基于B I M的歷史建筑數字展示平臺與仿真體驗系統的開發
——以翟雅閣博物館為例

吳莎冰，許穎

（中信建筑設計研究總院有限公司，武漢430014）

1 引言

近年來，隨著數字技術的發展，“數字敦煌”等一系列數字化文化遺產保護項目大量出現。不可再生的文化遺產實現了“數字孿生”甚至“數字重生”。通過數字化展示，文化遺產的歷史原貌能夠得到精準再現，一些不易被探知了解的細節也能夠“觸手可得”。目前，利用數字技術對館藏文物進行展示已經成了博物館建設的新趨勢。但對于歷史建筑來說，其本身就是值得進行數字化的一件“藏品”。本研究基于武漢市一家小型博物館——翟雅閣博物館開展，目的是探索歷史建筑的數字展示與仿真體驗系統的開發及應用。

翟雅閣博物館在修繕之前稱為“翟雅各健身所（James Jackson Gymnasium）”，是為紀念文華大學（現為華中師范大學）首任校長詹姆斯·杰克遜（James Jackson）所建的一座中西合璧風格的二層體育館建筑。建筑由美國傳教士設計師柏嘉敏（J.Van Wie Bergamini）設計，建成于1921年。柏嘉敏主張建立基督教建筑時應結合中國傳統因素，有意識地同“中國本土式”風格靠攏，以便教化國人。它的設計建造遠早于“中國固有形式”運動，是武漢近代教育建筑中對中式形制與西式結構相融合的大膽探索，對后來中國建筑民族主義風格流派形成具有啟迪、引領作用。

翟雅各健身所為2層磚混結構，廡殿抱廈頂，清水紅磚外墻，中軸對稱“凹”字形布局。正立面一層正中為拱券門，兩側為混凝土框套方窗。二層外廊設中式柱礎、額枋、梁頭、雀替、欄桿等，均為混凝土澆筑。屋頂采用鋼木混合梁架，形成了大跨度無柱室內空間，便于當時作為體育館使用。

建筑后因年久失修，空置近10年。2016年，翟雅各健身所完成修繕之后，更名“翟雅閣博物館”，成為武漢“設計之都客廳”，成為舉辦展覽、會議、活動的場所，完成了其功能的置換。在其普通博物館的功能之上對其進行數字展示與仿真體驗的系統開發，能夠推動其建筑的保護和文化遺產價值的傳播。

2 建立歷史建筑數字展示平臺與仿真體驗系統的需求分析

建立歷史建筑數字展示平臺與仿真體驗系統，要從使用需求、內容需求、性能需求3方面進行考量。

1）使用方面。系統首先需要面向歷史建筑的參觀及使用者，促進他們對建筑的理解；也需要面向歷史建筑的管理者，增強他們對建筑的管理和控制能力，從而達到保護與合理利用文化遺產的目的；還需要面向歷史建筑的修繕、服務單位，在管理者授權的前提下，這些單位可以接入系統，了解建筑使用的相關情況、通過傳感器等提供的數據了解建筑不可探知或不易探知的部位的現狀，做好修繕維護的前期準備工作。

2）內容方面。歷史建筑的參觀及使用者對建筑的來龍去脈尤其是其中發生的故事和建筑的美學特征較感興趣。因此，系統針對這一需求，設置了歷史建筑的歷史背景介紹、歷史照片、建筑的特色部位、三維全景欣賞等內容進行展示。展示類功能是歷史建筑數字化平臺內容方面的基本需求。在這些功能的基礎上，了解建筑修繕過程、修繕前后對比、建筑解構等，并進行仿真虛擬體驗，則是參觀使用者更深一層次的需求。

對于歷史建筑的管理者來說，歷史建筑的修繕加固信息、歷史構件傾斜偏移受力等狀態的監測、機電信息、管線信息，都是其設置數字平臺的基本需求。在此基礎上，整合安防、消防等功能，對特殊事件進行模擬，則可以更有效地利用平臺進行歷史建筑使用管理，便于在日常保養維護和突發事件中良好應對。

