數(shù)字技術(shù)在古建筑遺產(chǎn)保護(hù)中應(yīng)用

各地區(qū)古建筑遺產(chǎn)是地方文化與歷史價(jià)值的重要載體。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)參數(shù)化建模技術(shù)正以驚人的速度發(fā)展，在建筑設(shè)計(jì)與文物保護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。文章主要總結(jié)國內(nèi)外古建筑數(shù)字化前沿技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合國內(nèi)相關(guān)案例，探討古建筑從“形態(tài)存續(xù)”到“智慧新生”的應(yīng)用路徑，為構(gòu)建古建筑的數(shù)字化遺產(chǎn)保護(hù)體系提供新思路。

2019年法國巴黎圣母院的大火為世界各國保護(hù)本國重要建筑遺產(chǎn)敲響了警鐘。在后續(xù)重建工作中，利用以往所留存的三維數(shù)字資料，巴黎圣母院得以復(fù)原，這也為古建筑在未知風(fēng)險(xiǎn)中“存續(xù)”并獲得“新生”提供了研究和應(yīng)用的范本?！笆奈濉币?guī)劃以后，國家對(duì)文化遺產(chǎn)保護(hù)愈發(fā)重視，明確提出要推動(dòng)文化遺產(chǎn)數(shù)字化工程。因此古建筑保護(hù)工作必須與國際接軌，擁抱最新的技術(shù)，迎接新一輪的技術(shù)革命。文章通過探討國內(nèi)外研究方向，以及國內(nèi)數(shù)字化古建筑保護(hù)的案例，針對(duì)構(gòu)建古建筑的數(shù)字化遺產(chǎn)保護(hù)體系總結(jié)出現(xiàn)有的研究路徑，并為未來遺產(chǎn)保護(hù)體系的更新提供新的思路。

歐美數(shù)字化研究發(fā)展趨勢(shì)

歐美對(duì)于數(shù)字化建筑形式的研究起步較早，在古建筑方面的研究強(qiáng)調(diào)理論（如設(shè)計(jì)建模、建筑歷史學(xué)）與技術(shù)工具（如機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和參數(shù)化編程技術(shù)）的結(jié)合。其發(fā)展特點(diǎn)與研究路徑總結(jié)為以下三個(gè)方面：

第一，數(shù)字化建筑形式研究起步較早。建筑學(xué)家里夫卡·奧克斯曼（Rivka Oxman）總結(jié)了建筑發(fā)展中對(duì)于參數(shù)化設(shè)計(jì)思維發(fā)展的三個(gè)階段，即早期計(jì)算機(jī)技術(shù)參與模型輔助技術(shù)的階段，此時(shí)數(shù)字化建模技術(shù)已經(jīng)初步涉及古建筑保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)及建造的過程，如Autodesk、BIM系列引擎等被廣泛應(yīng)用于建筑遺產(chǎn)研究，以及人工智能和人的認(rèn)知模型合作，這個(gè)階段是基于人工智能AI（Artificial Intelligence）的發(fā)展，大量數(shù)據(jù)模型可供給人工智能進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，未來可提供三維化虛擬空間建構(gòu)，將人的行為認(rèn)知納入進(jìn)來。

如今，遺產(chǎn)保護(hù)已經(jīng)逐步融入算法思維和腳本運(yùn)用，這個(gè)階段是建筑學(xué)與其他學(xué)科相結(jié)合，產(chǎn)生學(xué)科交叉的集合體系，特別是以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表的編程思維體系的介入，使建筑學(xué)將理性邏輯能力與感性空間塑造能力更好地結(jié)合，形成新設(shè)計(jì)邏輯。而歐美國家建筑學(xué)院，諸如麻省理工學(xué)院建筑與規(guī)劃學(xué)院（SA+P）、倫敦大學(xué)學(xué)院巴特萊特建筑學(xué)院（The Bartlett）等，正在建筑設(shè)計(jì)、遺產(chǎn)保護(hù)、交互設(shè)計(jì)等各個(gè)方面，充分發(fā)揮交叉學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，給傳統(tǒng)的建筑學(xué)學(xué)科帶來前所未有的廣闊圖景，如注重算法的發(fā)展，注重建筑數(shù)字化保護(hù)工具和平臺(tái)的功能更為全面，如Autodesk、BIM系列、Unity引擎等被廣泛應(yīng)用于建筑遺產(chǎn)研究。

