長沙近代建筑數(shù)字孿生模型構(gòu)建研究

基金項目：本文系湖南省社會科學成果評審委員會課題“長沙歷史建筑數(shù)字孿生模型構(gòu)建與實踐研究”（XSP24YBC470）、湖南省普通高等學校哲學社會科學重點研究基地開發(fā)項目“湖南紅色遺址數(shù)字化重建與景觀再造設(shè)計研究”（HCR24B02）研究成果。

一、數(shù)字孿生模型構(gòu)建研究現(xiàn)狀

近年來，數(shù)字孿生理念與技術(shù)的應(yīng)用已從工業(yè)制造擴展到城市治理、醫(yī)療健康、文化遺產(chǎn)等復雜系統(tǒng)，關(guān)于建筑文化遺產(chǎn)的研究涉及建筑的建造、監(jiān)測、管理、運維等領(lǐng)域。有研究基于行業(yè)調(diào)研分析BIM體系缺乏建成信息的問題，從而引入數(shù)字孿生理論，構(gòu)建了包含設(shè)計與建成信息的建筑數(shù)字孿生體（BDT）理論框架[。集成物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和AI算法實現(xiàn)虛實系統(tǒng)實時交互，動態(tài)應(yīng)對結(jié)合BIM技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)的施工管理的不確定性，提升裝配式建筑智能調(diào)度管理平臺的自主性、預(yù)測性和智能化水平2。在元宇宙與建筑信息化融合的趨勢下，整合數(shù)字孿生、擴展現(xiàn)實和區(qū)塊鏈等技術(shù)，將重塑建筑行業(yè)的生產(chǎn)方式和產(chǎn)業(yè)模式，推動建筑領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化升級3。在實證研究方面，數(shù)字孿生理念和技術(shù)被應(yīng)用于公共建筑，如醫(yī)院[4、市民中心[5]、展覽館等，提出了涵蓋建筑設(shè)計、建造和運維全生命周期的技術(shù)應(yīng)用路徑。在文化遺產(chǎn)保護與活化領(lǐng)域，有研究通過構(gòu)建數(shù)字孿生模型并采用流固耦合分析方法，實證評估了風環(huán)境對北京蟠龍山長城的影響，揭示了植被和建筑體量變化對風蝕風險分布的作用機制。有學者基于蘇州 CIM+ 古城保護更新平臺實踐，為歷史文化遺產(chǎn)可持續(xù)活化提供了數(shù)字孿生架構(gòu)與場景技術(shù)雙驅(qū)動的方法論支撐[8]。

數(shù)字孿生技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護與活化中的應(yīng)用已從單純的數(shù)字化存檔發(fā)展為虛實交互的智能保護系統(tǒng)，但現(xiàn)有的研究中鮮有針對城市建筑遺產(chǎn)且綜合考慮文化基因理念與數(shù)字孿生技術(shù)的案例。如何挖掘利用好寶貴的城市建筑文化資源，從長沙近代建筑造型中提煉出獨特的文化基因，結(jié)合數(shù)字孿生賦予文化遺產(chǎn)保護新型模式，合理應(yīng)用城市文化，是城市歷史文脈傳承與創(chuàng)新發(fā)展中亟待解決的問題。

二、長沙近代建筑文化基因識別與轉(zhuǎn)譯

（一）建筑特征分析

隨著城市的快速發(fā)展和現(xiàn)代化進程推進，長沙市的建筑數(shù)量、類型和分布都發(fā)生了明顯的變化。長沙的近代建筑文化遺產(chǎn)通過“近代保護建筑”、“歷史舊宅”或“不可移動文物”的形式，經(jīng)過重建或者翻新工程保存了下來，建筑類型包括學校、醫(yī)院、商業(yè)建筑和民居等，例如圣經(jīng)學院、湘雅醫(yī)院門診樓、五一路供銷大廈、程潛公館等。長沙近代建筑的風格受到中西文化交流和現(xiàn)代建筑思潮的影響，呈現(xiàn)了多種多樣的特點。長沙近代建筑的發(fā)展可以追溯到19世紀末20世紀初，一些建筑物保留了傳統(tǒng)的建筑形式和裝飾風格，如宮殿式的大門、斗拱和琉璃瓦。同時，近代建筑也采用了現(xiàn)代的建筑材料和技術(shù)，如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和玻璃幕墻等。長沙近代建筑還體現(xiàn)了地域特色和文化認同，通過運用本土材料、工藝和文化元素，這些建筑物與長沙的歷史、地理和文化背景相融合，形成了具有地方特色的建筑風格。長沙的近代建筑融合傳統(tǒng)和現(xiàn)代元素，受到西方建筑風格的影響，注重功能性和實用性，并展現(xiàn)出地域特色和文化認同。

