引入BIM技術(shù)的古建筑數(shù)字化保護(hù)研究——以鳳陽(yáng)明鼓樓、明皇陵為例

郭豪，周玉佳，陳洪楊，于皓，金星雨，桑李云

（安徽科技學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

在中國(guó)的歷史發(fā)展過程中，許多寶貴的物質(zhì)和精神文化得到了保存，成為中國(guó)文明發(fā)展的見證人和記錄者，其中最明顯的是各種古建筑。因此，加強(qiáng)古建筑的保護(hù)是我們要解決的主要問題。然而，與國(guó)外相比，我國(guó)歷史保護(hù)的發(fā)展仍然較晚，工作中還存在許多不足。一些古建筑遭到嚴(yán)重破壞甚至拆除，導(dǎo)致我國(guó)許多珍貴的文化遺產(chǎn)永久喪失，成為不可挽回的損失。

2 明鼓樓、明皇陵概述

明鼓樓始建于洪武八年（1375年）。它位于鳳陽(yáng)縣以東，是城區(qū)的重要建筑組成部分。鼓樓由橋臺(tái)和建筑組成。明朝末年，鼓樓成為中國(guó)最高的建筑，它的結(jié)構(gòu)、方向與其他鼓樓不同，形成了自己的特點(diǎn)。平臺(tái)底座上有九座建筑，“三層檐，百尺建筑，高聳于翼，無塵”。鼓樓曾在文化大革命時(shí)期受到了嚴(yán)重的破壞，通過政府部門的大力營(yíng)救才使其恢復(fù)了原有的外觀。

明皇陵建于元武二十六年，位于鳳陽(yáng)縣以南7公里處，它是朱元璋為其父母所建造的墳?zāi)埂ｋS著時(shí)間的推移，風(fēng)雨的侵蝕和人為的破壞，明陵幾乎成了廢墟。目前，僅留下墓碑，石人，石獸，石柱等，但它們均被破壞?；始伊昴故潜姸嗔昴沟拇?，其代表了當(dāng)時(shí)的最高等級(jí)。由于建筑時(shí)代問題，明代墓葬建設(shè)較晚。其地面遺跡保存較為完好，為建筑學(xué)、考古學(xué)、歷史學(xué)、等相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的研究提供了極大的便利，充分利用這些文化遺產(chǎn)，將其建設(shè)成景點(diǎn)也是城市發(fā)展的必由之路。

圖1 明鼓樓

圖2 明皇陵

3 明鼓樓、明皇陵建筑保護(hù)現(xiàn)狀分析

經(jīng)過5000年的洗禮，中國(guó)留下了數(shù)千處歷史文化和歷史遺跡。這些古建筑見證了世代相傳的歷史變遷，承載了中國(guó)數(shù)千年的歷史文化，近年來，由于人為對(duì)自然的嚴(yán)重開采以及氣候與環(huán)境的變化，導(dǎo)致發(fā)生了一系列的自然災(zāi)害，如酸雨和洪水。此外，人為的破壞對(duì)明鼓樓、明皇陵等古建筑造成了巨大的損傷?？梢哉f，明鼓樓、明皇陵已經(jīng)面目全非，就連大部分的古建筑也已嚴(yán)重?fù)p壞，難以進(jìn)行修復(fù)。從明朝開始，明朝的陵墓就保存完好，不斷進(jìn)行修繕。1982年，明陵被列為重點(diǎn)文物保護(hù)單位后，一些遺址和文物得到了保護(hù)和修復(fù)。但在2003年，淮河被洪水淹沒，明陵再次遭受自然災(zāi)害。由于地勢(shì)低洼，排水渠道狹窄，陵墓發(fā)生了嚴(yán)重的澇災(zāi)。神社和石像在水中浸泡多日，造成了嚴(yán)重的侵蝕。當(dāng)?shù)匚奈锉Ｗo(hù)部門卻因資金不足而束手無策。其過去的建筑風(fēng)格，我們只能從明陵的修復(fù)開始幻想，如何科學(xué)有效地保護(hù)明皇陵、明鼓樓這些古建筑，恢復(fù)其原始的歷史風(fēng)貌是當(dāng)務(wù)之急。明鼓樓、明皇陵據(jù)我們調(diào)查其建筑信息主要有以下幾種存儲(chǔ)方式，然而，這些存儲(chǔ)的建筑圖紙并不能完全反映建筑的真實(shí)面貌，而且由于其歷史悠久，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也不是很全面。如果我們用圖像記錄歷史建筑，雖然給人一種直觀的感覺，但并不能真正反映其實(shí)際大小，也不能直接獲得。

圖3 明鼓樓風(fēng)化圖

圖4 明皇陵雕像風(fēng)化圖

而面對(duì)一些老舊建筑，雖然有圖像、音頻、視頻資料，但事實(shí)上關(guān)于它們的文案記錄非常少，所以不可能還原它們的真實(shí)面貌，因?yàn)樾迯?fù)工作極其困難，信息數(shù)據(jù)不完整。面對(duì)這些困難，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)保護(hù)和繼承這些具有重要?dú)v史價(jià)值的古建筑具有重要意義。

