BIM技術(shù)為秦始皇陵外城垣遺址保駕護航

以秦始皇陵外城垣及城門遺址為對象，在遺址概況、現(xiàn)存問題梳理及考古發(fā)掘的基礎(chǔ)上，提出遺址數(shù)字模型的構(gòu)建，并基于該模型的建立，有效優(yōu)化展示效果和施工工藝，為秦始皇陵的保護與利用提供思路與方法。

秦始皇陵概況

秦始皇陵位于陜西省西安市臨潼區(qū)秦陵街道轄區(qū)，是我國歷史上第一位皇帝嬴政的陵園，它不僅是我國古代帝王陵墓“獨立陵園制”確立的標(biāo)志，更是中國古代帝王陵墓中規(guī)模最為宏大、埋藏最為豐富的大型陵園之一，蘊含著極高的歷史文物價值。1961年，秦始皇陵被列為第一批全國重點文物保護單位；1987年，被聯(lián)合國教科文組織納入“世界遺產(chǎn)名錄”；2007年，秦始皇帝陵博物院榮獲首批國家5A級旅游景區(qū)的稱號。

秦始皇陵位于西安市臨潼區(qū)以東5公里處的驪山北麓，兵馬俑以西1.5公里處。明代正德八年（1513年）禮部郎中都穆，對秦始皇陵園勘測調(diào)查；1962年，陜西省文物管理委員會對陵園開展全面考古勘察，繪制出第一張陵園平面布局圖；1974年，秦始皇陵園東部發(fā)現(xiàn)秦俑一號坑俑。2010年10月，秦始皇帝陵遺址公園正式開園。2018年—2019年，實施完成了秦始皇陵內(nèi)城垣保護展示工程。

本工程主要對秦始皇陵外城垣及城門遺址進行保護與展示。城垣遺址長度共計6.3公里，其中東西長約2187米，南北寬約970米，北內(nèi)外城間南北向墻垣總長816米。其中外城垣遺址、北內(nèi)外城間南北向隔墻、第一二道建筑基址采取本體保護措施；外城西門、四角遺址修建休息廣場；五角水道、大口井遺址設(shè)立展示廳。通過采取培土覆蓋、放坡加固等措施，對外城垣及城門遺址本體進行保護。通過采取邊界標(biāo)識、地表模擬展示等措施，對外城垣及城門遺址本體進行展示。

外城垣遺址總寬7.2米，兩側(cè)用土色砂壓磚勾勒邊界，按自然地形隨坡就勢標(biāo)識。遺址本體上覆蓋300毫米厚灰土隔離層及耐根穿無紡布，中間素土回填，頂部覆蓋0.5米～0.75米高種植土后綠化種植。在本體保護上，通過采取培土覆蓋、放坡加固等措施，對外城垣及城門遺址本體進行保護。在標(biāo)識展示上通過采取邊界標(biāo)識、地表模擬展示等措施，對外城垣及城門遺址本體進行展示。

保護與修復(fù)技術(shù)

在遺址保護修繕工作開始前，需對遺址地表進行仔細(xì)的調(diào)查和勘測，精確定位遺址的地理位置、整體規(guī)模和可能存在的其他建筑物分布情況。該階段考古隊員利用激光掃描和遙感技術(shù)等現(xiàn)代科技手段對遺址全方位掃描和勘測，不僅提高了勘測效率，還大幅提升了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。獲得初步的勘測結(jié)果后，考古隊員需對所獲得的數(shù)據(jù)進行分析處理，篩選出具有代表性和存在潛在價值的區(qū)域，進而對遺址發(fā)掘保護。若在發(fā)掘過程中發(fā)現(xiàn)文物、遺跡等，考古團隊需對其進行精細(xì)清理和保護，以防止文物進一步損壞，也需要對文物采取涂覆保護層、控制環(huán)境濕度和溫度等措施以防止文物進一步腐蝕或氧化。同時對遺址周邊環(huán)境的保護也同樣重要，發(fā)掘過程中，需對遺址周圍設(shè)立保護屏障，以控制游客流量，檢測環(huán)境變化，防止后續(xù)因自然因素和人為因素對遺址造成的損害。通過對東北角、西北角、西南角3處角點以及其他9處重要節(jié)點的全面勘探工作，團隊能夠確保施工放線與遺址邊界的一致性。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在遺址保護和修復(fù)工程中，數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用已成為一種不可或缺的方式。秦始皇陵外城垣地勢復(fù)雜，不同位置高差顯著、植被繁茂、現(xiàn)場環(huán)境多變，傳統(tǒng)勘測設(shè)計方法不能精確確定遺址的真實地貌，使得后續(xù)工作難以展開。采用遺址數(shù)字建模方法可以有效解決該類問題。在構(gòu)件遺址數(shù)字模型中，首先需對遺址的基礎(chǔ)信息和真實數(shù)據(jù)進行全面采集，所采集的信息包括遺址的具體位置、外觀形狀、整體尺寸等基本信息，也包括地質(zhì)構(gòu)造、材料特性和遺址歷史變遷等深層次數(shù)據(jù)?；谑占臄?shù)據(jù)構(gòu)建出高精度遺址數(shù)字模型，通過與大地坐標(biāo)的精準(zhǔn)對接，成功構(gòu)建起秦始皇陵園外城垣保護區(qū)域的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與基礎(chǔ)模型。

