摘要：當(dāng)下的建筑遺產(chǎn)數(shù)字化受限于孤立的數(shù)字技術(shù)的采集、監(jiān)測、管理，存在信息不流通、工作量重復(fù)、效率低下等問題，需要一套以整體視角來統(tǒng)籌全局的解決方式。數(shù)字孿生作為信息時代的先進(jìn)理念，涵蓋了信息采集、管理、預(yù)測、模擬、分析等多方面的理論思想，已經(jīng)有較為完善的理論體系。本文將數(shù)字孿生理念引入建筑遺產(chǎn)保護(hù)中，討論建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的數(shù)字孿生邏輯，將實現(xiàn)理想的建筑遺產(chǎn)數(shù)字孿生分為三個階段，提出建筑遺產(chǎn)數(shù)字孿生的實現(xiàn)路徑與技術(shù)應(yīng)用等級，以期為建筑遺產(chǎn)數(shù)字化的提升發(fā)展提供參考思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；建筑遺產(chǎn)；數(shù)字重現(xiàn)；全生命周期管理；數(shù)字博物館

自1990年代以來，數(shù)字技術(shù)已廣泛應(yīng)用于文化遺產(chǎn)的保護(hù)、研究、交流和管理工作。2003年聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）在《保存數(shù)字遺產(chǎn)憲章》（Charter on the Preservation ofDigital Heritage ）中指出“數(shù)字遺產(chǎn)”（DigitalHeritage）是以數(shù)字方式生成及存儲的，具有長久的價值和意義，應(yīng)當(dāng)為當(dāng)代人和后代人加以保護(hù)和保存的獨特資源和信息[1]。2013、2015年，UNESCO連續(xù)支持召開“國際數(shù)字遺產(chǎn)大會”（Digital Heritage International Conference），對“數(shù)字記錄與采集”“數(shù)字資源保存”“數(shù)字展示與可視化”“數(shù)字內(nèi)容管理與解析”進(jìn)行了探討。2022年，國際文物保護(hù)和修復(fù)研究中心（ICCROM）啟動“可持續(xù)數(shù)字遺產(chǎn)（SDH）”計劃，旨在收集和傳播數(shù)字遺產(chǎn)保存和創(chuàng)造性利用的策略和工具[2][3]。

在建筑遺產(chǎn)領(lǐng)域，數(shù)字遺產(chǎn)則用“文化遺產(chǎn)數(shù)字化”（Heritage Digitization）來表示。近年來，世界范圍內(nèi)以及我國建筑遺產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)字化發(fā)展迅猛，數(shù)字遺產(chǎn)量呈指數(shù)級增長，內(nèi)容的不斷增加和不斷變化的技術(shù)使這項工作變得更加復(fù)雜。大量的建筑遺產(chǎn)進(jìn)行了三維激光掃描或者攝影測量，卻較少進(jìn)行后續(xù)的研究利用，停留于簡單的保存與展示；信息化建設(shè)欠賬，導(dǎo)致建筑遺產(chǎn)監(jiān)測體系建設(shè)中缺乏銜接，實現(xiàn)反應(yīng)性監(jiān)測與智能化監(jiān)測有很大的困難；數(shù)字采集、監(jiān)測、管理等階段多是孤立的，造成信息不流通、工作量重復(fù)、效率低下等問題?；诋?dāng)下建筑遺產(chǎn)數(shù)字化現(xiàn)狀，一套以整體視角來統(tǒng)籌全局的解決方案十分必要。

“數(shù)字孿生”（Digital Twin）是2002年美國密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里夫（MichaelGrieves）為了解決產(chǎn)品的生命周期管理（ProductLifecycle Management）問題提出的數(shù)字化工具[4]。具體而言，數(shù)字孿生是一個使用最佳物理模型、傳感器更新、歷史記錄等內(nèi)容，集成多物理、多尺度、概率模擬的系統(tǒng)，以反映其相應(yīng)的孿生體的生活[5]。經(jīng)過多年的完善與研究補(bǔ)充，包含了物理、動態(tài)、環(huán)境、使用者等先進(jìn)于以往數(shù)字化的理念，符合信息化與智能化的趨勢，在工業(yè)、城市、水利等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用與研究[6][7]。建筑遺產(chǎn)領(lǐng)域?qū)Υ艘灿幸欢ǖ年P(guān)注，如意大利米蘭大教堂通過發(fā)展數(shù)字孿生的概念來預(yù)測磚石建筑遺產(chǎn)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)[8]；上海宋慶齡故居集成多種數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了基于全生命周期管理的文物建筑預(yù)防性保護(hù)綜合運(yùn)維管理系統(tǒng)[9]；浙江湖州山遺址對建筑考古遺跡進(jìn)行了數(shù)字孿生建模[10]。

