺產(chǎn)保護和再利用的方式主要有建筑實物修復(fù)和3D打印建筑模型兩種。

建筑物實體修復(fù)是在現(xiàn)有建筑遺產(chǎn)保護中應(yīng)用最多的一種，其主要措施是投入高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的材料以及充足的人力和物力，按照“修舊如故”的方式，盡量使用原材料、原工藝來進行。這樣的保護方式基本做到了對建筑遺產(chǎn)的保護，但是投入巨大，耗資無數(shù)，并且經(jīng)由此方式保護修繕的建筑遺產(chǎn)往往會呈現(xiàn)兩種極端情況：第一種是建筑遺產(chǎn)極度商業(yè)化，如北京智珠寺在進行修復(fù)后，修復(fù)方秉持著“誰修復(fù)，誰受益”的原則，將修復(fù)后的智珠寺作為高檔酒店使用，導(dǎo)致智珠寺外部雖維持原貌，但內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)布局早已被嚴(yán)重破壞，其所承載的多個時期的歷史記憶被抹去，建筑本身的歷史感和厚重感蕩然無存，古老的建筑成了一個“徒有其表”的空架子。第二種是建筑遺產(chǎn)冷凍化。部分正在使用的建筑遺產(chǎn)經(jīng)修復(fù)后，由于擔(dān)心再次破壞，被靜態(tài)冷凍式保存起來，與使用者的正常生活嚴(yán)重分離，將建筑遺產(chǎn)的價值抹殺得只剩下歷史意義而失去了人文光彩。

3D打印技術(shù)在近些年來也成為了建筑遺產(chǎn)復(fù)原保護的熱門方式。3D打印技術(shù)是通過特定機器層層疊加材料的方式實現(xiàn)的，具備快速形成建筑遺產(chǎn)模型、易于保存等優(yōu)點。但是，就目前而言，受3D打印機臺面的限制，打印時需要將模型進行分塊處理，成型后再進行拼接安裝，這就導(dǎo)致了其創(chuàng)建的建筑遺產(chǎn)模型精度不足。另外，3D打印只能使用特定材料，而建筑遺產(chǎn)常見材料如木材、石材卻無法使用，因而對建筑遺產(chǎn)的質(zhì)感和色彩方面的真實還原還是存在一定問題。

4 國內(nèi)外優(yōu)秀案例研究

采用信息技術(shù)保護和再利用建筑遺產(chǎn)在國內(nèi)外早已被廣泛關(guān)注并進行了相關(guān)實踐，意大利虛擬重建龐貝古城項目以及我國清華大學(xué)郭黛姮教授團隊所進行的三維復(fù)原圓明園項目皆有一定成果，在保護與再利用建筑遺產(chǎn)領(lǐng)域有率先垂范之功。

4.1 龐貝古城的虛擬復(fù)原

公元79年，龐貝古城被火山噴發(fā)出來的熔巖一瞬間吞噬，濃濃的黑煙夾雜著滾燙的火山灰，鋪天蓋地的降落到這座城市，這里所有的繁華與富庶、奢靡與美麗均化為烏有，龐貝消失了……直到1876年，科學(xué)家們循著蛛絲馬跡一點點的發(fā)掘，才慢慢將龐貝的殘骸再現(xiàn)于世人面前。

2010年瑞典隆德大學(xué)的研究團隊開始著手進行龐貝古城的虛擬復(fù)原工作。隆德大學(xué)的研究人員利用計算機FARO 3D掃描技術(shù)收集古城大量的視覺數(shù)據(jù)來創(chuàng)建建筑物，并使用專業(yè)軟件將數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，再通過在計算機中輸入顏色來增強生成的多邊形結(jié)構(gòu)形成影像，然后將處理后的數(shù)字照片添加到三維模型中以增強墻壁和地板的外觀，從而創(chuàng)建更易識別的三維可視化效果，達(dá)到虛擬復(fù)原龐貝古城的目的。通過以上方式，該團隊已完成對龐貝古城多個建筑物的復(fù)原，得益于信息技術(shù)，古老而光輝的龐貝古城得以詳細(xì)又清晰的重現(xiàn)于人們面前。

4.2 圓明園的三維重現(xiàn)

