基于三維數(shù)據(jù)模型的河西走廊古民居歷史再現(xiàn)

馮星宇

摘 要：河西走廊古民居歷史文化的傳承，除了史料資料記載，現(xiàn)存古民居建筑本身的結(jié)構(gòu)，花紋圖案裝飾，以及建筑構(gòu)件都可以經(jīng)過(guò)許多方式再現(xiàn)展示，如三維數(shù)據(jù)模型的重現(xiàn)是民居歷史再現(xiàn)的重要手段。

關(guān)鍵詞：河西走廊 古民居 模擬數(shù)據(jù)模型 歷史再現(xiàn)

河西走廊古民居尤其是張掖古民居的歷史再現(xiàn)是對(duì)古建筑歷史文化再現(xiàn)的一種延續(xù)性保存手段，通過(guò)古民居實(shí)物再現(xiàn)可以真實(shí)的反映出不同時(shí)期古民居歷史變遷，其中古民居再現(xiàn)包括很多方面，例如對(duì)建筑的內(nèi)部窗戶樣式，窗戶的雕刻裝飾，窗戶門頭色彩裝飾，門頭結(jié)構(gòu)，屋檐的造型，屋檐的雕刻裝飾，梁的形式，梁的構(gòu)造，柱的構(gòu)造樣式、色彩的分析以及柱的高矮等都是古民居歷史再現(xiàn)的重要內(nèi)容。

由于氣候原因，整個(gè)河西走廊古民居建筑呈現(xiàn)出屋頂為平面四邊形居多，甘肅河?xùn)|地區(qū)民居在外觀印象當(dāng)中為平屋頂?shù)男问剑嗜俗中挝蓓敚訓(xùn)|雨水較為充足，人字形屋頂便于雨水流走。河西走廊張掖古民居除傳統(tǒng)四合院民居外，還有諸如裕固族、蒙古族等少數(shù)民族民居也是不容忽視的，它在張掖民居中占有一定的比重，就其民居建筑形式也較為獨(dú)特。

《甘肅省實(shí)施文化遺產(chǎn)“歷史再現(xiàn)”工程的意見(jiàn)》指出，加強(qiáng)文物本體搶救保護(hù)，運(yùn)用原狀展示、陳列展示、模擬展示、揭露展示和復(fù)原展示等多種手段，全面深入地揭示其歷史文化價(jià)值，讓文化遺產(chǎn)從歷史記憶中走出來(lái)、“活起來(lái)”。河西走廊自古以來(lái)就是民族交融之地。歷史上曾經(jīng)是游牧民族生活的地方，就其古民居來(lái)說(shuō)，除了四合院式土木結(jié)構(gòu)的房子以外，帳篷這種民居樣式也較為普遍。就其帳篷來(lái)說(shuō)，河西走廊應(yīng)用這種居住空間的當(dāng)屬?gòu)堃吹脑９套澹９套迨侨珖?guó)唯一的在河西走廊的少數(shù)民族，其分布在大河、皇城、康樂(lè)、明花、區(qū)及馬蹄區(qū)的友愛(ài)鄉(xiāng)，其余居住在酒泉市肅州區(qū)的黃泥堡裕固族鄉(xiāng)，是回紇后裔之一。就其帳篷的形式而言，也和其他少數(shù)民族居所有很大的差別，隨歷史的變遷也豐富多彩，其建筑形式獨(dú)特少見(jiàn)， 這一帳篷經(jīng)常用耗牛的毛編織而成，一般長(zhǎng)5米、寬3米、高2米左右，帳篷的四周用棕色或黑色牛毛搓繩拉緊固定，再用四根木柱和一根頂梁組合在一起，分別固定在周圍的木橛子上，把帳篷拉成八角圓形或是方形，屋頂開(kāi)一個(gè)天窗，天氣晴朗的時(shí)候打開(kāi)，下雨或是陰天時(shí)用一塊能夠活動(dòng)的牦牛氈蓋住。裕固族人講究風(fēng)水。牧民在搭建帳時(shí)，按照向陽(yáng)避風(fēng)，山形，河流來(lái)確定房子的坐向，一般大多數(shù)坐北向南，也有坐東向西或坐西向東的，帳篷門一般不朝北開(kāi)，可對(duì)著山、河溝開(kāi)。其屋頂采用裕固族帽子的樣式，裝飾圖案除了屋頂四周外，圍繞帳篷的一圈，八個(gè)方向也繪制了八寶吉祥圖案。這一民居的再現(xiàn)隨著歷史的變遷帳篷的形質(zhì)也發(fā)生了改變，當(dāng)?shù)卣畬?duì)其采取保護(hù)，有它的自身歷史價(jià)值、歷史地位。

