倪燕翎 趙玉嫻 王琨 鄭敏

摘要：古建筑是珍貴的文化遺產(chǎn)，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(yuǎn)資料影像遺失等因素影響，傳統(tǒng)的古建筑修繕保護(hù)方式已無法滿足當(dāng)下可復(fù)原、能完善、尺寸準(zhǔn)、工法恰當(dāng)?shù)染?xì)化、信息化管理研究運(yùn)營的需求。而BIM技術(shù)結(jié)合三維掃描，則能夠?qū)⒐沤ㄖM(jìn)行數(shù)字化建模、原樣再現(xiàn)，具有準(zhǔn)確記錄、VR交互、原味傳承等優(yōu)勢。文章分析當(dāng)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(jī)傾斜攝影、高精度正射影像繪圖技術(shù)，以BIM建筑信息模型為載體，結(jié)合GDL程序設(shè)計，建立參數(shù)化構(gòu)件族，精細(xì)化古建筑數(shù)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(tǒng)，構(gòu)件節(jié)點細(xì)節(jié)、工部做法，為古建筑的修繕與保護(hù)提供直觀、三維、準(zhǔn)確、可交互的高效數(shù)字化支持。

關(guān)鍵詞：古建筑；BIM；GDL；數(shù)字化；修復(fù)

一、古建筑維護(hù)修復(fù)與保護(hù)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(fēng)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(jīng)失傳。這些載附著歷史靈魂的古建筑，亟需用現(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)方法加以拯救。

（二）古建筑影像資料不全、數(shù)據(jù)缺失

在保護(hù)與恢復(fù)古建筑歷史風(fēng)貌時，往往需要借助歷史影像恢復(fù)。傳統(tǒng)的古建筑信息存?zhèn)浞椒ㄖ饕形淖?、圖片、表格等，但因年代過于久遠(yuǎn)，可能存在儲備信息不完整，或存?zhèn)涞慕ㄖ畔⑽茨芊从痴鎸嶏L(fēng)貌等情況[1]。

近代攝影設(shè)備的出現(xiàn)，為古建筑留下了寶貴的影像資料，但當(dāng)時技術(shù)還停留在起步階段，不具備足夠的清晰度、準(zhǔn)確度，難以測量古建筑的尺寸及其相關(guān)數(shù)據(jù)，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(jìn)程中，我國歷經(jīng)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(jīng)丟失。

（三）古建筑材料難以尋覓、再現(xiàn)

古建筑主要使用傳統(tǒng)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(fù)原材料的處理工藝，無法得到古法的材料性能。實際上相關(guān)部門花了很大力氣對古建筑進(jìn)行修繕、重建，但部分工程呈現(xiàn)出來的依然只是現(xiàn)代的油漆、現(xiàn)代的殿堂以及現(xiàn)代的材料，缺少了原汁原味的那種古樸與天然。

（四）古建筑數(shù)據(jù)信息不完整、不規(guī)范

由于年代過于久遠(yuǎn)，古建筑儲存的信息大多不完整。一些尚存建筑的經(jīng)典工藝、工法還能找到殘本或記載，但可能已經(jīng)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(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這些數(shù)據(jù)信息的不完整、不規(guī)范，都使得古建筑維護(hù)修繕面臨有心無力的尷尬境地。

二、基于BIM的古建筑數(shù)字化記錄

（一）利用三維掃描技術(shù)的數(shù)字化

在過去，古建筑保護(hù)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(xiàn)誤差，降低數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)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(shù)則呈現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)勢和作用，不僅適用范圍較廣，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，還可以全面提高測繪的質(zhì)量和效率。三維掃描技術(shù)較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方式下古建筑的數(shù)據(jù)缺失，并可以形成CAD圖紙，極大地提高了古建筑保護(hù)工作中測量、繪制、記錄、出圖的效率。

也可以利用無人機(jī)對建筑進(jìn)行傾斜攝影，將無人機(jī)的點云數(shù)據(jù)與地面激光掃描儀的點云數(shù)據(jù)對齊重構(gòu)模型，形成古建筑整體的點云數(shù)據(jù)；進(jìn)一步還可以測量包含建筑外觀和外部環(huán)境的全景三維模型，使得古建筑的外部與內(nèi)部均得以準(zhǔn)確構(gòu)建，獲得古建筑的完整物理數(shù)據(jù)。

（二）基于BIM建模的復(fù)雜構(gòu)件數(shù)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(tǒng)計、易出圖等優(yōu)勢，有利于減少設(shè)計工作量、降低成本、優(yōu)化設(shè)計流程。基于BIM建模的古建筑數(shù)字化保護(hù)能讓復(fù)雜構(gòu)件復(fù)原設(shè)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(tǒng)計的特點。結(jié)合精密測量技術(shù)，將古建筑模型與信息緊密結(jié)合建立數(shù)字化檔案庫，可在很大程度上減少重復(fù)工作、降低誤差和信息損失。