一、建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的數(shù)字孿生邏輯

邁克爾·格里夫（Michael Grieve）與約翰·維克斯（John Vickers）在其2017年合著的《數(shù)字孿生：緩解復(fù)雜系統(tǒng)中不可預(yù)測、不良的突發(fā)行為》（Digital Twin： Mitigating Unpredictable，Undesirable Emergent Behavior in ComplexSystems ）一書中指出，數(shù)字孿生意指數(shù)字信息是嵌入物理產(chǎn)品本身信息的“雙胞胎”，是一個隨產(chǎn)品生命周期變化的動態(tài)模型，是一個能夠設(shè)計、測試、制造和使用虛擬產(chǎn)品的系統(tǒng)，以減少物理產(chǎn)品實際生產(chǎn)與運(yùn)行中不可預(yù)測的不良突發(fā)行為。在其定義的數(shù)字孿生三維模型中，包括真實空間，虛擬空間，從真實空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)流鏈接，以及從虛擬空間到真實空間和虛擬子空間的信息流鏈接[11]。

將數(shù)字孿生概念引入建筑遺產(chǎn)中， 首先要注意的就是提出數(shù)字孿生的原因——實現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期管理。產(chǎn)品的生命周期包括創(chuàng)建（Creation）、生產(chǎn)（Production）、運(yùn)行（Operations）和處理（Disposal）?；跀?shù)字孿生平臺或者技術(shù)，產(chǎn)品創(chuàng)建階段可以首先進(jìn)行低成本的試驗以及根據(jù)用戶反饋不斷改進(jìn)虛擬實體進(jìn)而改進(jìn)物理實體；產(chǎn)品生產(chǎn)階段可以構(gòu)建整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)模型；運(yùn)行階段能夠在與物理實體等效的虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行故障預(yù)測、健康管理與壽命預(yù)測；處理階段可以為下一代產(chǎn)品保留有價值的信息。

而建筑遺產(chǎn)的全生命周期與產(chǎn)品不同， 由于其被人們所重視珍藏的特殊價值， 建筑遺產(chǎn)不需要被處理， 而是保護(hù)。從重建（Reproduction）開始，到維持（Sustainment） ， 直至可能因為某些原因解體消亡（Disappearance）（圖1）?；跀?shù)字孿生平臺或者技術(shù)，建筑遺產(chǎn)重建階段可以實現(xiàn)所有信息的數(shù)字化保存；維持階段可以管理、監(jiān)測、保護(hù)、研究；若不得已消亡則可以永久保存其曾經(jīng)存在的信息，實現(xiàn)虛擬永生。

建筑遺產(chǎn)的數(shù)字孿生，始自真實的建筑遺產(chǎn)本體，通過對其多類數(shù)據(jù)的采集和集成，構(gòu)建起虛擬建筑遺產(chǎn)。而虛擬建筑遺產(chǎn)通過存儲、分析、處理、決策的信息，也可逆向作用于遺產(chǎn)本體的干預(yù)（如替換構(gòu)件、外觀修復(fù)等等）。真實與虛擬建筑遺產(chǎn)之間的聯(lián)系是雙向的，理想狀態(tài)下一方的變化都會在另一方體現(xiàn)，最終實現(xiàn)虛實共生、迭代運(yùn)行與雙向優(yōu)化。

因此，建筑遺產(chǎn)數(shù)字孿生體由三個部分組成（圖2）：

（1）真實建筑遺產(chǎn)。即在現(xiàn)實空間中實際存在的建筑遺產(chǎn)以及其包含的以物理或其他形式存在但未被數(shù)字化的信息。

（2）虛擬建筑遺產(chǎn)。即包含著建筑遺產(chǎn)在實體狀態(tài)與虛擬狀態(tài)下產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)與信息的虛擬對象模型。

虛擬建筑遺產(chǎn)生成后主要應(yīng)用于綜合管理平臺和數(shù)字博物館。綜合管理平臺面向管理人員，為建筑遺產(chǎn)從被動的“搶救性保護(hù)”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥摹邦A(yù)防性保護(hù)”提供科學(xué)有效的依據(jù)，也是實現(xiàn)全生命周期管理的工具。數(shù)字博物館面向大眾，主要呈現(xiàn)三維空間圖景與信息資源，能極大地促進(jìn)建筑遺產(chǎn)基礎(chǔ)信息資源的社會共享及其歷史、藝術(shù)、文化、科學(xué)價值的傳播。

