三維激光掃描與HBIM技術(shù)在歷史建筑數(shù)字化建檔中的應(yīng)用探索

牛鵬濤 田疆

摘? 要：歷史建筑作為民族文化發(fā)展的見證，是國家寶貴的文化遺產(chǎn)，也是不可再生、不可替代的寶貴財(cái)富。實(shí)施歷史建筑數(shù)字化建檔工作對我國歷史建筑遺產(chǎn)的繼承、保護(hù)和開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。利用三維激光掃描和歷史建筑信息模型（HBIM）等創(chuàng)新技術(shù)和方法，構(gòu)建歷史建筑檔案的數(shù)字化工程框架，具有效率更高、管理更加便捷的優(yōu)勢。通過對我國歷史建筑建檔工作中存在的問題進(jìn)行分析，提出了歷史建筑建檔的數(shù)據(jù)分類、作業(yè)方法和工作流程，并嘗試構(gòu)建由基本檔案記錄、點(diǎn)云可視化數(shù)據(jù)和HBIM模型高度融合的歷史建筑數(shù)字化建檔工作方案。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;HBIM;歷史建筑;數(shù)字化;建檔

Abstract： As the witness of the development of national culture， historical architecture is the country's precious historical and cultural heritage， but also the country's non-renewable， irreplaceable precious wealth. It is of great practical significance for the inheritance， protection and development of historical building heritage in China to implement the digital filing of historical building. Using the innovative technologies and methods such as 3D laser scanning and historical building information modeling （HBIM）， the digital engineering framework of historical building Archives is constructed， which has the advantages of higher efficiency and more convenient management. Study of historic buildings in China in the document analysis of existing problems， put forward the historical building of document method， the classification of the work process and data acquisition methods， and try to build by visual basic records， point cloud data and HBIM model composed of highly integrated digital archive work of historic buildings.

Keywords： 3D laser scanning; HBIM; Historic buildings; Digital; Archiving

我國歷來高度重視歷史建筑的保護(hù)工作，不斷嘗試新方法、新技術(shù)對歷史建筑進(jìn)行記錄、測繪、修復(fù)與開發(fā)[1]。當(dāng)前，隨著測繪科學(xué)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用激光掃描和BIM等新技術(shù)和新方法做好歷史建筑的建檔工作，對于堅(jiān)定文化自信、弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、塑造城鎮(zhèn)風(fēng)貌特色[2]、推動城鄉(xiāng)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義，是對建筑和文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域電子建檔工作的有益探索，也是在建設(shè)“檔案強(qiáng)國”工作中的創(chuàng)新嘗試。

1 歷史建筑建檔工作進(jìn)展

1.1 國外歷史建筑建檔工作。長期以來，世界各國采取了不同的方法和手段以實(shí)現(xiàn)歷史建筑的建檔和保護(hù)工作，其中歐美國家起步較早。美國早在1933年就開展了歷史建筑調(diào)查（HABS，Historic American Buildings Survey），并于1935年通過了《歷史遺址法案》，明確提出對歷史建筑遺產(chǎn)實(shí)施檔案登記管理。1969以后，美國又先后啟動了工業(yè)遺產(chǎn)遺跡建檔計(jì)劃（HEAR，Historic American Engineering Record）、歷史景觀調(diào)查（HALS，Historic American Landscape Survey）和美國國家歷史地標(biāo)建檔（NHL，National Historic Landmark）等工作，明確了以圖紙、報(bào)告和影像三種要素作為歷史遺產(chǎn)檔案的主要信息構(gòu)成，為歷史建筑遺產(chǎn)檔案的編制、收集等工作確立了標(biāo)準(zhǔn)[3]。英國于1983年制定了《國家遺產(chǎn)法》，成立專門機(jī)構(gòu)“英國遺產(chǎn)（English Heritage）”對歷史古跡和歷史建筑進(jìn)行檔案制作、儲存和共享。亞洲國家中的韓國特別成立了文化遺產(chǎn)廳對各類歷史文物按照國寶、古跡等七大類分別登記建檔，2008年號稱韓國第一國寶的“崇禮門”被人為焚毀后，該國對歷史建筑建檔工作的重視程度提升到前所未有的水平。當(dāng)前，隨著三維激光掃描和BIM技術(shù)的發(fā)展，歐美等發(fā)達(dá)國家在2009年前后已經(jīng)開始基于三維全息信息的歷史建筑數(shù)字化建檔工作探索[4]，并嘗試構(gòu)建了各種電子檔案館和線上博物館等示范范例，運(yùn)行效果良好。

