建筑文化遗产数字化保护探索

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摘要：新形势下建筑文化遗产的数字化保护与实践成为社会关注的热点。以世界文化遗产地鼓浪屿为例，提出了一种基于BIM+理念的建筑文化遗产数字化保护方法。首先通过三维激光仪采集点云数据，生构建绘图纸；再构建文化遗产建筑信息模型（BIM），并集成历史建筑的综合信息；最后结合VR技术实现效果展示，通过复原和再现将建筑文化遗产转换成可共享再生的数字形态，以全新的视角加以解读和利用。通过实际案例，系统全面地构建了以BIM为核心的建筑文化遗产数字化保护方法和实践路径，搭建了信息技术与文化遗产保护的信息桥梁。

关键词：BIM+；点云数据；VR；鼓浪屿

随着社会发展与进步，建筑文化遗产的还原保护与传承利用愈加受到人们的重视。目前，在建筑文化遗产保护中出现了许多新技术，其中建筑信息模型（BIM）技术最受关注。BIM是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目中各种相关信息的工程数据模型。在国外，MurphyM[1]、ChiabrandoF[2]等探讨了BIM技术对当今历史建筑保护的重要作用。在国内，吕芳[3]通过思南路古建筑改造项目，将激光扫描与BIM相结合，根据扫描的点云数据创建了保留原始数据完整性的Revit模型；刘慧媛[4]通过BIM与GIS平台的结合，基本上实现了河西斗拱谱系研究的可视化；王茹[5-6]等研究了古建筑构件信息标准化以及关键信息量化提取的方法，设计了一种基于图形数据库扩展数据和扩展字典储存古建筑附加信息的明清古建筑构件信息模型系统。BIM实现了建筑相关信息详尽的数字化表达与可视化，有利于建筑的全生命周期管理，适用于建筑文化遗产的数字化表达、数字化复原、数字化保护和管理等方面。BIM在创建三维模型、信息存储与共享、信息可视化等方面具有优势，能较好地满足日益提高的建筑实践需求。同时，结合其他现代数字化技术而形成的，以BIM技术为核心的BIM+理念更是BIM的一次突破。当前BIM与多种技术相结合的实践研究主要集中在BIM+PM[7-8]、BIM+物联网[9-10]、BIM+GIS[11]、BIM+三维扫描[12]、BIM+三维打印[13]、BIM+VR[14]等领域，覆盖范围涉及规划与建筑设计、项目管理、建筑全过程信息集成与共享等多方面。BIM+理念及其实践探索具有广泛的可操作性与实用性，在多种技术的融合下突破了BIM的单一运用极限[15]。因其具有信息管理效率高、计算方法科学性强和模拟演练真实性好等优势，BIM+理念为建筑文化遗产的保护、传承、展现与开发提供了新的发展契机，创造了新的技术和物质手段。开展基于BIM+理念的建筑文化遗产保护路径探索，对于推动建筑文化遗产保护方式的进步和人们对建筑文化遗产的接触与了解具有重要作用。根据BIM+理念，首先可通过与三维激光扫描技术相结合的方式获得建筑点云数据，完成建筑数字化信息采集。在国外，ArayiciY[16]等认为三维激光扫描技术能对建筑物、场地和物理对象的数字文件进行重建和恢复；KerstenT[17]等利用三维激光扫描技术对汉堡市政大厅内两个历史悠久的大厅进行三维扫描，并建立了模型。在国内，吕翠华[18]等探讨了利用三维激光扫描技术进行建筑物三维建模的方法；张远翼[19]等运用三维激光扫描技术不仅成功展示了测绘成果的实景三维影像，而且可通过影像图自身的点云数据赋值信息对具体构件尺寸进行量取。研究实践表明，将三维激光扫描技术运用于建筑遗产保护中，能通过数字记录的方式为古建筑保护提供依据，并能在扫描已知数据的基础上再现古建筑原貌，从而建立完整、准确、永久的数字档案，为后续的模型创建工作打下基础，因此BIM与三维扫描技术的结合具有广泛的应用前景。将BIM与VR技术相结合是BIM+理念实现成果表达的重要方式之一。不同于传统的建筑效果表达，借助VR技术能让建筑文化遗产具有沉浸性、多感知性、构想性和交互性，从而使得建筑文化遗产的展现更为直观。LINYC[20]将HBIM与VR技术相融合完成了汉式传统建筑三维沉浸式数字管理；数字故宫运用VR技术为参观者提供了身临其境的体验感受[21]。目前，将VR技术运用于历史建筑保护的研究，除了展示和体验外还有待进一步探索。

