汪梓豪,程?,?,操強(qiáng),馬曉東 (安徽科技學(xué)院,安徽 蚌埠 233000)
中國(guó),一個(gè)有著五千多年歷史文明的大國(guó),擁有著成千上萬的歷史遺物,古建筑就是其中之一。古建筑的存在不僅見證了人類歷史上代代相傳的變遷,還反映著古代人民的精神文化。每個(gè)歷史朝代的建筑物各具特色,反映著當(dāng)時(shí)人們的思想、技術(shù)水準(zhǔn)以及當(dāng)時(shí)社會(huì)的發(fā)展水平。然而,近幾年來,人類對(duì)自然資源的需求越來越多,生活環(huán)境發(fā)生了重大變化,地震、冰雹等天然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,加上人為惡意毀壞,這些建筑受損的越來越嚴(yán)重??梢哉f,這些古代建筑逐漸變得面目全非,大部分古代建筑遭到嚴(yán)重破壞,已無法修復(fù)。就目前的情況來看,如何有效、科學(xué)地保護(hù)古建筑,恢復(fù)其原有面貌是重要問題。
由于年代過于長(zhǎng)遠(yuǎn)和頻繁受到自然災(zāi)害的影響,很多古建筑的保存現(xiàn)狀堪憂,修復(fù)問題同樣不容樂觀。諸多專家學(xué)者已經(jīng)多次研究使用不同方法來修復(fù)古建筑,但是傳統(tǒng)的修復(fù)手段難以復(fù)原古建筑的本來面貌。首先,傳統(tǒng)的古代建筑信息存?zhèn)浞椒ㄖ饕形淖?、圖片、表格等,但由于年代過于長(zhǎng)遠(yuǎn),儲(chǔ)備的信息不是很完整,且這些存?zhèn)涞慕ㄖ畔⒉⑽茨軌蚍从痴鎸?shí)的情況。如果我們用傳統(tǒng)的建筑模型的信息存儲(chǔ)方法,盡管它能夠起到一定的記載作用,但是卻不能夠真實(shí)地反映建筑物的實(shí)際尺寸和規(guī)模。其次,古建筑的修復(fù)技術(shù),雖然從上世紀(jì)七十年代有了很大地提高,然而這并不代表修復(fù)品質(zhì)的進(jìn)步,我們的修復(fù)水平依然很低,修復(fù)技術(shù)不成熟等問題。所以引進(jìn)新技術(shù)修復(fù)古建、幫助古建筑恢復(fù)全貌是近年來專家、學(xué)者重點(diǎn)研究的領(lǐng)域,也是保護(hù)古建筑亟需解決的問題。
面對(duì)以上難題,在古代建筑中引進(jìn)BIM技術(shù)顯得更加重要。建筑模型是通過建筑工程項(xiàng)目中的各種相關(guān)信息作為建筑模型的構(gòu)造基礎(chǔ),通過信息數(shù)據(jù)模仿建筑所具有的相關(guān)信息,從而模擬建筑所具備的相關(guān)信息。為了修復(fù)古建筑,我們可以利用從古代建筑提取的相關(guān)參數(shù)信息,運(yùn)用BIM技術(shù)的數(shù)字化技術(shù)來建設(shè)三維空間模型,這樣的做法不僅能獲取建筑構(gòu)造的各方面數(shù)據(jù),而且能夠高度還原建筑,方便古建筑修繕和研究。同時(shí),還可以利用BIM漫游的功能與先進(jìn)的VR技術(shù)相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)人們對(duì)古代建筑進(jìn)行零接觸,一方面滿足人們參觀古建筑的需求,另一方面又防止人們對(duì)古代建筑造成的二次破壞。那么,如何使用建筑信息模式技術(shù)對(duì)古代建筑進(jìn)行保護(hù)、修復(fù)呢?簡(jiǎn)單地說,就是利用三維激光對(duì)古建筑全身進(jìn)行掃描,準(zhǔn)確地存儲(chǔ)從古代建筑所采集的各種云數(shù)據(jù),然后引入BIM軟件,通過收集到關(guān)于古建筑數(shù)據(jù),來制作模型。對(duì)于保護(hù)古建筑的需要,可以修改軟件參數(shù),根據(jù)收集到的有關(guān)資料,對(duì)古建筑模式的構(gòu)件材料、古建筑所處年代、古建筑表面損壞的程度、現(xiàn)有劃痕或重建記錄等。模型建成后,還可輸入實(shí)際的古建筑圖片,或相關(guān)歷史文獻(xiàn)、維修記錄、地理位置的信息,以及導(dǎo)入歷史圖像資料,從而構(gòu)建一個(gè)虛擬的古建筑重現(xiàn)場(chǎng)景。對(duì)古建筑的保護(hù)和其歷史價(jià)值的傳承具有非常重要的借鑒價(jià)值,可以使工作人員動(dòng)態(tài)地更新、維護(hù)古建筑。
