導(dǎo)語(yǔ)：建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)探索一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：新形勢(shì)下建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)與實(shí)踐成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。以世界文化遺產(chǎn)地鼓浪嶼為例，提出了一種基于BIM+理念的建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)方法。首先通過(guò)三維激光儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生構(gòu)建繪圖紙；再構(gòu)建文化遺產(chǎn)建筑信息模型（BIM），并集成歷史建筑的綜合信息；最后結(jié)合VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)效果展示，通過(guò)復(fù)原和再現(xiàn)將建筑文化遺產(chǎn)轉(zhuǎn)換成可共享再生的數(shù)字形態(tài)，以全新的視角加以解讀和利用。通過(guò)實(shí)際案例，系統(tǒng)全面地構(gòu)建了以BIM為核心的建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)方法和實(shí)踐路徑，搭建了信息技術(shù)與文化遺產(chǎn)保護(hù)的信息橋梁。

關(guān)鍵詞：BIM+；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；VR；鼓浪嶼

隨著社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步，建筑文化遺產(chǎn)的還原保護(hù)與傳承利用愈加受到人們的重視。目前，在建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)中出現(xiàn)了許多新技術(shù)，其中建筑信息模型（BIM）技術(shù)最受關(guān)注。BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目中各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型。在國(guó)外，MurphyM[1]、ChiabrandoF[2]等探討了BIM技術(shù)對(duì)當(dāng)今歷史建筑保護(hù)的重要作用。在國(guó)內(nèi)，呂芳[3]通過(guò)思南路古建筑改造項(xiàng)目，將激光掃描與BIM相結(jié)合，根據(jù)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建了保留原始數(shù)據(jù)完整性的Revit模型；劉慧媛[4]通過(guò)BIM與GIS平臺(tái)的結(jié)合，基本上實(shí)現(xiàn)了河西斗拱譜系研究的可視化；王茹[5-6]等研究了古建筑構(gòu)件信息標(biāo)準(zhǔn)化以及關(guān)鍵信息量化提取的方法，設(shè)計(jì)了一種基于圖形數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展數(shù)據(jù)和擴(kuò)展字典儲(chǔ)存古建筑附加信息的明清古建筑構(gòu)件信息模型系統(tǒng)。BIM實(shí)現(xiàn)了建筑相關(guān)信息詳盡的數(shù)字化表達(dá)與可視化，有利于建筑的全生命周期管理，適用于建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化表達(dá)、數(shù)字化復(fù)原、數(shù)字化保護(hù)和管理等方面。BIM在創(chuàng)建三維模型、信息存儲(chǔ)與共享、信息可視化等方面具有優(yōu)勢(shì)，能較好地滿足日益提高的建筑實(shí)踐需求。同時(shí)，結(jié)合其他現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)而形成的，以BIM技術(shù)為核心的BIM+理念更是BIM的一次突破。