■ 李紫璇 LI Zixuan 鞏玉發(fā) GONG Yufa

0 引言

自1930年中國營造學(xué)社成立之后，國內(nèi)以梁思成先生為代表的建筑學(xué)家開始對(duì)中國現(xiàn)存的古建筑進(jìn)行測繪和整理。1982年，我國出臺(tái)了《中華共和國文物保護(hù)法》，隨后一大批古建筑保護(hù)專家出版了大量歷史建筑修繕方面的著作。

總體上，我國古建筑修繕領(lǐng)域一直堅(jiān)持傳統(tǒng)修繕方法的原則。明朝之前，建筑修繕的方法都掌握在專業(yè)匠工手里，匠戶子孫不得轉(zhuǎn)戶，很多修繕手藝隨著朝代的變更和家族的興衰而失去傳承。明崇禎年間的綿竹靈官樓在“5·12”汶川地震損毀后重建，從始建到即將完工用了8年時(shí)間，誰料到，耗費(fèi)大量人力物力復(fù)原的古建筑又損毀于2017年的大火。建筑修繕技術(shù)落后和耗時(shí)問題得不到解決，這樣的情況仍會(huì)再次發(fā)生。正視傳統(tǒng)修繕技術(shù)的缺失并尋求創(chuàng)新和突破，研究遵守修繕原則并選擇符合當(dāng)前科技發(fā)展情況的新技術(shù)，是當(dāng)前古建筑修繕技術(shù)創(chuàng)新的課題。

1 傳統(tǒng)修繕技術(shù)概況

傳統(tǒng)修繕技術(shù)選材嚴(yán)苛、工藝復(fù)雜、耗時(shí)耗力，且從業(yè)人員數(shù)量有限，多以師徒間口傳心授的方式來獲得延續(xù)，工匠們大多并不擅長用文字和圖紙進(jìn)行記錄。歷史上能夠?yàn)槲覀兲峁┩暾慕ㄖ蘅樂椒ú⒘鱾飨聛淼?，只有宋代李誡所著的《營造法式》和清朝的《工程做法則例》，但本質(zhì)上并不是建筑學(xué)專著，而是朝廷頒布的關(guān)于建筑的規(guī)范和制度，類似于今天政府頒布的建筑規(guī)范和建筑法規(guī)[1]。雖然近幾十年我國古建筑修繕專家撰寫了許多修繕技術(shù)方面的著作，將歷史建筑按照木作、瓦石、泥漆幾大類型修繕技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)[2]，但是要將理論研究應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目修繕中，單獨(dú)依靠建筑師或工匠很難完成?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代到來之前，對(duì)于需要修繕的古建筑，其前期的勘察測繪都通過人工完成?？辈祀A段主要通過表面觀察的方法；古建筑傳統(tǒng)測繪大致分為草圖勾畫、尺寸測量、測稿整理、儀器草圖繪制、總平面圖測繪和計(jì)算機(jī)輔助制圖[3]，測量工具大致分為手工測量工具（皮尺，垂球、細(xì)線）和測量儀器（測距儀、標(biāo)線儀等）[4]。由于很多位于視覺盲區(qū)的隱蔽區(qū)域難以捕捉，且測繪所得的數(shù)據(jù)數(shù)目龐大，容易遺漏，時(shí)效過低，耗費(fèi)了過多的人力物力。

古建筑修繕有著周期性，不同的修繕團(tuán)隊(duì)再次修繕之前都需要重新測量，數(shù)據(jù)細(xì)微的不同日積月累會(huì)造成巨大的隱患。由于技術(shù)手段的缺乏和得不到有效及時(shí)的修繕，一部分慘損嚴(yán)重甚至只剩遺址的古建筑直接使用現(xiàn)代的鋼筋混凝土進(jìn)行復(fù)原修繕，變成了仿古建筑，失去了其歷史價(jià)值，情況不容樂觀。

圖1 崇教寺建筑及周圍搭設(shè)的房屋

圖2 三維掃描技術(shù)應(yīng)用流程

圖3 現(xiàn)存大成殿外部靶點(diǎn)標(biāo)設(shè)

2 三維激光掃描技術(shù)

