“數字壁畫建筑”敦煌壁畫中建筑的數字化構建

王巧雯　張加萬

內容摘要：本文以敦煌壁畫中的建筑為例，結合中國唐代古典建筑特點，提出了一種從二維壁畫圖像到三維信息模型的數字化技術方法。首先對壁畫全景與建筑特征進行分析與解讀，通過建筑信息模型構建技術，依照古建筑建造規律和模數尺寸關系，經原境信息解讀、構建方案設計、三維構建實踐，將壁畫二維建筑信息轉換為三維建筑信息，實現壁畫中建筑的數字化呈現。本方法為歷史繪畫作品中古典建筑的三維構建與呈現提供了思路與實踐途徑。

關鍵詞：敦煌莫高窟壁畫;歷史建筑圖像;數字化構建呈現;實踐方法探索

中圖分類號：K854.3? 文獻標識碼：A? 文章編號：1000-4106（2022）02-0125-11

Digital Construction of the Architecture in Dunhuang Murals

—With a Case Study of the Buddhist Temple Architecture in a Painting

in Mogao Cave 361

WANG Qiaowen1 ZHANG Jiawan2，3

（1. School of Architecture， Tianjin University， Tianjin 300072;

2.Tianjin Cultural Heritage Protection and Inheritance Engineering Technology Center， Tianjin 300381;

3. Key Laboratory of Information Technology for Protection and Inheritance of Architectural Cultural Heritage under

the Ministry of Culture， Tianjin University， Tianjin 300072）

Abstract：By combining the characteristics of classical Tang dynasty architecture and 3D digital technology， and by taking the architecture in Dunhuang murals asexamples，this paper proposes a digital technology methodology for three dimensional information modeling based on two dimensional mural images. The procedures are as follows： （1） analyze the characteristics of the architecture in a panoramic mural; （2） based on the principles of construction and proportion for ancient buildings，use architectural design information and modeling technology to transfer the two dimensional architecture visible in murals into three dimensional architectural data; （3） utilize 3D construction design technology to render a digital representation of the architecture in the mural. This method is intended to provide new ideas and practical approaches for the 3D construction and representation of the classic architecture in historical paintings.

Keywords：murals in Mogao caves at Dunhuang; images of historical architecture; representation through digital construction; exploration of practical methods

（Translated by WANG Pingxian）

引 言

中國古代建筑擁有悠久的歷史和光輝的成就，是中華文明傳續的物質載體，也是后人建造藝術的重要啟發。敦煌石窟包括莫高窟、西千佛洞、榆林窟等552個石窟中，窟內壁畫面積接近5萬平方米，是世界上壁畫面積最大的石窟群。其內容林林總總，包括佛畫像、佛經故事、中國傳統神話、經變畫等。經變畫多達三十多種[1]，形式多樣，系統反映了敦煌莫高窟一千多年間佛教繪畫發展的歷程。敦煌石窟壁畫中含有大量描繪中國魏晉南北朝到隋唐時期的建筑面貌的內容，這些信息具有非常重要的史學價值，是研究古代建筑不可多得的重要史料。但是，敦煌壁畫由于年代久遠，出現的問題逐年增多，對其進行保護迫在眉睫。圍繞上述背景和問題，本文基于數字化技術，提出壁畫中建筑圖像信息的三維構建方法，從二維圖像到三維模型，實現壁畫中建筑的實景再現。在此基礎上，重新審視“歷史建筑圖像”中的古代建筑，通過圖像類史料的畫面表達去探索和理解歷史，同時探尋歷史發展演變與建筑形態的關系，挖掘壁畫中歷史建筑及其文化、藝術價值，創新壁畫及“壁畫建筑”保護方法，豐富古建保護和建筑學研究的維度。

一 壁畫中的建筑

中國古代壁畫根據用途可以分為石窟寺壁畫、墓室壁畫和寺觀壁畫三種類型，其中石窟寺壁畫以敦煌壁畫為代表。莫高窟在我國現存石窟藝術寶庫中規模最大、內容最豐富，其壁畫描繪了年代跨度大、數量類型眾多的古代建筑，本文稱之為“壁畫建筑”。從數量上看，“壁畫建筑”的面積達到45000多平方米，繪制的建筑形象超過10000個;從時間跨度上看，敦煌壁畫記錄了從4世紀到14世紀長達1000多年的建筑演變歷程;從內容上看，敦煌壁畫中不僅記錄了城市、寺院等群體建筑的布局，更描繪了宮殿、廟宇、佛塔等單體建筑，其斗拱、臺基、門窗等建筑構件都清晰可見。敦煌壁畫中展現的建筑形象時間跨度之大、內容之豐富、形式之多樣，是極為罕見的。這些建筑圖像中，佛教寺院占了很大比例，體現了寺院布局特征及其佛教文化特點。

