數(shù)字化技術(shù)在歷史建筑保護(hù)與開發(fā)中的應(yīng)用

劉志峰　王盈　徐新杉

（金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 210069）

數(shù)字化技術(shù)在歷史建筑保護(hù)與開發(fā)中的應(yīng)用

劉志峰王盈徐新杉

（金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 210069）

在文化資源數(shù)字化開發(fā)背景下，從目前歷史建筑保護(hù)與開發(fā)的現(xiàn)狀入手，總結(jié)了數(shù)字化開發(fā)的主要技術(shù)手段，并結(jié)合案例分析了數(shù)字化技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用方式和功能展望。

數(shù)字化技術(shù)；歷史建筑；保護(hù)與開發(fā)

1　數(shù)字化研究背景

隨著現(xiàn)代計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會對民族文化遺產(chǎn)、文化資源的保護(hù)與開發(fā)已逐漸進(jìn)入了數(shù)字化領(lǐng)域。首先，數(shù)字化采集和存儲技術(shù)為民族文化資源的完整保護(hù)提供了保障，數(shù)字化復(fù)原和再現(xiàn)技術(shù)為其有效傳承提供了支持；其次，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為這些文化資源的開發(fā)利用拓展了空間；同時，數(shù)字化展示與傳播技術(shù)提供了廣泛共享的平臺。其中，相對于數(shù)字化研究較早的古籍、舞蹈等非物質(zhì)文化資源，作為物質(zhì)文化遺產(chǎn)的重要組成部分，對于歷史建筑的數(shù)字化開發(fā)與運(yùn)用已成為世界范圍內(nèi)的一項新興課題［1］。尤其是目前城市中遺存較多、建筑質(zhì)量尚好甚至仍在使用的歷史建筑，具有較鮮明的時代特征，也是地方傳統(tǒng)文化的重要物質(zhì)載體，近年來也引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的重視和研究。

2　數(shù)字化開發(fā)的主要技術(shù)手段

目前，對于文化資源的數(shù)字化開發(fā)一般有三個階段，即信息轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理和資源共享。歷史建筑的數(shù)字化開發(fā)也相應(yīng)地通過原始數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)庫的建立、虛擬模型設(shè)計和共享平臺的創(chuàng)建等主要技術(shù)手段予以支持［2］。

2.1采集原始數(shù)據(jù)和建立數(shù)據(jù)庫

對于歷史建筑原始數(shù)據(jù)的采集是數(shù)字化的基礎(chǔ)。原始數(shù)據(jù)通常通過實地測繪獲得，其精確性直接影響到建筑復(fù)原設(shè)計的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)庫的建立是將歷史建筑信息存檔保護(hù)，同時也為復(fù)原設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。以往國內(nèi)主要利用圖、表、文字等形式對歷史建筑進(jìn)行存檔保護(hù)，這種方式不僅數(shù)據(jù)量大，而且無法直觀反映建筑物的真實效果；而利用照片、影片等影像存檔的方式雖然直觀，卻無法得到精確的物理數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)關(guān)系，很難進(jìn)行精確保護(hù)和科學(xué)研究，也不利于重建、仿建及復(fù)原工作的開展。因此，以運(yùn)用GPS、全站儀、測量機(jī)器人和近景攝影測量等為代表的三維現(xiàn)代建筑測繪技術(shù)正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維測量方法，改進(jìn)并豐富了采集原始數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化手段。其中，目前較為先進(jìn)的數(shù)字化測繪方式已可以結(jié)合三維掃描儀，較方便地在不同規(guī)模的真實物體表面進(jìn)行點采樣，獲取不同精度的點云數(shù)據(jù)，通過對點云和網(wǎng)格的處理、分析和識別算法，構(gòu)造三維曲面模型，并將三維實體信息直接作為測繪成果的形式。?