第二，多學(xué)科交叉發(fā)展迅速。當(dāng)代古建筑研究已經(jīng)逐步從單一學(xué)科過渡到交叉學(xué)科的研究范疇，其中有兩個(gè)較為突出的學(xué)科綜合方向：一是以幾何數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用為主要交叉學(xué)科的形態(tài)模擬和建筑還原研究；二是考古學(xué)、歷史學(xué)的介入，使得建筑學(xué)研究擁有豐富的文獻(xiàn)資料依據(jù)和考古資料基礎(chǔ)，具有一定的科學(xué)性。

幾何學(xué)是建筑學(xué)設(shè)計(jì)與研究的重要學(xué)科基礎(chǔ)，引入幾何學(xué)與計(jì)算機(jī)運(yùn)算技術(shù)可使建筑建模實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步與精確定位，如弗萊明（Ulrich Flemming）的《建筑的邏輯：設(shè)計(jì)、計(jì)算和認(rèn)知》一文闡明了建筑師可以突破以往的簡單幾何形體計(jì)算，開始駕馭更為復(fù)雜的建筑形體生成理論。從中世紀(jì)的經(jīng)院哲學(xué)到當(dāng)代拓?fù)淇臻g哲學(xué)的變化，歐洲發(fā)展出復(fù)雜的形體生成理論和實(shí)踐，其變化離不開計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步?？脊艑W(xué)、歷史學(xué)的加入也拓展了建筑學(xué)的研究領(lǐng)域，諸如研究古建筑的保護(hù)、修復(fù)和維護(hù)技術(shù)，通過“以舊補(bǔ)新”來修復(fù)古代墻體；修建特定的研究室，在恒溫、恒濕的科學(xué)環(huán)境結(jié)合現(xiàn)場同步加工方式還原古建筑局部細(xì)節(jié)；搭建涉及文物材料分析、結(jié)構(gòu)與圖形數(shù)字化修復(fù)的數(shù)據(jù)庫，最大限度保存文化遺產(chǎn)信息，如意大利瓦倫蒂諾城堡結(jié)構(gòu)及外立面的保護(hù)修繕工作。

第三，數(shù)字化建筑遺產(chǎn)保護(hù)趨勢(shì)明顯。許多國家已經(jīng)將三維激光掃描（LiDAR）和遙感技術(shù)應(yīng)用于古建筑數(shù)據(jù)采集，以哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院等為代表的高校，對(duì)文化遺產(chǎn)建筑的數(shù)字建模與虛擬展示進(jìn)行了深入探索。例如，“CyArk”項(xiàng)目專注于利用數(shù)字技術(shù)記錄和保護(hù)世界遺產(chǎn)，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的考古學(xué)家在龐貝古城遺址提取建筑院落與樹木模型，模擬還原了古城復(fù)原的虛擬環(huán)境。

綜上所述，計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)建筑學(xué)科的交叉研究是具有前瞻性的發(fā)展方向，在設(shè)計(jì)理論、建筑前期設(shè)計(jì)、遺產(chǎn)保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

數(shù)字化三維建模技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用趨勢(shì)

隨著我國對(duì)外開放的深入以及工業(yè)生產(chǎn)端的逐步完善，計(jì)算機(jī)參數(shù)化建模技術(shù)已在市場上廣泛運(yùn)用，其中包括“Grasshopper”等參數(shù)化建模插件，在建筑設(shè)計(jì)與文物保護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