“壁畫建筑”數字化構建涉及畫面信息解讀、原境信息推導及數字化構建等環節。面對歷史悠久、包羅萬象的壁畫信息，實現數字化構建，也面臨著諸多問題。首先，壁畫中建筑圖景的來源是基于現實佛教場所的推演與重塑，其中的場景存在遮擋、縮小橫向尺度、主要人物放大尺度、添加水面、人為移動、示意性畫法、造景等問題，使得“壁畫建筑”圖像信息的解讀存在諸多不確定性;其次，所選時期——唐朝，現存的建筑并不多，也沒有系統完整的古建設計、營造規則，使得“壁畫建筑”原境信息解讀及驗證難度增大;第三，構建過程橫跨多個學術領域，多學科的融合研究是一項不小的挑戰。

莫高窟第361窟南、北壁上部繪有經變畫各2鋪，其中南壁西起為無量壽經變和金剛經變，北壁西起為藥師經變和彌勒經變[2]。依據敦煌學專家的研究，4鋪經變畫存在組合對應關系，具有很高的研究價值。本文選取的莫高窟第361窟南壁西起第一鋪無量壽經變（圖1），從畫面上看，主要由建筑、人物及配物構成，表現西方極樂世界。

本文以該經變畫中的佛寺院落為研究對象。該佛寺院落呈現為背景式建筑圖景，依照畫面組成與構圖位置，其中主體建筑群與中心佛像是圖面突出的重點，也很大程度上決定了畫面的主題與基調。此類壁畫在構圖上一般分三部分，上部以天境、須彌山等遠景為表現對象，中部多以說法場面統攝畫面，下部則繪有蓮池、平臺等布景要素，平臺又多伴有樂舞隊列等個性化形象，栩栩如生，雜而不亂。在佛教義理、粉本需要以及自由率意表達之間達到了很好的平衡。而其中的建筑，作為畫面場景的主要背景，在結構上與壁畫各部分交相呼應，在組織上與人物、配物等元素互動統一，貫穿于整個畫面之中。

二 壁畫中建筑信息研究

本文所選實例為中唐時期敦煌莫高窟壁畫，建筑信息以佛教建筑為主。受歷史背景、宗教特征、繪畫藝術等因素影響，實現壁畫中建筑的“再現”，要運用藝術、考古、圖像和建筑學等知識，通過搭建唐代建筑理論框架、探討佛寺院落及建筑單體信息，層層解讀，逐漸剝離敦煌“壁畫建筑”的佛教性和藝術性，還原壁畫所處時代建筑的本來風貌。其研究主要分為兩部分，一是原理的探討，即討論中式大木作的建造規律。二是方法的應用，主要是對古建規律的實際應用。具體而言，首先研究了木構營造的一般規律，重點搭建了唐代建筑的理論框架，以及相關建筑數據關系，包括對宋《營造法式》、唐代木構遺存以及考古發掘數據的梳理總結、提煉。其次，確定了佛寺院落和各個建筑單體，包括院落的組成及主題建筑的定位。最后對原境信息中數據進行計算、比對，生成表格。

1. 佛寺院落建造規律探索

第361窟南壁無量壽經變描繪了中唐時期單院的佛寺建筑組群。隋唐時期距今1400多年，雖然是我國建筑發展的繁盛時期，但是存世建筑文獻卻非常稀少，這給唐代壁畫建筑研究帶來了極大困難。解決這個問題的首要方法，是依據相關學者的研究找到一條搭建唐代建筑理論框架的有效路徑。唐、宋建筑建造規律一脈相承， 在大量歷史建筑資料的基礎上，梳理、分析、研究，挖掘其中內在規律，探索唐代木構建筑建造規律、建筑工藝、外部形制及內部數據關系。將這些成果與宋代《營造法式》進行 比對后發現[3]，《營造法式》對唐代“壁畫建筑”研究具有很好的啟迪作用。由此，可以確定研究唐代建筑模數規律的思路，即結合學者們對隋唐及延續唐風的遼、宋實例的研究成果，經過梳理總結，探索搭建唐代建筑理論框架和相關建筑數據關系等，從而形成解讀壁畫原境信息的最佳方案。