經(jīng)過一系列技術(shù)手段，本項目成功構(gòu)建了一個全面、準(zhǔn)確、精細(xì)的秦始皇陵外城垣遺址數(shù)字模型。不僅為后續(xù)的修復(fù)和保護工作提供了重要支持，也為遺址的研究和展示提供了新的途徑和方式。

在大遺址保護工程中，施工工藝的優(yōu)化同樣重要，本工程采用了多種措施對地上和地下遺址進行治理和保護。

對于地上遺址，采用了地表清理、素土回填、灰土夯筑、裂縫修補等措施，對病害進行治理。對于地下遺址，則嚴(yán)格根據(jù)考古發(fā)掘成果，采用不同展示方式展現(xiàn)不同類型遺跡及城垣格局性信息。在對遺址保護的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)施工工藝進行優(yōu)化，選擇了符合古代建筑特點和環(huán)境要求的材料，如仿古青磚、花崗巖等，以盡可能還原建筑的歷史原貌并保證建筑的耐久性。通過施工工藝的優(yōu)化和精心施工，秦始皇陵外城垣的保護效果得以顯著提升，為后續(xù)的遺址保護和展示工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。

BIM技術(shù)在大遺址保護中的應(yīng)用

在施工過程中，由于秦始皇帝陵地勢高差較大，最大高差91米，加上植被茂盛影響勘察設(shè)計，與現(xiàn)場實際情況出入較大，遺址公園內(nèi)現(xiàn)有管線、路網(wǎng)與后續(xù)道路設(shè)計等復(fù)雜情況，在遺址公園建設(shè)方面開展信息化（BIM）技術(shù)探索工作。通過基礎(chǔ)信息與遺址真實數(shù)據(jù)采集，大地坐標(biāo)對接，構(gòu)建秦始皇帝陵園外城垣保護區(qū)域信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與基礎(chǔ)模型。

地形信息模型是BIM技術(shù)在遺址保護中的基礎(chǔ)應(yīng)用之一。針對秦始皇帝陵地勢高差大（最大高差達(dá)91米）的特點，通過提取設(shè)計高程信息，利用專業(yè)軟件完成三角網(wǎng)的重構(gòu)，從而構(gòu)建出遺址地形模型。

遺址標(biāo)識信息模型也是BIM技術(shù)在遺址保護中的重要應(yīng)用。在秦始皇帝陵的保護過程中，為了準(zhǔn)確標(biāo)識和記錄遺址的詳細(xì)信息，需要構(gòu)建遺址標(biāo)識信息模型。該模型以斷面設(shè)計方案為基礎(chǔ)，參考變更方案，通過放樣與堆積的方式完成構(gòu)建。該模型能夠精確展示遺址的位置、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵信息，為遺址的保護提供有力支持。

信息化模型是BIM技術(shù)在遺址保護中的綜合應(yīng)用。結(jié)合地形信息模型和遺址標(biāo)識信息模型，通過高程數(shù)據(jù)的指導(dǎo)，實現(xiàn)兩者的依附，從而完成整體信息化模型的搭建。該模型能夠全面、準(zhǔn)確地反映遺址的地形、結(jié)構(gòu)、設(shè)施等信息，為遺址的保護、規(guī)劃、設(shè)計、施工等提供全方位的支持。同時，信息化模型還具有動態(tài)調(diào)整和數(shù)據(jù)分析的功能，可以根據(jù)實際情況進行實時更新和優(yōu)化，提高遺址保護的效率和質(zhì)量。

基于BIM技術(shù)的遺址保護與修復(fù)

依托BIM技術(shù)對秦始皇陵的外城垣進行保護，采用BIM、三維激光掃描、虛擬仿真模擬、GIS等數(shù)字化方法，把外城垣遺址的點云數(shù)據(jù)輸入BIM 模型軟件，接著創(chuàng)建三維模型，再按照遺產(chǎn)保護的相關(guān)要求，把外城垣的建造時間、周邊環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點情況、測繪圖紙、受損狀況、修復(fù)記錄等信息輸入模型內(nèi)。最后，與相關(guān)管理部門合作，共同搭建信息共享云平臺，以實現(xiàn)完整、高效、系統(tǒng)的信息管理與存儲。

