基于B I M的歷史建筑數(shù)字展示平臺(tái)與仿真體驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)
——以翟雅閣博物館為例

吳莎冰，許穎

（中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢430014）

1 引言

近年來，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，“數(shù)字敦煌”等一系列數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護(hù)項(xiàng)目大量出現(xiàn)。不可再生的文化遺產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了“數(shù)字孿生”甚至“數(shù)字重生”。通過數(shù)字化展示，文化遺產(chǎn)的歷史原貌能夠得到精準(zhǔn)再現(xiàn)，一些不易被探知了解的細(xì)節(jié)也能夠“觸手可得”。目前，利用數(shù)字技術(shù)對(duì)館藏文物進(jìn)行展示已經(jīng)成了博物館建設(shè)的新趨勢(shì)。但對(duì)于歷史建筑來說，其本身就是值得進(jìn)行數(shù)字化的一件“藏品”。本研究基于武漢市一家小型博物館——翟雅閣博物館開展，目的是探索歷史建筑的數(shù)字展示與仿真體驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用。

翟雅閣博物館在修繕之前稱為“翟雅各健身所（James Jackson Gymnasium）”，是為紀(jì)念文華大學(xué)（現(xiàn)為華中師范大學(xué)）首任校長(zhǎng)詹姆斯·杰克遜（James Jackson）所建的一座中西合璧風(fēng)格的二層體育館建筑。建筑由美國(guó)傳教士設(shè)計(jì)師柏嘉敏（J.Van Wie Bergamini）設(shè)計(jì)，建成于1921年。柏嘉敏主張建立基督教建筑時(shí)應(yīng)結(jié)合中國(guó)傳統(tǒng)因素，有意識(shí)地同“中國(guó)本土式”風(fēng)格靠攏，以便教化國(guó)人。它的設(shè)計(jì)建造遠(yuǎn)早于“中國(guó)固有形式”運(yùn)動(dòng)，是武漢近代教育建筑中對(duì)中式形制與西式結(jié)構(gòu)相融合的大膽探索，對(duì)后來中國(guó)建筑民族主義風(fēng)格流派形成具有啟迪、引領(lǐng)作用。

翟雅各健身所為2層磚混結(jié)構(gòu)，廡殿抱廈頂，清水紅磚外墻，中軸對(duì)稱“凹”字形布局。正立面一層正中為拱券門，兩側(cè)為混凝土框套方窗。二層外廊設(shè)中式柱礎(chǔ)、額枋、梁頭、雀替、欄桿等，均為混凝土澆筑。屋頂采用鋼木混合梁架，形成了大跨度無柱室內(nèi)空間，便于當(dāng)時(shí)作為體育館使用。

建筑后因年久失修，空置近10年。2016年，翟雅各健身所完成修繕之后，更名“翟雅閣博物館”，成為武漢“設(shè)計(jì)之都客廳”，成為舉辦展覽、會(huì)議、活動(dòng)的場(chǎng)所，完成了其功能的置換。在其普通博物館的功能之上對(duì)其進(jìn)行數(shù)字展示與仿真體驗(yàn)的系統(tǒng)開發(fā)，能夠推動(dòng)其建筑的保護(hù)和文化遺產(chǎn)價(jià)值的傳播。

2 建立歷史建筑數(shù)字展示平臺(tái)與仿真體驗(yàn)系統(tǒng)的需求分析

建立歷史建筑數(shù)字展示平臺(tái)與仿真體驗(yàn)系統(tǒng)，要從使用需求、內(nèi)容需求、性能需求3方面進(jìn)行考量。

1）使用方面。系統(tǒng)首先需要面向歷史建筑的參觀及使用者，促進(jìn)他們對(duì)建筑的理解；也需要面向歷史建筑的管理者，增強(qiáng)他們對(duì)建筑的管理和控制能力，從而達(dá)到保護(hù)與合理利用文化遺產(chǎn)的目的；還需要面向歷史建筑的修繕、服務(wù)單位，在管理者授權(quán)的前提下，這些單位可以接入系統(tǒng)，了解建筑使用的相關(guān)情況、通過傳感器等提供的數(shù)據(jù)了解建筑不可探知或不易探知的部位的現(xiàn)狀，做好修繕維護(hù)的前期準(zhǔn)備工作。