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

斗拱是中國古建筑中獨(dú)有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其構(gòu)造精巧、造型美觀，但榫卯結(jié)合的特色加大了保護(hù)與修復(fù)的難度。利用BIM進(jìn)行1：1建模，賦予相應(yīng)的信息或參數(shù)，不僅使得斗拱的結(jié)構(gòu)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(fù)保護(hù)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(gòu)造的需求。

（三）基于BIM參數(shù)化的古建筑族庫

古建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模的工作量大。若利用參數(shù)化方式將同類型的構(gòu)件歸為一類，再將同類型的構(gòu)件以參數(shù)約束，便可大幅度提高速度。通常先將古建筑部件進(jìn)行分解，建立參數(shù)化構(gòu)件，需要時將構(gòu)件組裝即可。這種可快速生成部件、精細(xì)化、參數(shù)化的古建筑構(gòu)件族庫，極大提高了古建筑的修復(fù)與保護(hù)效率。圖2對斗拱處的坐斗進(jìn)行參數(shù)化設(shè)定，利用Revit參照線與斗拱邊線鎖定的方式進(jìn)行約束，再標(biāo)記尺寸并關(guān)聯(lián)參數(shù)，對數(shù)值進(jìn)行定義。在族類型中修改數(shù)值，坐斗實體會根據(jù)其參數(shù)的數(shù)值進(jìn)行變化。

三、基于GDL的古建筑構(gòu)件設(shè)計

（一）GDL的應(yīng)用場景

GDL（Geometric Description Language）是一種參數(shù)化程序設(shè)計語言，為智能化參數(shù)驅(qū)動構(gòu)件的基礎(chǔ)。利用GDL語言編譯器可編譯屋頂、欄桿等構(gòu)件的3D幾何形體，并顯示對應(yīng)的2D圖形。它適合大批量形成相同類型但不同尺寸的構(gòu)件，并提供細(xì)化輪廓和精準(zhǔn)尺寸。古建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)精美復(fù)雜，僅靠族并不能完美精準(zhǔn)地再現(xiàn)古建筑的特色，而輔以GDL編程工具進(jìn)行構(gòu)件編輯，可以進(jìn)一步整合成古建族庫。

（二）基于GDL的挑檐桁設(shè)計

GDL支持基本運(yùn)算操作、編程語言和條件語句的運(yùn)用：基本運(yùn)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(chuàng)建形體；條件語句在參數(shù)化構(gòu)件的設(shè)計過程中非常有用，適用于參數(shù)不連續(xù)變化等情況。

GDL利用編輯器主對話框設(shè)置可變參數(shù)，將構(gòu)件的各項尺寸參數(shù)進(jìn)行定義。變量的參數(shù)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(shù)類型可設(shè)置斗口和梁長，變量為d、x，材質(zhì)參數(shù)命名為cz。接著運(yùn)用GDL三維形狀如MATERIAL、PRISM、ADD、ROT、CYLIND等語句創(chuàng)建參數(shù)化挑檐桁模型。在參數(shù)腳本中給變量賦值，其中，可變參數(shù)可直接定義輸入相應(yīng)的值，構(gòu)件尺寸就會根據(jù)輸入的參數(shù)變化。在構(gòu)件調(diào)用時確定變量，包括構(gòu)件的空間位置、尺寸、材質(zhì)，并賦予成本﹑制造商等相關(guān)信息，適用于后期進(jìn)行統(tǒng)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(shù)字化修復(fù)方案

（一）運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)真實準(zhǔn)確記錄和再現(xiàn)古建筑的全貌與細(xì)節(jié)

設(shè)置合理的測站點并架設(shè)三維激光掃描儀，測量建筑實體三維數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場勘測和掃描技術(shù)，生成地表點云數(shù)據(jù)并保存；缺失部分點利用現(xiàn)場勘測補(bǔ)充完整。通過點云數(shù)據(jù)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(zhì)和局部結(jié)構(gòu)外形，如柱梁銜接部分、屋頂部分、細(xì)部欄桿、門窗，為后期建模提供有益參考，在材質(zhì)、色彩上有更好的把控，提高模型的真實性和美觀性。對于復(fù)雜組件，多角度、多渠道、多維度地采集信息，對關(guān)鍵部分進(jìn)行細(xì)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(qū)景點的文字信息、歷史維修信息、周圍地質(zhì)構(gòu)造、水文信息等，以便模型建好后的信息錄入。