圓明園是清王朝鼎盛時期的產(chǎn)物，是其存留下來的寶貴建筑遺產(chǎn)，被稱為“無上之園”“萬園之園”，可惜在經(jīng)過鴉片戰(zhàn)爭后面目全非。改革開放以來，國家在實體修復(fù)圓明園方面做了無數(shù)努力且花費巨大，但是基于種種原因，許多建筑和文物并不能完全恢復(fù)原貌。

基于此種狀況，清華大學(xué)郭黛姮教授帶領(lǐng)她的團隊采用計算機技術(shù)對圓明園展開了研究。經(jīng)過十幾年的努力，精準(zhǔn)數(shù)字復(fù)原景區(qū)已超過全園景區(qū)總量的60%。這些由信息技術(shù)復(fù)原的景區(qū)可以通過“虛擬現(xiàn)實”圓明園移動導(dǎo)覽系統(tǒng)和圓明園虛擬游園系統(tǒng)[2]展現(xiàn)在人們面前，以上系統(tǒng)將海量數(shù)據(jù)、定位系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)綜合為一體，讓人們可以只花幾十元便欣賞圓明園盛景。得益于計算機技術(shù)，那些精美的梁、斗拱、柱、椽子、門窗才有機會再獲新生。

信息技術(shù)的迅猛前進為建筑遺產(chǎn)的保護與再利用提供了技術(shù)支撐和探索更新領(lǐng)域的機會。國內(nèi)外所使用信息三維虛擬復(fù)原技術(shù)探索建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域案例的成功都表明了通過信息技術(shù)來保護和再利用建筑遺產(chǎn)的可能性，信息技術(shù)與建筑領(lǐng)域的交匯已成為建筑遺產(chǎn)保護和再利用的題中應(yīng)有之義?？梢姡跀?shù)字化高度發(fā)達(dá)的當(dāng)今，對于歷史建筑無論是學(xué)術(shù)研究、知識獲取甚至文化旅游等，就其信息承載的手段，都昭示著與時代趨勢相對應(yīng)的新方式。

5 信息技術(shù)參與建筑遺產(chǎn)保護和再利用

通過研究國內(nèi)外建筑保護的案例、對比現(xiàn)有保護建筑遺產(chǎn)方式的不足之處可以發(fā)現(xiàn)，保護建筑遺產(chǎn)可以讓信息技術(shù)參與其中。這里所采用的參與方式主要是三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

5.1 三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)

三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有真實性、互動性、故事性等特點，不僅能夠?qū)⒔ㄖz產(chǎn)的各個細(xì)節(jié)完美重現(xiàn)，還可以讓使用者與建筑遺產(chǎn)進行互動，通過音樂、材質(zhì)、色彩和空間的變換營造身臨其境的體驗，采用三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)來保護和再利用建筑遺產(chǎn)，可以通過以下幾個步驟來進行：

第一步是調(diào)研所要保護和再利用的建筑遺產(chǎn)、建筑遺產(chǎn)所在街區(qū)，以此來了解建筑遺產(chǎn)的歷史背景信息，主要有拍攝建筑照片、測量尺寸、分析結(jié)構(gòu)等。詳實而系統(tǒng)的資料是成功的保護措施的基礎(chǔ)。接下來分析調(diào)研結(jié)果，對選定建筑遺產(chǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息歸納整理，并使用Computer Aided Design(CAD)軟件等二維矢量繪圖軟件繪制建筑遺產(chǎn)的平面、立面以及剖面圖稿。

第二步是將建筑遺產(chǎn)的平、立、剖面圖導(dǎo)入3DMax，Sketch Up等三維建模軟件中，按照準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，結(jié)合先前調(diào)研所得信息創(chuàng)建三維模型。模型需包括建筑遺產(chǎn)主體、建筑遺產(chǎn)所在街道其他建筑、建筑遺產(chǎn)所在街道街區(qū)場景及人、車、物等配景，所創(chuàng)建的模型需要最大程度還原建筑遺產(chǎn)形象，保證真實性。