（3）數(shù)據(jù)與信息。即從真實建筑遺產(chǎn)中獲取的數(shù)據(jù)以及由虛擬建筑遺產(chǎn)產(chǎn)生的信息。

真實建筑遺產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)除了基礎(chǔ)的空間圖形數(shù)據(jù)，還有歷史信息（歷史變遷、影像資料、構(gòu)建方式、建筑材料、建筑產(chǎn)權(quán)等），保護(hù)信息（未來規(guī)劃、遺產(chǎn)研究、管理制度等），以及反映建筑遺產(chǎn)存在狀態(tài)的動態(tài)信息（位移形變、沉降變化、溫濕度、人流量等）。虛擬建筑遺產(chǎn)產(chǎn)生的信息包括管理、分析、反饋等產(chǎn)生的信息。

總的來說，可以歸納出建筑遺產(chǎn)領(lǐng)域的數(shù)字孿生應(yīng)該有數(shù)據(jù)采集與存儲、全生命周期管理、內(nèi)容傳播幾項內(nèi)容，以及鏡像、實時、反饋、智能等特征。本文將實現(xiàn)理想的數(shù)字孿生分為三個階段（圖3）：

（1）“虛擬鏡像”——數(shù)字重現(xiàn)

對建筑遺產(chǎn)的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行采集讓其在虛擬世界“重建”，這是建筑遺產(chǎn)保護(hù)普遍認(rèn)同并推進(jìn)實施的工程，即“文化遺產(chǎn)數(shù)字化”，也是數(shù)字博物館與全生命周期管理的基礎(chǔ)。

此階段主要應(yīng)用數(shù)據(jù)采集與建模技術(shù)。在數(shù)字孿生的語義下，在虛擬空間需要建立一個形象上近乎“完美”、同時又集合了各種信息的三維鏡像模型。三維激光掃描、攝影測量實現(xiàn)了建筑遺產(chǎn)近乎完美的重建；“3S”技術(shù)（GPS、RS、GIS）獲取了建筑遺產(chǎn)環(huán)境并確定了空間坐標(biāo)；建筑信息模型（BIM）、有限元等建模工具對建筑構(gòu)件深入建模以助實現(xiàn)后續(xù)的信息管理、結(jié)構(gòu)分析等目的；傳感器與物聯(lián)網(wǎng)讓建筑遺產(chǎn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的感知、接入、融合成為可能。

（2）“虛實共生”——全生命周期管理

對全生命周期各階段所有采集的數(shù)據(jù)與產(chǎn)生的信息進(jìn)行管理，這是數(shù)字孿生的核心。分析、處理后的決策會反映到數(shù)字重現(xiàn)和數(shù)字博物館階段。

此階段主要應(yīng)用信息管理與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。BIM作為目前普遍使用的建筑參數(shù)化工具用來管理建筑本體數(shù)據(jù)，而整合了地理信息的GIS可以用來管理建筑遺產(chǎn)的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)；云計算與大數(shù)據(jù)技術(shù)激活了海量數(shù)據(jù)的線上實時管理、分析與預(yù)測，讓管理更加輕量化，擴(kuò)大了管理范圍；AI將為實體與數(shù)字孿生體之間的自主迭代提供可能性。

（3）“遺產(chǎn)活化”——數(shù)字博物館

將已采集的建筑遺產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有益?zhèn)鞑?，是建筑遺產(chǎn)數(shù)字孿生的價值導(dǎo)向。傳播過程中收集到的反饋會在管理系統(tǒng)中處理進(jìn)而對數(shù)字博物館自身進(jìn)行優(yōu)化，并作用于數(shù)據(jù)采集階段。

此階段主要應(yīng)用虛擬與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過虛擬現(xiàn)實（VR，Virtual Reality）、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR，Augmented Reality）、混合現(xiàn)實（MR，MixedReality）、全息投影（Holographic）等技術(shù)將采集的高精度三維數(shù)據(jù)開發(fā)為新媒體作品、VR/AR/MR頭顯項目等，讓參觀者擁有沉浸式體驗，并且能夠突破時間與空間的限制；在線數(shù)據(jù)庫技術(shù)讓多元信息呈現(xiàn)在網(wǎng)頁供用戶獲取與瀏覽；5G、云計算等技術(shù)讓足不出戶的線上沉浸式游覽大體積三維場景成為可能。

二、建筑遺產(chǎn)“數(shù)字孿生”階段性案例研究

要實現(xiàn)具有完整架構(gòu)的真實建筑遺產(chǎn)數(shù)字孿生，必須要有對數(shù)字孿生的全面認(rèn)識和相關(guān)技術(shù)，這一點目前尚未實現(xiàn)，但是針對上述的三個建筑遺產(chǎn)數(shù)字孿生階段，已經(jīng)有了較為豐富的數(shù)字化和信息化技術(shù)實踐。

（一）“虛擬鏡像”：數(shù)字重現(xiàn)

1.靜態(tài)數(shù)據(jù)