第一，唐、宋建筑建造規律一脈相承。宋《營造法式》所載材份模數制是對中國古建筑設計方法歷史傳承的總結和發揚。李誡在《營造法式》中言考閱舊章，稽參眾之，其中記載的材份制度是研究宋代或以前木構建筑不可或缺的理論基礎，宋營建法度實質上是對唐風營建的傳承。唐之恢弘國力促進了大規模營造技術的高速發展。唐代建筑木構形式多樣化，結構組合自由化，營造規范化。唐末時期，偷工減料、奇技淫巧成風。才導致北宋后期以法律的形式將晚唐傳下來的營造技術規范化，即宋《營造法式》。因此，宋營建法度只是規范化的唐風營建。由此可知，唐代建筑建造規律可借鑒宋代《營造法式》中“材份制度”開展研究。

第二，唐代建筑理論框架的搭建。《營造法式》建立了一套完整的中國古代木構建筑用材標準。如房屋營造所有的尺寸都有一個標準，所有的建筑構件、規模大小等都從這個標準出發，是這個標準數值的一定整數倍。書中規定柱徑為材的2.8—3倍，另有八品材質的尺寸及使用范圍和材份模數制。其中1份=1/15材廣=1/10材厚，1份=1/6栔，1栔=2/5材。梳理總結學者們關于十余處隋唐時期建筑遺址考古發掘數據、唐代兩處木構建筑及遼宋時期十余處木構建筑實例的研究內容，可知《營造法式》中所規范的用材標準并不嚴格與實際吻合，只是規范化的理論取值。根據探索唐代建筑建造規律、解讀唐代壁畫原境信息的需求，通過查閱相關資料和研究，對比唐代早、中、晚期的大明宮含元殿（遺址）、南禪寺大殿、佛光寺大殿材份模數規律，并將研究成果與宋《營造法式》文獻中有關材份模數制規律進行比對分析，可得出唐代建筑理論框架及數據關系等建筑建造規律如下：按照間廣大小進行排列，其份值也相應呈現出由大到小排列的狀態，依此進行材等排列。可推導出由0.3至1，常數為0.05的等差數列。即隋唐木構建筑材份制為15等材，宋代材份制為0.3寸至0.6寸的取值范圍，唐代材份制度徑材倍數在初唐時期（約618—712）大約為1.60至1.70，中唐時期（約713—826）大約為1.70至1.80，晚唐時期（約827—907）大約為1.80至1.90，唐代木構柱子的柱高柱徑比比值大約在9至10之間[4]。除上述建筑建造規律外，還可以利用建筑遺址保留下來的建筑平面布局、開間與進深的大小等基礎數據以及柱礎石、屋瓦等石瓦構件數據，推導出建筑原境的一些重要構件尺寸，如柱礎石與柱徑、柱徑與柱高等關系，為“壁畫建筑”原境信息解讀提供數據補充，彌補了不足。

由此可以推斷，由宋代文獻《營造法式》及相關建筑實例研究總結形成的以上結論，適用于唐代建筑及其建造規律，也適用于本課題所研究唐代壁畫中的建筑。

唐代木制構件的定型化說明唐時建筑已有用材制度，即模數制{1}。古代建筑模數制的規定集中體現于宋代《營造法式》，書中確定建造某一建筑時，以該建筑所用材及其相關尺寸為依據來推定該建筑的其他尺寸。清代《工程做法則例》規定，構件斷面以斗口和柱子直徑為基本模數，基本沿襲了宋代的模數制規定，但是在細節和尺度規定上有所差異。宋《營造法式》材等尺寸如表1，構件模數如表2。

根據梁思成、陳明達等研究成果，唐代模數尺寸大于宋代，其規律如表3所示。

2. 原境信息解讀

在佛教建筑中，建筑單體形式是最基本的元素，因而在壁畫中存在較多。主要有殿堂、佛塔、樓閣、亭、臺、三門、回廊等建筑單體，其中佛塔是最早從印度傳入中國的佛教建筑形式，也是中唐以前我國佛教寺院中的主體建筑。本文研究對象第361窟南壁無量壽經變建筑圖像就是以佛塔為主體建筑的佛教院落。整個寺院呈一座由廊廡圍成縱長方形的完整單院佛寺形象，各建筑物依中心軸線對稱設置。佛寺以一座四角二層塔為主體建筑，兩側左右廊配殿為方樓，前部繪有三開間廡殿頂樓閣式三門，四角繪有角樓。因此，組成該佛寺的單體建筑主要有主體佛塔（可見）、樓閣式三門（推斷）、2座前角樓（推斷）、2座配殿方樓（可見）、2座后角樓（可見）等。