2）內(nèi)容方面。歷史建筑的參觀及使用者對(duì)建筑的來龍去脈尤其是其中發(fā)生的故事和建筑的美學(xué)特征較感興趣。因此，系統(tǒng)針對(duì)這一需求，設(shè)置了歷史建筑的歷史背景介紹、歷史照片、建筑的特色部位、三維全景欣賞等內(nèi)容進(jìn)行展示。展示類功能是歷史建筑數(shù)字化平臺(tái)內(nèi)容方面的基本需求。在這些功能的基礎(chǔ)上，了解建筑修繕過程、修繕前后對(duì)比、建筑解構(gòu)等，并進(jìn)行仿真虛擬體驗(yàn)，則是參觀使用者更深一層次的需求。

對(duì)于歷史建筑的管理者來說，歷史建筑的修繕加固信息、歷史構(gòu)件傾斜偏移受力等狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、機(jī)電信息、管線信息，都是其設(shè)置數(shù)字平臺(tái)的基本需求。在此基礎(chǔ)上，整合安防、消防等功能，對(duì)特殊事件進(jìn)行模擬，則可以更有效地利用平臺(tái)進(jìn)行歷史建筑使用管理，便于在日常保養(yǎng)維護(hù)和突發(fā)事件中良好應(yīng)對(duì)。

對(duì)于歷史建筑的修繕、服務(wù)單位來說，歷史建筑的數(shù)字展示平臺(tái)能夠?yàn)槠涮峁?shù)字化的檔案資料和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還能夠進(jìn)行修繕工程前的相關(guān)模擬，為修繕及相關(guān)工程提供依據(jù)。

3）性能方面。平臺(tái)需要在滿足展示需求的基礎(chǔ)上，盡可能實(shí)現(xiàn)輕量化。一方面可以不用過分依賴高配置的設(shè)備，便于場(chǎng)館布置；一方面便于減短加載時(shí)間和點(diǎn)擊-響應(yīng)時(shí)間，減短用戶等待時(shí)間，便于用戶使用。同時(shí)，安全可靠、便于修改、可拓展更新、便于移植到手機(jī)等其他設(shè)備，也是平臺(tái)設(shè)計(jì)需要滿足的性能要求。

3 歷史建筑數(shù)字展示平臺(tái)的開發(fā)

3.1 基本架構(gòu)

翟雅閣博物館數(shù)字展示平臺(tái)PC端部分功能面向用戶展示，部分功能面向歷史建筑的管理者。展示平臺(tái)整體使用UE4（Unreal Engine 4）和C++結(jié)合BIM軟件Autodesk Revit進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL進(jìn)行管理。

展示功能分為10個(gè)模塊，分別為：首頁概況、項(xiàng)目介紹、建筑賞析、修繕前后、門禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、消防演示、機(jī)電系統(tǒng)、建筑剖切、建筑導(dǎo)覽。

其中，利用BIM技術(shù)建立歷史建筑模型，通過Revit、3Dsmax、Navisworks、Unity、Fuzor等軟件，結(jié)合橄欖山等相關(guān)插件，對(duì)歷史建筑進(jìn)行建模還原，能直觀地呈現(xiàn)歷史建筑的改造情況，為未來的運(yùn)維保障提供數(shù)字底板和基礎(chǔ)。而且，通過虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)、數(shù)字化的呈現(xiàn)，不但可以將歷史建筑的原貌進(jìn)行復(fù)原，更可以將歷史元素和歷史上發(fā)生的事件與建筑進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，從而對(duì)建筑本身的歷史風(fēng)貌和與之相關(guān)的歷史進(jìn)行更好的呈現(xiàn)。

為了增強(qiáng)易用性，展示平臺(tái)在功能方面體現(xiàn)了高度的人機(jī)交互特征，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)模塊、歷史建筑BIM模型方面的交互。BIM模型方面，通過交互，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑場(chǎng)地虛擬游覽、建筑內(nèi)部虛擬游覽、歷史影像和在歷史建筑中開展的活動(dòng)欣賞、建筑組成構(gòu)件信息查看、修繕前后對(duì)比、安防監(jiān)控動(dòng)態(tài)、消防疏散模擬等功能。