現(xiàn)在張掖的古民居保存下來(lái)的僅僅29處，其分布在張掖市的西大街的法院南側(cè)、張掖市青年?yáng)|街上的文廟巷內(nèi)，還有勞動(dòng)街的南面、北面、東面、稅亭街街巷都有零散的分布。雖然進(jìn)行掛牌保護(hù)，修繕以及復(fù)原等工作，但是，張掖古民居的形制結(jié)構(gòu)大都以土木結(jié)構(gòu)為主，其建筑的原材料采用當(dāng)?shù)氐狞S土和木材，由于材料的限制，黃土和木材的不論其耐久性方面或堅(jiān)固性都不及水泥鋼筋混凝土，要因此需要定期的修繕和維護(hù)。隨著城市的發(fā)展，夯筑打墻的技術(shù)和用土坯去砌墻的方法已經(jīng)不常用了，但是若要沒(méi)有了土墻這一結(jié)構(gòu)樣式，其實(shí)也失去了古民居的精髓所在；更有一些如用青磚去勒腳、青磚做成山尖的形狀，以及勾頭、屋脊、筒瓦、等不同尺寸的幾何建筑構(gòu)件的燒制方法以及工藝，也很少有人去掌握和運(yùn)用，所以那些精美的磚雕，木雕，木刻等形象很難恢復(fù)到原來(lái)的樣子和水平，都有不同程度的偏差。因此，張掖古民居的歷史再現(xiàn)，就是要根據(jù)原有建筑的建筑質(zhì)量、損壞程度和歷史原因環(huán)境等因素，應(yīng)采用不同形式的修復(fù)方式。主要分為三類：一是以舊為舊，盡可能地恢復(fù)在現(xiàn)有古民居建筑的基礎(chǔ)上還原以往的風(fēng)格，即修舊如舊；二是新舊對(duì)比建筑的內(nèi)部與外部，根據(jù)不同時(shí)期的歷史文化取得一手資料，進(jìn)行修復(fù)，在這一過(guò)程中我們強(qiáng)調(diào)歲月留下的痕跡，使得建筑修復(fù)部位能夠明顯區(qū)別于古老的建筑部分，從而產(chǎn)生出建筑的新舊對(duì)比，更好的分析原有古民居的形態(tài)特征及其意義。三是運(yùn)用現(xiàn)代電子技術(shù)去模擬古建筑曾今的模樣和當(dāng)時(shí)發(fā)生的事情，去模擬場(chǎng)景再現(xiàn)，用藝術(shù)的空間形式對(duì)已存在的古建筑進(jìn)行再現(xiàn)。古民居古建筑的修復(fù)技術(shù)同樣可以運(yùn)用到古民居的歷史再現(xiàn)。

三維模型是對(duì)三維形體的空間描述。利用三維模型對(duì)古民居進(jìn)行歷史再現(xiàn)是一種較為可行的方法，而且有成功的先例。據(jù)新聞報(bào)道，揚(yáng)州大學(xué)建筑學(xué)院古建測(cè)繪隊(duì)受揚(yáng)州市文物局委托，對(duì)該市清代廖可亭鹽商住宅進(jìn)行進(jìn)行測(cè)繪復(fù)原。廖可亭鹽商住宅位于揚(yáng)州市南河下歷史街區(qū)118號(hào)，建于光緒31年（1905年），為省級(jí)文物保護(hù)單位。現(xiàn)古宅內(nèi)有住戶幾十家，因文革時(shí)期受損嚴(yán)重，亟待保護(hù)。其間，測(cè)繪隊(duì)員們將根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)繪圖原理將標(biāo)有數(shù)據(jù)的草圖整理成計(jì)算機(jī)二維投影圖，最后建立數(shù)字三維模型。此次古建筑測(cè)繪主要是為古城歷史文物的保護(hù)、維修等提供最基本的地理信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而推動(dòng)揚(yáng)州古城保護(hù)的數(shù)字化建設(shè)進(jìn)程，使得文物保護(hù)工作更加科學(xué)高效。