2.1 三維激光掃描技術(shù)的概念

所謂三維激光掃描技術(shù)，就是借助計(jì)算機(jī)和三維掃描儀獲取物體表面每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)、反射率等信息，根據(jù)龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息快速構(gòu)建出三維彩色模型，實(shí)現(xiàn)三維、高效、精準(zhǔn)、非接觸的測量，其中，三維激光掃描儀的精度可以達(dá)到微米，并且支持凹凸不平的建筑細(xì)部掃描。在歷史建筑修繕前期測繪中，三維激光掃描技術(shù)有著突出的表現(xiàn)。

2.2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

2.2.1 項(xiàng)目概況

筆者進(jìn)行實(shí)地調(diào)研測繪的崇教寺大成殿位于遼寧省營口市蓋州市，有著兩千多年的歷史，曾是東北地區(qū)重要的通商口岸?，F(xiàn)存的蓋州古城建造于明朝洪武年間，崇教寺原址就坐落于蓋州古城的西門口。明清時(shí)期，蓋州人尊崇儒術(shù)，以道德之風(fēng)教化世人，崇教寺成為當(dāng)?shù)匚娜巳迳奂膱鏊?，被稱為蓋州的“孔子廟”。原址在清朝康熙年間重新修建，重建的崇教寺距今已有300多年的歷史。

在對(duì)崇教寺前期考察調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)院內(nèi)僅存大成殿、大成門及東配廡，在2014年被列為省級(jí)文物保護(hù)單位之前，曾作為民用建筑，先后用作游戲廳、臺(tái)球廳、網(wǎng)吧等，古建筑殘損嚴(yán)重。主殿大成殿周圍搭建了許多房屋（圖1），更換了門窗和地面，對(duì)宮殿外立面造成很大傷害；屋頂瓦件吻獸缺失、風(fēng)化嚴(yán)重，雜草叢生；大殿臺(tái)基湮滅，內(nèi)部后檐柱糟朽，地面磚缺損且柱頂石淹沒于地面。

2.2.2 修繕測繪中的應(yīng)用

對(duì)于古建筑勘察測繪，若僅僅依靠傳統(tǒng)人工記錄數(shù)據(jù)、標(biāo)尺測繪等手段，很難將建筑殘損部分精確地表達(dá)出來，因此，對(duì)崇教寺大成殿進(jìn)行的三維激光掃描測繪，流程如圖2所示。

為了完整地掃描出大成殿建筑外部立面情況，在拆除周圍搭設(shè)房屋的基礎(chǔ)上，設(shè)立6個(gè)主要控制點(diǎn)，確保各個(gè)靶點(diǎn)相互補(bǔ)充和通透可視（圖3）。標(biāo)設(shè)站點(diǎn)能夠滿足測繪距離和所需精細(xì)程度的要求，站點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)使大殿外部數(shù)據(jù)形成一個(gè)整體。

在實(shí)際測繪中，對(duì)大成殿內(nèi)部進(jìn)行靶點(diǎn)鋪設(shè)時(shí)，為了保證轉(zhuǎn)換精度，公共點(diǎn)采用特制的球形標(biāo)靶和平面標(biāo)靶，盡可能讓每個(gè)掃描點(diǎn)形成最適宜的三角形或者多邊形。由于大成殿內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜和現(xiàn)場采集條件等原因，采取分層多次掃描的方法，以獲得更多的數(shù)據(jù)來構(gòu)建模型。大成殿內(nèi)部的站點(diǎn)標(biāo)設(shè)如圖4所示。所獲得的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過拼接、去噪、抽稀、精簡、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等步驟，生成完整、精細(xì)的三維模型。

圖4 大成殿內(nèi)部站點(diǎn)標(biāo)設(shè)(藍(lán)色標(biāo)注）

圖5 大成殿西立面的剖切示意圖

由于中國古建筑有著復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)和精細(xì)的建筑構(gòu)件，每一棟古建筑存在的殘損和形變也各不相同。在應(yīng)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和精細(xì)程度要求較高的古建筑修繕時(shí)，三維激光掃描就需要搭設(shè)外部腳手架來輔助測繪，根據(jù)建筑物的高度、數(shù)據(jù)所需的精細(xì)程度和現(xiàn)有的設(shè)備條件來選擇靶點(diǎn)位置和剖切平面，將掃描獲得的點(diǎn)云分析圖和手工測繪圖紙相結(jié)合，能夠精確地分析出梁和柱當(dāng)前的形變、收分和側(cè)腳，再與歷史資料進(jìn)行對(duì)比，就能得到準(zhǔn)確程度較高的現(xiàn)狀圖。如圖5即為經(jīng)三維激光掃描對(duì)比后得到的大成殿西立面的剖切示意圖。除了在掃描過程中應(yīng)用垂直剖切的方法來獲得更加完整的數(shù)據(jù)，在將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD等繪圖軟件之前，同樣可以通過Cyclone 9.1 軟件的 Cutplane 切片功能，分別對(duì)水平和垂直兩個(gè)方向?qū)c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理，切片的薄厚和所需要的精度相關(guān)，直到能分辨出建筑的屋脊、檐口、窗檻的清晰輪廓和界限，為接下來的輪廓線描繪做好準(zhǔn)備。