近年來，激光掃描和攝影測量被廣泛應(yīng)用于空間圖形數(shù)據(jù)的采集，相對于以往的二維測繪，其定位更加準(zhǔn)確、紋理更加清晰、細(xì)節(jié)更加精確，顯著提升了數(shù)字化重建的準(zhǔn)確度與精度。此外，其他精密測量設(shè)備（如全站儀、RTK等）也被利用以評估激光與攝影測量的數(shù)據(jù)精度。在此基礎(chǔ)上，對建筑遺產(chǎn)進(jìn)行精確的空間圖像處理，從而為建筑遺產(chǎn)形象留下永久性依據(jù)。

數(shù)據(jù)采集獲取的重建模型或點云數(shù)據(jù)等可以為建筑遺產(chǎn)保護(hù)人員提供原始數(shù)據(jù)樣本，用于建筑遺產(chǎn)的外觀修復(fù)、材質(zhì)修復(fù)、沉降監(jiān)測等。藝術(shù)史學(xué)家安德魯·塔倫（Andrew Tallon）早在2015年就利用激光掃描技術(shù)對巴黎圣母院及其周圍的50多個地點進(jìn)行了掃描，收集了超過10億個數(shù)據(jù)點，獲取激光點云數(shù)據(jù)后生成點云圖、照片環(huán)繞圖、線框圖與渲染模型圖（圖4）。巴黎圣母院2019年失火致其尖塔與玫瑰花窗被燒毀，安德魯·塔倫的珍貴檔案為修復(fù)巴黎圣母院提供了重要依據(jù)。

然而要實現(xiàn)對建筑遺產(chǎn)的結(jié)構(gòu)修復(fù)，光有“看”模型還不夠，還必須與結(jié)構(gòu)建模和分析軟件相結(jié)合。例如，意大利米蘭大教堂借助攝影測量技術(shù)建立了更精細(xì)的有限元建筑結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，并在模型中植入了大地測量、歷史調(diào)查、材料紋理、材料特性、監(jiān)測信息等數(shù)據(jù)，用于結(jié)構(gòu)分析以預(yù)測、判斷和維護(hù)建筑的結(jié)構(gòu)安全（圖5）。這一案例揭示了更精細(xì)的數(shù)值模型可以更好地預(yù)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)，例如結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)元素的局部損傷或振動模式，這些是大多數(shù)簡化的結(jié)構(gòu)模型無法預(yù)測的[12]。

此外，為了使建筑遺產(chǎn)其他信息與重建的虛擬建筑遺產(chǎn)模型相結(jié)合，也需要借助其他信息化軟件。2007年墨菲（Murphy M.）等針對歷史建筑復(fù)雜的現(xiàn)狀表達(dá)需求，提出將點云和攝影測量數(shù)據(jù)映射到參數(shù)化組件的跨平臺程序[13]。BIM作為建模、管理、查詢的綜合參數(shù)化工具，以“族”為單位實現(xiàn)模型的搭建，以BIM軟件Autodesk Revit為例，根據(jù)精細(xì)點云針對構(gòu)件建族（圖6），相比傳統(tǒng)測繪建模更加精確。雖然新建的“族”是相對現(xiàn)實構(gòu)件的“理想構(gòu)件”，但是點云重建模型以及其他各項信息都能夠以屬性或外部鏈接的形式與BIM構(gòu)件相對應(yīng)，可以方便地調(diào)取查看。

2.動態(tài)數(shù)據(jù)

數(shù)字孿生的重要意義是對建筑遺產(chǎn)發(fā)展的動態(tài)認(rèn)識與調(diào)控，當(dāng)下實施較好的建筑遺產(chǎn)保護(hù)已常態(tài)化實現(xiàn)定期檢測與信息錄入。而在數(shù)字孿生的最佳狀態(tài)下，從真實建筑遺產(chǎn)中獲得的任意信息都可以從虛擬建筑遺產(chǎn)中獲得，這要求兩者間的數(shù)據(jù)實時更新，傳感器、物聯(lián)網(wǎng)與不斷提升的算力讓虛實之間的大量實時數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

例如，布達(dá)拉宮布置了裂縫計、傾角計、土體濕度計等388個各類傳感器，結(jié)合相應(yīng)軟件24小時實時監(jiān)控裂縫寬度變化、環(huán)境溫度、墻體和柱子的傾斜角度等[14]。頤和園以德和園大戲樓為試點，開展了涉及多個古建病害指標(biāo)的變形自動監(jiān)測，以及引起古建本體變化的自然和社會環(huán)境因素監(jiān)測，目前可以在監(jiān)測預(yù)警信息平臺實時獲取大戲樓地基基礎(chǔ)沉降、柱的彎曲、柱腳下沉、柱頭水平移位、柱身傾斜、梁枋撓度等病害發(fā)展信息，以及振動加速度、風(fēng)環(huán)境、溫度、濕度、光照、輻射度、噪聲頻率、噪聲聲壓級等環(huán)境因素變化信息[15]。