對(duì)于古建筑內(nèi)部大木結(jié)構(gòu)的記錄有兩種方法，一種是拍照、另一種是通過(guò)拉皮尺對(duì)建筑進(jìn)行測(cè)量和記錄。由于古建筑的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，用傳統(tǒng)的方法對(duì)大木結(jié)構(gòu)的實(shí)體曲面模型的數(shù)據(jù)整理是耗時(shí)和費(fèi)工的一項(xiàng)任務(wù)。但是當(dāng)我們通過(guò)采用三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)，就可以很快的突破這一技術(shù)難點(diǎn)。激光掃描儀可以獲得物體反射激光束，然后這一光束再到達(dá)被測(cè)物體，從而獲得反射回掃描儀的時(shí)間差，就可以計(jì)算出掃描儀到被測(cè)物體之間的距離，并且連續(xù)采用反射脈沖激光的鏡子的角度值去獲得被測(cè)物體的一個(gè)精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)。通過(guò)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和相關(guān)的建模軟件制作出三角網(wǎng)模型和Nurbs模型，通過(guò)這兩種模型去得到古建筑的線性數(shù)據(jù)和特征面貌。通過(guò)三角網(wǎng)模型去制作建筑的立面圖；用三角網(wǎng)模型和Nurbs模型來(lái)去制作古建筑的剖面圖和平面圖。

河西走廊古民居尤其是張掖古民居的歷史再現(xiàn)，也可采用現(xiàn)代科技信息技術(shù)，收取整理民居的相關(guān)分析數(shù)據(jù)，例如民居的大小，尺寸，顏色，結(jié)構(gòu)，形質(zhì)等，統(tǒng)一整理收集，運(yùn)用三維數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維建模，從而做出實(shí)物的三維模型，達(dá)到再現(xiàn)民居實(shí)物再現(xiàn)的目的。同時(shí)在三維建模過(guò)程中又為古民居的修繕和復(fù)原工作提供精準(zhǔn)的、細(xì)致的、工程化的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)資料。在民居數(shù)據(jù)的取證過(guò)程中我們還將要預(yù)計(jì)出古民居將來(lái)所遇到的自認(rèn)災(zāi)害和認(rèn)為因素，例如風(fēng)化，損毀，受潮變形給古民居帶來(lái)的危險(xiǎn)，一些稀少珍貴的民居，例如張掖現(xiàn)存清代高總兵府，是張掖民居中規(guī)模最大保存最完整，文化價(jià)值最高的民居，相當(dāng)于北京的恭王府，只不過(guò)規(guī)模形制嫌小，像這一類民居留存久遠(yuǎn)的歷史烙印，反映著當(dāng)時(shí)達(dá)官貴人的生活面貌，其房屋的結(jié)構(gòu)樣式形質(zhì)和色彩圖案裝飾都區(qū)分于普通百姓民居。對(duì)于研究當(dāng)時(shí)社會(huì)的歷史文化都有重要的價(jià)值。

