引入BIM技術的古建筑數字化保護研究——以鳳陽明鼓樓、明皇陵為例

郭豪，周玉佳，陳洪楊，于皓，金星雨，桑李云

（安徽科技學院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

在中國的歷史發展過程中，許多寶貴的物質和精神文化得到了保存，成為中國文明發展的見證人和記錄者，其中最明顯的是各種古建筑。因此，加強古建筑的保護是我們要解決的主要問題。然而，與國外相比，我國歷史保護的發展仍然較晚，工作中還存在許多不足。一些古建筑遭到嚴重破壞甚至拆除，導致我國許多珍貴的文化遺產永久喪失，成為不可挽回的損失。

2 明鼓樓、明皇陵概述

明鼓樓始建于洪武八年（1375年）。它位于鳳陽縣以東，是城區的重要建筑組成部分。鼓樓由橋臺和建筑組成。明朝末年，鼓樓成為中國最高的建筑，它的結構、方向與其他鼓樓不同，形成了自己的特點。平臺底座上有九座建筑，“三層檐，百尺建筑，高聳于翼，無塵”。鼓樓曾在文化大革命時期受到了嚴重的破壞，通過政府部門的大力營救才使其恢復了原有的外觀。

明皇陵建于元武二十六年，位于鳳陽縣以南7公里處，它是朱元璋為其父母所建造的墳墓。隨著時間的推移，風雨的侵蝕和人為的破壞，明陵幾乎成了廢墟。目前，僅留下墓碑，石人，石獸，石柱等，但它們均被破壞。皇家陵墓是眾多陵墓的代表，其代表了當時的最高等級。由于建筑時代問題，明代墓葬建設較晚。其地面遺跡保存較為完好，為建筑學、考古學、歷史學、等相關專業領域的研究提供了極大的便利，充分利用這些文化遺產，將其建設成景點也是城市發展的必由之路。

圖1 明鼓樓

圖2 明皇陵

3 明鼓樓、明皇陵建筑保護現狀分析

經過5000年的洗禮，中國留下了數千處歷史文化和歷史遺跡。這些古建筑見證了世代相傳的歷史變遷，承載了中國數千年的歷史文化，近年來，由于人為對自然的嚴重開采以及氣候與環境的變化，導致發生了一系列的自然災害，如酸雨和洪水。此外，人為的破壞對明鼓樓、明皇陵等古建筑造成了巨大的損傷。可以說，明鼓樓、明皇陵已經面目全非，就連大部分的古建筑也已嚴重損壞，難以進行修復。從明朝開始，明朝的陵墓就保存完好，不斷進行修繕。1982年，明陵被列為重點文物保護單位后，一些遺址和文物得到了保護和修復。但在2003年，淮河被洪水淹沒，明陵再次遭受自然災害。由于地勢低洼，排水渠道狹窄，陵墓發生了嚴重的澇災。神社和石像在水中浸泡多日，造成了嚴重的侵蝕。當地文物保護部門卻因資金不足而束手無策。其過去的建筑風格，我們只能從明陵的修復開始幻想，如何科學有效地保護明皇陵、明鼓樓這些古建筑，恢復其原始的歷史風貌是當務之急。明鼓樓、明皇陵據我們調查其建筑信息主要有以下幾種存儲方式，然而，這些存儲的建筑圖紙并不能完全反映建筑的真實面貌，而且由于其歷史悠久，存儲的數據也不是很全面。如果我們用圖像記錄歷史建筑，雖然給人一種直觀的感覺，但并不能真正反映其實際大小，也不能直接獲得。

圖3 明鼓樓風化圖

圖4 明皇陵雕像風化圖

而面對一些老舊建筑，雖然有圖像、音頻、視頻資料，但事實上關于它們的文案記錄非常少，所以不可能還原它們的真實面貌，因為修復工作極其困難，信息數據不完整。面對這些困難，運用現代信息技術保護和繼承這些具有重要歷史價值的古建筑具有重要意義。

4 BIM數字化技術在文物和古建筑保護中的作用及意義

因上述信息收集方法的局限性，收集一些文化遺產建筑信息時引入BIM數字建模技術的優勢顯而易見。掌握了古建筑的信息后，我們可以使用軟件在計算機上模擬其形狀并記錄其實際大小。但是，它的應用在國外相對成熟。我國仍處于起步階段，與國外相比仍然差距很大。但西方先進的應用理念和理論知識值得學習，對我國古建筑和古文化的保護和傳承具有深刻的指導意義。二維形式不能充分體現建筑的特點，但因自然和人的長期客觀影響，對建筑造成的破壞，使得文物建筑的表面和內部空間規模發生了不規則的變化，很難進行三維建模，BIM技術可以根據古建筑和文物的實際規模，以1：1的比例重現古建筑的仿真模型。同時，它還可以整合古代建筑的實體并顯示它們所具有的歷史信息。

通過BIM數據平臺，可以方便地保護和管理文物，并可以獲取實時數據，方便將來對古建筑的維護和維修。

5 鳳陽鼓樓明皇陵的BIM數字化建模流程分析

那么，如何基于BIM技術對明鼓樓和明皇陵進行數字化保護呢？簡而言之，根據現場勘測和掃描技術，生成鼓樓和皇陵的地表點云數據，并將收集到的點云數據保存在數據庫中，然后導入到REVIT軟件中，為三維模型的建立提供數據上參考。另外，根據明鼓樓、明皇陵的保護要求，在軟件中設置相應的建筑屬性信息，比如模型年代信息、運用的材料和破壞程度，當前保存狀態或表面狀況等。模型完成后，還可以將建筑物的實際測量和制圖或照片，或相關的歷史文件、維修記錄、周圍環境特征信息以及管理部門信息輸入到虛擬模型中。最后將收集到的歷史圖像數據導入其中，以構建出一個完整的虛擬古代建筑場景，并建立一個共享的可視化和交互式信息平臺。這不僅為工作人員了解古建筑、執行動態更新維護提供了方便，而且對文物古建筑的保護和歷史價值的傳承具有非常重要的參考價值。接下來進行數字技術還原，以鳳陽明鼓樓、明皇陵為例。

