MR與BIM技術讓古建筑“動起來”

古建筑作為人類文化遺產(chǎn)的重要組成部分，不僅承載著豐富的歷史和文化內(nèi)涵，也具有很高的研究和教育價值。然而，受到時間的侵蝕和人為破壞，許多古建筑面臨保護和展示的難題。為了更好地保護和傳承古建筑，近年來MR與BIM技術被引入其中，并取得了顯著的應用效果?；诖?，文章旨在探討MR與BIM技術在古建筑展示與保護中的應用優(yōu)勢和策略，為保護古建筑提供新的解決方案。

隨著科技的進步，MR技術和BIM技術在建筑領域得到了廣泛應用。MR技術可以實現(xiàn)虛擬場景與現(xiàn)實場景的融合，使觀眾可以身臨其境地體驗古建筑的歷史風貌；而BIM技術能夠以數(shù)字化的方式記錄和管理古建筑的信息，為保護工作提供有力支持。因此，將MR與BIM技術應用于古建筑展示與保護領域，不僅可以實現(xiàn)對古建筑的恢復和再現(xiàn)，還能提升展示效果和保護效果。

古建筑展示與保護中MR與BIM技術的應用優(yōu)勢

MR技術可以通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的手段，將古建筑恢復到其原貌并呈現(xiàn)給觀眾。借助MR設備，人們可以身臨其境地感受古建筑的美麗和莊嚴，無需實際前往現(xiàn)場。這對于那些無法親身參觀古建筑的人們，以及遠離古建筑地區(qū)的人們來說具有極大的意義。此外，MR技術還可以通過交互性的元素，為觀眾提供更加豐富的展示體驗，例如可以在虛擬模型中進行導覽、互動和學習。而BIM技術在古建筑保護方面也發(fā)揮著重要作用。通過建立古建筑的數(shù)字模型，BIM技術提供了一個全面而詳細的框架，用于記錄和保存古建筑的各種信息，包括結構、材料、構造和歷史數(shù)據(jù)等。這對于后續(xù)的保護和修復工作非常有價值，可以幫助研究人員和專家更好地了解古建筑的特點和問題，制定更科學合理的保護方案。

古建筑展示與保護中MR與BIM技術的應用策略

對于古建筑的虛擬重建與展示，首先需要通過現(xiàn)場勘測、歷史文獻等方式收集古建筑的相關數(shù)據(jù)。例如，測量古建筑的地理坐標、尺寸、立面圖、平面圖、剖面圖等。其次基于收集到的古建筑數(shù)據(jù)，使用BIM軟件進行三維建模?？梢允褂肁utodesk Revit等專業(yè)軟件創(chuàng)建古建筑的外觀、內(nèi)部結構和裝飾等模型。之后根據(jù)古建筑的歷史資料和專家意見，添加適當?shù)募y理和顏色信息到三維模型中，以還原古建筑的原貌。對古建筑的結構進行物理仿真，以驗證其穩(wěn)定性和可行性。這可以通過以FEM（有限元分析）為基礎的軟件如ANSYS進行模擬。再次，將三維模型和紋理貼圖與MR設備相結合，通過頭戴式顯示器，將古建筑的虛擬模型投射到現(xiàn)實世界中。觀眾可以穿戴MR設備，透過頭戴式顯示器觀看古建筑的虛擬原貌。同時，利用MR技術的交互性，觀眾可以通過手勢、語音等方式與虛擬古建筑進行互動，例如更換裝飾風格、調(diào)整光線等。最后，通過高保真度的渲染技術和增強現(xiàn)實技術，使得虛擬古建筑在視覺上更加逼真。例如，使用實時渲染引擎如Unity或Unreal Engine來處理光影效果。此外，為了提供更加真實的體驗，可以結合音效和環(huán)境音樂，使觀眾在虛擬古建筑中獲得沉浸式的視聽感受。例如，北京故宮博物院利用MR技術進行古建筑的虛擬重建與展示。他們通過對故宮建筑的數(shù)據(jù)采集和三維建模，以及紋理貼圖和物理仿真等步驟，實現(xiàn)了故宮的虛擬重建。利用MR設備，觀眾可以在現(xiàn)實世界中穿戴頭戴式顯示器，欣賞到以往無法親臨的故宮古建筑的真實樣貌。觀眾還可以通過交互功能調(diào)整古建筑的裝飾風格、光線等，實現(xiàn)與虛擬建筑的互動。這種方式為無法親自前往故宮的人們提供了一個近乎真實的參觀體驗，同時也為故宮的保護和傳承提供了一種新的方式。此外，利用這兩種技術，還可以實現(xiàn)古建筑歷史演變的展示。例如，鄭州二七紀念館利用MR技術和BIM技術，呈現(xiàn)了二七紀念館建筑的歷史變遷。觀眾通過佩戴MR設備，在現(xiàn)實場景中觀察不同時期的建筑模型，了解建筑的演變過程，并通過交互方式獲取相關的歷史介紹和文物展示。