根據案例圖像中建筑年代、繪畫藝術、宗教特點和搭建的唐代建筑理論框架及數據關系，以畫境信息解讀為基礎，可分析研判莫高窟第361窟南壁西起第一鋪無量壽經變中寺院原境信息，完成其主體建筑佛塔及其兩側角樓、左右廊配殿二層三開間方樓、二層三開間廡殿頂樓閣式三門及其兩側角樓的原境信息解讀提取。

假設莫高窟第361窟南壁無量壽經變中寺院建筑為理想模型。根據前述唐代建筑理論框架和相關數據關系，參照畫面尺寸、繪畫比例等繪畫技術規律，對寺院圖景進行分析推算，確定每個建筑單體原境的控制尺寸，然后逐一解讀出各單體細部名稱及原境數據尺寸。初步推出的信息包含確定性信息和不確定性信息，需要進一步比對、研判、修正，進而確定佛寺院落原境信息，為參數建模、設計、重構再現提供詳實數據信息。

佛寺院落涉及建筑單體較多，本文僅以主體佛塔數據信息推導為例，其它建筑單體原境信息推導類同。以柱徑結合界畫尺寸成比例進行分析。主體佛塔位于佛寺中軸線上，屬于主要建筑，又根據中唐佛寺建筑之恢弘氣度，可判定主體佛塔用材屬于《營造法式》中殿閣。根據潘谷西老師《營造法式解讀》，一宋尺約合32厘米，按《營造法式》殿閣三等材尺寸可知柱徑范圍為67.2—72厘米，柱高最大為375分，即6米。根據柱高不越間之廣，可推斷心間間廣為6米。根據《營造法式解讀》僅知道心間柱徑與柱高，無法推導次間廣及進深。從壁畫可推測佛塔上下層均為對稱的方形建筑。根據前文壁畫三維信息解讀可知，“壁畫建筑”遵循界畫折算無虧即尺寸成比例的關系，故根據壁畫畫面尺寸比例關系，可推導出一層次間廣為3米，通面闊為12米，柱高（6米）與通面闊（12米）的比值為0.5。鑒于以上分析，確定主體佛塔一層柱高為6米。這符合主體佛塔一、二層整體空間布局及各單體構件尺寸關系，也最符合原境尺寸。另外，還需對初步推導的原境數據進行研判、修正，并驗證數據的準確性，在此不再一一論述。

同樣方法，確定主體佛塔二層構件名稱及數據信息。最終得到主體建筑佛塔的構件名稱及原境尺寸如，表4所示。

同樣，對角樓（后部兩側建筑物）、配殿原境尺寸進行推導計算，得到相關數據如表5、6所示。

對前部中心建筑物原境尺寸進行推導計算，得到相關數據如表7所示。

三 佛寺院落的數字化構建{1}

無量壽經變中主體佛塔的可見部分由基座、塔身、塔剎組成，本次推導研究的佛塔為方形仿木塔。通過推導數據結合三維建模軟件，將壁畫中該佛塔予以還原呈現。佛塔主體的三維模型構建采用主流三維BIM建模軟件Revit[5]。

首先，完成古塔建筑方案的推導，包括一、二層平面的布局，立面的繪制。

然后完成佛塔主體的三維模型構建。依據圖像信息解讀和原境信息研究成果，對以上推導的佛塔構件進行拆解，策劃構件的創建方式。可采用系統族、內建模型及可載入族實施，根據不同構件的安裝裝配特點，建模軟件特性，古塔構件的創建方式等劃分。

1. 數字化構建方案設計

依據圖像信息解讀和原境信息研究成果，分別對經變圖像中建筑信息三維呈現設計方案。首先確定畫面院落內各部分單體建筑的繪圖順序：主體佛塔—樓閣式三門—前角樓—配殿方樓—后角樓—連廊—整體院落。其次確定每個單體建筑的繪圖順序：建筑物平面柱網圖—建筑物正立面圖—建筑物側立面圖。在繪圖過程中使用1∶1比例繪圖。第三步是設置繪圖環境，進行方案設計。第四步檢查、修改、出圖。按照方案設計步驟，分別完成建筑物的設計，以主體佛塔示例，其它建筑單體及院落略。主體佛塔的設計方案出圖順序為：主體佛塔一層平面柱網—主體佛塔二層平面柱網—主體佛塔立面圖。出圖情況如圖2、3。