（二）“虛實共生”：全生命周期管理

全生命周期管理涵蓋著廣闊的內(nèi)容，如重建數(shù)據(jù)的存儲與利用、實時數(shù)據(jù)的監(jiān)測與分析、對未來或過去的模擬與仿真、根據(jù)信息的預(yù)警與決策等，其核心就是信息管理。在技術(shù)層次上，信息管理可劃分成信息化與智能化層次，這也是數(shù)字孿生從低級走向高級的過程。

1.信息化管理

早期的數(shù)字化成果主要保存在本地的存儲器上，典型的有文件目錄式結(jié)構(gòu)管理和基于“關(guān)系模型”的表結(jié)構(gòu)管理，但是難以快速定位、互操作性差、不同類型的數(shù)據(jù)之間信息互不關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致專業(yè)人員對數(shù)據(jù)的解讀、分析、鑒別效率低下。后來有了地理信息系統(tǒng)（GIS）與建筑信息模型（BIM），是直接以信息為管理對象的技術(shù)平臺。GIS技術(shù)傾向于大范圍、大區(qū)域的空間與地理數(shù)據(jù)處理、集成與可視化，對于建筑遺產(chǎn)多停留在建筑外部。BIM技術(shù)則從建筑本體的模型建構(gòu)入手，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑各類構(gòu)件的更新管理與其他非幾何信息的植入。2007年基于BIM的遺產(chǎn)/歷史建筑信息模型（HBIM， Heritage/Historic BuildingInformation Model）被提出，強(qiáng)調(diào)了圖紙、影像、文字與基于歷史建筑數(shù)據(jù)建立的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化構(gòu)件的對應(yīng)關(guān)系[16][17]，即將歷史、監(jiān)測、保護(hù)等信息植入或鏈接到相應(yīng)的歷史建筑構(gòu)件屬性，建立起以歷史建筑三維模型為索引目錄的信息管理系統(tǒng)，同時可以有效運(yùn)用數(shù)據(jù)比對、明細(xì)表查詢和構(gòu)件提取等分析功能。

例如，故宮博物院世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測總平臺中的遺產(chǎn)總貌模塊，結(jié)合GIS技術(shù)將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（空間數(shù)據(jù)、名稱、位置、面積、樓層、歷史、管理單位等）和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（測繪地圖、影像資料、文獻(xiàn)檔案、監(jiān)測報告、分級地圖等）整合到信息管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)遺產(chǎn)要素的空間分布、可視化和快速查詢[18]。

再如，葡萄牙辛特拉王宮利用地面激光掃描與無人機(jī)攝影獲取數(shù)據(jù)，在Revit中開發(fā)了一個曼努埃爾風(fēng)格典型裝飾的參數(shù)化BIM元素庫。在BIM元素中以嵌入式屬性或外部鏈接的形式包含了各種支持文檔，并設(shè)計了屬性樹來組織可用數(shù)據(jù)，包括歷史信息（例如翻新工程的文件）、管理信息（例如保護(hù)狀態(tài)報告）、元素的類型或組成（例如砂漿描述）、材料特性（例如從描述結(jié)構(gòu)并用于后續(xù)分析的現(xiàn)場試驗測試中獲得）[19]（圖7）。

2.智能化管理

要實現(xiàn)真正的數(shù)字孿生，需要一個隨建筑遺產(chǎn)生命周期變化的動態(tài)模型，這就不僅限于對手動錄入數(shù)據(jù)的管理與查詢，而是要擴(kuò)展到從真實系統(tǒng)到虛擬系統(tǒng)和從虛擬系統(tǒng)到真實系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)流的實時與智能管理，甚至自主迭代。因此，無論是GIS還是BIM都無法從根本上實現(xiàn)對建筑遺產(chǎn)的全生命周期管理。

智能化技術(shù)在數(shù)字孿生的最終完成中起到關(guān)鍵作用。比如通過傳感器與物聯(lián)網(wǎng)來獲取真實建筑遺產(chǎn)的實時變化數(shù)據(jù)（比如本體監(jiān)測、病蟲災(zāi)害、游客管理、環(huán)境監(jiān)測/氣象監(jiān)測、電力監(jiān)控，等等）；用統(tǒng)一的云平臺來實現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)的共同管理；將源于人工智能領(lǐng)域的本體技術(shù)用于建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的知識建模，滿足多元異構(gòu)保護(hù)信息的統(tǒng)一存儲[20]；利用仿真技術(shù)模擬真實建筑遺產(chǎn)在各種環(huán)境下的狀態(tài)，以實現(xiàn)預(yù)防性保護(hù)；AI技術(shù)經(jīng)過對全過程管理多次樣本的深度學(xué)習(xí)后，實現(xiàn)自主決策、自主迭代，最終達(dá)到虛實共生……這些階段都少不了智能化技術(shù)的參與。為了實現(xiàn)以上目標(biāo)，需要大量的信息處理和計算能力，以滿足數(shù)據(jù)量龐大、實時更新的需求。因此增加功能強(qiáng)大且價格低廉的計算能力、網(wǎng)絡(luò)和存儲的可用性和訪問成為實現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵促成要素。

