基于BIM+GDL的古建筑數字化修復與保護

倪燕翎 趙玉嫻 王琨 鄭敏

摘要：古建筑是珍貴的文化遺產，具有不可再生性和脆弱性的特點。受歲月侵蝕殘損，或年代久遠資料影像遺失等因素影響，傳統的古建筑修繕保護方式已無法滿足當下可復原、能完善、尺寸準、工法恰當等精細化、信息化管理研究運營的需求。而BIM技術結合三維掃描，則能夠將古建筑進行數字化建模、原樣再現，具有準確記錄、VR交互、原味傳承等優勢。文章分析當前古建筑維保修繕面臨的主要問題和實際需求，提出通過三維掃描、無人機傾斜攝影、高精度正射影像繪圖技術，以BIM建筑信息模型為載體，結合GDL程序設計，建立參數化構件族，精細化古建筑數字模型，以及3D打印模型，為古建筑維保修繕提供沉浸式虛擬交互系統，構件節點細節、工部做法，為古建筑的修繕與保護提供直觀、三維、準確、可交互的高效數字化支持。

關鍵詞：古建筑；BIM；GDL；數字化；修復

一、古建筑維護修復與保護面臨的主要問題

（一）古建筑圖紙、工藝、工法等失傳

古建筑是歷史文化的載體，由于自然因素和人為因素，難以長久維持原有風貌；加上古建筑圖紙保存方式單一、保存載體脆弱，在改朝換代的過程中易毀損遺失；許多工藝、工法多為民間工匠師徒相傳，傳承后繼乏人或已經失傳。這些載附著歷史靈魂的古建筑，亟需用現代先進的數字技術方法加以拯救。

（二）古建筑影像資料不全、數據缺失

在保護與恢復古建筑歷史風貌時，往往需要借助歷史影像恢復。傳統的古建筑信息存備方法主要有文字、圖片、表格等，但因年代過于久遠，可能存在儲備信息不完整，或存備的建筑信息未能反映真實風貌等情況[1]。

近代攝影設備的出現，為古建筑留下了寶貴的影像資料，但當時技術還停留在起步階段，不具備足夠的清晰度、準確度，難以測量古建筑的尺寸及其相關數據，且留下的影像畫面色彩多為黑白灰，既難以如實地反映真實面貌，也難以客觀地反映物理尺寸。更令人痛惜的是，在近代歷史進程中，我國歷經多種動蕩與磨難，許多珍貴的影像資料在傳遞的過程中已經丟失。

（三）古建筑材料難以尋覓、再現

古建筑主要使用傳統木材建造，但有些特殊材料，如裝飾面的材料與制作方法并沒有明確記載；有些材料在今天的建材市場已很難尋覓，或即便找到原材料也無法復原材料的處理工藝，無法得到古法的材料性能。實際上相關部門花了很大力氣對古建筑進行修繕、重建，但部分工程呈現出來的依然只是現代的油漆、現代的殿堂以及現代的材料，缺少了原汁原味的那種古樸與天然。

（四）古建筑數據信息不完整、不規范

由于年代過于久遠，古建筑儲存的信息大多不完整。一些尚存建筑的經典工藝、工法還能找到殘本或記載，但可能已經不完整；有些工藝做法還未被完全挖掘整理出來，未完成圖集的編制，無統一的標準。這些數據信息的不完整、不規范，都使得古建筑維護修繕面臨有心無力的尷尬境地。

二、基于BIM的古建筑數字化記錄

（一）利用三維掃描技術的數字化

在過去，古建筑保護工作中的測繪方式受多種因素影響，稍有不慎便容易在測繪中出現誤差，降低數據信息的準確性；整個操作過程也非常耗時、耗力。而地面三維激光掃描技術則呈現出了無可比擬的優勢和作用，不僅適用范圍較廣，能夠適應各種復雜環境，還可以全面提高測繪的質量和效率。三維掃描技術較好地彌補了傳統方式下古建筑的數據缺失，并可以形成CAD圖紙，極大地提高了古建筑保護工作中測量、繪制、記錄、出圖的效率。

也可以利用無人機對建筑進行傾斜攝影，將無人機的點云數據與地面激光掃描儀的點云數據對齊重構模型，形成古建筑整體的點云數據；進一步還可以測量包含建筑外觀和外部環境的全景三維模型，使得古建筑的外部與內部均得以準確構建，獲得古建筑的完整物理數據。

（二）基于BIM建模的復雜構件數字化

在實際項目實施過程中，BIM模型對項目的展示、溝通與交流有極大的幫助，并且 BIM 的清單統計、易出圖等優勢，有利于減少設計工作量、降低成本、優化設計流程。基于BIM建模的古建筑數字化保護能讓復雜構件復原設計的工作量減小、流程簡化，且速度快、精度高；BIM古建筑虛擬模型則具有可視、直觀、易于理解，便于統計的特點。結合精密測量技術，將古建筑模型與信息緊密結合建立數字化檔案庫，可在很大程度上減少重復工作、降低誤差和信息損失。

