古建筑的保護與研究

周璐華

摘 要：虛擬現實，是在20世紀末出現的綜合信息技術。近年來，它已逐漸應用于建筑領域。借助虛擬現實技術和計算機技術，對古建筑數字檔案和文物保護具有重要意義。虛擬現實技術的應用與文化遺產保護的結合是當前研究的熱點之一。文章在分析中國古代建筑特點的基礎上，以福州古建筑為例，深入研究了古建筑的結果要素，描述了建模過程中使用的關鍵技術。文章探討的建模方法和優化技術對其他大型場景的復雜建筑建模也有一定的參考意義。

關鍵詞：虛擬現實；古建筑；建模技術

[福州外語外貿學院校級課題VR（虛擬現實）用于古建筑記錄與展示的研究與運用，編號FWX15028]

一、引言

古代建筑是有價值的，它們凝聚著金錢和汗水、文化，更重要的是，它們是歷史的遺骸的承接者。古建筑文物的主要價值是歷史、藝術、科學價值。保護古建筑主要是為了保護古建筑在建筑工程和藝術方面的成就。古代建筑所承載的文化內涵作為今天的參考，教育人們歷史唯物主義，我們需要維持古代建筑現狀，并恢復原狀。

近年來，中國經濟連續保持快速增長，在其有力拉動下，對古建筑的建筑需求增長強勁，人們開始越來越注重文化生活。現如今生活節奏越來越快，生活壓力越來越大，人們開始注重自身精神世界的豐富。中國五千年的歷史文化底蘊在現如今的快餐文化時代中為豐富人們的精神和文化世界做出了貢獻。但是，在中國古代的戰爭和現代的各種動亂中，眾多的文化古跡都有了一定程度的損壞。政府和民間人士開始注重古文化的建筑，而如何對文化古跡進行良好的建筑，是如今亟需要解決的問題。近年，隨著社會經濟的發展，人民對文化生活有了更高的追求，對我國的歷史文化、民族特色也越來越感興趣。

二、虛擬現實與建筑表現

（一）虛擬現實的基本概念

虛擬現實這個術語在20世紀由美國的科學家和教授首次提出。在虛擬現實技術的不斷發展中，對其的研究涉及計算機等相關多學科內容的交叉與綜合。迄今為止，這種復雜性已經實現。顧名思義，它可以被理解為創建一個虛擬環境，讓人感覺他們處于現實世界的環境中。目前廣為接受的精確定義是使用現代高科技技術，以計算機技術為核心，在特定范圍的虛擬環境中產生逼真的視覺、聽覺和觸覺集成。用戶依靠必要的設備，例如量身定制的服裝、頭盔、手套和鞋子，以自然的方式與虛擬環境中的物理對象進行交互，從而在真實環境中創造出一種感受和體驗。

（二）建筑表現的工具

最常用的是建筑計劃、建筑縮略圖和建筑動畫，但它們各自的局限性已經很明顯。建筑縮影的生產需要大規模縮減，因此只能獲得建筑物的鳥瞰圖。從正常人的角度來看，建筑空間是無法感知的，人們在建筑物中的真實感受是無法獲得的。常用的建筑圖、立面圖等都比較抽象，只有專業人士才能閱讀，只能提供靜態的視覺體驗。盡管建筑動畫具有很強的三維動態性能，但并不完美。動畫需要提前定義漫游路徑，使觀察者無法按照自己的意愿漫游大樓。它沒有交互性，生產周期長，成本高，只適用短時間的簡短演示。

作為建筑設計過程的重要組成部分，建筑師對結構的確定是一個反復的過程，體現了結構原理的概念、選擇和協調。建筑師的結構概念的過程伴隨著建筑設計的兩個概念和實現過程。除了結構本身的概念和處理外，還包括與環境、空間以及技術和經濟因素的協調。古建筑結構的設計過程是在這些因素的協調下實現的設計。