早期研究大多側(cè)重裝飾圖案與藝術(shù)分析方面的研究，如學(xué)者陳振旺的《隋及唐前期莫高窟藻井圖案研究》、肖夢(mèng)薇的《北京故宮古代建筑群外檐蘇式彩畫紋飾與色彩研究》等。這些研究主要將古建筑遺產(chǎn)的形式邏輯和符號(hào)圖像匯編成冊(cè)，運(yùn)用類型學(xué)的方式方法，考察圖案所屬的朝代背景，提出共性特點(diǎn)，總結(jié)樣式規(guī)律，并將之匯編成冊(cè)并建檔。這些成果成為古建筑保護(hù)的重點(diǎn)資料來源。

而如今，通過大數(shù)據(jù)分析、算法模擬、可視化編程、參數(shù)化設(shè)計(jì)等方法，提取地方古建筑的形式規(guī)律，實(shí)時(shí)記錄古建筑的新舊關(guān)系，留存數(shù)據(jù)檔案并建立系統(tǒng)化數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)古建筑遺產(chǎn)的存續(xù)保護(hù)，是學(xué)術(shù)與技術(shù)研究領(lǐng)域的一大熱門方向。例如，學(xué)者林祖軒對(duì)江南園林中的傳統(tǒng)亭榭進(jìn)行了形式提取研究，文章結(jié)合形態(tài)學(xué)算法與參數(shù)化模型，揭示了傳統(tǒng)建筑的比例和尺度規(guī)律。天津大學(xué)、清華大學(xué)等高校也積極參與故宮的測(cè)繪和三維數(shù)字化研究，將故宮的結(jié)構(gòu)與形式用各類最新儀器測(cè)繪出來，為后期的修繕工作提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

綜上所述，國內(nèi)對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)及形式規(guī)律的研究向兩大方向靠攏：一是對(duì)古建筑藝術(shù)形式的研究，包含對(duì)古建筑構(gòu)件、形式背后的符號(hào)意義等方面的研究，這個(gè)方向是較為成熟的方向，其專著數(shù)量較多；二是三維古建筑技術(shù)的保護(hù)與還原，涉及利用三維建模掃描技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行實(shí)地踏勘，記錄數(shù)據(jù)，這個(gè)方向?qū)儆谛屡d方向，其專著與論文數(shù)量最少，但其研究和應(yīng)用前景廣闊，可以充分發(fā)揮交叉學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，緊扣文化研究脈搏，彰顯時(shí)代精神。

建水天緣橋的數(shù)字建檔研究

天緣橋（如圖1所示）位于建水縣城東5公里，跨于滬江河上，于清雍正四年（1726年）組織倡建，因洪水沖毀，嘉慶三年（1798年）重修，1993年11月成為云南省第四批省級(jí)文物保護(hù)單位。該橋?yàn)槿资瘶?，正中為一座亭閣，重檐四角八方攢尖頂，橋梁整體呈現(xiàn)優(yōu)美的“弓”字形，對(duì)研究清中期石橋建筑具有重要價(jià)值。

研究者通過實(shí)地測(cè)繪記錄、計(jì)算機(jī)點(diǎn)云技術(shù)等方式，完成模型的數(shù)據(jù)記錄。首先，運(yùn)用無人機(jī)航拍和現(xiàn)場踏勘等方式，擬定掃描測(cè)站點(diǎn)30個(gè)，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)繪制平面圖，保證每一個(gè)測(cè)站點(diǎn)有效記錄和還原橋梁與古建筑的立面完整性和細(xì)節(jié)。其次，在各個(gè)站點(diǎn)運(yùn)用徠卡BLK360激光掃描儀對(duì)天緣橋的各個(gè)部位進(jìn)行掃描，并輔助以攝影、相機(jī)記錄等方式，搭建圖像數(shù)據(jù)庫。最后，研究者通過抽取橋梁部分構(gòu)件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)儀器記錄再次校準(zhǔn)，重復(fù)以上三個(gè)步驟，確保掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和全面。

