沙楚翹 張軍軍 洪道寧 張宏

石塔作為中華文化傳承的重要物質(zhì)載體之一，不僅是建筑遺產(chǎn)的重要部分，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和構(gòu)造手法，充分反映了古代匠人的營(yíng)造技術(shù)水平和藝術(shù)創(chuàng)造力。南京棲霞寺藏經(jīng)樓東側(cè)的舍利塔，作為南唐時(shí)代少有的石構(gòu)密檐式佛塔，被認(rèn)為是我國(guó)佛塔由“古拙時(shí)期”發(fā)展到“繁麗時(shí)期”的重要過(guò)渡[1]，也是我國(guó)五代南唐時(shí)期石構(gòu)建筑的杰出瑰寶之一，具有極高的保護(hù)價(jià)值。因自然風(fēng)化和侵蝕等原因，現(xiàn)存棲霞寺舍利塔于1921年由劉敦楨先生和1993年由國(guó)家文物局進(jìn)行了兩次測(cè)繪和修繕。然而這兩次測(cè)繪修繕更偏向于搶救性修復(fù)保護(hù)，留下的存檔資料相對(duì)較少，給后世的預(yù)防性保護(hù)增加了難度。

近年來(lái)，三維掃描技術(shù)被引入文物建筑測(cè)繪和研究領(lǐng)域，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二維測(cè)繪的缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)的測(cè)繪方式相比，基于三維掃描技術(shù)的數(shù)字化測(cè)繪，在高效率的同時(shí)兼具了高精度和高完整度。然而，現(xiàn)有的測(cè)繪方式依然停留在表層，通常將文物表面作為整體進(jìn)行數(shù)據(jù)創(chuàng)建，缺乏構(gòu)件級(jí)別的研究。因此，本研究將構(gòu)件分件技術(shù)融入棲霞寺舍利塔的數(shù)字化信息采集和數(shù)據(jù)重建，形成虛擬石質(zhì)文物構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)，為今后的文物重建和修繕提供信息支持，使建筑文化遺產(chǎn)瑰寶得以長(zhǎng)存。

1 古建筑測(cè)繪歷史回顧

1.1 二維測(cè)繪模式及缺陷

自1932年伊始，營(yíng)造學(xué)社的先賢們?yōu)榱私庵袊?guó)古代建筑、解讀營(yíng)造法式，進(jìn)行了數(shù)次古建筑調(diào)查測(cè)繪，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)建筑遺產(chǎn)測(cè)繪的先河[2]。這種古建筑測(cè)繪主要依賴(lài)拍照技術(shù)、工具測(cè)量和手工記錄，同時(shí)輔以一定的調(diào)查。但受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段，現(xiàn)存在案的測(cè)繪存檔僅存留當(dāng)時(shí)的黑白照片及手繪的二維相關(guān)圖紙。這些文件不僅在測(cè)量的尺寸上存在誤差，而且修繕過(guò)程中的修補(bǔ)位置、尺寸、所選用材料等信息也難以完整記錄存檔。

我國(guó)高等院校的相關(guān)專(zhuān)業(yè)也較早開(kāi)設(shè)古建筑測(cè)繪類(lèi)課程，并取得了一定的成果。然而這種測(cè)繪活動(dòng)大多是學(xué)生在老師的帶領(lǐng)下，近距離接觸古建并進(jìn)行二維的測(cè)量和記錄，然后依據(jù)數(shù)據(jù)整理結(jié)果繪制復(fù)原草圖。此類(lèi)測(cè)繪同樣基于視覺(jué)可見(jiàn)的建筑表面，無(wú)法深入建筑內(nèi)部構(gòu)件。

傳統(tǒng)的測(cè)繪方式難以滿(mǎn)足當(dāng)下對(duì)古建筑精準(zhǔn)記錄、數(shù)據(jù)重現(xiàn)、分析保護(hù)、多重展示的需求。若這些信息能完整留存下來(lái)并被合理地研究使用，將對(duì)文物保護(hù)從搶救性保護(hù)轉(zhuǎn)向搶救性與預(yù)防性保護(hù)并重的新模式產(chǎn)生較大的幫助。基于上述問(wèn)題，從二維測(cè)繪轉(zhuǎn)變?yōu)槿S測(cè)繪，特別是基于信息模型的構(gòu)件化測(cè)繪的必要性日益凸顯。三維信息采集方法結(jié)合相應(yīng)的軟件工作流，可幫助研究思維轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)表達(dá)和協(xié)同能力的同步突破。與此同時(shí)，以三維信息模型為基礎(chǔ)的信息模型技術(shù)，能提供可記錄古建筑構(gòu)件全生命周期的信息載體，記錄內(nèi)容包括且不限于構(gòu)件損傷率、文物損傷率、重量、材料以及修繕記錄等不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的各類(lèi)信息。

