基于BIM+GDL的古建筑數(shù)字化修復(fù)與保護(hù)

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(diǎn)。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(wú)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(yíng)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(shì)。文章分析當(dāng)前古建筑維保修繕面臨的主要問(wèn)題和實(shí)際需求，提出通過(guò)三維掃描、無(wú)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(jì)，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(diǎn)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(wèn)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(zhǎng)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(guò)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(shí)，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形淖帧D片、表格等，但因年代過(guò)于久遠(yuǎn)，可能存在儲(chǔ)備信息不完整，或存?zhèn)涞慕ㄖ畔⑽茨芊从痴鎸?shí)風(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(shí)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(cè)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(shí)地反映真實(shí)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(guó)歷經(jīng)多種動(dòng)蕩與磨難，許多珍貴的影像資料在傳遞的過(guò)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(méi)有明確記載；有些材料在今天的建材市場(chǎng)已很難尋覓，或即便找到原材料也無(wú)法復(fù)原材料的處理工藝，無(wú)法得到古法的材料性能。實(shí)際上相關(guān)部門花了很大力氣對(duì)古建筑進(jìn)行修繕、重建，但部分工程呈現(xiàn)出來(lái)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(guò)于久遠(yuǎn)，古建筑儲(chǔ)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(lái)，未完成圖集的編制，無(wú)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(wú)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(guò)去，古建筑保護(hù)工作中的測(cè)繪方式受多種因素影響，稍有不慎便容易在測(cè)繪中出現(xiàn)誤差，降低數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性；整個(gè)操作過(guò)程也非常耗時(shí)、耗力。而地面三維激光掃描技術(shù)則呈現(xiàn)出了無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)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(cè)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(cè)量、繪制、記錄、出圖的效率。

也可以利用無(wú)人機(jī)對(duì)建筑進(jìn)行傾斜攝影，將無(wú)人機(jī)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地面激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊重構(gòu)模型，形成古建筑整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；進(jìn)一步還可以測(cè)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(shí)際項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，BIM模型對(duì)項(xiàng)目的展示、溝通與交流有極大的幫助，并且 BIM 的清單統(tǒng)計(jì)、易出圖等優(yōu)勢(shì)，有利于減少設(shè)計(jì)工作量、降低成本、優(yōu)化設(shè)計(jì)流程?；贐IM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(jì)的工作量減小、流程簡(jiǎn)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(jì)的特點(diǎn)。結(jié)合精密測(cè)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(kù)，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(shí)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(duì)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(guó)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(kù)

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(shí)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(kù)，極大提高了古建筑的修復(fù)與保護(hù)效率。圖2對(duì)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(duì)數(shù)值進(jìn)行定義。在族類型中修改數(shù)值，坐斗實(shí)體會(huì)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(jì)

（一）GDL的應(yīng)用場(chǎng)景

GDL（Geometric Description Language）是一種參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，為智能化參數(shù)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的基礎(chǔ)。利用GDL語(yǔ)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(duì)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(kù)。

（二）基于GDL的挑檐桁設(shè)計(jì)

GDL支持基本運(yùn)算操作、編程語(yǔ)言和條件語(yǔ)句的運(yùn)用：基本運(yùn)算操作包括加、減、乘、除等；編程語(yǔ)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(yǔ)句在參數(shù)化構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)話框設(shè)置可變參數(shù)，將構(gòu)件的各項(xiàng)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(yǔ)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(huì)根據(jù)輸入的參數(shù)變化。在構(gòu)件調(diào)用時(shí)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(jì)造價(jià)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(shí)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(cè)站點(diǎn)并架設(shè)三維激光掃描儀，測(cè)量建筑實(shí)體三維數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和掃描技術(shù)，生成地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)并保存；缺失部分點(diǎn)利用現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)補(bǔ)充完整。通過(guò)點(diǎn)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(shí)性和美觀性。對(duì)于復(fù)雜組件，多角度、多渠道、多維度地采集信息，對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行細(xì)部建模。同時(shí)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(diǎn)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(guò)數(shù)字信息模型，將古建筑以數(shù)字化方式建檔保存

通過(guò)點(diǎn)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(duì)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(kù)

古建筑的空間數(shù)據(jù)管理，非常契合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理運(yùn)算邏輯，其對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、加工和數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)⒐沤ㄖy(tǒng)計(jì)、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(jì)算機(jī)儲(chǔ)存的格式[3]。

過(guò)去對(duì)古建筑相關(guān)信息的存儲(chǔ)，大多是通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料、實(shí)地調(diào)研及走訪，再匯總相關(guān)歷史文件信息、景區(qū)景點(diǎn)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(lái)保存的古建筑信息或者數(shù)據(jù)，相對(duì)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(chǔ)的古建筑信息相對(duì)直觀，但這種信息往往缺乏對(duì)應(yīng)物理尺寸，無(wú)法還原古建筑修復(fù)所需的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，無(wú)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(wú)法共享等一系列問(wèn)題。因此，建立基于BIM+GDL的古建筑數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是最佳選擇。

古建筑三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)體模型進(jìn)行說(shuō)明，同時(shí)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(kù)的基本構(gòu)架。

（四）利用3D打印技術(shù)對(duì)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(diǎn)。現(xiàn)存古建筑多少會(huì)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(gè)巨大優(yōu)勢(shì)在于可以將殘缺或損壞的構(gòu)件或者組件，對(duì)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(shí)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(gè)構(gòu)件（昂、枋、拱、翹、升、坐斗等）拆分開，對(duì)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(guò)VR和人機(jī)交互技術(shù)，不僅在視覺(jué)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(guò)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(jì)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(diǎn)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(chǎng)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(tái)。該平臺(tái)不僅為普通人認(rèn)知古建筑提供便利，更有利于設(shè)計(jì)人員、運(yùn)營(yíng)人員日常維護(hù)和動(dòng)態(tài)更新，對(duì)古建筑營(yíng)造技藝的傳承和其歷史價(jià)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(guò)程中也暴露出模型的質(zhì)量與精度達(dá)不到要求等問(wèn)題，但將BIM+GDL結(jié)合，用數(shù)字化技術(shù)對(duì)古建筑實(shí)施記錄、建檔、建庫(kù)，用數(shù)字化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)，對(duì)于傳承古建筑營(yíng)造技藝、弘揚(yáng)中華傳統(tǒng)文化無(wú)疑具有積極意義。

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作者簡(jiǎn)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(yáng)人。大學(xué)本科，研究方向：建筑工程信息化 BIM 設(shè)計(jì)。

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(jì)