在對外城垣修復(fù)時所需采集的信息主要包括外城垣的幾何屬性信息與歷史信息。幾何屬性信息包括外城垣的尺寸、形狀、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等，其信息采集的關(guān)鍵手段涵蓋GIS 技術(shù)、數(shù)字測繪、三維激光掃描及無人機傾斜攝影技術(shù)等。為完善其模型信息，首先運用三維掃描技術(shù)來確定外城垣的空間坐標(biāo)，接著利用無人機傾斜攝影技術(shù)進行多視角信息采集。最后，對無人機采集的大量點云數(shù)據(jù)實施去噪、配準(zhǔn)平滑等預(yù)處理工作，進一步提取點云特征線來構(gòu)建Revit建筑模型。

在此次外城垣修復(fù)工作中，BIM模型主要通過Revit軟件構(gòu)建，模型需與圖紙相對應(yīng)以實現(xiàn)遺址信息的存儲與傳遞。先對大量點云數(shù)據(jù)進行去噪、平滑及配準(zhǔn)處理，而后從中提取特征線，并結(jié)合原有BIM數(shù)據(jù)庫中的模型，建立精確的三維數(shù)據(jù)模型。在構(gòu)建Revit模型時，需參照外城垣的建造規(guī)律，從實際測繪資料里獲取外城垣建模需要的參數(shù)信息。設(shè)計人員根據(jù)規(guī)律探究關(guān)鍵參數(shù)和次要參數(shù)的關(guān)聯(lián)，并把它們存入數(shù)據(jù)庫中。在實現(xiàn)數(shù)字化建模的進程中，采用了三維激光掃描技術(shù)及近景攝影測量技術(shù)，進而繪制出對應(yīng)的建筑平面圖紙。

在設(shè)計階段開展數(shù)字修復(fù)工作：外城垣因年代久遠(yuǎn)，風(fēng)化、侵蝕等現(xiàn)象普遍，而且墻體并非精準(zhǔn)對齊，局部偏移或殘缺等問題嚴(yán)重，故而需予以修復(fù)。在BIM軟件中導(dǎo)入模型，進行電子測量以獲取精確的偏差度，并繪制結(jié)構(gòu)平面圖。此外，利用BIM軟件開展修復(fù)模擬工作。利用BIM軟件及三維掃描技術(shù)對外城垣實施全方位的隱患排查，對老化的結(jié)構(gòu)進行精確定位。

施工階段數(shù)字修復(fù)：在施工階段，設(shè)計人員采用BIM技術(shù)，結(jié)合建模軟件，對外城垣的現(xiàn)場實際情況進行數(shù)字化模擬。通過這一過程，獲得了模型簡圖，并進行了結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的詳細(xì)分析?；诜治鼋Y(jié)果，確定了最佳修復(fù)方案，最大程度保護原有結(jié)構(gòu)，并降低施工過程中的潛在風(fēng)險。

保護階段的數(shù)字化維護：運用數(shù)字化儀器，提升了測量效率和數(shù)據(jù)精度。數(shù)字化保存不僅能夠達(dá)成高保真效果，其調(diào)取與查閱頗為便捷，且能夠隨時調(diào)出此類數(shù)字信息用以開展修復(fù)研究，最大程度地施展數(shù)據(jù)庫的效用，提升數(shù)據(jù)的利用價值。

圖像處理技術(shù)的運用：外城垣信息完成數(shù)字化保存后，可借助圖像處理技術(shù)，周期性地針對前后圖像的色彩、形態(tài)及紋理等特征實施對比分析，及時察覺外城垣中出現(xiàn)風(fēng)化、侵蝕或損壞的部位及程度等詳盡信息，進而對其實施虛擬修復(fù)與復(fù)原操作，以實現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)管目標(biāo)。

對于外城垣的保護，不僅要保護的是城墻自身，更是城墻蘊含的歷史與文化。唯有在保護外城垣的同時，切實做到對文化遺產(chǎn)信息的充分保護與挖掘，并予以轉(zhuǎn)化和再表達(dá)，方能實現(xiàn)秦始皇陵外城垣完整的保護與修復(fù)。

秦始皇陵外城垣的數(shù)字化修復(fù)與保護項目，通過BIM、GIS等先進技術(shù)，成功建立了外城垣的三維數(shù)字模型，整合了關(guān)鍵歷史與修復(fù)信息。信息共享云平臺提高了數(shù)據(jù)管理和查詢效率，仿真模擬技術(shù)為公眾提供了直觀的文化體驗。項目通過數(shù)字化保存和定期監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并處理外城垣的問題，確保了其長期穩(wěn)定保存。該項目不僅展現(xiàn)了現(xiàn)代科技在文化遺產(chǎn)保護中的巨大作用，也為未來類似工作提供了寶貴經(jīng)驗。

（作者單位：陜西省文物保護工程有限公司）