例如，麗江古城景區(qū)管理以資源數(shù)字化為基礎(chǔ)，融合物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、大數(shù)據(jù)等前沿信息技術(shù)，建設(shè)了一系列信息管理平臺及應(yīng)用系統(tǒng)，如智慧消防系統(tǒng)、遺產(chǎn)本體安全系統(tǒng)、智慧環(huán)保系統(tǒng)、噪音監(jiān)控系統(tǒng)，以及包含指揮中心、行政執(zhí)法、修繕管理、準(zhǔn)入證管理和古城基礎(chǔ)信息普查的麗江古城綜合指揮管理平臺[21]。但是這些系統(tǒng)依然是分散的，要實現(xiàn)集成與虛實共生的智能化管理仍然需要更高級的技術(shù)。

（三）“遺產(chǎn)活化”：數(shù)字博物館

數(shù)字博物館，即通過電腦網(wǎng)頁、手機(jī)APP或小程序等數(shù)字手段獲取全景參觀體驗或訪問數(shù)字資源庫的博物館。廣義來說，凡是利用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)建筑遺產(chǎn)的信息展示的，都可以叫作數(shù)字博物館。

1.沉浸式空間游覽

沉浸式空間游覽為人們所熟知的是線上線下的VR、AR、MR體驗與裝置，比如VR體驗館、VR全景漫游、VR頭盔、AR眼鏡、基于App的AR交互（與真實地理位置結(jié)合/不受真實地理位置限制）等等。

早在21世紀(jì)初故宮就基于官式古建筑三維數(shù)據(jù)庫，衍生了六部介紹典型建筑及其歷史的VR作品《紫禁城·天子的宮殿》《三大殿》《養(yǎng)心殿》《倦勤齋》《靈沼軒》《角樓》，在故宮文化資產(chǎn)數(shù)字化研究所的演播廳播放（圖8）。后來為了擴(kuò)大影響力，逐步增加端門數(shù)字博物館與北京奧林匹克塔演播廳，再到穿戴VR眼鏡的網(wǎng)絡(luò)VR。

再如，世界遺產(chǎn)韓國昌德宮推出5G增強(qiáng)現(xiàn)實游覽App。在昌德宮現(xiàn)場，用戶通過App可以跟隨虛擬神獸導(dǎo)游Haechi游覽整個昌德宮，并獲得12處互動體驗（圖9a）。此外可以切換輪椅模式與行走模式，獲取無障礙的游覽體驗。新冠疫情期間，App增加了居家模式，不需要在昌德宮現(xiàn)場，也能利用AR技術(shù)游覽互動[22]（圖9b）。

對于已經(jīng)毀壞失去其原貌的建筑遺址來說，利用虛擬技術(shù)對其外貌復(fù)原展示而非原址重建，是對建筑遺產(chǎn)“原真性”的尊重。例如“數(shù)字圓明園”項目，借助計算機(jī)圖形學(xué)、VR及AR技術(shù)，讓圓明園的虛擬復(fù)原模型與現(xiàn)場遺址相結(jié)合，既保留了真實遺址的警示作用，又讓人們重見圓明園昔日風(fēng)采。再如，“古奧林匹亞：公共場所（Ancient Olympia： Common Grounds）”項目對27個古奧林匹亞遺址建筑的內(nèi)外部進(jìn)行了精美復(fù)原（圖10），用戶可以通過網(wǎng)頁與App查看遺址的3D視圖，App增加的AR模式讓用戶在任意現(xiàn)實環(huán)境中感受遺址。在雅典奧林匹克博物館MR展覽現(xiàn)場，用戶使用特制的HoloLens頭盔將置身于虛擬與現(xiàn)實的混合世界中，沉浸式探索全三維的古奧林匹亞歷史古跡。

但是建筑遺產(chǎn)的三維模型是龐大的數(shù)字資源，如果在本地讀取，就需要龐大的終端內(nèi)存與長時間的下載，而云計算技術(shù)能夠允許用戶在終端在線瀏覽三維數(shù)據(jù)。例如莫高窟推出云技術(shù)游戲“數(shù)字藏經(jīng)洞”，通過數(shù)字照掃、三維建模等技術(shù)還原了莫高窟1600米外崖面原貌，并對“三層樓”和莫高窟第16、17窟進(jìn)行了毫米級的復(fù)刻，超擬真的數(shù)字模型實現(xiàn)了高精數(shù)字孿生。這形成了超過36GB的龐大數(shù)字資產(chǎn)，但依靠云計算技術(shù)，所有資產(chǎn)的渲染全在云端完成，公眾只需要在手機(jī)上輕輕點擊就能體驗（圖11）。