當(dāng)前BIM與多種技術(shù)相結(jié)合的實(shí)踐研究主要集中在BIM+PM[7-8]、BIM+物聯(lián)網(wǎng)[9-10]、BIM+GIS[11]、BIM+三維掃描[12]、BIM+三維打印[13]、BIM+VR[14]等領(lǐng)域，覆蓋范圍涉及規(guī)劃與建筑設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、建筑全過(guò)程信息集成與共享等多方面。BIM+理念及其實(shí)踐探索具有廣泛的可操作性與實(shí)用性，在多種技術(shù)的融合下突破了BIM的單一運(yùn)用極限[15]。因其具有信息管理效率高、計(jì)算方法科學(xué)性強(qiáng)和模擬演練真實(shí)性好等優(yōu)勢(shì)，BIM+理念為建筑文化遺產(chǎn)的保護(hù)、傳承、展現(xiàn)與開發(fā)提供了新的發(fā)展契機(jī)，創(chuàng)造了新的技術(shù)和物質(zhì)手段。開展基于BIM+理念的建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)路徑探索，對(duì)于推動(dòng)建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)方式的進(jìn)步和人們對(duì)建筑文化遺產(chǎn)的接觸與了解具有重要作用。根據(jù)BIM+理念，首先可通過(guò)與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方式獲得建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完成建筑數(shù)字化信息采集。在國(guó)外，ArayiciY[16]等認(rèn)為三維激光掃描技術(shù)能對(duì)建筑物、場(chǎng)地和物理對(duì)象的數(shù)字文件進(jìn)行重建和恢復(fù)；KerstenT[17]等利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)漢堡市政大廳內(nèi)兩個(gè)歷史悠久的大廳進(jìn)行三維掃描，并建立了模型。在國(guó)內(nèi)，呂翠華[18]等探討了利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑物三維建模的方法；張遠(yuǎn)翼[19]等運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)不僅成功展示了測(cè)繪成果的實(shí)景三維影像，而且可通過(guò)影像圖自身的點(diǎn)云數(shù)據(jù)賦值信息對(duì)具體構(gòu)件尺寸進(jìn)行量取。研究實(shí)踐表明，將三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于建筑遺產(chǎn)保護(hù)中，能通過(guò)數(shù)字記錄的方式為古建筑保護(hù)提供依據(jù)，并能在掃描已知數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上再現(xiàn)古建筑原貌，從而建立完整、準(zhǔn)確、永久的數(shù)字檔案，為后續(xù)的模型創(chuàng)建工作打下基礎(chǔ)，因此BIM與三維掃描技術(shù)的結(jié)合具有廣泛的應(yīng)用前景。將BIM與VR技術(shù)相結(jié)合是BIM+理念實(shí)現(xiàn)成果表達(dá)的重要方式之一。不同于傳統(tǒng)的建筑效果表達(dá)，借助VR技術(shù)能讓建筑文化遺產(chǎn)具有沉浸性、多感知性、構(gòu)想性和交互性，從而使得建筑文化遺產(chǎn)的展現(xiàn)更為直觀。LINYC[20]將HBIM與VR技術(shù)相融合完成了漢式傳統(tǒng)建筑三維沉浸式數(shù)字管理；數(shù)字故宮運(yùn)用VR技術(shù)為參觀者提供了身臨其境的體驗(yàn)感受[21]。目前，將VR技術(shù)運(yùn)用于歷史建筑保護(hù)的研究，除了展示和體驗(yàn)外還有待進(jìn)一步探索。

