天津歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字化保護研究及應(yīng)用推廣

摘要：伴隨“網(wǎng)絡(luò)強國”“數(shù)字中國”“智慧社會”的推進(jìn)，建筑業(yè)的信息化變革不斷深入，推動歷史風(fēng)貌建筑保護與現(xiàn)代科技的創(chuàng)新融合，提高文化遺產(chǎn)保護的科技水平成為迫切需求。以段祺瑞舊居修繕為例，采取“校企合作”方式，探索三維激光掃描技術(shù)、BIM技術(shù)及云平臺相結(jié)合的數(shù)字化保護在歷史風(fēng)貌建筑保護中的實踐應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討天津歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字化保護模式及推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：歷史風(fēng)貌建筑;數(shù)字化;三維激光掃描技術(shù);BIM技術(shù);云平臺

中圖分類號：F293.33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-9138-（2021）04-0068-72 收稿日期：2021-03-05

作者簡介：苑娜，天津國土資源和房屋職業(yè)學(xué)院講師。

黨的十九大報告中明確提出：要“加強文物保護利用和文化遺產(chǎn)保護傳承”。在“十三五”期間，建筑業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化取得突破性進(jìn)展，初步建成一體化行業(yè)監(jiān)管和服務(wù)平臺，數(shù)據(jù)資源利用水平和信息服務(wù)能力明顯提升。天津擁有大量風(fēng)格多樣的歷史風(fēng)貌建筑，是天津城市特色的主要特征和寶貴的文化資源，亦在我國近代史中具有較高的歷史價值。推動歷史風(fēng)貌建筑保護與現(xiàn)代科技的創(chuàng)新融合，提高文化遺產(chǎn)保護的科技水平成為目前歷史風(fēng)貌建筑保護的迫切需求。

1 項目概況

段祺瑞舊居位于天津市鞍山道38號，是一座3層磚木結(jié)構(gòu)的西洋建筑，具有很強的歐洲庭院式古典建筑風(fēng)格，是當(dāng)時日租界最豪華的私人公館之一，也是段祺瑞一生幾經(jīng)沉浮的傳奇見證。因其具有較高的歷史、藝術(shù)、科學(xué)和史料價值，被列為天津市重點保護歷史風(fēng)貌建筑和天津市文物保護單位。1976年地震后損毀較為嚴(yán)重，拆除了坡屋頂式3層建筑及八角涼亭之后作為天津市和平區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，因辦公需要，重新加建了簡易3層房屋，并在外檐處加裝了抗震柱和圈梁，如圖1所示。

基于段祺瑞舊居較高的保護價值，以及天津歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字化保護的需要，項目實施中充分發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研深度融合，建設(shè)單位聯(lián)合專業(yè)院校以及掌握先進(jìn)技術(shù)的企業(yè)，在段祺瑞舊居保護修繕全過程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)、無人機傾斜攝影技術(shù)以及BIM技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)字化保護在歷史風(fēng)貌建筑保護中的實踐應(yīng)用。

2 數(shù)字化保護實施

2.1 數(shù)字化信息采集與處理

三維激光掃描技術(shù)和攝影測量技術(shù)是獲取三維坐標(biāo)的主要方式。三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度的立體掃描技術(shù)，三維激光掃描儀無需棱鏡，直接可以獲取物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，在特殊的危險環(huán)境中發(fā)揮著很大的作用，在古建筑測繪中可以降低二次傷害，具有非接觸性測量、數(shù)據(jù)采樣率高、高分辨率、高精度、實時性、動態(tài)性、主動性等特點。攝影測量技術(shù)分為近景攝影測量技術(shù)和航空攝影測量技術(shù)，近景攝影測量技術(shù)主要應(yīng)用于非地形攝影測量，而航空攝影測量主要應(yīng)用于地形攝影測量。隨著數(shù)字算法和計算機技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)及相關(guān)計算軟件的成熟，攝影測量技術(shù)已全面發(fā)展為數(shù)字?jǐn)z影測量。

項目中通過三維激光掃描儀及無人機傾斜攝影協(xié)同作業(yè)，真實記錄了段祺瑞舊居修繕前、修繕中及修繕后的數(shù)字信息，并將信息云端展示，掃描二維碼就可以實時查看。實現(xiàn)歷史風(fēng)貌建筑信息高精度采集和處理，不僅為現(xiàn)階段的修繕保護提供確鑿數(shù)據(jù)，更為后續(xù)的保護工作提供數(shù)字檔案，避免了今后因信息丟失而無法保證原真性修復(fù)情況，如圖2所示。

2.2 數(shù)字化信息模型

BIM技術(shù)的應(yīng)用，直接導(dǎo)致了工程建設(shè)范圍的第二次數(shù)字革命。BIM技術(shù)不僅加速發(fā)展了建筑業(yè)現(xiàn)有的技術(shù)水平，而且間接改善了組織和管理模式，同時對人們思維模式的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了較為深遠(yuǎn)的影響。BIM技術(shù)與歷史風(fēng)貌建筑保護的結(jié)合可以有效地記錄、組織、跟蹤歷史風(fēng)貌建筑生命周期中的相關(guān)信息，通過歷史風(fēng)貌建筑信息模型，實現(xiàn)三維模型的瀏覽、施工進(jìn)度跟蹤、信息存儲和管理及重點方案模擬等。