1鼓浪屿现状分析

1.1建筑遗产现状。鼓浪屿地处福建省厦门市西南隅，是一个面积仅为1.88km2的小岛。1840年鸦片战争后，厦门被迫开放为通商口岸，而鼓浪屿优越的地理位置与美丽的自然景观，成为殖民者择地发展的有利条件[22]。20世纪初，数十个国家先后来此设立领事馆，构建了形式各异、风格不同的建筑，此外归国华侨还引入了东南亚式样建筑，很多当地人也模仿周围洋房搭建房屋[23]。2000年厦门市政府颁布实施了《厦门市鼓浪屿历史风貌建筑保护条例》，规定重点保护的历史风貌建筑严禁做不可恢复的改造，但允许适当改变功能。2017年7月8日联合国教科文组织第41届世界遗产委员会会议对鼓浪屿进行审议，鼓浪屿以“历史国际社区”列入世界文化遗产名录。世界遗产委员会认为，鼓浪屿是中国在全球化发展早期阶段实现现代化的一个见证，具有显著的文化多样性特征和现代生活品质。鼓浪屿的发展体现了19世纪中叶至20世纪中叶现代人居的理念，目前拥有53个核心文化遗产点，391栋历史风貌建筑和900多个拟列入的风貌建筑。目前鼓浪屿现存建筑的使用情况主要包括：①改造为博物馆或纪念馆，使建筑的生命以另一种方式得到延续；②改造为精美酒店或高档家庭旅馆，但修葺使有些建筑已失去原来的建筑面貌；③继续保留居住性质，因资金问题无法及时整修，存在房屋倾斜、渗水等问题；④因建筑内部和外部结构严重损坏，房屋已无人居住，房屋保护迫在眉睫。1.2案例分析。本文以复兴路94号一处建筑为例，如图1所示，该建筑属于一类保护项目，面积为340m2，地上两层地下一层，墙体清水红砖，砖木结构，建造于1924年，时年由许春草营造公司设计施工。建筑现状是无人居住，期间经过整修，外墙面有所破坏，建筑结构严重损坏，3层外屋面弯曲严重，外墙砖有部分损坏脱落，内部楼面结构破损严重，楼梯只保留部分栏杆和台阶。作为刚申请成功世界文化遗产的鼓浪屿万国建筑群，又是全国知名的旅游景点，如何利用当前先进的数字化技术，更有效地进行数字化保护、复原和展示已成为一个迫切需要解决的命题。本文结合工程实践，提出了一条针对建筑文化遗产的数字化保护实践路线，将三维激光扫描数字化技术与BIM相结合，实现了文化遗产建筑的数字化保护与复原。

2技术路线

本文提出的技术路线为：①通过三维激光扫描仪采集点云数据，再结合点云处理软件生成完整的三维彩色点云数据，并绘制准确的测绘图纸；②结合点云数据提供的三维测绘数据和测绘图纸，精确创建三维形态的BIM，并集成调研所获得的相关建筑信息；③提取BIM的族库，形成历史文化建筑门、窗、柱头等部件图，为文化遗产的保护、复原、再设计提供原始设计数据；④结合三维扫描仪采集的彩色图片和现场拍摄的照片，利用数字化技术进行渲染，完成历史建筑的虚拟复原；⑤通过VR技术，在网上实现复原后建筑效果的展现（图2）。

3基于三维激光点云的建筑文化遗产数字采集

基于三维激光点云的数字化采集主要是通过三维激光扫描仪对建筑物室内外进行三维扫描，从而获取建筑物的点云数据，同时进行高清摄像采集，为相应的点云获取颜色信息，从而得到原建筑物的三维数据与纹理信息；再对点云数据进行点云去噪、点云拼接、统一坐标系统、三维建模、纹理映射等处理；最后通过点云优化，生成建筑物完整的点云数据文件。点云数据可通过插件直接导入AutoCAD/Revit/3dMax软件。剖面切片可辅助平面、立面、剖面等测绘图纸的精确绘制，改变了传统手工测量和图像拍照方式，由室外繁杂的测量工作转向室内轻松的数字化测绘工作，极大地提高了工作效率，且数据更加精准。本文点云数据成果如图3所示。