（二）文化基因識別

建筑文化基因是特定地域或民族在長期歷史發(fā)展中形成的具有傳承性的建筑特征與內(nèi)在文化邏輯，長沙建筑文化基因在構(gòu)造技術(shù)與材料、裝飾符號系統(tǒng)以及生產(chǎn)生活方式層面特征較明顯。文化基因的三維轉(zhuǎn)譯會出現(xiàn)內(nèi)容繁雜、工程量龐大等問題，因此，實現(xiàn)傳統(tǒng)文化基因的有效提取與融合，需要建立系統(tǒng)化的基因識別與分類體系。基于文化基因在特定文化系統(tǒng)中的功能地位和形成機理，可將其劃分為以下四個層級：第一，主體基因，該基因是文化體系中具有決定性作用的核心要素，通常表現(xiàn)為建筑形制、空間組織等穩(wěn)定性特征。第二，附著基因，其反映文化演變的輔助性特征元素，例如建筑中的裝飾紋樣、色彩運用等可變因素。第三，混合基因，在長沙近代建筑中，混合基因相較其他類型基因更加明顯，產(chǎn)生于中西融合與古今融合的文化交融過程中。第四，變異基因，表現(xiàn)為功能轉(zhuǎn)型或形式創(chuàng)新，通常是在文化傳播中產(chǎn)生適應(yīng)性改變。這種分類體系為數(shù)字孿生建模提供文化要素的篩選依據(jù)，通過重要性評估和成分解析，可確保關(guān)鍵文化特征在虛擬模型中得到優(yōu)先呈現(xiàn)和準確表達。在具體實施中，需要結(jié)合定量分析與定性研究，建立多維度的基因評估矩陣，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)文化基因在數(shù)字空間的科學重構(gòu)與創(chuàng)新轉(zhuǎn)化。

（三）基因提取與三維轉(zhuǎn)譯

長沙近代建筑的文化基因根據(jù)建筑類別有較大差異，本研究選取了長沙多處近代建筑作為模型構(gòu)建對象，建筑類型包括公共建筑、商業(yè)建筑以及民居建筑，提取各類型建筑的外觀造型及其細節(jié)特征。建筑的屋頂多為硬山、懸山、歇山及現(xiàn)代平屋頂?shù)男问?，且長沙多雨，屋檐主要是挑檐的形式，一些較為奢華的建筑檐部有斗拱或者彩色圖案裝飾。建筑外墻裝飾材料主要有墻磚石、石灰水泥、涂料、水刷石及面磚等，體量較大的建筑會采用清水墻和石材結(jié)合的方式對外立面進行裝飾。長沙近現(xiàn)代建筑門窗呈現(xiàn)多樣化的特點，外立面門的主要形式包括矩形門、拱形門、尖券門、組合門等，窗的類型有矩形窗、拱形窗、尖券窗、百葉窗、豎向通窗以及老虎窗等，其中矩形門和矩形窗的運用最為廣泛。長沙近代建筑在立面線腳、陽臺、欄桿、浮雕和彩畫等方面都有多樣化的細節(jié)特征，體現(xiàn)出簡潔、典雅、大方的特質(zhì)。

一方面，將文化基因轉(zhuǎn)譯成視覺符號是建模過程中的核心環(huán)節(jié)，基因有多種類型，因此需要的轉(zhuǎn)譯方式自然不同；另一方面，即便是同一基因，設(shè)計應(yīng)用的對象不同、語境不同，其轉(zhuǎn)譯方法也可能大相徑庭。因此，在深入分析和理解長沙近代建筑文化元素的基礎(chǔ)上，需根據(jù)地域文化基因的不同形式合理選擇不同的轉(zhuǎn)譯方法，從而實現(xiàn)文化基因的有效應(yīng)用。第一，直接轉(zhuǎn)譯，有具體形象、能夠直接觸及或能夠被直接識別出來的顯性文化基因，如建筑類型、結(jié)構(gòu)、材料、裝飾、色彩等紋樣基因和形態(tài)基因，其本身視覺形象已經(jīng)深人人心，并且具有明顯的符號指征功能。因此，這類文化基因可以通過描摹、借用與復制的方式直接轉(zhuǎn)譯。第二，抽象轉(zhuǎn)譯，在把握文化基因內(nèi)涵和三維特征的基礎(chǔ)上，運用簡化、拆解、拼合、替換等方法，對主導文化基因中的三維形象進行抽象轉(zhuǎn)譯，結(jié)合建模者的主觀處理，創(chuàng)造新的立體符號，既保留原有的文化魅力，又呈現(xiàn)出鮮明的時代特征。第三，再現(xiàn)轉(zhuǎn)譯，隱性文化基因反映的是民族和地區(qū)的價值理念、民俗風情、藝術(shù)追求、科學技藝等精神文化層面的內(nèi)容，蘊藏于建筑建造工藝、空間營造、使用方式和社會實踐之中[]。