1鼓浪嶼現(xiàn)狀分析

1.1建筑遺產(chǎn)現(xiàn)狀。鼓浪嶼地處福建省廈門市西南隅，是一個(gè)面積僅為1.88km2的小島。1840年鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)后，廈門被迫開放為通商口岸，而鼓浪嶼優(yōu)越的地理位置與美麗的自然景觀，成為殖民者擇地發(fā)展的有利條件[22]。20世紀(jì)初，數(shù)十個(gè)國(guó)家先后來(lái)此設(shè)立領(lǐng)事館，構(gòu)建了形式各異、風(fēng)格不同的建筑，此外歸國(guó)華僑還引入了東南亞式樣建筑，很多當(dāng)?shù)厝艘材７轮車蠓看罱ǚ课輀23]。2000年廈門市政府頒布實(shí)施了《廈門市鼓浪嶼歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)條例》，規(guī)定重點(diǎn)保護(hù)的歷史風(fēng)貌建筑嚴(yán)禁做不可恢復(fù)的改造，但允許適當(dāng)改變功能。2017年7月8日聯(lián)合國(guó)教科文組織第41屆世界遺產(chǎn)委員會(huì)會(huì)議對(duì)鼓浪嶼進(jìn)行審議，鼓浪嶼以“歷史國(guó)際社區(qū)”列入世界文化遺產(chǎn)名錄。世界遺產(chǎn)委員會(huì)認(rèn)為，鼓浪嶼是中國(guó)在全球化發(fā)展早期階段實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的一個(gè)見證，具有顯著的文化多樣性特征和現(xiàn)代生活品質(zhì)。鼓浪嶼的發(fā)展體現(xiàn)了19世紀(jì)中葉至20世紀(jì)中葉現(xiàn)代人居的理念，目前擁有53個(gè)核心文化遺產(chǎn)點(diǎn)，391棟歷史風(fēng)貌建筑和900多個(gè)擬列入的風(fēng)貌建筑。目前鼓浪嶼現(xiàn)存建筑的使用情況主要包括：①改造為博物館或紀(jì)念館，使建筑的生命以另一種方式得到延續(xù)；②改造為精美酒店或高檔家庭旅館，但修葺使有些建筑已失去原來(lái)的建筑面貌；③繼續(xù)保留居住性質(zhì)，因資金問(wèn)題無(wú)法及時(shí)整修，存在房屋傾斜、滲水等問(wèn)題；④因建筑內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞，房屋已無(wú)人居住，房屋保護(hù)迫在眉睫。1.2案例分析。本文以復(fù)興路94號(hào)一處建筑為例，如圖1所示，該建筑屬于一類保護(hù)項(xiàng)目，面積為340m2，地上兩層地下一層，墻體清水紅磚，磚木結(jié)構(gòu)，建造于1924年，時(shí)年由許春草營(yíng)造公司設(shè)計(jì)施工。建筑現(xiàn)狀是無(wú)人居住，期間經(jīng)過(guò)整修，外墻面有所破壞，建筑結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞，3層外屋面彎曲嚴(yán)重，外墻磚有部分損壞脫落，內(nèi)部樓面結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重，樓梯只保留部分欄桿和臺(tái)階。作為剛申請(qǐng)成功世界文化遺產(chǎn)的鼓浪嶼萬(wàn)國(guó)建筑群，又是全國(guó)知名的旅游景點(diǎn)，如何利用當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，更有效地進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)、復(fù)原和展示已成為一個(gè)迫切需要解決的命題。本文結(jié)合工程實(shí)踐，提出了一條針對(duì)建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)實(shí)踐路線，將三維激光掃描數(shù)字化技術(shù)與BIM相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了文化遺產(chǎn)建筑的數(shù)字化保護(hù)與復(fù)原。

2技術(shù)路線

本文提出的技術(shù)路線為：①通過(guò)三維激光掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再結(jié)合點(diǎn)云處理軟件生成完整的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并繪制準(zhǔn)確的測(cè)繪圖紙；②結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供的三維測(cè)繪數(shù)據(jù)和測(cè)繪圖紙，精確創(chuàng)建三維形態(tài)的BIM，并集成調(diào)研所獲得的相關(guān)建筑信息；③提取BIM的族庫(kù)，形成歷史文化建筑門、窗、柱頭等部件圖，為文化遺產(chǎn)的保護(hù)、復(fù)原、再設(shè)計(jì)提供原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；④結(jié)合三維掃描儀采集的彩色圖片和現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片，利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行渲染，完成歷史建筑的虛擬復(fù)原；⑤通過(guò)VR技術(shù)，在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)復(fù)原后建筑效果的展現(xiàn)（圖2）。

3基于三維激光點(diǎn)云的建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字采集

基于三維激光點(diǎn)云的數(shù)字化采集主要是通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)建筑物室內(nèi)外進(jìn)行三維掃描，從而獲取建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行高清攝像采集，為相應(yīng)的點(diǎn)云獲取顏色信息，從而得到原建筑物的三維數(shù)據(jù)與紋理信息；再對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云拼接、統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)、三維建模、紋理映射等處理；最后通過(guò)點(diǎn)云優(yōu)化，生成建筑物完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。點(diǎn)云數(shù)據(jù)可通過(guò)插件直接導(dǎo)入AutoCAD/Revit/3dMax軟件。剖面切片可輔助平面、立面、剖面等測(cè)繪圖紙的精確繪制，改變了傳統(tǒng)手工測(cè)量和圖像拍照方式，由室外繁雜的測(cè)量工作轉(zhuǎn)向室內(nèi)輕松的數(shù)字化測(cè)繪工作，極大地提高了工作效率，且數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。本文點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果如圖3所示。