信息化時代，信息在網絡上傳播極快，可視化模型、VR虛擬仿真技術能夠加深人們對歷史建筑的了解，再輔以數字化模型及相關信息，為古建筑的保護提供新的渠道、新的方式，不失為一種人文化的保護。

斗拱是中國古建筑中獨有的結構構件，其構造精巧、造型美觀，但榫卯結合的特色加大了保護與修復的難度。利用BIM進行1：1建模，賦予相應的信息或參數，不僅使得斗拱的結構展示更清晰、部件組成更直觀，更可形成斗拱模型組，極大提高了修復保護的效率。圖1為BIM軟件制作的三維可視化斗拱模型，斗拱模型組分別滿足不同位置、不同構造的需求。

（三）基于BIM參數化的古建筑族庫

古建筑結構復雜，建模的工作量大。若利用參數化方式將同類型的構件歸為一類，再將同類型的構件以參數約束，便可大幅度提高速度。通常先將古建筑部件進行分解，建立參數化構件，需要時將構件組裝即可。這種可快速生成部件、精細化、參數化的古建筑構件族庫，極大提高了古建筑的修復與保護效率。圖2對斗拱處的坐斗進行參數化設定，利用Revit參照線與斗拱邊線鎖定的方式進行約束，再標記尺寸并關聯參數，對數值進行定義。在族類型中修改數值，坐斗實體會根據其參數的數值進行變化。

三、基于GDL的古建筑構件設計

（一）GDL的應用場景

GDL（Geometric Description Language）是一種參數化程序設計語言，為智能化參數驅動構件的基礎。利用GDL語言編譯器可編譯屋頂、欄桿等構件的3D幾何形體，并顯示對應的2D圖形。它適合大批量形成相同類型但不同尺寸的構件，并提供細化輪廓和精準尺寸。古建筑細部結構精美復雜，僅靠族并不能完美精準地再現古建筑的特色，而輔以GDL編程工具進行構件編輯，可以進一步整合成古建族庫。

（二）基于GDL的挑檐桁設計

GDL支持基本運算操作、編程語言和條件語句的運用：基本運算操作包括加、減、乘、除等；編程語言包括DEL、ADD、MUL、ROT等多種三維形狀命令，以創建形體；條件語句在參數化構件的設計過程中非常有用，適用于參數不連續變化等情況。

GDL利用編輯器主對話框設置可變參數，將構件的各項尺寸參數進行定義。變量的參數類型有很多選擇，包括長度、角度、文本、畫筆、建筑材料。挑檐桁的參數類型可設置斗口和梁長，變量為d、x，材質參數命名為cz。接著運用GDL三維形狀如MATERIAL、PRISM、ADD、ROT、CYLIND等語句創建參數化挑檐桁模型。在參數腳本中給變量賦值，其中，可變參數可直接定義輸入相應的值，構件尺寸就會根據輸入的參數變化。在構件調用時確定變量，包括構件的空間位置、尺寸、材質，并賦予成本﹑制造商等相關信息，適用于后期進行統計造價等工作[2]。圖3為基于GDL的挑檐桁模型和總建筑模型。

四、古建筑的數字化修復方案

（一）運用數字化技術真實準確記錄和再現古建筑的全貌與細節

設置合理的測站點并架設三維激光掃描儀，測量建筑實體三維數據。根據現場勘測和掃描技術，生成地表點云數據并保存；缺失部分點利用現場勘測補充完整。通過點云數據處理，得到建筑的平、立、剖面圖。

采集建筑圖片影像信息，以便更加清晰明確地了解其材質和局部結構外形，如柱梁銜接部分、屋頂部分、細部欄桿、門窗，為后期建模提供有益參考，在材質、色彩上有更好的把控，提高模型的真實性和美觀性。對于復雜組件，多角度、多渠道、多維度地采集信息，對關鍵部分進行細部建模。同時搜集該地足夠的建筑屬性信息，例如照片檔案、歷史文件、景區景點的文字信息、歷史維修信息、周圍地質構造、水文信息等，以便模型建好后的信息錄入。

（二）通過數字信息模型，將古建筑以數字化方式建檔保存

通過點云數據得到的圖紙，利用BIM軟件分專業創建3D模型。木構架部分的榫卯結構復雜、精度要求高，需分解為斗拱、梁、枋等組件；又因其種類和數量均多，可利用參數化方式分類建模，修改參數即可得到同類不同尺寸模型。建筑部分的門、窗，造型美觀、花紋精巧，則依據收集的影像信息，對模型的材質、色彩、紋理替換更改設定，或細化、完善，以提高模型精度，有利于進一步修復、再現其全貌，如圖4。

（三）形成古建筑關鍵構件數據庫

古建筑的空間數據管理，非常契合計算機系統管理運算邏輯，其對數據的儲存、加工和數據分析，能夠將古建筑統計、圖形、影響等多種數據信息，按照特定結構轉換為適合計算機儲存的格式[3]。