在崇教寺大成殿的實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，由于四周搭設(shè)的房屋，古建筑表面墻體和檐口被破壞得最為嚴(yán)重，墻面的平整度和收分已經(jīng)不能單純依靠手工測繪完全表達(dá)出來。在三維激光掃描技術(shù)的幫助下，我們快速獲取了古建筑墻面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依靠柱網(wǎng)軸線和點(diǎn)云所形成的參考平面，對(duì)墻體的收分和平整程度進(jìn)行詳細(xì)分析，再與實(shí)地調(diào)研的照片和測量數(shù)據(jù)圖紙相結(jié)合，從而獲得了大成殿墻體的現(xiàn)狀（圖6）。

三維掃描技術(shù)能夠?qū)⒔ㄖ拔奈锏某叽?、材質(zhì)、色彩、細(xì)微的紋理、殘損表達(dá)出來，為之后的修繕設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。目前，國內(nèi)已有很多古建筑將三維激光掃描應(yīng)用到了前期測繪和三維建模上，例如頤和園大戲樓、佛香閣、故宮擷芳殿、洛陽安國寺大雄殿等；此外，古城村落遺址同樣也可以運(yùn)用三維掃描技術(shù)。

2.2.3 模型信息存檔中的應(yīng)用

除了在修繕前期測繪中的應(yīng)用以外，三維掃描技術(shù)在古建筑修繕模型構(gòu)建和信息表達(dá)同樣具有實(shí)效性，通過掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的計(jì)算機(jī)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)古建筑修繕信息的保存、延續(xù)和傳播，結(jié)合3D MAX或Revit等軟件，對(duì)古建筑文物的歷史和現(xiàn)狀信息進(jìn)行數(shù)字化存檔,完成生物學(xué)中“遺產(chǎn)生命周期”這一過程。古建筑的歷史價(jià)值、精神和物質(zhì)價(jià)值都能在完整精準(zhǔn)的信息模型中得到體現(xiàn)，其轉(zhuǎn)化過程如圖7所示。

圖6 大成殿北立面墻體現(xiàn)狀剖面圖

圖7 點(diǎn)云生成模型過程[5]

圖8 系統(tǒng)掃描原理坐標(biāo)圖

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

在應(yīng)用新技術(shù)之前，有一點(diǎn)需要明確：古建筑的設(shè)計(jì)、修繕、復(fù)原從來都不是技術(shù)和數(shù)據(jù)的堆砌，它有著更多人文和藝術(shù)的內(nèi)涵。傳統(tǒng)勘察測繪除了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量以外，更多的是通過人的視覺、觸覺來感知建筑，所有心得體會(huì)都會(huì)在之后古建筑修繕設(shè)計(jì)中得到體現(xiàn)，這是軟件模型信息所不能提供的。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，同樣存在以下問題。

（1）根據(jù)三維激光掃描系統(tǒng)的掃描原理，原始數(shù)據(jù)主要包括反射鏡在水平方向的旋轉(zhuǎn)角度α、在豎直方向的旋轉(zhuǎn)角度θ和激光反射掃描點(diǎn)到儀器坐標(biāo)中心的距離S，系統(tǒng)掃描原理坐標(biāo)圖如圖8所示。由于外部條件的變化和儀器的缺陷會(huì)造成不同程度的系統(tǒng)誤差和偶然誤差，測量所獲得的數(shù)據(jù)存在大量游離的點(diǎn)云，雖然可以通過去噪步驟減少誤差的影響，但仍會(huì)對(duì)接下來的三維模型生成造成很大的障礙（特別是在古建筑模型精度要求較高的情況下）。因此，靶點(diǎn)的標(biāo)設(shè)并非是固定的。由于崇教寺大成殿內(nèi)部存在券門封堵、窗扇檻框缺失、柱頂石淹沒于地面等問題，根據(jù)實(shí)際需要，我們改變了測站儀器的架設(shè)位置，在不同角度多次觀測（圖9），將多角度多次測量所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉對(duì)比，快速地消除掉隨機(jī)性很強(qiáng)的游離點(diǎn)云數(shù)據(jù)；此外，對(duì)于一部分儀器的缺陷造成的系統(tǒng)誤差，其分布方式大致符合高斯正態(tài)分布，可以根據(jù)公式來選取數(shù)據(jù)的平均值抵消或減弱誤差帶來的影響。