1.2 構(gòu)件化測(cè)繪

建筑是由構(gòu)件組成的，基于構(gòu)件邏輯的測(cè)繪，可以為古建筑保護(hù)提供更精細(xì)化的幫助。首先，對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)合理的分類(lèi)、分級(jí)和分件，可以幫助文保工作者進(jìn)一步提升對(duì)古建筑營(yíng)造邏輯的理解。其次，基于構(gòu)件指導(dǎo)的測(cè)繪研究，可以幫助負(fù)責(zé)構(gòu)件層級(jí)的人員進(jìn)行修復(fù)分工，合理保護(hù)和研究不同類(lèi)別的殘損構(gòu)件，使修復(fù)工作具有針對(duì)性，提高協(xié)同工作的效率。因此，石塔構(gòu)件化測(cè)繪可以為石質(zhì)文物的預(yù)防性保護(hù)提供構(gòu)件級(jí)別的三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是預(yù)防性遺產(chǎn)保護(hù)的重要技術(shù)。

2 基于構(gòu)件法的棲霞寺舍利塔三維信息采集和分件研究

在測(cè)繪領(lǐng)域，三維掃描技術(shù)是GPS（全球定位系統(tǒng)，Global Positioning System）技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命，它的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模式，推進(jìn)了文保領(lǐng)域的研究。但是三維掃描技術(shù)目前僅能精準(zhǔn)獲取采集對(duì)象的外觀數(shù)據(jù)，無(wú)法直接探明其內(nèi)部組成方式。僅憑中國(guó)古代石塔類(lèi)建筑的表層數(shù)據(jù)，難以提供行之有效的預(yù)防性保護(hù)，因此本研究創(chuàng)新性地使用了三維掃描儀、無(wú)人機(jī)傾斜攝影和探地雷達(dá)組合的多重信息采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了古建筑數(shù)字化測(cè)繪的進(jìn)步。

2.1 三維信息采集

棲霞寺舍利塔測(cè)繪選用的三維數(shù)據(jù)采集方法主要為兩類(lèi)：三維激光掃描儀和無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集現(xiàn)狀外觀信息，探地雷達(dá)采集基座束腰以下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。

2.1.1 三維掃描儀

傳統(tǒng)二維測(cè)繪工作通常需要搭架子和攀爬等工作，容易對(duì)石質(zhì)文物產(chǎn)生破壞。基于保護(hù)的目的，本次測(cè)繪選用了相位式三維激光掃描儀進(jìn)行全方位、非接觸式的信息采集。對(duì)易產(chǎn)生誤差和復(fù)雜數(shù)據(jù)的采集區(qū)，如塔檐、塔剎等位置，數(shù)據(jù)測(cè)繪點(diǎn)保持了30%左右的重疊。在不觸碰舍利塔的前提下，快速完成對(duì)目標(biāo)的三維掃描儀采集記錄，獲得可編輯的高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件（圖1），測(cè)量誤差小于5mm，具有較高的原真性。

2.1.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

在古建筑測(cè)繪領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有較好的靈活性和高覆蓋率等優(yōu)勢(shì)，提升了構(gòu)件現(xiàn)狀信息采集的完整度。例如，石塔出檐頂部等難以攀爬或目視不到的地方，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)更容易獲得真實(shí)且全面的紋理貼圖。該技術(shù)通過(guò)特定軟件對(duì)獲取的圖像進(jìn)行快速匹配算法，獲得拍攝對(duì)象的數(shù)字表面模型、正射影像以及側(cè)面影像，最終拼合形成三維實(shí)景模型[3]。確定拍攝路線(xiàn)和參數(shù)后，在陰天的情況下使用無(wú)人機(jī)在規(guī)劃點(diǎn)位進(jìn)行詳細(xì)拍攝，最后完成數(shù)據(jù)處理形成模型（圖2）。