對于歷史建筑的修繕、服務單位來說，歷史建筑的數字展示平臺能夠為其提供數字化的檔案資料和實時監測數據，還能夠進行修繕工程前的相關模擬，為修繕及相關工程提供依據。

3）性能方面。平臺需要在滿足展示需求的基礎上，盡可能實現輕量化。一方面可以不用過分依賴高配置的設備，便于場館布置；一方面便于減短加載時間和點擊-響應時間，減短用戶等待時間，便于用戶使用。同時，安全可靠、便于修改、可拓展更新、便于移植到手機等其他設備，也是平臺設計需要滿足的性能要求。

3 歷史建筑數字展示平臺的開發

3.1 基本架構

翟雅閣博物館數字展示平臺PC端部分功能面向用戶展示，部分功能面向歷史建筑的管理者。展示平臺整體使用UE4（Unreal Engine 4）和C++結合BIM軟件Autodesk Revit進行開發，數據庫采用SQL進行管理。

展示功能分為10個模塊，分別為：首頁概況、項目介紹、建筑賞析、修繕前后、門禁系統、監控系統、消防演示、機電系統、建筑剖切、建筑導覽。

其中，利用BIM技術建立歷史建筑模型，通過Revit、3Dsmax、Navisworks、Unity、Fuzor等軟件，結合橄欖山等相關插件，對歷史建筑進行建模還原，能直觀地呈現歷史建筑的改造情況，為未來的運維保障提供數字底板和基礎。而且，通過虛擬現實的技術、數字化的呈現，不但可以將歷史建筑的原貌進行復原，更可以將歷史元素和歷史上發生的事件與建筑進行有機的結合，從而對建筑本身的歷史風貌和與之相關的歷史進行更好的呈現。

為了增強易用性，展示平臺在功能方面體現了高度的人機交互特征，能夠實現系統模塊、歷史建筑BIM模型方面的交互。BIM模型方面，通過交互，能夠實現建筑場地虛擬游覽、建筑內部虛擬游覽、歷史影像和在歷史建筑中開展的活動欣賞、建筑組成構件信息查看、修繕前后對比、安防監控動態、消防疏散模擬等功能。

3.2 數據采集與整合建模

通過整合傳統測量、無人機航拍、三維激光掃描及攝影測量技術，結合BIM技術及理念，本項目首先對翟雅閣博物館進行了信息采集，并對數據進行深度處理，建立了三維模型。在三維模型基礎上，整合歷史信息、修繕資料、運維信息與傳感器信息，最終建立數字展示平臺。

對翟雅閣博物館采集的建筑數據包括3部分內容：歷史資料，含建筑基本信息、歷史圖紙、民國老照片、修繕前資料照片等；建筑信息，含基礎測繪數據、無人機傾斜攝影數據、點云數據、細部數據、結構資料、材料資料、修繕工藝、施工記錄等；運維信息，含設備信息、管件信息、運營信息、展陳方案等。

通過BIM建模，將采集到的來自不同時代的建筑信息、結構信息、材料信息、特殊構件、水電暖通管件信息、運維管理信息和建筑的完損程度、修繕手段，整合在一個“四維”模型之中——既可進行三維觀測，又可進行時空回溯，甚至能夠對未來進行精確預測。但由于軟件平臺的局限性和數據整合的復雜性，歷史建筑的信息處理面臨著軟件功能不匹配、數據冗余、數據丟失、數據誤差等問題，需要通過識別冗余數據、加強數據兼容性等手段進行處理。BIM在處理數據方面。具有一定的先進性。如在處理點云數據方面，能夠實現完整數據的三維傳遞，從而減少建模中的信息損失，有利于提高建模的精度。