4 BIM數(shù)字化技術(shù)在文物和古建筑保護(hù)中的作用及意義

因上述信息收集方法的局限性，收集一些文化遺產(chǎn)建筑信息時(shí)引入BIM數(shù)字建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯而易見。掌握了古建筑的信息后，我們可以使用軟件在計(jì)算機(jī)上模擬其形狀并記錄其實(shí)際大小。但是，它的應(yīng)用在國(guó)外相對(duì)成熟。我國(guó)仍處于起步階段，與國(guó)外相比仍然差距很大。但西方先進(jìn)的應(yīng)用理念和理論知識(shí)值得學(xué)習(xí)，對(duì)我國(guó)古建筑和古文化的保護(hù)和傳承具有深刻的指導(dǎo)意義。二維形式不能充分體現(xiàn)建筑的特點(diǎn)，但因自然和人的長(zhǎng)期客觀影響，對(duì)建筑造成的破壞，使得文物建筑的表面和內(nèi)部空間規(guī)模發(fā)生了不規(guī)則的變化，很難進(jìn)行三維建模，BIM技術(shù)可以根據(jù)古建筑和文物的實(shí)際規(guī)模，以1：1的比例重現(xiàn)古建筑的仿真模型。同時(shí)，它還可以整合古代建筑的實(shí)體并顯示它們所具有的歷史信息。

通過BIM數(shù)據(jù)平臺(tái)，可以方便地保護(hù)和管理文物，并可以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，方便將來對(duì)古建筑的維護(hù)和維修。

5 鳳陽(yáng)鼓樓明皇陵的BIM數(shù)字化建模流程分析

那么，如何基于BIM技術(shù)對(duì)明鼓樓和明皇陵進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)呢？簡(jiǎn)而言之，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和掃描技術(shù)，生成鼓樓和皇陵的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將收集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后導(dǎo)入到REVIT軟件中，為三維模型的建立提供數(shù)據(jù)上參考。另外，根據(jù)明鼓樓、明皇陵的保護(hù)要求，在軟件中設(shè)置相應(yīng)的建筑屬性信息，比如模型年代信息、運(yùn)用的材料和破壞程度，當(dāng)前保存狀態(tài)或表面狀況等。模型完成后，還可以將建筑物的實(shí)際測(cè)量和制圖或照片，或相關(guān)的歷史文件、維修記錄、周圍環(huán)境特征信息以及管理部門信息輸入到虛擬模型中。最后將收集到的歷史圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中，以構(gòu)建出一個(gè)完整的虛擬古代建筑場(chǎng)景，并建立一個(gè)共享的可視化和交互式信息平臺(tái)。這不僅為工作人員了解古建筑、執(zhí)行動(dòng)態(tài)更新維護(hù)提供了方便，而且對(duì)文物古建筑的保護(hù)和歷史價(jià)值的傳承具有非常重要的參考價(jià)值。接下來進(jìn)行數(shù)字技術(shù)還原，以鳳陽(yáng)明鼓樓、明皇陵為例。

5.1 圖片采集及草圖繪制

這一步操作比較簡(jiǎn)單，主要是獲取非數(shù)據(jù)信息。根據(jù)傳統(tǒng)古建筑測(cè)繪的經(jīng)驗(yàn)，在鳳陽(yáng)實(shí)地調(diào)查時(shí)收集大量有關(guān)明鼓樓明皇陵的圖片信息，圖片信息可以明確記錄了其材質(zhì)和局部結(jié)構(gòu)外形(屋檐、欄桿等復(fù)雜結(jié)構(gòu))，可為后期建模提供參考。對(duì)于復(fù)雜的組件，拍攝后需要用軟件進(jìn)行裁剪，突出關(guān)鍵的建模部分進(jìn)行保存，以便進(jìn)行建模。鼓樓和明皇陵屬于破損較為嚴(yán)重的建筑物，在這種情況下，破損部分需要通過已有部分進(jìn)行類比來進(jìn)行修復(fù)與還原。因此，圖片采集工作尤為重要，能否采集到有參考價(jià)值的圖片，直接關(guān)系到復(fù)原結(jié)果的準(zhǔn)確性。除了拍照，還要畫草圖，包括鼓樓和皇陵的平面圖和梁柱結(jié)構(gòu)圖。這一步驟沒有涉及數(shù)據(jù),但對(duì)建筑從整體外觀到局部細(xì)節(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)的記錄。

5.2 實(shí)地?cái)?shù)據(jù)勘測(cè)及數(shù)據(jù)整理

文物古建筑信息的收集分為物理空間信息和歷史文化信息兩類?？臻g信息是指古建筑的具體形狀、大小、大小和朝向。歷史文化信息，包括古建筑使用的材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法、建筑的年代、人文特征、區(qū)域文化以及當(dāng)時(shí)的科學(xué)價(jià)值觀?？臻g信息則是通過現(xiàn)代電子技術(shù)進(jìn)行采集的，可以快速生成文物古建筑的表面上的各個(gè)點(diǎn)的云數(shù)據(jù)信息。在獲得所需的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理，為準(zhǔn)確地構(gòu)建文物和古建筑3D模型做前期準(zhǔn)備。