1.2 國內(nèi)歷史建筑建檔工作。我國先后依托國家文物局開展了三次大規(guī)模的文物普查，將大量歷史建筑列入文物保護(hù)單位并進(jìn)行信息采集和記錄。2007年5月，國家文物局聯(lián)合國際古跡遺址理事會和聯(lián)合國教科文組織世界遺產(chǎn)中心共同研討并通過了《東亞地區(qū)文物建筑保護(hù)與修復(fù)指導(dǎo)文件》，明確了對文物建筑、歷史建筑進(jìn)行檔案記錄的指導(dǎo)原則。另外，國內(nèi)學(xué)者圍繞歷史建筑建檔工作也做了大量的討論和研究，包括類別劃分、收集整理、建檔策略等[5-6]。

1.3 我國歷史建筑建檔工作中存在的問題

1.3.1 缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。歷史建筑建檔工作沒有檔案行政管理部門的科學(xué)指導(dǎo)，導(dǎo)致全國統(tǒng)一的建檔標(biāo)準(zhǔn)缺失，歷史建筑編碼、分類和索引的編制工作滯后。因此，雖然我國不少地方的城市建設(shè)部門采取了一系列措施對歷史建筑進(jìn)行建檔管理，但由于沒有完備的檔案管理體系，加上歷史建筑的分類、劃定標(biāo)準(zhǔn)不一，檔案登記詳細(xì)程度差異，導(dǎo)致當(dāng)前歷史建筑數(shù)字化建檔工作成效不明顯[7]。

1.3.2 數(shù)字化難度大。我國傳統(tǒng)歷史建筑設(shè)計(jì)巧妙靈活、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)字化三維模型信息采集難度大。歷史建筑的微小構(gòu)件種類繁多，彩繪信息繁復(fù)[8]，采用傳統(tǒng)的文字報(bào)告、現(xiàn)場繪圖和影像照片的方式對其進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原和描述難以達(dá)到理想效果，構(gòu)建三維模型的難度大。

1.3.3 建檔數(shù)據(jù)量大。中華文明源遠(yuǎn)流長、文化底蘊(yùn)厚重，歷史建筑數(shù)量龐大，建檔工作任務(wù)艱巨。僅公布的全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位就有5292處，其中古建筑2160處，近現(xiàn)代重要史跡及代表性建筑952處。而目前已知的不可移動文物約有40萬處，其中大部分是歷史文物建筑。以被譽(yù)為中國“古建博物館”的山西省為例，當(dāng)前已注冊歷史建筑18418處，單體建筑超30萬個(gè)。

2 三維激光掃描技術(shù)與HBIM發(fā)展介紹

2.1 三維激光掃描技術(shù)。不同于傳統(tǒng)測繪的單點(diǎn)測量方式，三維激光掃描技術(shù)具有效率更高、精度更高的領(lǐng)先優(yōu)勢[9]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于測繪測量、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測、工業(yè)設(shè)計(jì)、災(zāi)害評估、數(shù)字城市等工程領(lǐng)域。在古建測繪與保護(hù)方面，傳統(tǒng)古建信息采集通常采用單點(diǎn)測繪和平面攝影相結(jié)合的方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且精度很難得到保障。

2.2 歷史建筑信息模型（HBIM）。建筑信息模型（BIM）概念最早是在1975年由美國佐治亞理工大學(xué)Chuck Eastman教授提出，目的在于實(shí)現(xiàn)建筑物從設(shè)計(jì)施工到拆除進(jìn)行全生命周期的可視化和量化分析。2002年，著名建筑輔助設(shè)計(jì)軟件公司Autodesk收購三維建模軟件公司Revit Technology以后，首次將建筑信息模型（Building Information Modeling）的首字母連起來使用，推出了目前眾所周知的“BIM”系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能繪制常規(guī)的建筑及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)加工圖紙，還可以實(shí)現(xiàn)建筑物的三維可視化展示[10]，并通過專業(yè)的插件工具對建筑物及其構(gòu)件進(jìn)行模擬和優(yōu)化，使建筑細(xì)節(jié)表達(dá)更加直觀和詳細(xì)。