5.1 圖片采集及草圖繪制

這一步操作比較簡單，主要是獲取非數據信息。根據傳統古建筑測繪的經驗，在鳳陽實地調查時收集大量有關明鼓樓明皇陵的圖片信息，圖片信息可以明確記錄了其材質和局部結構外形(屋檐、欄桿等復雜結構)，可為后期建模提供參考。對于復雜的組件，拍攝后需要用軟件進行裁剪，突出關鍵的建模部分進行保存，以便進行建模。鼓樓和明皇陵屬于破損較為嚴重的建筑物，在這種情況下，破損部分需要通過已有部分進行類比來進行修復與還原。因此，圖片采集工作尤為重要，能否采集到有參考價值的圖片，直接關系到復原結果的準確性。除了拍照，還要畫草圖，包括鼓樓和皇陵的平面圖和梁柱結構圖。這一步驟沒有涉及數據,但對建筑從整體外觀到局部細節進行了系統的記錄。

5.2 實地數據勘測及數據整理

文物古建筑信息的收集分為物理空間信息和歷史文化信息兩類。空間信息是指古建筑的具體形狀、大小、大小和朝向。歷史文化信息，包括古建筑使用的材料和結構構造方法、建筑的年代、人文特征、區域文化以及當時的科學價值觀。空間信息則是通過現代電子技術進行采集的，可以快速生成文物古建筑的表面上的各個點的云數據信息。在獲得所需的地表點云數據之后，將收集到的數據進行整合和處理，為準確地構建文物和古建筑3D模型做前期準備。

這一步驟可以看作對上一步驟的補充。經過圖片采集和草圖繪制,建筑的外觀和骨架都已經掌握,一旦得到相應的數據信息,即可進行數字化建模。這個過程主要的工作就是對建筑的縱深和面闊、柱間距、層高以及一些細部結構的尺寸等進行測量。獲取所需的地表點云數據后，對采集到的數據進行整合和處理，得到準確的文物和古建筑三維模型。建筑比較麻煩的是其歷史文化信息，一般通過實地、網絡調查或文獻綜述，最后通過軟件進行分析。

5.3 信息模型的建立

該模型是利用BIM軟件和GIS技術反向建立明古樓和明皇陵的3D模型，然后使用其他軟件建立“組”；建立明鼓樓和明帝陵墓模型最終可以從立面到背面建立準確的古代建筑三維模型。在建立模型之前，需要獲得明皇陵的內部結構和每個組成部分及構件的具體尺寸，用戶可以在輸入界面中輸入這些關鍵參數。

圖5 明鼓樓城墻Revit模型復原圖

進而總結出每棟建筑的關鍵參數，因此，可以從一個示例中推斷出參數，對其進行持續的總結和組織以形成一個系統的數據庫，該數據庫可以生成所需的古代建筑組件與之相關的一些參數和關鍵參數。將來，每次對模型進行建模時，系統都可以在數據庫中檢索所需零件，以生成零件的三維模型及相關其他關鍵參數。

5.4 明鼓樓、明皇陵屬性信息的錄入

明鼓樓和皇家陵墓的建筑模型還包含許多屬性信息，例如當時使用的木材種類、大理石和其他材料、用于建立建筑物結構的交錯技術，以及當時的區域文化特征。屬性數據還包括一些圖形，當時繪制的圖形、所拍攝的照片、文獻記錄及其當前狀態、恢復和重建記錄、特征描述、周圍環境信息以及各種視聽材料。建立模型后，首先，在輸入屬性信息時，系統將根據用戶輸入的結構信息，材料信息和物理信息標記古建筑。輸入的屬性信息和先前存儲的空間信息位于同一數據庫中。在此數據庫中，每條信息彼此相關，因為它與每個組件以及組件之間的匹配大小有關。如果一個零件被修改，其他零件將被相應地修改。

5.5 建筑模型的VR演示

通過虛擬現實，將抽象和具體（即抽象文本）轉換為直觀的三維空間模型，從而大大提高了古代建筑模型設計的效率。通過虛擬現實技術創建虛擬環境后，可以將上述建筑物的BIM模型數據導入虛擬場景。參觀者可以戴上特制的VR眼鏡，以充分體驗與建筑之間的互動關系。一般來說，古代建筑物的虛擬現實場景的生成要進行以下幾個步驟：首先，信息收集。這包括文獻綜述和地方調查。二是模型的建立。建模過程主要包括建模方法的選擇，建模工具的選擇以及后期的優化。最后也是最重要的一點是如何創建視覺效果。包括如何處理光，選擇材料和掌握體積大小。

6 結語

通過集成現代信息技術的各種手段，可以快速、方便地建立文物和古建筑的三維動態模型。建立文物古建筑數字信息資源共享數據庫，為文物古建筑保護提供有力支持。一般來說，文物與古建筑在造型設計上運用的技術較為復雜，為保證模擬文物古建筑的質量和實際效果達到計劃中的目標，在實際操作過程中，必須將準備工作做到充足，包括各種信息的獲取、建模的選擇方法等。