第三步是運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality)、增強現(xiàn)實技術(shù)(Augmented Reality)或者全系投影技術(shù)，對建筑遺產(chǎn)及其相關(guān)三維模型進行表達(dá)展現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將之前創(chuàng)建的三維模型進行連接，形成閉合畫面以達(dá)到給予觀賞者沉浸式體驗的目的。增強現(xiàn)實技術(shù)可以將三維模型與建筑遺產(chǎn)本體進行“無縫”集成，使虛擬的場景和真實的建筑實時疊加，給使用者以“虛實相間”“亦真亦幻”的體驗感受，并且增強現(xiàn)實技術(shù)還可以將氣味和觸覺加入到場景中，使建筑遺產(chǎn)的形象更加立體而鮮明，回溯歷史的過程更加完整。全息投影技術(shù)可以讓使用者與建筑遺產(chǎn)進行互動，將全息投影技術(shù)應(yīng)用于建筑遺產(chǎn)保護和再利用中，可以不穿戴設(shè)備便直接觀看。通過全息投影技術(shù)，使用者可以通過一些簡單的步驟來更加深入的了解建筑遺產(chǎn)。全息投影技術(shù)在建筑遺產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用不僅是觀賞，還可以用作教育，建筑學(xué)習(xí)者可以通過全息投影技術(shù)更方便的學(xué)習(xí)建筑遺產(chǎn)的外觀及內(nèi)部的設(shè)計細(xì)節(jié)。使用VR，AR，全息投影等計算機技術(shù)來保護和再利用建筑遺產(chǎn)，可以在不傷害建筑遺產(chǎn)本體的前提下拉近建筑遺產(chǎn)與觀賞者之間的距離，讓建筑遺產(chǎn)不再是“高嶺之花”，人人皆可了解建筑遺產(chǎn)、人人皆可了解建筑遺產(chǎn)所代表的歷史文化和時代記憶。

最后一步也是貫穿于整個三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)保護和再利用建筑遺產(chǎn)的過程中的一步是使用建筑全信息化模型(BIM)技術(shù)對以上三個步驟的成果進行檢驗。BIM技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域的應(yīng)用主要在分析建筑遺產(chǎn)現(xiàn)狀，快速收集建筑遺產(chǎn)相關(guān)信息，將建筑遺產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化，并且精確計算修復(fù)建筑遺產(chǎn)材料用量等方面[3]。在前期分析中，BIM技術(shù)可以傳達(dá)、保存及管理建筑遺產(chǎn)的相關(guān)信息；在模型創(chuàng)建中，BIM技術(shù)可以對建筑遺產(chǎn)的各個構(gòu)件和細(xì)節(jié)進行分析并檢驗建模數(shù)據(jù)的精確性；在表達(dá)展示中，BIM技術(shù)可以建立參數(shù)信息庫，為相似情況的建筑遺產(chǎn)的保護和再利用提供數(shù)據(jù)參考。

綜上所述，使用三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)對建筑遺產(chǎn)進行保護和再利用，主要是按照收集數(shù)據(jù)、建立模型、成像展示這幾個步驟來進行的，而BIM技術(shù)貫穿其中。以上步驟在建筑遺產(chǎn)保護和再利用的過程中環(huán)環(huán)相扣，建筑遺產(chǎn)模型的清晰展示，人景交融的互動體驗以及對于建筑遺產(chǎn)信息的全方位把控，共同構(gòu)成了信息技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域參與的應(yīng)用媒介鏈。

5.2 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)時代的建筑遺產(chǎn)保護可以通過以下兩種方式來進行：

第一種方式是借鑒“智慧城市”的做法，在建筑遺產(chǎn)中嵌入傳感器來對其信息進行感知、傳輸、集成共享、分析處理，以便于能夠更加精細(xì)化的進行建筑遺產(chǎn)保護，在整個過程中可以及時反映狀況、解決問題，讓新時代的建筑遺產(chǎn)保護和發(fā)展富有智慧性。