2009年，愛爾蘭都柏林大學(xué)的Maurice Murphy和Eugene McGovern教授在BIM和三維激光掃描技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上提出歷史建筑信息模型（Historical Building Information Modeling，HBIM）概念。HBIM首先使用三維點(diǎn)云或RGB圖像對歷史建筑進(jìn)行參數(shù)化建模，然后利用BIM技術(shù)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化構(gòu)件庫，最后將實(shí)景三維模型附加構(gòu)造、材料及其他屬性信息按照BIM模型標(biāo)準(zhǔn)存儲并發(fā)布。同年，國內(nèi)的清華大學(xué)也提出在常規(guī)BIM的基礎(chǔ)上加入反映歷史建筑特殊屬性管理模塊的HBIM構(gòu)建思路。從此，國內(nèi)關(guān)于HBIM的研究和應(yīng)用逐漸開始領(lǐng)先，并在實(shí)踐工作中總結(jié)出了一套較為科學(xué)、規(guī)范的工作流程。

3 歷史建筑數(shù)字化建檔方法和流程

近年來，國內(nèi)城市建設(shè)管理部門出于對歷史建筑的保護(hù)目的，先后發(fā)布了一系列指導(dǎo)文件對歷史建筑建檔工作進(jìn)行規(guī)范，但是由于專業(yè)局限性，相關(guān)文件的指導(dǎo)措施大多不夠全面，對歷史建筑的歷史溯源、地方史志等檔案文獻(xiàn)缺乏詳細(xì)記錄。本文嘗試將建筑、歷史和檔案管理等多專業(yè)的先進(jìn)理念融合在歷史建筑的建檔保護(hù)工作中，進(jìn)而提出利用三維激光掃描和HBIM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一種多方參與、協(xié)同共管的數(shù)字化檔案管理平臺。以期逐步實(shí)現(xiàn)將檔案管理、保護(hù)單位、改造設(shè)計(jì)、維護(hù)施工和大眾參觀訪問聯(lián)系在同一個(gè)管理交互平臺，可以實(shí)現(xiàn)貫穿歷史建筑全生命周期的信息管理和展示工具，有效解決當(dāng)前我國歷史建筑數(shù)字化建檔的問題。

3.1 歷史建筑的認(rèn)定與建檔范圍。2005年建設(shè)部發(fā)布的《歷史文化名城保護(hù)規(guī)劃規(guī)范》，對歷史建筑定義為：“有一定歷史、科學(xué)或藝術(shù)價(jià)值，能夠反映歷史風(fēng)貌和地方特色的建（構(gòu)）筑物”。而2008年國務(wù)院公布的《歷史文化名城名鎮(zhèn)名村保護(hù)條例》則指出歷史建筑是被各地方政府認(rèn)定的具有一定歷史價(jià)值，但尚未確定為文物保護(hù)單位，也未被登記為不可移動文物的建筑物和構(gòu)筑物。

根據(jù)以上概念，由于各地文物普查實(shí)際工作中已經(jīng)將大部分具有歷史、藝術(shù)或科學(xué)價(jià)值的建筑登記為不可移動文物。但不可移動文物中又有相當(dāng)比例尚未被公布為文物保護(hù)單位，在實(shí)際工作中往往無人監(jiān)管，造成大量的歷史建筑未被實(shí)質(zhì)性地建檔和保護(hù)。因此，本文建議將所有文物保護(hù)單位、不可移動文物中的建筑物、構(gòu)筑物連同各級政府認(rèn)定的各類反映歷史風(fēng)貌和地方特色的歷史建（構(gòu)）筑物統(tǒng)一列入建檔范疇。

其中具有歷史價(jià)值的歷史建筑主要包括與歷史人物、事件或歷史機(jī)構(gòu)相關(guān)，或者在城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展和建設(shè)與建筑演變過程中有明顯代表性的建筑。具有藝術(shù)價(jià)值的歷史建筑主要是指風(fēng)格或造型具有區(qū)域民族特點(diǎn)或藝術(shù)典型性。具有社會文化價(jià)值的歷史建筑是指具有特定社會文化背景的地標(biāo)性建筑，如上海中共一大舊址等紅色建筑等。

3.2 適用新方法的建檔信息內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)歷史建筑的數(shù)字化建檔，需要首先明確檔案收集標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容。本文將歷史建筑檔案分為基本檔案、數(shù)字化圖紙檔案、二三維影像檔案、建筑主要構(gòu)件檔案等四大類，基本實(shí)現(xiàn)了歷史建筑全生命周期的各類信息覆蓋。本文將各類檔案信息內(nèi)容和記錄要點(diǎn)通過整理后如表1。

其中，三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)二三維影像檔案和建筑主要構(gòu)件檔案中大部分內(nèi)容的快速采集工作;而HBIM系統(tǒng)則可以借助Revit等軟件將四類檔案信息與空間模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和融合。而歷史建筑的維護(hù)管理與線上展示等要求，需要在當(dāng)前HBIM系統(tǒng)中進(jìn)行更全面二次開發(fā)。

