基于BIM技術(shù)的古建筑修復(fù)研究

汪梓豪，程希瑩，操?gòu)?qiáng)，馬曉東 （安徽科技學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

1 引入BIM技術(shù)修復(fù)古建筑的可行性

1.1 古建筑修復(fù)的現(xiàn)狀

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(wàn)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(lái)，人類對(duì)自然資源的需求越來(lái)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(lái)越嚴(yán)重?？梢哉f(shuō)，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(wú)法修復(fù)。就目前的情況來(lái)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(wèn)題。

由于年代過(guò)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(wèn)題同樣不容樂(lè)觀。諸多專家學(xué)者已經(jīng)多次研究使用不同方法來(lái)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(lái)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(guò)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(wèn)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(lái)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(wèn)題。

1.2 引入BIM技術(shù)

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(guò)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(guò)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(lái)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(shuō)，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(guò)收集到關(guān)于古建筑數(shù)據(jù)，來(lái)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。

2 BIM技術(shù)在古建筑修復(fù)中的具體運(yùn)用

2.1 信息采集

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(guò)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(guò)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)。

2.2 模型構(gòu)建

運(yùn)用BIM軟件構(gòu)造模型是通過(guò)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(kù)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(kù)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。

2.3 屬性信息錄入

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(kù)。在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)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

2.4 VR虛擬展示

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(lái)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(guò)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(lái)，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(guò)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(guò)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(guò)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。

3 BIM技術(shù)對(duì)古建筑修復(fù)的影響

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(kù)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(guò)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(guò)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(wèn)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。