3.2 數(shù)據(jù)采集與整合建模

通過整合傳統(tǒng)測(cè)量、無人機(jī)航拍、三維激光掃描及攝影測(cè)量技術(shù)，結(jié)合BIM技術(shù)及理念，本項(xiàng)目首先對(duì)翟雅閣博物館進(jìn)行了信息采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，建立了三維模型。在三維模型基礎(chǔ)上，整合歷史信息、修繕資料、運(yùn)維信息與傳感器信息，最終建立數(shù)字展示平臺(tái)。

對(duì)翟雅閣博物館采集的建筑數(shù)據(jù)包括3部分內(nèi)容：歷史資料，含建筑基本信息、歷史圖紙、民國(guó)老照片、修繕前資料照片等；建筑信息，含基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)、無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、細(xì)部數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)資料、材料資料、修繕工藝、施工記錄等；運(yùn)維信息，含設(shè)備信息、管件信息、運(yùn)營(yíng)信息、展陳方案等。

通過BIM建模，將采集到的來自不同時(shí)代的建筑信息、結(jié)構(gòu)信息、材料信息、特殊構(gòu)件、水電暖通管件信息、運(yùn)維管理信息和建筑的完損程度、修繕手段，整合在一個(gè)“四維”模型之中——既可進(jìn)行三維觀測(cè)，又可進(jìn)行時(shí)空回溯，甚至能夠?qū)ξ磥磉M(jìn)行精確預(yù)測(cè)。但由于軟件平臺(tái)的局限性和數(shù)據(jù)整合的復(fù)雜性，歷史建筑的信息處理面臨著軟件功能不匹配、數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)誤差等問題，需要通過識(shí)別冗余數(shù)據(jù)、加強(qiáng)數(shù)據(jù)兼容性等手段進(jìn)行處理。BIM在處理數(shù)據(jù)方面。具有一定的先進(jìn)性。如在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)方面，能夠?qū)崿F(xiàn)完整數(shù)據(jù)的三維傳遞，從而減少建模中的信息損失，有利于提高建模的精度。

在建模中，尤其需要注意的是歷史建筑具有藝術(shù)價(jià)值、科學(xué)價(jià)值的特色部位，需要結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)其歷史信息真實(shí)性的有效表達(dá)，還原其歷史肌理。

4 歷史建筑仿真體驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)

利用BIM模型，翟雅閣博物館數(shù)字展示平臺(tái)設(shè)置了仿真體驗(yàn)系統(tǒng)，包括消防疏散模擬功能和虛擬展覽功能。

消防疏散模擬功能對(duì)歷史建筑的管理者和使用者均能起到幫助的作用。翟雅閣博物館中，屋架、地板等木結(jié)構(gòu)構(gòu)件較多，展覽設(shè)施也存在一定的易燃性。因此，消防是進(jìn)行翟雅閣博物館建筑保護(hù)與管理的一項(xiàng)重要任務(wù)。基于建筑BIM模型，結(jié)合建筑導(dǎo)覽功能，能夠?qū)崿F(xiàn)第一人稱視角的逃生模擬；通過建筑的剖切、展示，能夠?qū)崿F(xiàn)全知視角的逃生模擬。針對(duì)建筑1層展廳、1層辦公室、1層設(shè)備間、2層設(shè)備間、2層會(huì)議室等不同部位起火，可以分別計(jì)算最優(yōu)的逃生路線，引導(dǎo)迅速疏散。結(jié)合傳感器，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)逃生指引。

翟雅閣博物館的展覽功能，也在能夠通過數(shù)字展示平臺(tái)進(jìn)行仿真體驗(yàn)，通過對(duì)展品、展覽空間的數(shù)字采集，觀眾可以遠(yuǎn)程通過手機(jī)或結(jié)合VR眼鏡，以第一人稱視角進(jìn)行虛擬參觀。在后疫情時(shí)代，這種“云展覽”不僅能夠防止人群過度聚集，也能夠通過數(shù)字信息的整合，為觀眾提供更豐富的展覽體驗(yàn)。除實(shí)現(xiàn)已有展覽的數(shù)字呈現(xiàn)之外，翟雅閣博物館的數(shù)字模型本身就是1個(gè)可復(fù)制、可布展的虛擬空間。后疫情時(shí)代，實(shí)體觀展受限較多，直接將展覽布置成為虛擬展，通過“云端”展陳，能夠最大限度地?cái)U(kuò)大展覽的覆蓋廣度。