文物古建筑的信息收集一般分為兩種類型,分別是物理空間信息和歷史文化信息。空間信息指的是文物和古建筑的詳細(xì)外形、大小和方位。歷史和文化信息通常被稱為屬性信息,包括古建筑本身是如何建造的,采用了什么材料,使用什么樣的科學(xué)技術(shù),古代建筑和歷史文物的時(shí)代和地區(qū)的特點(diǎn),以及人文社會(huì)科學(xué)的價(jià)值。BIM技術(shù)都可以通過三維激光掃描技術(shù)對(duì)建筑物的有關(guān)信息進(jìn)行收集,并轉(zhuǎn)化為數(shù)字可視化模型。在對(duì)古建筑修復(fù)的過程中,可以充分運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行采集數(shù)據(jù)以及信息加工,再對(duì)建筑物的大小,建筑物中的構(gòu)件,建筑物內(nèi)部構(gòu)造,建筑物所處的地理位置、環(huán)境條件等詳細(xì)信息進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)借助三維激光掃描技術(shù)和GIS技術(shù)快速采集古建筑物的有關(guān)數(shù)據(jù)。
運(yùn)用BIM軟件構(gòu)造模型是通過BIM技術(shù)反向創(chuàng)建古建筑三維模型,而后再利用其他軟件構(gòu)造出古建筑中的“群體”模型。最后,構(gòu)建了精確的古代建筑三維模型(圖1)。
圖1 古代建筑三維模型
在建造模型前,需要獲得古建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)造和每個(gè)構(gòu)件尺寸的資料,需要用戶在軟件輸入窗口中輸入相關(guān)代碼,然后利用所輸入的代碼建立古建筑模型。利用數(shù)字化技術(shù),采集與古建筑有關(guān)構(gòu)件、古建筑建造采用的材質(zhì),古建筑所處環(huán)境數(shù)據(jù)等,將采集到的數(shù)據(jù)總結(jié)成建模所需的相關(guān)代碼,并設(shè)計(jì)了輸入窗口,用戶將這些代碼輸入到輸入窗口。每當(dāng)我們建立一個(gè)三維模型,就可以從這些古建筑所需的相關(guān)代碼中總結(jié)出這個(gè)古建筑的專屬代碼。因此,我們可以根據(jù)每個(gè)實(shí)例推出結(jié)論,在總結(jié)各類古建筑的代碼后,將生成古建筑構(gòu)件需要的其他參數(shù)和相關(guān)代碼存入到計(jì)算機(jī)中。每當(dāng)用戶在輸入一個(gè)古建筑的相關(guān)代碼之后,系統(tǒng)就會(huì)在構(gòu)件數(shù)據(jù)庫中搜尋生成構(gòu)件的三維模型中所有的代碼。每次模擬完成后,系統(tǒng)都會(huì)從數(shù)據(jù)庫中查找其他組件的相關(guān)代碼。這一模型的構(gòu)建理念在后續(xù)保護(hù)古跡的工作中具有重要意義。
古建筑模型包括的性質(zhì)信息十分復(fù)雜,具有特殊的性質(zhì)。涉及古建筑各個(gè)角度。例如,當(dāng)時(shí)建筑自身使用的材料,以及其建造所需的技術(shù)結(jié)構(gòu),以及當(dāng)時(shí)相應(yīng)的地理位置和地域特征。此外,它還包括對(duì)社會(huì)人文學(xué)的價(jià)值貢獻(xiàn),以及構(gòu)件間相關(guān)的數(shù)據(jù)。屬性資料還包括古代的圖形和照片繪制的文獻(xiàn)、現(xiàn)狀記錄,以及對(duì)保存文獻(xiàn)的現(xiàn)狀進(jìn)行記錄和重建,表面特征描述,周圍地理環(huán)境信息,信息管理機(jī)構(gòu)和各類視聽資料。具體操作:首先,系統(tǒng)會(huì)在輸入屬性信息的時(shí)候,依據(jù)用戶所輸入的建筑信息、物質(zhì)信息、實(shí)物信息等進(jìn)行標(biāo)注。以前寄存的空間信息和屬性信息均存放于同一數(shù)據(jù)庫。在這個(gè)數(shù)據(jù)庫中,每一個(gè)信息是彼此銜接的,并且它們之間的大小相互匹配(圖2)。如果部分改變已被修改,其他也會(huì)有相應(yīng)的變化(圖3)。