2.1.3 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)是近年發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)損探測(cè)技術(shù)，具有速度快、過(guò)程連續(xù)和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理是在探測(cè)設(shè)備的移動(dòng)過(guò)程中，定時(shí)發(fā)射出脈沖電磁波并不斷接受目標(biāo)體的反射波，通過(guò)讀取反射波的傳播時(shí)間，計(jì)算反射面深度，形成雷達(dá)剖面圖像，并由此判讀確定目標(biāo)體的分布特征[4]（圖3）。探地雷達(dá)在本次測(cè)繪中的主要目標(biāo)，是以不破壞文物的方式勘探舍利塔基座束腰以下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。通過(guò)提取探地雷達(dá)各類(lèi)雜波數(shù)據(jù)（圖4）并去粗存精后，得到基座一至五層外構(gòu)件尺寸。

這三種三維數(shù)據(jù)采集方式各具優(yōu)勢(shì)，獲得的數(shù)據(jù)類(lèi)型也相互補(bǔ)充，組合搭建出棲霞寺舍利塔三維模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為分件研究提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。在外觀層面上，三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)相對(duì)更完整、真實(shí)且支持相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)貼圖更詳盡；探地雷達(dá)則支撐了內(nèi)在構(gòu)造數(shù)據(jù)的研究，使得整個(gè)三維模型有了質(zhì)的飛躍。

2.2 舍利塔分件研究

我國(guó)的古建筑與構(gòu)筑物在構(gòu)件形制、組合和裝配建造方面有一定規(guī)律，一些建構(gòu)邏輯甚至延續(xù)至今。因此通過(guò)對(duì)現(xiàn)存的古石質(zhì)建筑資料進(jìn)行研究，并結(jié)合常用的建造分件邏輯，有利于對(duì)石塔類(lèi)文物進(jìn)行建造邏輯的歸納、總結(jié)與推斷。通過(guò)對(duì)三維掃描技術(shù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉解析和推斷，可以推測(cè)得到石質(zhì)建筑的完整內(nèi)部構(gòu)成信息。

1 高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件

2 無(wú)人機(jī)測(cè)繪成果合并圖

3 探地雷達(dá)工作原理

4 探地雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖

2.2.1 外部分件

古代石塔類(lèi)建筑的構(gòu)件具有一定的規(guī)律，構(gòu)件之間的交接做法相對(duì)固定，因此對(duì)構(gòu)件進(jìn)行外部觀察分析是最直接的分件研究途徑。

棲霞寺舍利塔基座的層間和層內(nèi)構(gòu)件之間均有較為清楚的縫隙（圖5），同層級(jí)的構(gòu)件交界處也存在肉眼可見(jiàn)的灰縫（圖6,7）。結(jié)合探地雷達(dá)所測(cè)構(gòu)件深度，基本可推斷出舍利塔一至五層構(gòu)件形態(tài)和分件方式。其余層級(jí)因高度所限，使用文獻(xiàn)對(duì)比研究，綜合推測(cè)完整剖面。

2.2.2 內(nèi)部分件

地域文化對(duì)建筑往往有著深遠(yuǎn)的影響，加之古代社會(huì)的信息傳播速度緩慢，因此本次研究以相似區(qū)位、時(shí)代、材質(zhì)及高度作為篩選標(biāo)準(zhǔn)，選取了西安薦福寺小雁塔、靈隱寺兩石塔和浙江瑞安垟坑石塔作為對(duì)比對(duì)象，進(jìn)行結(jié)構(gòu)剖面類(lèi)比分析（圖8）。

棲霞寺舍利塔自臺(tái)階以上算起，總高18.04m[5]，基于探地雷達(dá)數(shù)據(jù)可以判定，其外表面構(gòu)件未直接延伸至塔心，內(nèi)外有兩種材質(zhì)。始建于相似年代的西安薦福寺小雁塔結(jié)構(gòu)為“空筒式”，為唐代最普遍的塔結(jié)構(gòu)形式，基于傳承的原因，五代時(shí)期始建的棲霞寺有可能參考了該營(yíng)造結(jié)構(gòu)。而靈隱寺兩石塔始建于公元950年，皆為八面9層樓閣式實(shí)心石塔，高度在11.5m左右，底徑約2.5m，營(yíng)造方式為構(gòu)件堆砌沒(méi)有填心[6]。瑞安垟坑石塔始建于公元1071年，仿木樓閣式實(shí)心石塔，因2006年落架大修過(guò)，因此查閱到該塔為外部石構(gòu)和內(nèi)部填芯的結(jié)構(gòu)（圖9）。其外部石構(gòu)件大小不齊、深淺不一，但重心大致落在同一直線(xiàn)上，塔心內(nèi)部填芯為塊石[7]。