過去對古建筑相關信息的存儲，大多是通過查閱相關文獻資料、實地調研及走訪，再匯總相關歷史文件信息、景區景點的文字信息、歷史維修信息、周圍地質構造、水文信息等。其中，傳統文本記錄用來保存的古建筑信息或者數據，相對比較抽象，文本通常很難直觀可視地反映古建筑的完整面貌；并且文本信息的數據量分散雜亂，很難尋找篩查。利用圖像和照片存儲的古建筑信息相對直觀，但這種信息往往缺乏對應物理尺寸，無法還原古建筑修復所需的準確數據，無法滿足古建研究或古建修復或文物建筑重建的要求。另一方面，傳統古建筑積累的數據信息又面臨著信息量紛亂、數據冗余、查找困難、無法共享等一系列問題。因此，建立基于BIM+GDL的古建筑數字化數據庫系統是最佳選擇。

古建筑三維模型數據庫有利于較好地整合多方面的信息，將數字信息與三維信息較好地進行結合。古建筑關鍵構件的數據以三維線框、表面、實體模型進行說明，同時利用三維信息模型出圖，可整合二維圖形，添加平面圖、立面圖、剖面圖等，以更直觀的方式展示古建筑的內部構造、布局[4]，圖5為古建筑數據庫的基本構架。

（四）利用3D打印技術對缺失、材料難尋構件予以修復

3D 打印技術具有多樣性、專業性、全覆蓋性等特點。現存古建筑多少會有不同程度上的損壞，且部分材料難以尋找，甚至缺失，運用 3D 打印技術的一個巨大優勢在于可以將殘缺或損壞的構件或者組件，對照前期采集的準確數據，依托精確的三維模型，選擇合適的材料將其打印成實體，用于相應部件的維修替換[5]。

根據流程，模型制作完畢后，還需將建筑內部各個構件（昂、枋、拱、翹、升、坐斗等）拆分開，對其榫卯搭接處進行單獨的制作與處理[6]，最后再進行構件的拼接。

（五）結合VR技術形成數字化產品

關鍵部分的構件（例如斗拱）建模后進行VR交互功能模擬，能夠更好地展示榫卯結構及其做法。通過VR和人機交互技術，不僅在視覺層次將抽象平面的二維圖紙轉化為直觀的三維空間模型，而且將過去隱藏的復雜內部結構做法，抽絲剝繭般地一層層剝開或展開，變得讓人容易看懂、容易理解，極大提高了古建筑模型設計的效率。

模型完成后，可將相關歷史信息、歷史維護記錄、景區景點信息、周圍環境特征以及地質構造、水文信息輸入到虛擬三維模型中。最后，將收集到的歷史影像數據導入，構建完整的虛擬古建筑場景，乃至一段歷史淵源，建立共享的集可視化和交互性于一體的信息平臺。該平臺不僅為普通人認知古建筑提供便利，更有利于設計人員、運營人員日常維護和動態更新，對古建筑營造技藝的傳承和其歷史價值的傳遞也有著非常重要的意義。

五、古建筑數字化修復與保護展望

基于BIM+GDL技術目前的運用雖然尚不成熟，在使用過程中也暴露出模型的質量與精度達不到要求等問題，但將BIM+GDL結合，用數字化技術對古建筑實施記錄、建檔、建庫，用數字化方式進行設計運營維護，對于傳承古建筑營造技藝、弘揚中華傳統文化無疑具有積極意義。

參考文獻：

[1]汪梓豪，程希瑩，操強，馬曉東.基于BIM技術的古建筑修復研究[J].安徽建筑，2021，28（05）：5-6.

[2]李筱琪，趙靜，韓菡，楊榮彬.白族傳統民居BIM構件庫體系構建研究[J].云南民族大學學報（自然科學版），2022，31（02）：246-252.

[3]甘斌.數字化技術在古建筑保護中的應用[J].電子技術，2022，51（08）：82-84.

[4]吳志群.古建筑三維模型數據庫系統設計[J].科學技術創新，2020（29）：114-116.

[5]何原榮，鄭淵茂，潘火平，陳鑒知.基于點云數據的復雜建筑體真三維建模與應用[J].遙感技術與應用，2016，31（06）：1091-1099.

[6]高溪溪，周東明，崔維久.三維激光掃描結合BIM技術的古建筑三維建模應用[J].測繪通報，2019（05）：158-162.

作者簡介：

倪燕翎（1973—），女，漢族，安徽懷遠人。博士，副教授，主要研究方向：BIM 研發與創新、基于區塊鏈技術的智能建造管理與創新。

趙玉嫻（2002—），女，漢族，湖北襄陽人。大學本科，研究方向：建筑工程信息化 BIM 設計。

王琨（1997—），男，漢族，湖北宜昌人。大學本科，研究方向：建筑與市政工程數字建造。

鄭敏（1981—），女，漢族，浙江金華人。博士，講師，研究方向：結構工程與BIM設計