圖2 柱的構(gòu)件布置
圖3 梁的構(gòu)件布置
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展到某個(gè)程度而產(chǎn)生的。虛擬現(xiàn)實(shí),顧名思義,是一種以虛擬為基礎(chǔ)的方法來反映三維物體。利用電腦在虛擬的狀態(tài)中生成虛構(gòu)三維立體空間,在虛擬的三維空間里,人們能夠觀看到十分靠近真實(shí)的、與環(huán)境同處一個(gè)空間中的虛構(gòu)情形。利用三維激光掃描,把采集到的數(shù)據(jù)三維立體化,通過建立虛擬的環(huán)境,向人們展示一個(gè)動(dòng)態(tài)的古建筑的立體模型,并為人民創(chuàng)造古建筑所處的環(huán)境,實(shí)現(xiàn)人們與古建筑面對(duì)面的接觸,將虛擬與實(shí)際世界聯(lián)合起來,使人們?cè)谔摂M空間中可以體會(huì)到現(xiàn)實(shí)世界所擁有的感官上的感覺。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),我們能夠把采集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為形象生動(dòng)的立體模型。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),構(gòu)建了所需的虛擬環(huán)境之后,就可以把建筑中的廓模數(shù)據(jù)引入到虛擬環(huán)境。進(jìn)口后,佩戴特制的虛擬眼鏡,游客能夠充分感受到這種交流的感覺。一般而言,古建筑的虛擬實(shí)際情境制作,有以下步驟。
①對(duì)古建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。包括閱讀相關(guān)文獻(xiàn),利用三維激光采集古建筑的數(shù)據(jù),走訪當(dāng)?shù)鼐用瘛?/p>
②模型的建立。建模過程包括選擇建模工法、選擇建模工具和后期優(yōu)化等。
③也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是如何產(chǎn)生視覺效果。包括光線的處理,材料的選擇,大小的把握等。
①BIM技術(shù)能保存古建筑的相關(guān)信息,它能將其存入數(shù)據(jù)庫中,再現(xiàn)古建筑的樣貌,可以防止人們參觀古建筑造成的毀壞,對(duì)于已經(jīng)不復(fù)存在的古建筑,可以通過專家采集到的信息,利用BIM技術(shù),重現(xiàn)在大家的眼前。
②作為建筑業(yè)興起的BIM技術(shù),通過對(duì)古建筑數(shù)字信息的采集,在軟件中可以按1:1的比例大小還原出該建筑的空間模型。并且很容易直觀地看出其中存在的隱患,古建筑各個(gè)構(gòu)件若有破損,材質(zhì)老化,構(gòu)件脫落等問題,我們可以用BIM技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行分析,讓我們可以更好地去修復(fù)它。而且可以在不接觸古建筑的情況下,對(duì)古建筑進(jìn)行破損分析,以免工作人員實(shí)地考察會(huì)對(duì)古建筑產(chǎn)生二次破壞。
③古建筑的保護(hù)涉及各個(gè)學(xué)術(shù)界的領(lǐng)域,古建筑也蘊(yùn)含著古代人偉大的智慧,對(duì)學(xué)者研究古代文明有著重要意義。
因此,如何將BIM技術(shù)合理且高效應(yīng)用于古建筑的修復(fù)和保護(hù),使古代建筑的保護(hù)工作由傳統(tǒng)方法向數(shù)字信息化保護(hù)方法轉(zhuǎn)變,是古代建筑修復(fù)和保護(hù)的必然發(fā)展趨向。