2. 主體佛塔的三維模型構建

依據圖像信息解讀和原境信息研究成果，對莫高窟第361窟南壁無量壽經變中主體佛塔進行立體三維模型構建。

步驟1：

通過壁畫中展現的情境，結合古建筑文獻資料，推導建筑規模及布局，初步完成建筑布局模型創建。包括但不限于定位、標高等基準圖元的創建，并完成單體建筑主要構件的創建與項目組裝。

首先對佛塔底層部分進行實踐操作。完成佛塔建筑的平面布局。佛塔基座的布置。根據推導的數據進行軸網布置。明確佛塔建筑底層地面標高、尺寸及柱定位布置。然后完成佛塔一層臺階、護欄的布置（圖4）以及柱上斗拱構件的創建與布置，并完成一層挑檐部分屋面創建。采用二維平立面表達的方式，對創建的該部分內容進行圖紙表達。圖5—7分別為創建完成的一層斗拱平面布置圖以及一層南立面視圖。

斗拱是古建筑中獨特的重要構件，本佛塔建筑和殿、廟建筑不同，相對低矮，采用單昂單翹五踩斗拱。該斗拱的組裝如圖8、9所示。這樣即完成了佛塔一層的建筑三維模型創建（圖10）。

步驟2：

繼續對上層部分進行三維模型構建。首先完成二層布局定位參照基準的繪制，然后完成二層柱布置、塔頂屋面及塔尖的繪制（圖11—13）。

步驟3：

采用鏈接模型的方式實施協同設計，進行整體模型組裝。將創建好的佛塔二層鏈接到主模型中，組裝成一個完整的單體工程，并對佛塔立面及三維視圖進行展示（圖14、15）。

經變圖像中角樓、配殿、連廊和院落等建筑物立體三維構建可參照以上步驟進行。

3. 三維數字化呈現

（1）佛塔、兩側配殿、四處角樓、連廊等建筑物呈現

采用相同的數字化構建方法，可分別對圖像中寺院配殿、角樓、連廊等主要建筑物進行數字化構建操作。因受篇幅限制，過程不再一一論述，成果呈現（包含佛塔）如圖16、17、18、19。

（2）佛寺院落建筑圖境的全境呈現

以壁畫佛寺院落中五組單體建筑物及其他建筑物的構建為基礎，基于佛寺院落的解讀、設計、構建操作，繪制出完整的院落建筑群并進行全境立體呈現（如圖20、21）。

結 論

壁畫中建筑的三維重建，是將中國古典建筑與數字化呈現技術相結合，將二維圖像變為數字三維模型的過程。包括了古建營造信息解讀，從數據推導到三維模型構建等一系列步驟。本文以敦煌莫高窟第361窟無量壽經變中建筑為例，提出了“壁畫建筑”的數字化呈現方法。首先依據建筑模數規律搭建隋唐建筑理論框架，然后解讀壁畫中建筑信息，對建筑形象進行確定，最后完成原境數據推導、方案設計、數字化構建，對各個單體及院落進行數字化呈現，實現壁畫建筑的數字化再生。本研究為文物的數字化保護與傳承提供了創新方法與實踐途徑，也是古建筑研究的一次有益嘗試。

附記：

感謝敦煌研究院、天津市文化遺產保護與傳承工程技術中心對本研究的支持與指導！

（圖1照片由敦煌研究院提供，作者對照片進行了修正;圖2至21為作者自繪。）

參考文獻：

[1]施萍婷. 敦煌經變畫[J]. 敦煌研究，2011（05）：1-13.

[2]趙曉星. 莫高窟第361窟南北兩壁經變畫考察——莫高窟第361窟研究之七[J]. 山西檔案，2012（04）：32-

42.

[3]梁思成. 營造法式注釋[M]. 中國建筑工業出版社，1983.

[4]王天航. 唐代木構建筑材份等級序列復原研究[J]. 建筑師，No.162，2013（2）：99-102.

[5]歐特克. AUTODESK REVIT ARCHITECTURE 2011官方標準教程[M]. 電子工業出版社，2011.