（二）通過數(shù)字信息模型，將古建筑以數(shù)字化方式建檔保存

通過點云數(shù)據(jù)得到的圖紙，利用BIM軟件分專業(yè)創(chuàng)建3D模型。木構(gòu)架部分的榫卯結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，需分解為斗拱、梁、枋等組件；又因其種類和數(shù)量均多，可利用參數(shù)化方式分類建模，修改參數(shù)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(jù)收集的影像信息，對模型的材質(zhì)、色彩、紋理替換更改設(shè)定，或細(xì)化、完善，以提高模型精度，有利于進(jìn)一步修復(fù)、再現(xiàn)其全貌，如圖4。

（三）形成古建筑關(guān)鍵構(gòu)件數(shù)據(jù)庫

古建筑的空間數(shù)據(jù)管理，非常契合計算機(jī)系統(tǒng)管理運(yùn)算邏輯，其對數(shù)據(jù)的儲存、加工和數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)⒐沤ㄖy(tǒng)計、圖形、影響等多種數(shù)據(jù)信息，按照特定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為適合計算機(jī)儲存的格式[3]。

過去對古建筑相關(guān)信息的存儲，大多是通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料、實地調(diào)研及走訪，再匯總相關(guān)歷史文件信息、景區(qū)景點的文字信息、歷史維修信息、周圍地質(zhì)構(gòu)造、水文信息等。其中，傳統(tǒng)文本記錄用來保存的古建筑信息或者數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(yīng)物理尺寸，無法還原古建筑修復(fù)所需的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，無法滿足古建研究或古建修復(fù)或文物建筑重建的要求。另一方面，傳統(tǒng)古建筑積累的數(shù)據(jù)信息又面臨著信息量紛亂、數(shù)據(jù)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(shù)字化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是最佳選擇。

古建筑三維模型數(shù)據(jù)庫有利于較好地整合多方面的信息，將數(shù)字信息與三維信息較好地進(jìn)行結(jié)合。古建筑關(guān)鍵構(gòu)件的數(shù)據(jù)以三維線框、表面、實體模型進(jìn)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(nèi)部構(gòu)造、布局[4]，圖5為古建筑數(shù)據(jù)庫的基本構(gòu)架。

（四）利用3D打印技術(shù)對缺失、材料難尋構(gòu)件予以修復(fù)

3D 打印技術(shù)具有多樣性、專業(yè)性、全覆蓋性等特點?，F(xiàn)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(yùn)用 3D 打印技術(shù)的一個巨大優(yōu)勢在于可以將殘缺或損壞的構(gòu)件或者組件，對照前期采集的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，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(yīng)部件的維修替換[5]。

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

（五）結(jié)合VR技術(shù)形成數(shù)字化產(chǎn)品

關(guān)鍵部分的構(gòu)件（例如斗拱）建模后進(jìn)行VR交互功能模擬，能夠更好地展示榫卯結(jié)構(gòu)及其做法。通過VR和人機(jī)交互技術(shù)，不僅在視覺層次將抽象平面的二維圖紙轉(zhuǎn)化為直觀的三維空間模型，而且將過去隱藏的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shè)計的效率。

模型完成后，可將相關(guān)歷史信息、歷史維護(hù)記錄、景區(qū)景點信息、周圍環(huán)境特征以及地質(zhì)構(gòu)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(shù)據(jù)導(dǎo)入，構(gòu)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(rèn)知古建筑提供便利，更有利于設(shè)計人員、運(yùn)營人員日常維護(hù)和動態(tài)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(shù)字化修復(fù)與保護(hù)展望

基于BIM+GDL技術(shù)目前的運(yùn)用雖然尚不成熟，在使用過程中也暴露出模型的質(zhì)量與精度達(dá)不到要求等問題，但將BIM+GDL結(jié)合，用數(shù)字化技術(shù)對古建筑實施記錄、建檔、建庫，用數(shù)字化方式進(jìn)行設(shè)計運(yùn)營維護(hù)，對于傳承古建筑營造技藝、弘揚(yáng)中華傳統(tǒng)文化無疑具有積極意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪梓豪，程?，?，操強(qiáng)，馬曉東.基于BIM技術(shù)的古建筑修復(fù)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(tǒng)民居BIM構(gòu)件庫體系構(gòu)建研究[J].云南民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，31（02）：246-252.

[3]甘斌.數(shù)字化技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2022，51（08）：82-84.

[4]吳志群.古建筑三維模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（29）：114-116.

[5]何原榮，鄭淵茂，潘火平，陳鑒知.基于點云數(shù)據(jù)的復(fù)雜建筑體真三維建模與應(yīng)用[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2016，31（06）：1091-1099.

[6]高溪溪，周東明，崔維久.三維激光掃描結(jié)合BIM技術(shù)的古建筑三維建模應(yīng)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(yuǎn)人。博士，副教授，主要研究方向：BIM 研發(fā)與創(chuàng)新、基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能建造管理與創(chuàng)新。

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

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

鄭敏（1981—），女，漢族，浙江金華人。博士，講師，研究方向：結(jié)構(gòu)工程與BIM設(shè)計