在建模中，尤其需要注意的是歷史建筑具有藝術價值、科學價值的特色部位，需要結合點云數據，實現其歷史信息真實性的有效表達，還原其歷史肌理。

4 歷史建筑仿真體驗系統的開發

利用BIM模型，翟雅閣博物館數字展示平臺設置了仿真體驗系統，包括消防疏散模擬功能和虛擬展覽功能。

消防疏散模擬功能對歷史建筑的管理者和使用者均能起到幫助的作用。翟雅閣博物館中，屋架、地板等木結構構件較多，展覽設施也存在一定的易燃性。因此，消防是進行翟雅閣博物館建筑保護與管理的一項重要任務。基于建筑BIM模型，結合建筑導覽功能，能夠實現第一人稱視角的逃生模擬；通過建筑的剖切、展示，能夠實現全知視角的逃生模擬。針對建筑1層展廳、1層辦公室、1層設備間、2層設備間、2層會議室等不同部位起火，可以分別計算最優的逃生路線，引導迅速疏散。結合傳感器，運用物聯網技術，則可以實現火災實時監控，實現實時逃生指引。

翟雅閣博物館的展覽功能，也在能夠通過數字展示平臺進行仿真體驗，通過對展品、展覽空間的數字采集，觀眾可以遠程通過手機或結合VR眼鏡，以第一人稱視角進行虛擬參觀。在后疫情時代，這種“云展覽”不僅能夠防止人群過度聚集，也能夠通過數字信息的整合，為觀眾提供更豐富的展覽體驗。除實現已有展覽的數字呈現之外，翟雅閣博物館的數字模型本身就是1個可復制、可布展的虛擬空間。后疫情時代，實體觀展受限較多，直接將展覽布置成為虛擬展，通過“云端”展陳，能夠最大限度地擴大展覽的覆蓋廣度。

翟雅閣博物館的建筑本身也是其最重要的展品。對于這件展品來說，虛擬體驗能夠彌補實體展覽中肉眼觀察不夠細致、無法貼近觀察的不足。通過BIM完成的翟雅閣博物館模型，可以實現將建筑的每一個角落展現在觀賞者面前的效果。實體展覽無法看到或看清的地下室、屋頂桁架細節、建筑構件細節以及修繕時對歷史建筑的精心“修補”，都能夠通過模型的展現、解構來實現觀眾的虛擬體驗，實現對建筑本體展覽的精細化。

5 歷史建筑數字展示、仿真體驗與“智慧博物館”的結合

何為“智慧博物館”？有學者指出：“通過充分運用物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術，感知、計算、分析博物館運行相關的人、物、活動等信息，實現博物館征集、保護、展示、傳播、研究和管理活動智能化，顯著提升博物館服務、保護、管理能力的博物館發展新模式和新形態。”[1]通過建立歷史建筑數字展示平臺與仿真體驗系統，將歷史建筑的展示納入“智慧博物館”的體系，能夠有效地實現歷史建筑的活化利用。

目前，我國的智慧博物館案例還缺少可復制推廣的案例，主要停留在對某一業務環節的智能化方面。“尚缺少全業務流程并具有‘透徹感知’‘智能融合’‘萬物互聯’等特征的智慧化發展模式。”[2]針對翟雅閣博物館進行的數字展示與仿真體驗系統，是一次基于歷史建筑使用者、管理者、維護者的“全業務”數字探索。

值得注意的是，市面上較為流行的“云游博物館”和“虛擬展覽”，與翟雅閣博物館基于“智慧博物館”理念的數字展示與仿真體驗系統有本質的不同。多數“云游博物館”和“虛擬展覽”采用的是對實體展覽進行全景拍攝，再加入場景切換、展覽介紹、背景音樂、一鍵導覽等功能的做法。雖然成本較低，但對實體展覽的依賴性極強，本質上是實體展覽的復制和線上推廣，仍存在實體展成本較高、修改不易、展覽時間有限、交互困難的問題。翟雅閣博物館的數字展示則以建筑BIM模型為基礎，可以直接在模型提供的虛擬空間中搭建展覽，能夠實現同時多展、出現問題及時修改、人機交互等功能，更好地促進歷史建筑的展示與利用。

6 結語

歷史建筑的價值展示與闡釋、其細節的監控與管理都離不開最新的數字化手段。本研究通過對武漢市優秀歷史建筑——翟雅閣博物館進行數字建模，探索了城市歷史建筑數字展示平臺及仿真體驗系統的建設方法，對于推廣“智慧博物館”做了有益的探索。