翟雅閣博物館的建筑本身也是其最重要的展品。對(duì)于這件展品來說，虛擬體驗(yàn)?zāi)軌驈浹a(bǔ)實(shí)體展覽中肉眼觀察不夠細(xì)致、無法貼近觀察的不足。通過BIM完成的翟雅閣博物館模型，可以實(shí)現(xiàn)將建筑的每一個(gè)角落展現(xiàn)在觀賞者面前的效果。實(shí)體展覽無法看到或看清的地下室、屋頂桁架細(xì)節(jié)、建筑構(gòu)件細(xì)節(jié)以及修繕時(shí)對(duì)歷史建筑的精心“修補(bǔ)”，都能夠通過模型的展現(xiàn)、解構(gòu)來實(shí)現(xiàn)觀眾的虛擬體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑本體展覽的精細(xì)化。

5 歷史建筑數(shù)字展示、仿真體驗(yàn)與“智慧博物館”的結(jié)合

何為“智慧博物館”？有學(xué)者指出：“通過充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，感知、計(jì)算、分析博物館運(yùn)行相關(guān)的人、物、活動(dòng)等信息，實(shí)現(xiàn)博物館征集、保護(hù)、展示、傳播、研究和管理活動(dòng)智能化，顯著提升博物館服務(wù)、保護(hù)、管理能力的博物館發(fā)展新模式和新形態(tài)?！盵1]通過建立歷史建筑數(shù)字展示平臺(tái)與仿真體驗(yàn)系統(tǒng)，將歷史建筑的展示納入“智慧博物館”的體系，能夠有效地實(shí)現(xiàn)歷史建筑的活化利用。

目前，我國(guó)的智慧博物館案例還缺少可復(fù)制推廣的案例，主要停留在對(duì)某一業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的智能化方面。“尚缺少全業(yè)務(wù)流程并具有‘透徹感知’‘智能融合’‘萬物互聯(lián)’等特征的智慧化發(fā)展模式?！盵2]針對(duì)翟雅閣博物館進(jìn)行的數(shù)字展示與仿真體驗(yàn)系統(tǒng)，是一次基于歷史建筑使用者、管理者、維護(hù)者的“全業(yè)務(wù)”數(shù)字探索。

值得注意的是，市面上較為流行的“云游博物館”和“虛擬展覽”，與翟雅閣博物館基于“智慧博物館”理念的數(shù)字展示與仿真體驗(yàn)系統(tǒng)有本質(zhì)的不同。多數(shù)“云游博物館”和“虛擬展覽”采用的是對(duì)實(shí)體展覽進(jìn)行全景拍攝，再加入場(chǎng)景切換、展覽介紹、背景音樂、一鍵導(dǎo)覽等功能的做法。雖然成本較低，但對(duì)實(shí)體展覽的依賴性極強(qiáng)，本質(zhì)上是實(shí)體展覽的復(fù)制和線上推廣，仍存在實(shí)體展成本較高、修改不易、展覽時(shí)間有限、交互困難的問題。翟雅閣博物館的數(shù)字展示則以建筑BIM模型為基礎(chǔ)，可以直接在模型提供的虛擬空間中搭建展覽，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)多展、出現(xiàn)問題及時(shí)修改、人機(jī)交互等功能，更好地促進(jìn)歷史建筑的展示與利用。

6 結(jié)語

歷史建筑的價(jià)值展示與闡釋、其細(xì)節(jié)的監(jiān)控與管理都離不開最新的數(shù)字化手段。本研究通過對(duì)武漢市優(yōu)秀歷史建筑——翟雅閣博物館進(jìn)行數(shù)字建模，探索了城市歷史建筑數(shù)字展示平臺(tái)及仿真體驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)方法，對(duì)于推廣“智慧博物館”做了有益的探索。