古建筑數(shù)字化記錄與文檔管理主要涉及以下步驟，如圖1所示。

具體來說，第一，進行數(shù)據(jù)采集與處理。首先，利用激光掃描技術獲取古建筑的精確三維幾何信息，包括建筑的外部形態(tài)和內(nèi)部結構。激光掃描儀會發(fā)射激光束并測量其反射時間，從而計算出點云數(shù)據(jù)。其次，通過高清攝影技術獲取古建筑的紋理和顏色信息，并與激光掃描數(shù)據(jù)進行融合，生成真實感強的數(shù)字模型。最后，利用專業(yè)軟件（如Autodesk ReCap）對激光掃描數(shù)據(jù)和高清攝影圖像進行處理和配準，生成完整的古建筑數(shù)字模型。

第二，建立模型。首先，對采集到的點云數(shù)據(jù)進行濾波、配準和重建操作，消除噪聲和誤差，得到精確的點云模型。其次，基于點云數(shù)據(jù)，使用BIM軟件（如Autodesk Revit）進行建模，創(chuàng)建古建筑的三維模型。模型包括建筑的結構、材料和構造等信息，并可以根據(jù)需要添加歷史演變的信息。最后，將高清攝影圖像與三維模型進行紋理映射，使得數(shù)字模型在視覺上更加真實。

第三，在信息記錄與管理過程中，通過BIM技術實現(xiàn)古建筑的參數(shù)化建模，即將建筑的各個元素（如墻、柱、梁等）以參數(shù)化的形式表示，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)管理和修改。同時，為古建筑模型添加屬性信息，包括歷史背景、年代、文物信息等，以便后續(xù)查詢和分析。并且，將古建筑的相關文檔、圖片、視頻等文件與數(shù)字模型關聯(lián)起來，形成完整的文檔庫。這些文檔可以是歷史研究報告、修繕方案、考古發(fā)掘資料等。最后，利用BIM技術的時間軸功能，記錄古建筑的歷史演變過程和不同時期的改造情況，形成可追溯的歷史檔案。

第四，對于數(shù)據(jù)展示與應用，利用MR技術將古建筑的數(shù)字模型投射到現(xiàn)實場景中，通過MR設備觀看古建筑的虛擬重建，還原其原貌。利用MR技術實現(xiàn)與虛擬建筑的互動，例如更換裝飾風格、調(diào)整光線等，使用戶能夠自主探索和了解古建筑。利用數(shù)字模型和相關文檔開展古建筑的教育和研究工作，方便學生和專家深入學習和探索古建筑的歷史和文化價值。如意大利佛羅倫薩圣十字圣殿利用BIM技術進行古建筑的數(shù)字化記錄與文檔管理，先是利用激光掃描將圣殿的幾何信息獲取并生成點云數(shù)據(jù)。然后，結合高清攝影圖像，利用BIM軟件創(chuàng)建圣殿的三維模型，將紋理貼圖與模型融合。再通過參數(shù)化建模和屬性錄入，為圣殿模型添加詳細的元素信息和歷史背景。相關的文檔、圖片和視頻也與數(shù)字模型關聯(lián)起來，形成完整的文檔庫。最后，利用MR技術將數(shù)字模型投射到現(xiàn)實場景中，觀眾可以通過MR設備欣賞到圣殿的虛擬重建，并進行交互操作，深入了解圣殿的歷史和文化價值。這樣的數(shù)字化記錄與文檔管理使得圣殿的歷史得以保留和傳承，也為未來的修繕工作提供了有力支持。

古建筑保護方案制定與模擬評估，基于圖1中提到的數(shù)據(jù)收集與建模步驟，在制定古建筑保護方案之前，需要明確保護的目標。這包括保護的范圍、保護的目的和要求等。如對于歷史悠久的寺廟建筑，保護目標可能是保持其原有的歷史風貌和文化價值，同時確保結構安全和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。之后，根據(jù)古建筑的特點和目標設定，制定具體的保護方案。方案設計涉及修繕方案、防護措施和環(huán)境管理等。修繕方案包括對古建筑進行維護、修復、重建等操作，以保持其原有的風貌和結構完整性。防護措施包括對古建筑的環(huán)境進行控制，比如調(diào)控溫濕度、防水防火等。環(huán)境管理涉及對古建筑周邊環(huán)境的保護和規(guī)劃，以確保其持續(xù)發(fā)展和保護。根據(jù)保護方案的設計要求，設置古建筑模型的參數(shù)，主要包括材料屬性、結構參數(shù)等。如在修繕方案中，可能需要替換或加固某些結構部件，因此需要對這些部件進行參數(shù)化建模，并根據(jù)實際施工情況進行合理設計。