第二種方式是利用互聯(lián)網(wǎng)能夠覆蓋手機、電腦等設(shè)備的特性，引入建筑遺產(chǎn)應(yīng)用軟件?；谑謾C和電腦等移動端對于建筑遺產(chǎn)的展示能夠呈現(xiàn)多種形式，人們可以通過應(yīng)用軟件來實時了解建筑遺產(chǎn)所包含的歷史信息、保護現(xiàn)狀以及未來發(fā)展的相關(guān)介紹，并且提供多種附加功能，如建筑遺產(chǎn)的周邊購買、以建筑遺產(chǎn)為主題的自我創(chuàng)作等。此外，移動端的設(shè)計可以讓使用者打破時空的界限，無需花費大量時間親臨實地的觀賞，即便是相隔遙遠(yuǎn)也可以即時“游覽”建筑遺產(chǎn)。

由此可見，在萬物互聯(lián)的時代背景下，在建筑遺產(chǎn)保護和再利用的過程中，互聯(lián)網(wǎng)的參與可以使保護和再利用的方式更加具有智慧性和靈活性。

5.3 虛擬旅游

綜合使用三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以帶動虛擬旅游的發(fā)展。所謂虛擬旅游，指的是以建筑遺產(chǎn)實體為依托，互聯(lián)網(wǎng)為傳播渠道，利用三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)達(dá)成虛擬仿真環(huán)境給人以與真實旅游相似體驗的活動方式。

虛擬旅游的歷史由來已久，自1995年Hobson和Willams提到“虛擬旅游”一詞開始，一系列虛擬旅游的探索和嘗試接連而來，就我國來講，無論是2008年故宮舉辦的“超越時空的紫禁城”，還是2009年出現(xiàn)的“全景客”網(wǎng)站，以及2014年的虛擬敦煌莫高窟[4]都昭示了通過虛擬旅游來保護和再利用建筑遺產(chǎn)的可行性。

在建筑遺產(chǎn)的保護和再利用中引入“虛擬旅游”的方式，可以這樣進行：首先是對建筑遺產(chǎn)及其所在地的語言符號和背景信息的整理及分析，以此來為虛擬旅游提供真實的歷史感和完整的故事線，以及詳實的三維建模數(shù)據(jù)。然后是采用三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)對建筑遺產(chǎn)進行虛擬現(xiàn)實化表達(dá)，準(zhǔn)確把控建筑遺產(chǎn)自身的材質(zhì)、紋理、尺度、結(jié)構(gòu)、空間以達(dá)到三維場景對于歷史場景的還原性。另外，三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)還需與游客進行互動，單一的觀看行為與傳統(tǒng)實地旅游能夠提供的服務(wù)大同小異，而互動性的加入則提高了整個虛擬旅游過程的趣味性和沉浸感。游客通過穿戴特定裝備形成人體感應(yīng)，可以在虛擬場景中對建筑遺產(chǎn)的細(xì)節(jié)近距離觀察、對興趣所在之處進行虛擬創(chuàng)作并實時記錄等。最后是虛擬旅游方式的傳播和參與，這是通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)的，將三維仿真虛擬現(xiàn)實成果進行數(shù)據(jù)整合后集成于一體并上傳至互聯(lián)網(wǎng)平臺進行傳播，提供多種參與方式如掃描二維碼、安裝應(yīng)用程序、訪問網(wǎng)站等，讓游客只需簡單操作便可開始自己的虛擬觀光之旅。

虛擬旅游業(yè)與其說是新型的旅游方式，更像是對傳統(tǒng)實地旅游的補充，在實地旅游中，由于建筑遺產(chǎn)的地處偏遠(yuǎn)和承載能力有限、游客收入不足和身體機能限制、旅游交通條件堪憂等各種問題阻礙了建筑遺產(chǎn)旅游業(yè)的發(fā)展，而在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的虛擬旅游中，這些困難將迎刃而解，建筑遺產(chǎn)的光芒將被人們所看見。

6 結(jié)語

信息技術(shù)的日益精進，各種以數(shù)字信息技術(shù)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品、設(shè)備甚至新興專業(yè)應(yīng)運而生，不論是三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)還是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑遺產(chǎn)的保護和再利用中都占有一席之地。通過信息技術(shù)保護與再利用建筑遺產(chǎn)，不僅可以在物質(zhì)層面保護其不受傷害，而且可以在社會層面進行跨越時間與空間的傳播，讓世界各地的建筑遺產(chǎn)都可以被看見，讓“石頭書籍”會說話，讓人類文明的火種不會被熄滅，讓淹沒于浩瀚星河的歷史之光得以重燃。