這一步驟可以看作對(duì)上一步驟的補(bǔ)充。經(jīng)過圖片采集和草圖繪制,建筑的外觀和骨架都已經(jīng)掌握,一旦得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息,即可進(jìn)行數(shù)字化建模。這個(gè)過程主要的工作就是對(duì)建筑的縱深和面闊、柱間距、層高以及一些細(xì)部結(jié)構(gòu)的尺寸等進(jìn)行測(cè)量。獲取所需的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理，得到準(zhǔn)確的文物和古建筑三維模型。建筑比較麻煩的是其歷史文化信息，一般通過實(shí)地、網(wǎng)絡(luò)調(diào)查或文獻(xiàn)綜述，最后通過軟件進(jìn)行分析。

5.3 信息模型的建立

該模型是利用BIM軟件和GIS技術(shù)反向建立明古樓和明皇陵的3D模型，然后使用其他軟件建立“組”；建立明鼓樓和明帝陵墓模型最終可以從立面到背面建立準(zhǔn)確的古代建筑三維模型。在建立模型之前，需要獲得明皇陵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和每個(gè)組成部分及構(gòu)件的具體尺寸，用戶可以在輸入界面中輸入這些關(guān)鍵參數(shù)。

圖5 明鼓樓城墻Revit模型復(fù)原圖

進(jìn)而總結(jié)出每棟建筑的關(guān)鍵參數(shù)，因此，可以從一個(gè)示例中推斷出參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行持續(xù)的總結(jié)和組織以形成一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)可以生成所需的古代建筑組件與之相關(guān)的一些參數(shù)和關(guān)鍵參數(shù)。將來，每次對(duì)模型進(jìn)行建模時(shí)，系統(tǒng)都可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索所需零件，以生成零件的三維模型及相關(guān)其他關(guān)鍵參數(shù)。

5.4 明鼓樓、明皇陵屬性信息的錄入

明鼓樓和皇家陵墓的建筑模型還包含許多屬性信息，例如當(dāng)時(shí)使用的木材種類、大理石和其他材料、用于建立建筑物結(jié)構(gòu)的交錯(cuò)技術(shù)，以及當(dāng)時(shí)的區(qū)域文化特征。屬性數(shù)據(jù)還包括一些圖形，當(dāng)時(shí)繪制的圖形、所拍攝的照片、文獻(xiàn)記錄及其當(dāng)前狀態(tài)、恢復(fù)和重建記錄、特征描述、周圍環(huán)境信息以及各種視聽材料。建立模型后，首先，在輸入屬性信息時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)用戶輸入的結(jié)構(gòu)信息，材料信息和物理信息標(biāo)記古建筑。輸入的屬性信息和先前存儲(chǔ)的空間信息位于同一數(shù)據(jù)庫(kù)中。在此數(shù)據(jù)庫(kù)中，每條信息彼此相關(guān)，因?yàn)樗c每個(gè)組件以及組件之間的匹配大小有關(guān)。如果一個(gè)零件被修改，其他零件將被相應(yīng)地修改。

5.5 建筑模型的VR演示

通過虛擬現(xiàn)實(shí)，將抽象和具體（即抽象文本）轉(zhuǎn)換為直觀的三維空間模型，從而大大提高了古代建筑模型設(shè)計(jì)的效率。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建虛擬環(huán)境后，可以將上述建筑物的BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景。參觀者可以戴上特制的VR眼鏡，以充分體驗(yàn)與建筑之間的互動(dòng)關(guān)系。一般來說，古代建筑物的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的生成要進(jìn)行以下幾個(gè)步驟：首先，信息收集。這包括文獻(xiàn)綜述和地方調(diào)查。二是模型的建立。建模過程主要包括建模方法的選擇，建模工具的選擇以及后期的優(yōu)化。最后也是最重要的一點(diǎn)是如何創(chuàng)建視覺效果。包括如何處理光，選擇材料和掌握體積大小。

6 結(jié)語(yǔ)

通過集成現(xiàn)代信息技術(shù)的各種手段，可以快速、方便地建立文物和古建筑的三維動(dòng)態(tài)模型。建立文物古建筑數(shù)字信息資源共享數(shù)據(jù)庫(kù)，為文物古建筑保護(hù)提供有力支持。一般來說，文物與古建筑在造型設(shè)計(jì)上運(yùn)用的技術(shù)較為復(fù)雜，為保證模擬文物古建筑的質(zhì)量和實(shí)際效果達(dá)到計(jì)劃中的目標(biāo)，在實(shí)際操作過程中，必須將準(zhǔn)備工作做到充足，包括各種信息的獲取、建模的選擇方法等。