基于BIM技術的古建筑修復研究

汪梓豪，程希瑩，操強，馬曉東 （安徽科技學院，安徽 蚌埠 233000）

1 引入BIM技術修復古建筑的可行性

1.1 古建筑修復的現狀

中國，一個有著五千多年歷史文明的大國，擁有著成千上萬的歷史遺物，古建筑就是其中之一。古建筑的存在不僅見證了人類歷史上代代相傳的變遷，還反映著古代人民的精神文化。每個歷史朝代的建筑物各具特色，反映著當時人們的思想、技術水準以及當時社會的發展水平。然而，近幾年來，人類對自然資源的需求越來越多，生活環境發生了重大變化，地震、冰雹等天然災害時有發生，加上人為惡意毀壞，這些建筑受損的越來越嚴重。可以說，這些古代建筑逐漸變得面目全非，大部分古代建筑遭到嚴重破壞，已無法修復。就目前的情況來看，如何有效、科學地保護古建筑，恢復其原有面貌是重要問題。

由于年代過于長遠和頻繁受到自然災害的影響，很多古建筑的保存現狀堪憂，修復問題同樣不容樂觀。諸多專家學者已經多次研究使用不同方法來修復古建筑，但是傳統的修復手段難以復原古建筑的本來面貌。首先，傳統的古代建筑信息存備方法主要有文字、圖片、表格等，但由于年代過于長遠，儲備的信息不是很完整，且這些存備的建筑信息并未能夠反映真實的情況。如果我們用傳統的建筑模型的信息存儲方法，盡管它能夠起到一定的記載作用，但是卻不能夠真實地反映建筑物的實際尺寸和規模。其次，古建筑的修復技術，雖然從上世紀七十年代有了很大地提高，然而這并不代表修復品質的進步，我們的修復水平依然很低，修復技術不成熟等問題。所以引進新技術修復古建、幫助古建筑恢復全貌是近年來專家、學者重點研究的領域，也是保護古建筑亟需解決的問題。

1.2 引入BIM技術

面對以上難題，在古代建筑中引進BIM技術顯得更加重要。建筑模型是通過建筑工程項目中的各種相關信息作為建筑模型的構造基礎，通過信息數據模仿建筑所具有的相關信息，從而模擬建筑所具備的相關信息。為了修復古建筑，我們可以利用從古代建筑提取的相關參數信息，運用BIM技術的數字化技術來建設三維空間模型，這樣的做法不僅能獲取建筑構造的各方面數據，而且能夠高度還原建筑，方便古建筑修繕和研究。同時，還可以利用BIM漫游的功能與先進的VR技術相結合，可以實現人們對古代建筑進行零接觸，一方面滿足人們參觀古建筑的需求，另一方面又防止人們對古代建筑造成的二次破壞。那么，如何使用建筑信息模式技術對古代建筑進行保護、修復呢？簡單地說，就是利用三維激光對古建筑全身進行掃描，準確地存儲從古代建筑所采集的各種云數據，然后引入BIM軟件，通過收集到關于古建筑數據，來制作模型。對于保護古建筑的需要，可以修改軟件參數，根據收集到的有關資料，對古建筑模式的構件材料、古建筑所處年代、古建筑表面損壞的程度、現有劃痕或重建記錄等。模型建成后，還可輸入實際的古建筑圖片，或相關歷史文獻、維修記錄、地理位置的信息，以及導入歷史圖像資料，從而構建一個虛擬的古建筑重現場景。對古建筑的保護和其歷史價值的傳承具有非常重要的借鑒價值，可以使工作人員動態地更新、維護古建筑。

2 BIM技術在古建筑修復中的具體運用

2.1 信息采集

文物古建筑的信息收集一般分為兩種類型，分別是物理空間信息和歷史文化信息。空間信息指的是文物和古建筑的詳細外形、大小和方位。歷史和文化信息通常被稱為屬性信息，包括古建筑本身是如何建造的，采用了什么材料，使用什么樣的科學技術，古代建筑和歷史文物的時代和地區的特點，以及人文社會科學的價值。BIM技術都可以通過三維激光掃描技術對建筑物的有關信息進行收集，并轉化為數字可視化模型。在對古建筑修復的過程中，可以充分運用BIM技術對古建筑進行采集數據以及信息加工，再對建筑物的大小，建筑物中的構件，建筑物內部構造，建筑物所處的地理位置、環境條件等詳細信息進行設計。同時借助三維激光掃描技術和GIS技術快速采集古建筑物的有關數據。