結構方案的設計是以滿足建筑結構基本性能為基礎，在滿足這一基礎的前提下，對建筑的美觀性和創意性進行考慮，不能以投資的多少來限制房屋的結構設計。結構設計必須以安全性為第一要素。每一種結構形式都有與其相對應的優點和缺點，如何在限定的投資條件下，找到與建筑實際情況相符合的建筑結構設計方案是建筑設計的重中之重。在一定的投資條件下，選擇最優的結構設計方案，應用先進工程技術，完善具體設計細節，就一定能夠建造出外形優美、安全實用、適用性強的建筑。

三、福州古建筑建模技術的應用

（一）福州古建筑的結構特征

1.建筑功能空間因素

任何建筑物的功能必須對內部空間施加一定的要求。基于這些要求，可以粗略確定建筑的尺寸、規模和空間關系。設計必須首先根據要求確定場地大小、場地高度和視線，確定觀眾人數的范圍，長度和高度，安全距離以及人流。結構概念的過程是創造一個建筑空間，以最大限度地滿足物質和精神功能的要求，并調整結構以實現功能、空間環境、美學和結構的統一。建筑規劃設計是指古建筑開發項目的規劃和設計，它是設計從基本條件、項目條件和發展思路出發的基礎。在城市規劃中根據規劃設計條件，按照有關政策法規，結合對市場的研究，以及規劃和開發項目設計要求，進行設計招標，需要綜合考慮設計單位的古建筑設計，優化設計，然后選擇最優、最經濟的設計執行方案，接著以建設用地的總體布局、建筑群的組合和空間效應分析為基礎，實現協調安排。

規劃設計確定了古建筑的總體布局、空間環境、建筑群組合、道路系統、綠色空間系統和智能建筑水平的組合，確定了古建筑類型和建筑材料的成本，決定了項目產品的基本形式和產品成本控制目標。項目規劃和設計反映了項目定位、目標消費群體定位、價格定位、營銷定位等重要概念。

2.建筑外環境因素

大容量是古建筑公共建筑形象的顯著特征之一。這是一個物質基礎，區分它與一般建筑物，并具有很大的美感。體積的適當表達是獲得建筑特征的基本原則。然而，古建筑的數量與具體的環境條件往往存在矛盾。例如，為了在許多情況下實現與環境的和諧，就需要努力降低建筑物的質量感，或者為了某些精神目的而夸大建筑物的質感。對于具有非常強大的結構完整性的古建筑來說，難以通過分割體塊或像典型建筑那樣縮放立面來實現期望的體積效果。必須注意的是，不同的屋頂結構形式、不同的材料以及不同的支撐結構處理方法將對建筑物的體積產生影響。因此，為了獲得環境，在結構選擇完成后需要考慮體積的影響？

3.技術經濟因素

古建筑有巨大的投資。古建筑結構造價較高，一般在10%～50%之間，有的較高。屋頂結構的經濟性對古建筑的成本和投資起著決定性的作用。結構的經濟性主要體現在材料結構形式和單價的優點上。結構材料的差異通常不會引起建筑師的注意，但結構方案的經濟性必須在結構選擇中考慮。各種常見結構形式的經濟性主要體現在材料的使用量上。某些古建筑使用的結構材料是同類建筑的兩倍以上，其結構選擇值得研究。除滿足建筑設計要求外，還應結合一定的技術經濟分析比較進行結構選型。有時選擇優點時應該仔細考察建筑理念的合理性，甚至是對建筑理念的調整。