圖1　歷史建筑的數(shù)字化開發(fā)階段

2.2建筑三維模型化

在通過測繪手段采集原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用專業(yè)軟件建立三維信息模型，也是對歷史建筑數(shù)字化開發(fā)的常見手段之一。一方面，對于即將拆除、整體搬遷或異地復(fù)原的歷史建筑，詳細(xì)三維數(shù)據(jù)的保存，將成為其原樣復(fù)原的重要依據(jù)。另一方面，對于已經(jīng)消失或瀕臨消失的歷史文化遺存，也可以通過數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行虛擬還原。精確的三維數(shù)字化模型可包含實物最準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如工程數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等，對消失的文化遺存構(gòu)建了可視化信息研究的新平臺，拓展了研究手段。同時，數(shù)字化三維建筑模型與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合，還可以用于旅游開發(fā)和文化宣傳。通過現(xiàn)代的計算機(jī)技術(shù)，已能夠克服地域限制，實現(xiàn)真實、快速、準(zhǔn)確的視覺展示，甚至還能實現(xiàn)與模型環(huán)境互動。不但能減少對實物的人為損傷，達(dá)到保護(hù)目的，又能拓展宣傳，帶來經(jīng)濟(jì)效益。

2.3創(chuàng)建數(shù)字化平臺

目前，在我國民族文化資源的數(shù)字化建設(shè)過程中，普遍存在低水平重復(fù)建設(shè)、共享程度低的情況，因此有必要通過有效組織和規(guī)范化描述資源，建立有效的資源共享與管理平臺。數(shù)字化平臺主要指借助Web等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在已建立數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，建立的實現(xiàn)信息化宣傳與綜合管理系統(tǒng)。通過該平臺，可將數(shù)據(jù)庫中歷史建筑的有關(guān)文字資料、圖片、多媒體、視頻等進(jìn)行數(shù)字化的處理，并進(jìn)行編輯加工，實現(xiàn)網(wǎng)上快速檢索和瀏覽，以此為媒介共享歷史建筑文化資源。通過創(chuàng)建數(shù)字化平臺，首先有利于提升相關(guān)部門對歷史建筑的管理水平，使目前的管理工作更加嚴(yán)謹(jǐn)高效；其次，數(shù)字化文化資源的網(wǎng)絡(luò)共享，也為歷史建筑保護(hù)與發(fā)展的創(chuàng)新宣傳途徑提供了技術(shù)支撐。

3　數(shù)字化開發(fā)的主要內(nèi)容

目前，國內(nèi)對歷史建筑的數(shù)字化開發(fā)工作主要包括建筑單體維修與改造中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及更新設(shè)計中的模擬效果展示等，也有一些城市和地區(qū)正在進(jìn)行歷史建筑數(shù)字化管理平臺的嘗試［3］。

3.1建筑單體的保護(hù)與更新

在城市現(xiàn)代化快速建設(shè)背景下，很多未列入文保單位的歷史建筑經(jīng)常被拆毀或改建，面臨永遠(yuǎn)消失的危險。如今，借助數(shù)字化技術(shù)，在前期階段的建筑信息收集中，可利用通過甄別的數(shù)據(jù)識別原貌，排除后期損毀和改建部分的干擾，并在此基礎(chǔ)上評估其建筑質(zhì)量及修復(fù)可行性；而在開發(fā)方案的設(shè)計階段，前期收集的數(shù)字化信息則成為建立模型和虛擬展示的重要依據(jù)。

例如，在南京升州路某沿街民國建筑的復(fù)原更新項目中，就運(yùn)用了數(shù)字化技術(shù)采集原始信息和模型化對比設(shè)計。該項目中的兩棟相鄰多層建筑原為民國時期的沿街商鋪，位于歷史街區(qū)的建設(shè)控制地帶范圍內(nèi)，但因其建筑質(zhì)量并未達(dá)到文物保護(hù)單位的標(biāo)準(zhǔn)，只能作為街區(qū)歷史景觀的一部分由開發(fā)商進(jìn)行整改保留。改造之前，這兩棟建筑體量較小、殘損較多，改建嚴(yán)重，屬于危房，僅有沿街部分較為完整的體現(xiàn)了時代特色。因此采取了拆除危房，依據(jù)原貌原址修復(fù)的更新方式。在實際修繕工程操作中，借助現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)手段，完成了以下幾個階段的創(chuàng)新：