完成數(shù)據(jù)記錄后，進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，初步建立三維模型數(shù)據(jù)庫。通過對(duì)天緣橋采集點(diǎn)的云數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)、拼接、降噪等，得到點(diǎn)云質(zhì)量較高的計(jì)算結(jié)果。緊接著將各點(diǎn)的云模型匯總、分類并“切片”研究，分成橋墩、石欄、一層、二層等體系并將之繪制為CAD圖。最后研究者運(yùn)用BIM技術(shù)的相關(guān)軟件，將調(diào)整后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去，并進(jìn)行調(diào)整，形成最后的BIM模型，完成天緣橋建筑遺產(chǎn)的數(shù)字轉(zhuǎn)化與數(shù)據(jù)留存。

靖江王陵陵墓遺址的數(shù)字建檔研究

靖江王陵陵墓（如圖2所示）是目前保存較為完整、規(guī)模宏大的明代藩王墓群，由于受氣候和地理?xiàng)l件的限制，該王陵有嚴(yán)重受損的跡象，所以有必要運(yùn)用現(xiàn)代三維技術(shù)對(duì)該遺址的模型進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)字留存。

研究者通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工與處理、搭建數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)研發(fā)四個(gè)步驟，生成針對(duì)王陵遺址的有效的數(shù)字監(jiān)控技術(shù)。數(shù)據(jù)采集方面，研究者主要依托攝影、三維激光掃描等手段對(duì)王陵地上和地下部分進(jìn)行三維數(shù)據(jù)收集。數(shù)據(jù)加工處理方面，研究者先對(duì)已獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化改善，接著使用建模軟件Model Painter對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，最后對(duì)已獲得的模型進(jìn)行分類，諸如信息模型和圖像模型等。系統(tǒng)研發(fā)方面，研究者針對(duì)已有的模型庫構(gòu)建一套程序系統(tǒng)，將三維模型仿真子系統(tǒng)、文物空間與屬性數(shù)據(jù)庫、信息查詢子系統(tǒng)三者結(jié)合起來，搭建完整的遺產(chǎn)保護(hù)數(shù)字系統(tǒng)。該數(shù)字系統(tǒng)對(duì)各大板塊進(jìn)行編碼，并制作成網(wǎng)站和研究平臺(tái)，保證其開放性和公共性，不僅為后續(xù)工作人員的研究和查閱提供珍貴的信息基礎(chǔ)，更針對(duì)日后的破壞性風(fēng)險(xiǎn)予以數(shù)字“留檔”，防止突發(fā)性事故對(duì)古建筑造成顛覆性破壞。

國內(nèi)數(shù)字化古建筑遺產(chǎn)保護(hù)應(yīng)用前景廣闊，具備學(xué)科交叉特點(diǎn)，符合時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)。其中三維古建筑技術(shù)應(yīng)用于保護(hù)與還原較多，其技術(shù)路徑相對(duì)成熟，經(jīng)過實(shí)地踏勘、三維數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫搭建與系統(tǒng)研發(fā)等一系列過程，將古建筑遺產(chǎn)的地理數(shù)據(jù)信息、外部形式信息、結(jié)構(gòu)層信息以及細(xì)部裝飾信息等，較為完整且系統(tǒng)地保留下來。這不僅可以讓研究者根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，針對(duì)古建筑各部分損毀情況進(jìn)行科學(xué)的判斷，還能讓古建筑信息得到數(shù)字化留存，以應(yīng)對(duì)氣候、地理、時(shí)間的變化對(duì)古建筑造成不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)性損害，以多種方式方法，保護(hù)我國珍貴的文化遺產(chǎn)。

在未來，我國的遺產(chǎn)保護(hù)體系可以將古建筑留存的數(shù)據(jù)供給人工智能進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，將分散的各個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)綜合利用起來，形成一套完整的數(shù)字遺產(chǎn)資料檔案庫，并與其他學(xué)科廣泛合作，納入人的行為認(rèn)知體系，將遺產(chǎn)保護(hù)與公眾的體驗(yàn)結(jié)合，將遺產(chǎn)保護(hù)推向公共空間，激發(fā)公眾參與的熱情。

（作者單位：北海藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院）