項目中利用BIM核心軟件Revit平臺建立了數(shù)字化信息模型。基于段祺瑞舊居現(xiàn)狀測繪圖紙，建立了現(xiàn)狀BIM模型，結(jié)合修繕設(shè)計方案，建立了修繕設(shè)計BIM模型，并結(jié)合現(xiàn)狀和設(shè)計模型，對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。修繕設(shè)計中，將地下室改為設(shè)備層，集中布置了設(shè)備管線，但地下室層高有限，為了盡可能減少對原有建筑的破壞，不采取下挖的方式增加層高，如何在有限的層高內(nèi)優(yōu)化布置管線，得到最大的室內(nèi)凈高成為需要解決的重點。利用BIM模型很好地實現(xiàn)了管線碰撞的檢測和優(yōu)化設(shè)計。施工過程中利用BIM模型的參數(shù)化編輯和聯(lián)動修改，極大地提高了修繕工作的高效準(zhǔn)確性。同時，完善的信息記錄還為后期的維護運營提供強大的信息平臺，如圖3所示。

2.3 數(shù)字化成果管理與應(yīng)用

未來便于信息存儲、查看及推廣，以段祺瑞舊居為基礎(chǔ)建立了天津歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字化保護云平臺，云平臺存儲了段祺瑞舊居修繕項目的所有信息。既包括全景及VR展示、正射及分析展示、視頻展示、修繕展示等可以對外展示宣傳的內(nèi)容，又包含了測繪圖紙、設(shè)計圖紙、掃描文件、BIM模型、修繕實錄等原始文件，供工程修繕相關(guān)人員參考查閱。全景及VR展示中包含不同階段的三維掃描數(shù)據(jù)制作全景照片和VR視頻，正射及分析展示中是基于三維掃描數(shù)據(jù)的正射影像和分析報告，視頻展示中包含點云漫游、拆改動畫、掃描影像、BIM模型等視頻展示，這些視頻和數(shù)據(jù)都可以實現(xiàn)掃碼在線查看，既便于修繕工程相關(guān)人員查閱交流，又可以向公眾隨時展示工程進(jìn)度。測繪圖紙等原始文件因其專業(yè)性不適合對外展示，則設(shè)置訪問權(quán)限，僅供相關(guān)人員查閱。云平臺既是工作管理平臺又是信息分享平臺，實現(xiàn)了數(shù)字化的成果管理與應(yīng)用。

3 應(yīng)用模式推廣

“原真性”是歷史風(fēng)貌建筑保護的重要原則之一，而原真性的最重要方面就是歷史信息的真實性，因此歷史風(fēng)貌建筑保護工作的主旨是掌握其“靈魂”——歷史風(fēng)貌建筑信息。歷史風(fēng)貌建筑的信息不僅包含過去及現(xiàn)狀信息，而且還會隨著社會持續(xù)發(fā)展，不斷增加使用、檢測、管理以及保護等多方面的信息。只有全面、系統(tǒng)、真實地將這些相互聯(lián)系的新舊信息予以記錄及分析，才能夠?qū)崿F(xiàn)歷史信息的傳承，將歷史風(fēng)貌建筑的真實性完美詮釋。在段祺瑞舊居數(shù)字化保護過程中，工作重點就是信息的數(shù)字化。三維激光掃描技術(shù)以及無人機傾斜攝影技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了信息的數(shù)字化采集和處理，應(yīng)用BIM技術(shù)建立數(shù)字化的信息模型，實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計和信息的聯(lián)動。云平臺的搭建實現(xiàn)了信息的數(shù)字化管理與應(yīng)用。

數(shù)字化不僅是技術(shù)手段的應(yīng)用，更多的是對于傳統(tǒng)保護思維和管理模式的轉(zhuǎn)變。在段祺瑞舊居數(shù)字化保護的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了天津歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字化保護模式及推廣應(yīng)用。該模式從數(shù)字化信息采集與處理入手，建立數(shù)字化信息模型，并借助云平臺實現(xiàn)數(shù)字化的成果管理與應(yīng)用，使得歷史風(fēng)貌建筑的保護與智能化、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)相集成，推進(jìn)風(fēng)貌建筑保護數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化突破性進(jìn)展。同時，以天津國土資源和房屋職業(yè)學(xué)院（以下簡稱學(xué)院）為主體，成立歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字化保護協(xié)同創(chuàng)新中心，充分發(fā)揮學(xué)院、保護單位和企業(yè)多方合作優(yōu)勢，開展“產(chǎn)學(xué)研”一體化研究，加大專業(yè)人才的培養(yǎng)，實現(xiàn)歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字化保護的深入持續(xù)和推廣普及，如圖4所示。

歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字化保護模式中，BIM技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)以及無人機傾斜攝影技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用耦合黨的十九大報告中提到的突出共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)的要求，云平臺的建立耦合黨的十九大報告中建設(shè)“網(wǎng)絡(luò)強國”“數(shù)字中國”“智慧社會”的要求，數(shù)字協(xié)同創(chuàng)新中心的建立耦合黨的十九大報告中“建立以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系”的要求。模式中云平臺的建設(shè)實現(xiàn)歷史風(fēng)貌建筑保護全壽命周期的信息記錄、傳遞、共享，在提高保護工作的準(zhǔn)確度和效率之外，將歷史風(fēng)貌建筑本身及其保護工作更好地展示宣傳，既可提高人們對歷史風(fēng)貌建筑的保護意識，又可實現(xiàn)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化和技藝的傳承。如圖5所示。

4 結(jié)語

伴隨建筑業(yè)信息化的推進(jìn)以及建筑遺產(chǎn)保護的發(fā)展，數(shù)字化保護成為歷史風(fēng)貌建筑保護的最好方法，也是必然方法，但是實現(xiàn)的過程還需要保護觀念的轉(zhuǎn)變、數(shù)字技術(shù)的完善、復(fù)合專業(yè)人才的培養(yǎng)、項目多方的協(xié)同合作以及物力財力的持續(xù)投入。相信隨著數(shù)字化保護的不斷推廣和深入，歷史風(fēng)貌建筑可以更好地被保護，優(yōu)秀的文化遺產(chǎn)可以更好地被利用和傳承。

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