（2）雖然最先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)精度能夠達(dá)到微米，通過Geomagic、Polyworx等工程軟件可以生成高精度的NERBUS模型，但這種方式需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)異常龐大，建模時(shí)間很長，不能滿足當(dāng)前一些古建筑保護(hù)工程的工期要求；而若將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Microstation、Auto CAD等軟件中，雖然數(shù)據(jù)量較小，建模時(shí)間也很短，但要是古建筑本身殘損嚴(yán)重，如焚毀、僅存遺址或擁有過于復(fù)雜的構(gòu)件和衍生模型等，就很難通過三維激光掃描技術(shù)獲取完整數(shù)據(jù)，需要通過其他測繪手段和方法進(jìn)行補(bǔ)充。在崇教寺大成殿的前期調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，檐口、屋脊、雀替和窗扇都已缺失，周圍搭建的房屋遮擋了大面積的建筑外立面，無法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。筆者在查找了大成殿歷史資料，并調(diào)研蓋州市周邊相同年代建筑后，決定應(yīng)用清代重建時(shí)的營造法式[5]來填補(bǔ)和復(fù)原大成殿圖紙缺失的部分（圖10）；對(duì)于構(gòu)件復(fù)雜的紋理和色彩，則采用數(shù)碼相機(jī)采集的傳統(tǒng)方式，在模型中進(jìn)行貼圖處理，彌補(bǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不足。

被稱為360°實(shí)景復(fù)制技術(shù)的三維激光掃描技術(shù)，除了能夠主動(dòng)實(shí)現(xiàn)非接觸、快速高效的實(shí)時(shí)測繪，也為修繕前期提升了更多的工作效率，技術(shù)所需操作人員少，確保了修繕人員的人身安全。相比較沒有數(shù)據(jù)和坐標(biāo)系作為依托的古建筑照片，這項(xiàng)新興技術(shù)最突出的優(yōu)勢在于對(duì)于信息數(shù)據(jù)的采集、篩選、整理和轉(zhuǎn)化，能夠精準(zhǔn)地將掃描所獲得的原始坐標(biāo)點(diǎn)云轉(zhuǎn)化成三維模型，是建筑遺產(chǎn)“全生命周期”管理中最基礎(chǔ)的一環(huán)。種種技術(shù)優(yōu)勢讓研究者看到了這項(xiàng)技術(shù)在古建筑修繕領(lǐng)域更多的可能，但針對(duì)三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，同樣需要我們用傳統(tǒng)的測繪方法進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)。因此，在對(duì)需要修繕的古建筑場地進(jìn)行實(shí)地勘測和分析之后，將三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)測繪技術(shù)相結(jié)合，可以有效地縮短修繕工期和節(jié)省修繕預(yù)算，更加快速地獲得古建筑信息模型，為接下來的復(fù)原工作打下良好的基礎(chǔ)。

圖9 大成殿內(nèi)部增設(shè)靶點(diǎn)（紅色標(biāo)注）

圖10 大成殿歷史照片和清代窗檻營造法式

4 結(jié)語

新興技術(shù)隨著科技的進(jìn)步逐漸完善，三維激光掃描技術(shù)具有三維的、高精度、高效率、節(jié)省人力物力資源等突出特點(diǎn)，不僅在文物修復(fù)中有突出表現(xiàn)[6]，在實(shí)際項(xiàng)目的調(diào)研測繪和修繕中，相對(duì)于傳統(tǒng)測繪和修繕技術(shù)更具有優(yōu)勢。在遵循修繕原則和傳承傳統(tǒng)測繪修繕技術(shù)的基礎(chǔ)上，將新技術(shù)合理地應(yīng)用到歷史建筑修繕技術(shù)流程中，彌補(bǔ)傳統(tǒng)修繕方式的不足，使新舊技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，以更高的效率和更高的質(zhì)量為當(dāng)前急需修繕和保護(hù)的歷史建筑提供有力的技術(shù)保證。