對(duì)民居這類文化遺產(chǎn)的保護(hù)，要考慮到未來(lái)所面臨不可知的因素，如燒毀或是全部倒塌，所以古民居的保護(hù)除了還原維修，還必須考慮根據(jù)較為完整的基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)信息，真實(shí)的圖像資料進(jìn)行歷史再現(xiàn)。首先是數(shù)據(jù)的整理，平時(shí)的模擬實(shí)物再現(xiàn)這項(xiàng)工作就必不可少，甚至是其中非常重要的環(huán)節(jié)，其中對(duì)于于圖紙繪制的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)收集的全面性要求就很高，通過(guò)實(shí)地去測(cè)量建筑物與周邊建筑物后取得正確的數(shù)據(jù)，把文物建筑的測(cè)繪制檔保存作為紀(jì)錄文物建筑現(xiàn)態(tài)的最重要的手段，并且將其充分利用。其次，以往對(duì)建筑物資料的收集大多采用簡(jiǎn)單的，拍照，攝影錄像，傳統(tǒng)習(xí)俗繪畫、等傳統(tǒng)綜合性手段，這些往往需要較多的人力物力的投入，例如圖像在拍攝過(guò)程中受到光線，角度等多方面的因素，缺乏數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，整體性、準(zhǔn)確性，經(jīng)常只是一個(gè)外觀的模擬，數(shù)據(jù)的取證因受多種因素的影響，存在一定的局限性和不完整性，對(duì)民居的修復(fù)及完全恢復(fù)原貌是非常困難的。因而，通過(guò)建立古民居的三維模型，不僅可真實(shí)的實(shí)現(xiàn)古民居原貌，還可以清楚的讓人們看到和了解當(dāng)時(shí)的歷史文化，具有直觀性和情境性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益進(jìn)步，計(jì)算機(jī)三維可視化技術(shù)在古民居保護(hù)和研究中的應(yīng)用正日益顯示其優(yōu)勢(shì)。運(yùn)用三維模型進(jìn)行古民居歷史再現(xiàn)，通過(guò)高精度的數(shù)字化計(jì)算將有關(guān)民居數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保存，隨時(shí)可以運(yùn)用三維空間計(jì)算與測(cè)量技術(shù)，為珍貴的古民居修繕和復(fù)原工作提供準(zhǔn)確無(wú)誤的工程計(jì)算數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以運(yùn)用三維模型再現(xiàn)古民居。研究這些建筑，就需要用模型建筑的信息技術(shù)，對(duì)與古民居的建模處理，使其恢復(fù)古民居的原來(lái)面貌，再用參數(shù)化的方法對(duì)建筑幾何模型進(jìn)行分析論證，就其民居每一個(gè)部位都進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。應(yīng)用信息模型技術(shù)，對(duì)古民居先進(jìn)行參數(shù)化建模，然后通過(guò)技術(shù)的處理形成古民居三維信息從而進(jìn)行三維模型的制作。民居通過(guò)三維信息的模型就可將虛擬的建筑做到恢復(fù)原貌，民居的內(nèi)部結(jié)構(gòu)樣式都可以直觀而形象的立體呈現(xiàn)給觀眾。在民居修繕和復(fù)原的過(guò)程中信息模型的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)收集整理明清時(shí)期的古民居構(gòu)件信息資料 ，如民居構(gòu)造的樣式、建筑材質(zhì)，幾何和物理信息、古民居所用油漆彩繪、裝飾形式等建筑信息去生成古民居的建筑信息模式，從而進(jìn)行模型信息設(shè)計(jì)。這些數(shù)據(jù)的整理不但擴(kuò)展民居的相關(guān)信息，而且也完善和存儲(chǔ)了古民居信息系統(tǒng)，這樣使其信息的擴(kuò)展性、延展性、儲(chǔ)備性得以保存和實(shí)現(xiàn)，并且可以使信息的存儲(chǔ)和相關(guān)部門隨時(shí)查閱資料提供了方便和保障。在用戶使用數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，也可以將一些相關(guān)的數(shù)據(jù)補(bǔ)充和添加進(jìn)去。當(dāng)在對(duì)已納人的古民居三維數(shù)據(jù)分析時(shí)，又可概括歸納出一些規(guī)律，從而為古民居提出保護(hù)和修繕的措施。對(duì)于古民居三維模式的建立，一般有兩種模式：一是古民居建筑構(gòu)件的相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過(guò)軟件本身所提供的參數(shù)建模；二是將dwg或者dxf兩種格式的模型直接導(dǎo)入?yún)?shù)，這種參數(shù)通常用手工輸入的方式或者用直接導(dǎo)入測(cè)繪數(shù)據(jù)完成。

總之，河西走廊古民居歷史再現(xiàn)，可以運(yùn)用多種手段，隨著VR技術(shù)的普及，人工智能技術(shù)運(yùn)用都為古民居歷史再現(xiàn)提供可以選擇的各種路徑和手段。

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作者單位：河西學(xué)院土木工程學(xué)院