綠色建筑是目前建筑設計倡導的主流。并且江蘇省住房和城鄉建設廳在2014年頒布《江蘇省綠色建筑設計標準》（DGJ32/J 73-2014）取代了之前的節能設計，對新建建筑的節能環保綠色設計等方面在方案施工圖設計過程中就做了明確的規定。如何利用最少的資源滿足日常生活的各項需求是在建筑設計初期就需要考慮的問題。夏季房屋需要制冷，如今一般采用的都是空調制冷的措施來滿足日常需求，使用了大量的電力資源以及造成了大面積的空氣污染。目前許多古建筑采取循環水的措施進行屋內降溫，在建筑設計初期，設計屋內冷熱水循環系統，夏天循環將冷水在屋內流動，帶走屋內大量的熱氣，以達到降低溫度的效果。另外，建筑的玻璃提倡使用三玻兩腔的玻璃，降低了內外溫度的傳遞，使屋內溫度受到外界影響較小。建筑的外墻都加強了與外界隔熱的的材料，在一些建筑設計中，在建筑群之間，會采用大量的綠色植物和新建人工湖，在一定程度上能夠綠化環境，凈化空氣，降低單位建筑面積內的溫度，帶來舒爽的生活空間。

（二）中國古建筑的建模

1.結構優化

由于古建筑部件形式多樣，極其多變，在建模過程中，結構部分有大量不可見的補丁。例如，支柱是木結構建筑承重系統不可或缺的組成部分，在建模過程中，不僅要刪除多余的線段，還應刪除由于遮擋關系而不可見的頂部和底部曲面。此外，模型的幾何結構也很重要，即使用最少數量的修補程序來構建最佳模型。

有效減少多邊形的數量可以大大減小源文件的大小。提供模型優化器，其使用用于“合并相鄰平面”的算法來合并具有小于特定值的角度的相鄰平面之間的平面，由此減少平面的總數。夾角可以由用戶設置。在不明顯影響模型視覺效果的前提下，優化器通常可以達到上述優化效果，并且可以大大減少模型的多邊形數量。

合理的結構是創造“安全，經濟，適用”建筑產品的先決條件。因此，“合理的結構”是建筑中的“活的美”的體現，正如建筑史學家A. Huitick在“20世紀歐洲建筑”一書中所寫的那樣。正如他所說，“在審美體驗中，當結構體與其功能相適應時，它會給人以最大的樂趣。”總的來說，一個合理的結構可能會有一些形式的美容因素，如平衡和穩定，節奏和韻律，連續性和曲線美，以及一種與他人聯系的形式感。然而，這些只是形成形式美的因素，而不是整體的形式美。只有當建筑物的結構或建筑形式符合形式美的結構規律時，才能變得美麗。

2.實例優化

我們說它的建筑形式的結構和建筑美，甚至它的藝術美，都應該建立在合理的結構基礎上。這并不意味著工程力學和結構技術可以成為測量建筑美觀或藝術美的客觀標準。事實上，在如何處理和使用這個結構的問題上，總有兩條不能分開的法律，一個是技術法，另一個是藝術法。一個合理結構的結構之美，或這個結構所形成的建筑空間的藝術美，是建筑創作中技術規則與藝術規則的相對統一。正因為如此，建筑藝術的表現技法和表現手法離不開結構技術的發展。

四、結語

古建筑虛擬漫游是計算機技術、虛擬現實技術、圖形圖像顯示技術等諸多高新技術的綜合運用，在古建筑的重建、修復中發揮著重要的作用，有利于古建筑的文物保護及其他的經濟效益。

參考文獻：

[1]彭黎明.“古代建筑保護技術信息系統研發”與“古代建筑虛擬修復及web表現技術研究”課題通過驗收[N].中國文物報，2010.

[2]程飛.古建筑場景虛擬仿真研究[J].魯東大學學報（自然科學版）， 2012，（03）：227-230.

[3]饒金通.古建筑的三維數字化建模與虛擬仿真技術研究[D].廈門大學，2006.

[4]向遙.古建筑虛擬色彩修復及漫游技術研究[D].中南大學，2007.

[5]薛磊.基于Internet古建筑（廈門南普陀寺）三維展示及虛擬沉浸系統[D].廈門大學，2007.

作者單位：

福州外語外貿學院