4基于BIM+的建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)實(shí)施

結(jié)合基于點(diǎn)云生成的平面、立面、剖面圖紙，本文采用Revit建模軟件生成BIM。根據(jù)調(diào)研信息和測(cè)繪圖紙可知，該建筑分為3層，屋頂為坡頂。首先通過(guò)分析建筑的組成構(gòu)件進(jìn)行各類構(gòu)件族的創(chuàng)建，依次生成門、窗、柱身、柱頭、拱、葫蘆欄桿、樓梯等構(gòu)件族，并將調(diào)研該建筑所得的相關(guān)文化遺產(chǎn)保護(hù)資料（如材質(zhì)、風(fēng)格等）儲(chǔ)存在相應(yīng)族中；然后根據(jù)墻體與屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)信息，定義內(nèi)墻族、外墻族、樓板和屋頂族的相關(guān)構(gòu)件信息；最后自下而上依次構(gòu)建底層、一層、二層、屋頂?shù)哪Ｐ停⒏鶕?jù)平面圖，繪制每層的內(nèi)部墻，并布置內(nèi)部的門、窗、樓梯，形成整個(gè)BIM。4.1基于BIM+的建筑構(gòu)件模型庫(kù)。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)由方位角、距離、回光強(qiáng)度和顏色信息組成，因而可針對(duì)建筑的細(xì)節(jié)（如門、窗、柱頭等）進(jìn)行精確建模。通過(guò)采用相應(yīng)的顏色紋理信息，可很好地還原建筑原有的細(xì)節(jié)與材質(zhì)信息；同時(shí)通過(guò)BIM軟件能精確地重構(gòu)參數(shù)化的門、窗等構(gòu)件，從而形成歷史建筑的構(gòu)件模型庫(kù)，依據(jù)“修舊如舊”的原則為建筑的復(fù)原和維護(hù)提供有力的技術(shù)支持與保障。4.2基于BIM+的建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化集成。結(jié)合Revit中參數(shù)化建模技術(shù)所生成的BIM，把文化遺產(chǎn)的各類信息集成在一個(gè)模型上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑文化遺產(chǎn)多方面信息的數(shù)字化保護(hù)。根據(jù)《鼓浪嶼歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)規(guī)劃修編（2016）》，該項(xiàng)目的建筑編號(hào)、保護(hù)類別、地址、建筑建成時(shí)間、建筑面積、建筑層數(shù)、平面布局、屋頂形式、建筑風(fēng)格、建筑結(jié)構(gòu)形式、建筑現(xiàn)用途、建筑原用途、建筑質(zhì)量、特色評(píng)價(jià)等歷史信息可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的共享參數(shù)集成至BIM的項(xiàng)目參數(shù)中，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的無(wú)損永久保存，這是其他保護(hù)方式不具備的功能，如圖4右側(cè)表格所示。基于全生命周期的BIM將三維幾何模型與建筑信息相結(jié)合，可從根本上解決歷史建筑保護(hù)中存在的建設(shè)各階段信息斷層問(wèn)題以及使用維護(hù)階段的信息流失問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)歷史建筑項(xiàng)目全生命周期的信息保存與共享。4.3基于BIM+的建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化虛擬復(fù)原。鼓浪嶼萬(wàn)國(guó)建筑群作為鼓浪嶼建筑文化遺產(chǎn)的重要組成部分，大部分的建筑主體都保存完好，其中柱頭、欄桿、窗戶、外墻還保留為以前的樣式和材質(zhì)，可作為島上其他受損建筑修復(fù)的參照物，秉承“修舊如舊”的原則，最大程度地還原建筑本來(lái)面貌。然而，由于資金的問(wèn)題，很多建筑物無(wú)法及時(shí)修繕，再則即使資金到位，當(dāng)年的施工工藝（如外墻水刷石工藝和紅磚裝飾）也沒(méi)有傳承下來(lái)，因此要恢復(fù)原貌難度很大。同時(shí)，由于有許多原住民居住了較長(zhǎng)時(shí)間，已對(duì)建筑進(jìn)行了改變，如封閉原有陽(yáng)臺(tái)、更換新的門窗、改變建筑入口等；建筑的立面也被許多生活痕跡所影響，建筑的整體效果已偏離其歷史面貌。通過(guò)數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行虛擬復(fù)原，可精確還原歷史建筑的原有風(fēng)貌，保存相關(guān)建筑信息。本文利用BIM結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字化渲染技術(shù)可很好地進(jìn)行數(shù)字化虛擬復(fù)原，基本可以達(dá)到“修舊如舊”的目的，節(jié)省了時(shí)間，成本更低，效果更好，并為建筑文化遺產(chǎn)的修復(fù)和數(shù)字化展示提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，如圖5所示。