①利用專業(yè)工具對原有建筑的平面、立面進(jìn)行了詳細(xì)測量，采集原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理繪制。在繪制過程中，以相關(guān)歷史資料、照片等為依據(jù)，鑒別該歷史建筑中后期加建和改造的部分并加以剔除；同時，運(yùn)用AutoCAD、SketchUp、Photoshop等模型和圖像處理軟件，對建筑已損毀和缺失的部分按照歷史原貌予以還原，得到較為準(zhǔn)確的初始建筑模型。這一前期工作為維修方案的設(shè)計、施工提供了重要的依據(jù)。

②在初始模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)該歷史建筑即將被賦予的新用途，在結(jié)構(gòu)、材料、內(nèi)部功能空間等方面進(jìn)行現(xiàn)代化改造設(shè)計。建筑中的新建部分大多為滿足交通疏散需要而改造的交通空間，為與保留復(fù)原的部分相區(qū)別，采用了大面積玻璃幕墻等不同設(shè)計，也結(jié)合建筑原貌設(shè)計了兩坡屋面和平屋面兩種不同形式，并都通過創(chuàng)建不同模型作了方案效果對比。

③該歷史建筑的立面采用了當(dāng)時流行的摩登裝飾風(fēng)格，由形態(tài)各異的柱頭、柱身、邊框線腳、山墻、欄桿等于不同位置進(jìn)行分割裝飾，均帶有中西合璧的特色，較具歷史和藝術(shù)價值。因此，在修繕工程中，為完全復(fù)原這些裝飾，對這些構(gòu)件不僅做了石膏翻模處理，同時還利用數(shù)字軟件進(jìn)行了數(shù)字化繪制、建模，并按位置索引編號保存，作為復(fù)原缺失部分設(shè)計的重要依據(jù)。

3.2歷史街區(qū)景觀的整治

在城市發(fā)展建設(shè)的過程中，不以歷史街區(qū)的消失，城市傳統(tǒng)風(fēng)貌的喪失為代價，堅持在保護(hù)中利用，在利用中發(fā)展。而隨著數(shù)字技術(shù)在規(guī)劃領(lǐng)域的普及，在歷史街區(qū)的整體整治中，越來越多地依賴數(shù)據(jù)庫信息。

例如，位于南京市中心地段的梅園新村近代歷史街區(qū)，總占地面積約為4.5萬m2，是民國時期由政府機(jī)關(guān)直接推動建設(shè)的住宅區(qū)之一。近期，因文物普查和歷史街區(qū)保護(hù)整治工程的要求，在該街區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行了一次較大規(guī)模的現(xiàn)狀調(diào)查。在調(diào)查過程中，多處應(yīng)用了數(shù)字化技術(shù)，主要體現(xiàn)在：

①借助攝影測量和三維測量相結(jié)合的方式，在盡量不打擾住戶生活的情況下，對街區(qū)內(nèi)的近60棟近代住宅采集了較準(zhǔn)確的建筑測繪數(shù)據(jù)，通過AutoCAD、SketchUp等模型軟件為大部分調(diào)查對象都創(chuàng)建了能夠反映建筑形態(tài)、空間、材質(zhì)的模型，作為基礎(chǔ)資料。同時，每棟住宅單體都被編號，以位置索引、歷史現(xiàn)狀、立面測繪、模型數(shù)據(jù)等作為基本信息存檔，形成的小型數(shù)據(jù)庫，為街區(qū)整體風(fēng)貌環(huán)境整治提供有效資源。

②對已建立數(shù)據(jù)庫中的各棟建筑信息進(jìn)行分類和梳理，一方面按所處區(qū)位，主要以道路將街區(qū)劃分為梅園、雍園和桃源三個近代住宅較集中的片區(qū)，分片定位管理；另一方面則依據(jù)建筑形式、居住標(biāo)準(zhǔn)等，大致劃分為西式洋房、獨(dú)立式住宅和聯(lián)排式公寓三種類型，將現(xiàn)存的近代住宅分別歸類。通過這些方式進(jìn)一步加強(qiáng)了數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)性和可檢索性。

③根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的街區(qū)現(xiàn)狀信息，對大部分近代住宅（尤其是沿街住宅）制定了統(tǒng)一的整治新方案，并通過數(shù)字軟件和媒介形成直觀的圖像，對整治后單體建筑的還原部分、立面形態(tài)、外墻材料色彩等做了效果展示，并通過網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行了公示。