3.3 歷史建筑建檔流程

3.3.1 基于三維激光掃描的歷史建筑三維建模。雖然國家測繪主管部門發(fā)布了《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》，但是針對歷史建筑保護(hù)和建檔的特殊需求，國內(nèi)并沒有對歷史建筑的三維激光掃描工作進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范。為此，本文結(jié)合長期以來對歷史建筑三維點(diǎn)云采集的經(jīng)驗(yàn)，提出了適用于歷史建筑三維信息采集的工作流程：首先根據(jù)歷史建筑三維建模等需求，確定測繪范圍、測繪目標(biāo)、測繪步驟。在三維激光掃描作業(yè)過程中要考慮總平面圖、平面、里面、剖面、典型構(gòu)件的測繪和建模需求，合理設(shè)置測站和永久控制點(diǎn)（標(biāo)靶點(diǎn)）。針對歷史建筑的室內(nèi)信息等傳統(tǒng)測繪方式無法施策的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)使用三維激光掃描儀盡可能地覆蓋所有價(jià)值要素、結(jié)構(gòu)構(gòu)件。現(xiàn)場采集、處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接用來構(gòu)建歷史建筑三維模型。

在信息采集精度方面，按照宋代《營造法式》的說明，我國歷史建筑構(gòu)建多以“材分”或營造尺為尺度單位，大多數(shù)建筑構(gòu)件的最小尺寸為1“寸”（3cm），最小的構(gòu)件以1“分”即3mm為最小尺寸，當(dāng)前三維掃描技術(shù)的精度往往在2.9mm@20m以上，符合精度要求。由于激光點(diǎn)云的高精度特性，還可以對歷史建筑中的任意構(gòu)件進(jìn)行尺寸截取，并對以往檔案資料中的尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)與核對。

3.3.2 從三維模型到HBIM數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。三維激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理、尺寸要素提取，可以在點(diǎn)云后處理軟件中制作建筑白膜和幾何三維模型。然后借助Revit等軟件將幾何三維模型與屬性信息關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)三維模型到HBIM的快速轉(zhuǎn)換。另外HBIM中根據(jù)歷史建筑構(gòu)件的自身特點(diǎn)和建檔要求，可以附加各種外部鏈接，使其檔案記錄可以基于建筑三維模型進(jìn)行豐富。

3.3.3 基于HBIM空間信息的建檔信息整合。為實(shí)現(xiàn)對建筑材料和造價(jià)的智能化管理，當(dāng)前的建筑企業(yè)已經(jīng)普遍啟動了BIM的應(yīng)用。而實(shí)現(xiàn)對歷史建筑檔案信息的全面智慧化管理，需要借助HBIM來完成。HBIM不僅可以對歷史建筑進(jìn)行分類、分權(quán)限管理，還能實(shí)現(xiàn)對應(yīng)檔案信息的科學(xué)分類、建筑及構(gòu)件的維護(hù)管理，最終通過VR+AR等實(shí)現(xiàn)全息模型展示。HBIM技術(shù)通過整合GIS軟件的相關(guān)功能，可以在WEBGIS的基礎(chǔ)上構(gòu)建歷史建筑電子檔案庫，實(shí)現(xiàn)基于電子檔案的日常管理和規(guī)劃管理功能;針對單體建筑及其特定構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)三維模型查看、屬性信息錄入與檢索等功能。為避免數(shù)據(jù)量過大，HBIM還可以基于云平臺關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)量龐大的三維激光掃描點(diǎn)云、圖像和影音數(shù)據(jù)庫，用以管理和儲存歷史建筑的基本檔案、數(shù)字化紙質(zhì)檔案、二三維影像檔案等資料，實(shí)現(xiàn)宏觀層面的GIS體系、單體層面的HBIM體系以及云端數(shù)據(jù)庫之間的無縫連接。