5基于BIM+的VR展示

BIM實(shí)現(xiàn)了歷史建筑全方位信息的集成，因此通過(guò)BIM與VR相結(jié)合的方式可為建筑遺產(chǎn)的復(fù)原與保護(hù)提供可視化的效果參照。Fuzor軟件是針對(duì)BIM開發(fā)的一款全能型VR插件，有效實(shí)現(xiàn)了與Revit軟件的無(wú)隙鏈接，可與Revit實(shí)時(shí)同步更新，擁有碰撞檢測(cè)的分析功能和高質(zhì)量的仿真效果，尤其可直接支持頭盔VR展示。在VR漫游過(guò)程中，可實(shí)時(shí)查詢相關(guān)建筑信息，并進(jìn)行在線編輯，通過(guò)可視化的方式展示實(shí)時(shí)效果，如圖6所示。

6結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)方法主要是基于點(diǎn)云和測(cè)繪的BIM幾何建模方法，尚未形成成熟的系統(tǒng)化保護(hù)方法。本文探討和實(shí)踐了基于BIM+理念的建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)基本過(guò)程和系統(tǒng)方法，通過(guò)三維激光掃描儀全方位采集建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字信息，并結(jié)合BIM將采集和調(diào)查的相關(guān)信息（如歷史信息、建造工藝、人文信息等）集成化，實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)損傳遞，既保證了信息的準(zhǔn)確性，又利用BIM的階段化管理實(shí)現(xiàn)了建筑文化遺產(chǎn)的全生命周期管理，最后采用VR技術(shù)進(jìn)行多元化的成果表達(dá)，完整展現(xiàn)了建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化復(fù)原形態(tài)，使建筑文化遺產(chǎn)的展示、傳播和利用變得更加便利和高效。歷史建筑作為不可再生的資源，已成為一座城市的象征。在目前千城一面的現(xiàn)代都市建設(shè)浪潮中，歷史建筑作為城市的名片顯得格外重要，因此歷史建筑的保護(hù)與復(fù)原對(duì)于文化的傳承和發(fā)揚(yáng)有不可估量的意義，尤其采用全新的數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行數(shù)字虛擬復(fù)原與保護(hù)更具里程碑意義。本文采用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)和BIM實(shí)現(xiàn)了歷史建筑的數(shù)字化保護(hù)、歷史建筑的虛擬數(shù)字化復(fù)原；并通過(guò)VR技術(shù)展示了歷史建筑的數(shù)字化模型，將建筑文化遺產(chǎn)轉(zhuǎn)換、再現(xiàn)、復(fù)原為可共享再生的數(shù)字形態(tài)，以全新的視角加以解讀和利用；通過(guò)實(shí)際案例，系統(tǒng)全面地設(shè)計(jì)了基于BIM+理念的建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)方法和實(shí)踐路徑，搭建了信息技術(shù)與文化遺產(chǎn)保護(hù)的信息橋梁。在實(shí)際操作過(guò)程中，對(duì)于如何更好地管理和處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保證其在處理過(guò)程中的精度仍有待進(jìn)一步研究；BIM在保證信息量完整性的同時(shí)如何優(yōu)化其在VR環(huán)境中的信息提取，以及與VR技術(shù)結(jié)合為建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)開展更多的可能性研究將是下一步研究的方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)將更加成熟，在可預(yù)見的未來(lái)，結(jié)合三維打印、大數(shù)據(jù)、AR/VR、人工智能、機(jī)器人等技術(shù)，建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)手段和方法將更加成熟和系統(tǒng)化，必將推動(dòng)建筑文化遺產(chǎn)的信息化建設(shè)。

作者:孟卉 李淵 張宇 單位:廈門華廈學(xué)院