三、長沙近代建筑數(shù)字孿生模型構(gòu)建

（一）建筑數(shù)據(jù)獲取

采用三維激光掃描技術(shù)獲取毫米級精度的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合無人機傾斜攝影實現(xiàn)大范圍建筑群的快速建模；同時運用全息攝影技術(shù)進行微變形監(jiān)測，通過近景攝影測量記錄動態(tài)變化過程，并借助 360^° 全景攝影技術(shù)高效生成三維實景模型。針對破損、缺失或者改建的建筑，通過照片、影像、口述和藝術(shù)作品等資料進行分析，基于現(xiàn)實建筑基本特征對建筑風格、裝飾特色等進行再設(shè)計。

（二）建筑模型構(gòu)建

基于文化空間基因解碼的三維可視化技術(shù)，可精準呈現(xiàn)建筑形制特征；融合地域營造智慧的三維建模技術(shù)，能重構(gòu)傳統(tǒng)建筑的空間組織邏輯；整合人文地理信息的3DGIS技術(shù)，可追溯建筑文化的傳播路徑；動態(tài)仿真技術(shù)則能演繹傳統(tǒng)工藝的建造過程；裸眼3D技術(shù)以沉浸式體驗再現(xiàn)建筑場所的精神內(nèi)涵。這些技術(shù)手段共同構(gòu)成建筑文化基因的數(shù)字化表達系統(tǒng)，使建筑文化的保護從物質(zhì)形態(tài)保存延伸到文化內(nèi)涵的活態(tài)傳承。本研究采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)進行建筑數(shù)字化建模：首先，通過激光雷達系統(tǒng)獲取高精度點云數(shù)據(jù)，并以Las格式輸出；其次，運用ContextCapture軟件平臺，將激光點云數(shù)據(jù)與無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)進行智能配準與融合處理。研究發(fā)現(xiàn)，多源數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用顯著提升建筑模型的幾何精度與細部特征還原度，但同時也對計算資源提出更高要求。建模采取了一套基于建筑文化基因識別的優(yōu)化流程：先對原始數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格優(yōu)化和環(huán)境點云抽稀處理以降低數(shù)據(jù)冗余，再針對關(guān)鍵建筑基因特征進行選擇性重構(gòu)，最終實現(xiàn)模型精度與計算效率的平衡，從而解決海量數(shù)據(jù)處理的技術(shù)難題，同時確保建筑文化特征的數(shù)字化精準傳承。使用測繪無人機，采用傾斜攝影的方法對建筑進行高空激光點云和全景影像數(shù)據(jù)收集；通過穿戴式三維激光移動掃描設(shè)備，完成建筑主體與周邊環(huán)境全真彩點云掃描；在此基礎(chǔ)上，完成對建筑裝飾及其內(nèi)外景觀的三維激光掃描與攝影。首先對激光雷達采集的點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和格式轉(zhuǎn)換，其次將無人機獲取的傾斜影像數(shù)據(jù)做配準與融合處理。注意對精細模型與細節(jié)帶來的大量數(shù)據(jù)做輕量化處理，可靠的方法是優(yōu)化網(wǎng)格模型和點云數(shù)據(jù)抽稀，并根據(jù)文化基因的體現(xiàn)需求，完成數(shù)據(jù)的篩選與模型重構(gòu)。注意對建筑文化基因特征的點云數(shù)據(jù)做針對性的優(yōu)化處理，包含建筑的門窗、屋頂、特殊裝飾等元素，從而完成建筑的三維網(wǎng)格模型封裝（圖1）。

（三）平臺搭建與運維更新

建筑數(shù)字孿生模型構(gòu)建完成后，其技術(shù)架構(gòu)設(shè)計采用分層模塊化方案，底層由數(shù)據(jù)中臺整合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，中間層通過云邊協(xié)同計算平臺實現(xiàn)模型動態(tài)更新與仿真分析，應(yīng)用層則基于微服務(wù)架構(gòu)開發(fā)多元交互功能。在此基礎(chǔ)上通過輕量化引擎實現(xiàn)跨平臺三維可視化，并構(gòu)建多尺度展示系統(tǒng)；開發(fā)雙向數(shù)據(jù)通道，支持AR與VR輸出沉浸式體驗場景；同時部署智能分析模塊，結(jié)合機器學習算法實現(xiàn)建筑性能預(yù)測與異常預(yù)警，并通過區(qū)塊鏈技術(shù)確保數(shù)據(jù)溯源與版本管理。運維更新采用“動態(tài)感知一智能分析一自主優(yōu)化”的閉環(huán)機制。通過部署于實體建筑的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)實時采集運行數(shù)據(jù)，經(jīng)5G邊緣計算節(jié)點預(yù)處理后，與數(shù)字孿生體進行數(shù)據(jù)同步比對。系統(tǒng)采用差分更新算法，僅對發(fā)生變化的建筑構(gòu)件進行局部模型更新，同時運用機器學習模型分析設(shè)備損耗規(guī)律，預(yù)測性生成維護方案。

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作者簡介：

黃維，碩士，長沙職業(yè)技術(shù)學院副教授。研究方向：建筑信息模型應(yīng)用。

莫尚劍（通訊作者），博士，長沙學院講師。研究方向：文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護與活化。