此外，有一種特殊的“數(shù)字博物館”是AR文創(chuàng)。用戶用智能手機(jī)或平板電腦掃描文創(chuàng)上的AR識別卡，屏幕上即可顯示建筑的三維孿生模型，以及附加的聲音、文字、特效等，比如紫禁城600年AR紀(jì)念券、恭王府AR卡片、圓明園AR卡片。哈爾濱圣·索菲亞教堂利用攝影測量與AR技術(shù)完成了教堂三維模型的AR組裝明信片，以多種形式展示了建筑的內(nèi)外部空間（圖12）。

2.多樣性信息展覽

建筑遺產(chǎn)的價值，不僅僅存在于建筑的空間、樣式、紋理等外在形式，還體現(xiàn)在通過建筑遺產(chǎn)的可移動文物、歷史資料、研究資料等傳達(dá)的歷史價值、文化價值、時代價值、科技價值。在計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的早期階段，就有了以文字加圖片形式展示的文化遺產(chǎn)網(wǎng)頁數(shù)據(jù)庫。隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)在更多的在線數(shù)據(jù)庫結(jié)合VR全景、AR互動等新技術(shù)，借助于更加強(qiáng)大的算力平臺，讓數(shù)字博物館輕量化地呈現(xiàn)于客戶端，比如“故宮博物院”“云游敦煌”“云上龍門”“避暑山莊及周圍寺廟”等小程序，包括了數(shù)字文物庫、數(shù)字藏品庫、研究資料、保護(hù)信息、地圖導(dǎo)覽、全景漫游、三維展示、展覽信息、在線講解等多樣信息展示。

三、建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的數(shù)字孿生體系架構(gòu)

上文對建筑遺產(chǎn)數(shù)字孿生階段案例進(jìn)行了介紹，但是完整的數(shù)字孿生是全階段實現(xiàn)的、集成的系統(tǒng)。架構(gòu)建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的數(shù)字孿生體系，需要一套完整的建筑遺產(chǎn)數(shù)字孿生搭建流程提供應(yīng)用指導(dǎo)。

如上海宋慶齡故居設(shè)計了一套較為完整的數(shù)字孿生管理系統(tǒng)構(gòu)建流程（圖13）。首先應(yīng)用地面三維激光掃描、手持激光/結(jié)構(gòu)光掃描、無人機(jī)攝影測量、全景技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)字化信息采集；其次，結(jié)合BIM和基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，實時采集傳感器接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測信息與BIM模型中的建筑構(gòu)件關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)各部分性狀在線交互展示；最后，將GIS、BIM、全景漫游、物聯(lián)網(wǎng)、移動終端、二維碼等多種系統(tǒng)進(jìn)行了整合，滿足歷史建筑保護(hù)運(yùn)維管理的各項需要，從而實現(xiàn)了管理的可視化、精細(xì)化、一體化、遠(yuǎn)程化與智能化[23][24]。然而，由于缺少“遺產(chǎn)活化”流程將遺產(chǎn)的價值進(jìn)行傳播，因此也未能實現(xiàn)完整的數(shù)字孿生。

本文提出的基于數(shù)字孿生的建筑遺產(chǎn)保護(hù)路徑（圖14），從測繪、建模開始，首先搭建一個以空間圖形信息為基礎(chǔ)的初級數(shù)字孿生體，再利用BIM、GIS等技術(shù)將調(diào)查的各類信息植入相應(yīng)的建筑構(gòu)件或地理坐標(biāo)，從而完成虛擬建筑遺產(chǎn)的重建與本地管理；接下來借助不斷發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)、算力、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)庫的搭建，這意味著管理端的多端點同步管理和客戶端的信息共享。管理端利用物聯(lián)傳感技術(shù)實現(xiàn)對建筑遺產(chǎn)本體及環(huán)境的實時監(jiān)測，利用仿真和AI等技術(shù)實現(xiàn)不同環(huán)境下的建筑行為預(yù)測；客戶端利用VR/AR/MR、云計算等多種技術(shù)手段，隨時隨地獲取沉浸式體驗與多元信息。最終讓建筑遺產(chǎn)的全生命周期管理與遺產(chǎn)價值傳播得到真正的實現(xiàn)。

建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)，按照難易程度和應(yīng)用順序大體可以分為六個等級[25]，逐步實現(xiàn)從“虛擬鏡像”“遺產(chǎn)活化”到“虛實共生”的躍升，從數(shù)字化、信息化到智能化的演進(jìn)（圖15）。