3.3城市數(shù)字化管理平臺的發(fā)展

目前，國內(nèi)針對歷史建筑文化資源而設(shè)立的網(wǎng)絡(luò)共享平臺大多以大眾宣傳為主要目的，而真正實現(xiàn)管理和服務(wù)的數(shù)字化平臺還處于開發(fā)和嘗試階段。近年來，也有專家學(xué)者提出應(yīng)仿照國外建立城市歷史建筑管理平臺的建議。

依據(jù)民族文化資源庫系統(tǒng)所遵循的常用設(shè)計規(guī)范，歷史建筑數(shù)字化共享資源平臺的建立也大致包含兩大模塊：資源管理模塊和后臺管理模塊。其中，資源管理模塊主要包括資源分類、資源檢索、信息上傳下載、資源審核發(fā)布等，后臺管理模塊則包括原始數(shù)據(jù)采集、信息加工及系統(tǒng)配置管理等內(nèi)容。根據(jù)功能不同，可將用戶分為管理員、普通用戶、審核用戶等角色，如果是基于Web構(gòu)架的系統(tǒng)，客戶端可能只需通過瀏覽器或特定軟件，以不同身份登錄。普通用戶作為最終用戶，包含的主要功能有對歷史建筑資源的檢索、查看、下載以及對該資源對象現(xiàn)狀的信息更新、開發(fā)方案公示等；審核用戶作為現(xiàn)有資源系統(tǒng)的管理者，主要負(fù)責(zé)審核各資源來源的可信性和內(nèi)容的準(zhǔn)確性；管理員則負(fù)責(zé)整個資源平臺數(shù)據(jù)庫的建立、管理和維護(hù)，包括對原始測繪數(shù)據(jù)的采集和模型化、編制檢索信息、用戶管理和配置等。

圖2　數(shù)字化共享平臺管理流程示意圖

4　結(jié)語

目前，在國內(nèi)對歷史建筑的數(shù)字化開發(fā)主要集中運(yùn)用在某些特定案例中，并未形成系統(tǒng)，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)庫的完整性、準(zhǔn)確性和數(shù)字化功能的創(chuàng)新應(yīng)用還需深入研究；同時，各地關(guān)于歷史建筑的數(shù)字化資源，大多僅局限于調(diào)研機(jī)構(gòu)內(nèi)部共享，沒有在更大范圍內(nèi)得到有效的開發(fā)和互通互用?？梢姡瑪?shù)字化應(yīng)用在歷史建筑保護(hù)與開發(fā)領(lǐng)域，仍存在著功能單一、標(biāo)準(zhǔn)缺失及未有效共享等問題。盡管如此，相信隨著技術(shù)支持平臺的發(fā)展，以及政策措施的不斷完善，數(shù)字化開發(fā)仍將成為現(xiàn)代歷史建筑保護(hù)與文化傳承的一個新起點。

［1］章慧，陳宏明，蔣曉玲，等.公共文化資源數(shù)字化運(yùn)用功能拓展研究［J］.信息通信，2014，10（142）：78-79.

［2］李艷.海口市歷史建筑數(shù)字化管理平臺發(fā)展建議［J］.海南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2009，6（27）：173-175.

［3］范張偉，邢昱.基于數(shù)字化技術(shù)的古建筑保護(hù)研究［J］.北京測繪，2010（3）：18-21.

［欄目責(zé)任編輯邵冰欣］

Application of Digital Technology in the Protection and Development of Historic Buildings

Liu Zhifeng Wang Ying Xu Xinshan
（Architecture Engineering Institute，Jinling Institute of Technology，Nanjing Jiangsu 210069）

In the digital development background of cultural resources，starting from the current situation of protec?tion and development of the current of historic buildings，this paper summarized the main technology of digital devel?opment，combining with the case，and studied the application and functional prospect of digital technology in the field.

digital technology；historic buildings；protection and development

TU05

A

1003-5168（2015）05-0023-3

2015-4-28

江蘇省文化科研課題“南京近代文化資源數(shù)字化運(yùn)用功能拓展研究”（13ZC01）

劉志峰（1976-），男，碩士，副教授，研究方向：建筑與景觀設(shè)計。