垟坑石塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參考價(jià)值相對(duì)最大。棲霞寺舍利塔雖然是實(shí)心石塔，但探地雷達(dá)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)佐證其內(nèi)部構(gòu)造可分為外表面石構(gòu)件和內(nèi)部填心兩個(gè)部分?；诮ㄔ旃に囅拗频脑颍瑯?gòu)件內(nèi)部應(yīng)略微向塔心傾斜，如此可保證石構(gòu)件重心大致垂直，構(gòu)造穩(wěn)固合理[8]。綜合運(yùn)用文獻(xiàn)和采集后的數(shù)據(jù)，可推測(cè)出棲霞寺舍利塔的剖面構(gòu)造圖（圖10），其中內(nèi)部填芯可能為不規(guī)則碎石，接縫處注入泥漿。

5 棲霞寺舍利塔基座縫

6 棲霞寺舍利塔一層縫

7 棲霞寺舍利塔三層縫

3 石質(zhì)文物構(gòu)件數(shù)據(jù)系統(tǒng)

石質(zhì)文物的修繕和復(fù)原工作需要精確的、工程化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此有必要建立石質(zhì)文物構(gòu)件的全信息數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫(kù)?；谌S信息采集和文獻(xiàn)研究取得的數(shù)據(jù)群組，可以模擬石質(zhì)文物構(gòu)件的建造和修復(fù)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)虛擬模型與真實(shí)石質(zhì)文物的耦合對(duì)比，進(jìn)而優(yōu)化相關(guān)建造與修繕步驟，保證石質(zhì)文物再造與修繕工作的可靠性與系統(tǒng)性。

3.1 構(gòu)件數(shù)據(jù)重造系統(tǒng)

棲霞寺舍利塔構(gòu)件數(shù)據(jù)重造系統(tǒng)是數(shù)字化構(gòu)件信息優(yōu)化處理的流程之一，構(gòu)件重造主要利用3D打印精準(zhǔn)高效的特點(diǎn)，將前期信息合并優(yōu)化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入相應(yīng)軟件進(jìn)行修復(fù)和算法修正，然后復(fù)原打印，可以獲得高度相似的還原構(gòu)件（圖11）。

3.2 基于BIM的全息數(shù)據(jù)構(gòu)件庫(kù)

建立石質(zhì)文物虛擬構(gòu)件庫(kù)，能夠有效合理地整合虛擬數(shù)據(jù)，數(shù)字化記錄對(duì)應(yīng)構(gòu)件的屬性信息（如材質(zhì)信息、工藝技法、損耗情況等），有效提高石質(zhì)文物保護(hù)的前瞻性與科學(xué)性。

在本研究中，石質(zhì)文物虛擬構(gòu)件庫(kù)采用BIM軟件Revit，因其可以加載構(gòu)件信息并進(jìn)行編輯，便于文物類(lèi)不同構(gòu)件的精細(xì)化管理。將導(dǎo)入三維掃描信息模型的構(gòu)件文件轉(zhuǎn)化為IFC格式，并帶有尺寸和重量等信息，完成全信息儲(chǔ)存流程。通過(guò)插件開(kāi)發(fā)，Revit數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)會(huì)整合相應(yīng)數(shù)據(jù)并建立石質(zhì)文物構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)，相關(guān)人員可以方便地調(diào)取和使用（表1）。

8 塔類(lèi)比對(duì)

表1 構(gòu)件信息表

9 瑞安垟坑石塔內(nèi)部填芯

10 棲霞寺舍利塔剖面推測(cè)

11 棲霞寺舍利塔構(gòu)件及還原構(gòu)件

4 結(jié)語(yǔ)

本研究以棲霞寺舍利塔為例，從建筑測(cè)繪歷史發(fā)展和建筑構(gòu)件組合出發(fā)，將構(gòu)件原理應(yīng)用到建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，提出了一套基于三維信息采集技術(shù)和文獻(xiàn)研究的石塔測(cè)繪技術(shù)和方法，對(duì)南京棲霞寺舍利塔進(jìn)行從整體到構(gòu)件的數(shù)字化測(cè)繪和構(gòu)件還原研究。通過(guò)構(gòu)件分件技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重造，并建立了石質(zhì)文物構(gòu)件庫(kù)，為石塔類(lèi)文物的模擬、修繕和重生提供了數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)，有效推動(dòng)了石塔類(lèi)建筑遺產(chǎn)的預(yù)防性保護(hù)。

圖片來(lái)源

1-4,8作者自繪

5-7,9作者自攝

10來(lái)源于文獻(xiàn)[5]

11來(lái)源于文獻(xiàn)[7]

表格來(lái)源

1作者自繪