4基于BIM+的建筑文化遗产数字化保护实施

结合基于点云生成的平面、立面、剖面图纸，本文采用Revit建模软件生成BIM。根据调研信息和测绘图纸可知，该建筑分为3层，屋顶为坡顶。首先通过分析建筑的组成构件进行各类构件族的创建，依次生成门、窗、柱身、柱头、拱、葫芦栏杆、楼梯等构件族，并将调研该建筑所得的相关文化遗产保护资料（如材质、风格等）储存在相应族中；然后根据墙体与屋顶的结构信息，定义内墙族、外墙族、楼板和屋顶族的相关构件信息；最后自下而上依次构建底层、一层、二层、屋顶的模型，并根据平面图，绘制每层的内部墙，并布置内部的门、窗、楼梯，形成整个BIM。4.1基于BIM+的建筑构件模型库。由于点云数据由方位角、距离、回光强度和颜色信息组成，因而可针对建筑的细节（如门、窗、柱头等）进行精确建模。通过采用相应的颜色纹理信息，可很好地还原建筑原有的细节与材质信息；同时通过BIM软件能精确地重构参数化的门、窗等构件，从而形成历史建筑的构件模型库，依据“修旧如旧”的原则为建筑的复原和维护提供有力的技术支持与保障。4.2基于BIM+的建筑文化遗产数字化集成。结合Revit中参数化建模技术所生成的BIM，把文化遗产的各类信息集成在一个模型上，可实现对建筑文化遗产多方面信息的数字化保护。根据《鼓浪屿历史风貌建筑保护规划修编（2016）》，该项目的建筑编号、保护类别、地址、建筑建成时间、建筑面积、建筑层数、平面布局、屋顶形式、建筑风格、建筑结构形式、建筑现用途、建筑原用途、建筑质量、特色评价等历史信息可通过标准化的共享参数集成至BIM的项目参数中，实现项目数据的无损永久保存，这是其他保护方式不具备的功能，如图4右侧表格所示。基于全生命周期的BIM将三维几何模型与建筑信息相结合，可从根本上解决历史建筑保护中存在的建设各阶段信息断层问题以及使用维护阶段的信息流失问题，从而实现历史建筑项目全生命周期的信息保存与共享。4.3基于BIM+的建筑文化遗产数字化虚拟复原。鼓浪屿万国建筑群作为鼓浪屿建筑文化遗产的重要组成部分，大部分的建筑主体都保存完好，其中柱头、栏杆、窗户、外墙还保留为以前的样式和材质，可作为岛上其他受损建筑修复的参照物，秉承“修旧如旧”的原则，最大程度地还原建筑本来面貌。然而，由于资金的问题，很多建筑物无法及时修缮，再则即使资金到位，当年的施工工艺（如外墙水刷石工艺和红砖装饰）也没有传承下来，因此要恢复原貌难度很大。同时，由于有许多原住民居住了较长时间，已对建筑进行了改变，如封闭原有阳台、更换新的门窗、改变建筑入口等；建筑的立面也被许多生活痕迹所影响，建筑的整体效果已偏离其历史面貌。通过数字化技术进行虚拟复原，可精确还原历史建筑的原有风貌，保存相关建筑信息。本文利用BIM结合先进的数字化渲染技术可很好地进行数字化虚拟复原，基本可以达到“修旧如旧”的目的，节省了时间，成本更低，效果更好，并为建筑文化遗产的修复和数字化展示提供了设计基础，如图5所示。

5基于BIM+的VR展示

BIM实现了历史建筑全方位信息的集成，因此通过BIM与VR相结合的方式可为建筑遗产的复原与保护提供可视化的效果参照。Fuzor软件是针对BIM开发的一款全能型VR插件，有效实现了与Revit软件的无隙链接，可与Revit实时同步更新，拥有碰撞检测的分析功能和高质量的仿真效果，尤其可直接支持头盔VR展示。在VR漫游过程中，可实时查询相关建筑信息，并进行在线编辑，通过可视化的方式展示实时效果，如图6所示。

6结语

当前国内外针对建筑文化遗产的数字化保护方法主要是基于点云和测绘的BIM几何建模方法，尚未形成成熟的系统化保护方法。本文探讨和实践了基于BIM+理念的建筑文化遗产保护基本过程和系统方法，通过三维激光扫描仪全方位采集建筑文化遗产的数字信息，并结合BIM将采集和调查的相关信息（如历史信息、建造工艺、人文信息等）集成化，实现信息的无损传递，既保证了信息的准确性，又利用BIM的阶段化管理实现了建筑文化遗产的全生命周期管理，最后采用VR技术进行多元化的成果表达，完整展现了建筑文化遗产的数字化复原形态，使建筑文化遗产的展示、传播和利用变得更加便利和高效。历史建筑作为不可再生的资源，已成为一座城市的象征。在目前千城一面的现代都市建设浪潮中，历史建筑作为城市的名片显得格外重要，因此历史建筑的保护与复原对于文化的传承和发扬有不可估量的意义，尤其采用全新的数字化技术进行数字虚拟复原与保护更具里程碑意义。本文采用先进的数字化技术和BIM实现了历史建筑的数字化保护、历史建筑的虚拟数字化复原；并通过VR技术展示了历史建筑的数字化模型，将建筑文化遗产转换、再现、复原为可共享再生的数字形态，以全新的视角加以解读和利用；通过实际案例，系统全面地设计了基于BIM+理念的建筑文化遗产数字化保护方法和实践路径，搭建了信息技术与文化遗产保护的信息桥梁。在实际操作过程中，对于如何更好地管理和处理海量点云数据，保证其在处理过程中的精度仍有待进一步研究；BIM在保证信息量完整性的同时如何优化其在VR环境中的信息提取，以及与VR技术结合为建筑文化遗产保护开展更多的可能性研究将是下一步研究的方向。随着计算机技术的进一步发展，相关的数字化技术将更加成熟，在可预见的未来，结合三维打印、大数据、AR/VR、人工智能、机器人等技术，建筑文化遗产的数字化保护手段和方法将更加成熟和系统化，必将推动建筑文化遗产的信息化建设。

作者:孟卉 李渊 张宇 单位:厦门华厦学院