激光掃描、攝影測量、全景攝影是目前在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域使用最為廣泛的數(shù)字孿生技術(shù)，輔助的3S技術(shù)也很成熟。VR技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)較為普遍，AR技術(shù)的應(yīng)用案例也在增多，MR技術(shù)在逐步探索與實現(xiàn)中，美國蘋果公司（Apple Inc.）近期發(fā)布的MR頭顯讓MR技術(shù)距離人們的生活更近一步。BIM與GIS技術(shù)在20世紀(jì)末、21世紀(jì)初就已經(jīng)開始推廣，至今已有完善的使用流程，相關(guān)引擎也在持續(xù)開發(fā)與增加中。HBIM自2007年被提出以來，其研究主要集中在對建筑遺產(chǎn)特殊構(gòu)件庫的建設(shè)，以及與GIS的融合。傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也有大量成果且在持續(xù)研究開發(fā)中。數(shù)字孿生對海量信息處理與運(yùn)算的高要求有賴于計算機(jī)和通信技術(shù)的進(jìn)步，就目前情況而言，計算技術(shù)呈指數(shù)級增長，存儲和帶寬也在增長，云平臺、物聯(lián)網(wǎng)和分析技術(shù)領(lǐng)域都進(jìn)行了大量投資。AI技術(shù)的發(fā)展速度持續(xù)加快，各種AI工具不斷涌現(xiàn)，但是實現(xiàn)自主迭代、自主決策依然需要進(jìn)一步的研究與發(fā)明創(chuàng)造。

四、總結(jié)與展望

我國對建筑遺產(chǎn)數(shù)字化工作的重視程度日漸提高，但也存在后續(xù)工作乏力，信息化建設(shè)和智能化程度有待進(jìn)一步提升等問題。本文試圖用數(shù)字孿生為建筑遺產(chǎn)數(shù)字化提供整體視角，探討回答了“數(shù)字孿生對建筑遺產(chǎn)有什么意義”“如何將數(shù)字孿生理論與技術(shù)應(yīng)用到建筑遺產(chǎn)保護(hù)”幾個問題。討論了建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的數(shù)字孿生邏輯與理想的建筑遺產(chǎn)數(shù)字孿生的階段及其技術(shù)，提出了建筑遺產(chǎn)數(shù)字孿生的實現(xiàn)路徑與技術(shù)應(yīng)用等級。

目前已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的建筑遺產(chǎn)保護(hù)實踐蘊(yùn)含著數(shù)字孿生內(nèi)涵。但是要實現(xiàn)真正的數(shù)字孿生，在基于數(shù)字孿生的建筑遺產(chǎn)保護(hù)路徑下，仍然要對共享與整合加以重視。

文化遺產(chǎn)是人類的共同遺產(chǎn)，其歷史、藝術(shù)、科學(xué)、文化等價值需要通過傳播才能夠?qū)崿F(xiàn)，保護(hù)的最終目的是確保其始終都可以為公眾所用。然而現(xiàn)在有很多建筑遺產(chǎn)調(diào)研成果都僅限于被研究者與管理者使用，沒有在網(wǎng)絡(luò)開放平臺上與公眾共享，或者成果更新發(fā)布的速度太慢，開放性與共享性有待增強(qiáng)。

建筑遺產(chǎn)保護(hù)的管理信息是多方面多學(xué)科的，而目前大部分的管理系統(tǒng)是孤立的，缺乏成熟的集成平臺。為了打破信息孤島、提升數(shù)據(jù)時效性、增強(qiáng)交互協(xié)作，如何協(xié)同HBIM與GIS構(gòu)建起建筑遺產(chǎn)內(nèi)外空間數(shù)據(jù)關(guān)系體系，制定出針對建筑遺產(chǎn)保護(hù)的專業(yè)化軟件融合開發(fā)方案，高效實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、融合、組織、操縱、分析和表現(xiàn)，以及開發(fā)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，這些都是未來需要攻克的技術(shù)障礙。

數(shù)字孿生最終要實現(xiàn)對建筑遺產(chǎn)的全生命周期管理與價值傳播，最大程度讓公眾從中受益，是其應(yīng)用于建筑遺產(chǎn)領(lǐng)域的核心要義。未來，擁有一個融合建筑、地理、監(jiān)測、文物、環(huán)境、行政、人事等系統(tǒng)的跨生命周期的集成性管理平臺，并最大程度實現(xiàn)建筑遺產(chǎn)資源共享是其數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展目標(biāo)。作為一種充分利用模型、信息、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)平臺，一個完全的“數(shù)字孿生”的建筑遺產(chǎn)的實現(xiàn)，需要相關(guān)行業(yè)長期的共同努力。

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（責(zé)任編輯：孫秀麗）