在方案模擬評估方面，利用MR技術將古建筑的數(shù)字模型投射到現(xiàn)實場景中，以展示保護方案的效果和影響。通過MR頭盔或智能手機等設備，用戶可以在真實環(huán)境中直接觀察數(shù)字模型與實際場景的對比。如可以觀察修繕方案后古建筑的外觀變化、內(nèi)部空間布局等，以評估方案的合理性和可行性。同時，利用模擬軟件對古建筑內(nèi)部和周邊環(huán)境進行模擬，分析環(huán)境對保護方案的影響。如可以利用模擬軟件模擬古建筑內(nèi)部溫濕度、光照等環(huán)境參數(shù)的變化，評估保護方案對室內(nèi)環(huán)境的影響。接下來，利用數(shù)值分析軟件對古建筑的結構進行力學分析，評估保護方案對結構的影響。通過建立古建筑的有限元模型，可以模擬方案后的應力、變形等參數(shù)。這有助于評估方案對古建筑結構安全性的影響，并確定是否需要進行結構加固等措施。最后，根據(jù)模擬和分析的結果，對保護方案進行評估和比較。包括方案的可行性、效果和經(jīng)濟性等方面的評估。同時，也要考慮保護方案對古建筑文物價值和歷史風貌的保持程度等因素。綜合各個評估指標，選擇最優(yōu)的保護方案。例如，故宮博物院采用了BIM技術進行古建筑保護方案制定與模擬評估。首先，利用激光掃描儀對故宮進行掃描，獲取精確的三維幾何信息和紋理數(shù)據(jù)。然后，使用BIM軟件建立故宮數(shù)字模型，并為模型添加屬性信息和歷史演變的記錄。接下來，根據(jù)故宮的保護目標，設計了多個保護方案。之后，利用MR技術，將數(shù)字模型投射到現(xiàn)實場景中，評估各個保護方案的效果和影響。同時，利用數(shù)值分析軟件對故宮的結構進行力學分析，評估不同方案對結構的影響。最終，通過比較和分析評估結果，確定了最佳的保護方案，并根據(jù)該方案實施，確保故宮的保護和傳承得以順利進行。

問題與建議

古建筑的模型建立需要依賴歷史文獻和資料，并且可能存在缺失或不完整的信息。因此，古建筑模型的精確性和真實感可能會受到限制。確保古建筑模型的精確性和真實感需要加強對古建筑歷史資料的搜集和研究。為此，首先通過廣泛搜集歷史文獻、考古報告和專家論述等資料，獲取對古建筑的描述和描繪。這些資料包括古代文獻、繪畫、照片、測繪圖紙等多種形式，可以提供關于古建筑形態(tài)、結構、材料和裝飾的詳細信息。其次，開展詳細的田野調(diào)查，進行現(xiàn)場勘測和實地考察，獲取古建筑的實際尺寸、外觀特征和構造細節(jié)等。借助現(xiàn)代技術手段，如3D掃描和攝影測量等，可以獲得高精度建筑數(shù)據(jù)。同時，應結合考古學和建筑學等相關學科的研究方法，深入理解古建筑的歷史背景、建筑技術和文化特色，以確保模型的真實性和可靠性。

建立古建筑的BIM模型需要大量的時間和人力資源，尤其是對于復雜的古建筑而言。同時，由于古建筑歷史演變是一個動態(tài)過程，對模型進行更新和維護也需要耗費一定的成本。為了降低古建筑BIM模型的構建和維護成本，首先，開發(fā)針對古建筑的專用建模工具和軟件，提供與古建筑特點相適應的功能，如自動提取建筑參數(shù)、快速構建復雜結構等。這樣可以大幅減少人工操作的時間和精力消耗。其次，利用自動化算法和機器學習技術實現(xiàn)部分模型元素的自動生成，例如基于規(guī)則或模式識別的自動生成墻體、柱子等部分。通過智能算法的輔助，可以提高模型構建的效率和準確性。同時，建立與其他相關數(shù)據(jù)系統(tǒng)的集成，如文檔管理系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)等，以實現(xiàn)古建筑數(shù)據(jù)的共享和交流，減少重復勞動和信息的冗余。

古建筑的歷史演變展示旨在提供教育性和互動性體驗，但目前的應用可能還存在一定的局限性。為了提升古建筑歷史演變展示的教育性和互動性，可以考慮添加游戲化元素，例如設計互動式解謎游戲、模擬古代建筑技術等，讓觀眾在參觀過程中積極參與、體驗和學習。這樣能夠增加觀眾的參與度，并通過互動形式提供更深入的教育效果。其次，利用虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術，為觀眾提供身臨其境的體驗。通過虛擬漫游、沉浸式互動等方式，觀眾可以更直接地了解古建筑的歷史背景和建筑特點，增強他們的學習體驗和興趣。

通過分析古建筑展示與保護中MR與BIM技術的應用優(yōu)勢和策略，發(fā)現(xiàn)其在古建筑保護與展示方面具有巨大潛力。通過古建筑虛擬重建與展示、數(shù)字化記錄與文檔管理及保護方案制定與模擬評估等手段，MR與BIM技術能夠?qū)崿F(xiàn)對古建筑的全面保護和展示。在解決模型構建與維護成本、設備與用戶體驗以及教育性和互動性等問題上，可以采取相應的策略和措施。未來，MR與BIM技術將為古建筑展示與保護提供更多可能性，并為文化遺產(chǎn)保護事業(yè)作出貢獻。

（作者單位：山西省文化遺產(chǎn)勘測與保護研究院有限責任公司）