史”教育充分融合。作為紅色檔案與“四史”教育融合主體，要充分發(fā)揮自身能動性，主動作為，結(jié)合當(dāng)前黨史學(xué)習(xí)教育要求，安排部署好各項(xiàng)工作，確保循序漸進(jìn)，取得實(shí)效?；诖?，要完善紅色檔案融入“四史”教育的相關(guān)制度機(jī)制，對融入內(nèi)容、融入形式等進(jìn)行界定，并適當(dāng)留設(shè)可靈活調(diào)整的范圍。要強(qiáng)化紅色檔案、“四史”教育和社會主義核心價(jià)值觀的長效融合機(jī)制建設(shè)，利用好重大節(jié)日節(jié)點(diǎn)，做好節(jié)日里的黨史教育、紅色教育，利用好紅色資源，包括紅色教育基地、紅色檔案館等開展實(shí)訓(xùn)，真正傳承好紅色基因。[5]再者，要在基層黨建工作責(zé)任制中納入黨史學(xué)習(xí)教育，強(qiáng)化紅色檔案與“四史”教育融合工作落實(shí)。此外，要配備專業(yè)的人員負(fù)責(zé)二者的融合推進(jìn)，確保在專人、專班、完善機(jī)制的支持下，推動二者實(shí)現(xiàn)更高效的提升。

3.2 借助媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)融合推進(jìn)

3.2.1 創(chuàng)建紅色專題網(wǎng)站。在“互聯(lián)網(wǎng)+”和新媒體時(shí)代，紅色檔案融入“四史”教育需要更新理念，轉(zhuǎn)變思路，努力打造“線上+線下”融合推進(jìn)和教育模式。充分挖掘紅色檔案中的紅色教育資源，結(jié)合“四史”教育內(nèi)容，構(gòu)建紅色檔案與“四史”教育專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫。搭建紅色檔案融入“四史”教育的專題網(wǎng)站，將紅色檔案資源、“四史”教育等融合成統(tǒng)一體，進(jìn)一步擴(kuò)大紅色文化資源的影響范圍。

3.2.2 開發(fā)紅色檔案與“四史”融合教育微課。當(dāng)前，微課已經(jīng)成為黨史學(xué)習(xí)教育的一種主要途徑。從紅色檔案與“四史”融合的角度來看，在設(shè)計(jì)微課時(shí)，要立足紅色檔案中的特色資源，充分挖掘本土化的紅色資源，著眼于實(shí)際問題，采取以小見大手法，圍繞紅色文化內(nèi)容制作微課微視頻，供人們在碎片時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)觀看。要注重在提高微課吸引力上下功夫，增設(shè)互動性較強(qiáng)的微課視頻，包括紅色經(jīng)典誦讀、紅色人物事跡簡介等，真正做到在“新”上下功夫，在提高實(shí)效上有作為。

3.3 拓寬宣傳路徑，強(qiáng)化教育氛圍。紅色檔案與“四史”學(xué)習(xí)教育的融合需要良好的社會氛圍的加持，在良好氛圍創(chuàng)設(shè)上，則要注重拓寬宣傳渠道。在宣傳過程中，要注重紅色檔案融入“四史”在育人方面的浸潤式作用，激發(fā)出受教育者“我”和“我們”的歸屬及認(rèn)同。制作紅色電影，包括近幾年熱播的《湄公河行動》《戰(zhàn)狼》和今年大熱的《懸崖之上》以及即將上映的《1921》等。通過大眾喜聞樂見的宣傳方式，將進(jìn)一步加深社會大眾對紅色文化的了解和認(rèn)同。[6]同時(shí)，要注重打造紅色檔案融入“四史”教育的體驗(yàn)式空間，將二者的共有特色進(jìn)行融合，通過與受教育者的良性互動，加強(qiáng)熏陶和感染，將紅色黨史教育融入受教育者的日常生活中，引導(dǎo)受教育者成為紅色基因的自覺傳承者與忠實(shí)發(fā)展者。

4 結(jié)語

將紅色檔案融入“四史”教育中，具有必然性，二者內(nèi)在邏輯一致，同質(zhì)、同構(gòu)、同向，具有較為一致的教育屬性。基于此，將紅色檔案與“四史”教育相融合，需認(rèn)識到新時(shí)代下二者融合過程中面臨的沖擊與挑戰(zhàn)，進(jìn)一步明晰教育目標(biāo)，探尋發(fā)展之策，同時(shí)要結(jié)合建黨100周年黨史學(xué)習(xí)教育要求，深化紅色檔案與“四史”教育的融合力度，持續(xù)走好融合之路，做到多角度同促、多途徑融合，在紅色教育中不斷汲取奮進(jìn)力量，取得優(yōu)異成績。

*課題基金：河南省哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃辦公室項(xiàng)目“網(wǎng)絡(luò)時(shí)代大學(xué)生主流意識形態(tài)認(rèn)同研究”（2017E017）。

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（作者單位：牛鵬濤，河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都理工大學(xué);田疆，成都理工大學(xué) 來稿日期：2022-01-13）