2.2 模型構建

運用BIM軟件構造模型是通過BIM技術反向創建古建筑三維模型，而后再利用其他軟件構造出古建筑中的“群體”模型。最后，構建了精確的古代建筑三維模型(圖1)。

圖1 古代建筑三維模型

在建造模型前，需要獲得古建筑內部結構的結造和每個構件尺寸的資料，需要用戶在軟件輸入窗口中輸入相關代碼，然后利用所輸入的代碼建立古建筑模型。利用數字化技術，采集與古建筑有關構件、古建筑建造采用的材質，古建筑所處環境數據等，將采集到的數據總結成建模所需的相關代碼，并設計了輸入窗口，用戶將這些代碼輸入到輸入窗口。每當我們建立一個三維模型，就可以從這些古建筑所需的相關代碼中總結出這個古建筑的專屬代碼。因此，我們可以根據每個實例推出結論，在總結各類古建筑的代碼后，將生成古建筑構件需要的其他參數和相關代碼存入到計算機中。每當用戶在輸入一個古建筑的相關代碼之后，系統就會在構件數據庫中搜尋生成構件的三維模型中所有的代碼。每次模擬完成后，系統都會從數據庫中查找其他組件的相關代碼。這一模型的構建理念在后續保護古跡的工作中具有重要意義。

2.3 屬性信息錄入

古建筑模型包括的性質信息十分復雜，具有特殊的性質。涉及古建筑各個角度。例如，當時建筑自身使用的材料，以及其建造所需的技術結構，以及當時相應的地理位置和地域特征。此外，它還包括對社會人文學的價值貢獻，以及構件間相關的數據。屬性資料還包括古代的圖形和照片繪制的文獻、現狀記錄，以及對保存文獻的現狀進行記錄和重建，表面特征描述，周圍地理環境信息，信息管理機構和各類視聽資料。具體操作：首先，系統會在輸入屬性信息的時候，依據用戶所輸入的建筑信息、物質信息、實物信息等進行標注。以前寄存的空間信息和屬性信息均存放于同一數據庫。在這個數據庫中，每一個信息是彼此銜接的，并且它們之間的大小相互匹配(圖2)。如果部分改變已被修改，其他也會有相應的變化（圖3）。

圖2 柱的構件布置

圖3 梁的構件布置

2.4 VR虛擬展示

虛擬現實技術是由計算機科學發展到某個程度而產生的。虛擬現實，顧名思義，是一種以虛擬為基礎的方法來反映三維物體。利用電腦在虛擬的狀態中生成虛構三維立體空間，在虛擬的三維空間里，人們能夠觀看到十分靠近真實的、與環境同處一個空間中的虛構情形。利用三維激光掃描，把采集到的數據三維立體化，通過建立虛擬的環境，向人們展示一個動態的古建筑的立體模型，并為人民創造古建筑所處的環境，實現人們與古建筑面對面的接觸，將虛擬與實際世界聯合起來，使人們在虛擬空間中可以體會到現實世界所擁有的感官上的感覺。通過虛擬現實技術，我們能夠把采集到的數據信息轉換為形象生動的立體模型。通過虛擬現實技術，構建了所需的虛擬環境之后，就可以把建筑中的廓模數據引入到虛擬環境。進口后，佩戴特制的虛擬眼鏡，游客能夠充分感受到這種交流的感覺。一般而言，古建筑的虛擬實際情境制作，有以下步驟。

①對古建筑進行數據收集。包括閱讀相關文獻，利用三維激光采集古建筑的數據，走訪當地居民。

②模型的建立。建模過程包括選擇建模工法、選擇建模工具和后期優化等。

③也是最重要的一個環節就是如何產生視覺效果。包括光線的處理，材料的選擇，大小的把握等。

3 BIM技術對古建筑修復的影響

①BIM技術能保存古建筑的相關信息，它能將其存入數據庫中，再現古建筑的樣貌，可以防止人們參觀古建筑造成的毀壞，對于已經不復存在的古建筑，可以通過專家采集到的信息，利用BIM技術，重現在大家的眼前。

②作為建筑業興起的BIM技術，通過對古建筑數字信息的采集，在軟件中可以按1：1的比例大小還原出該建筑的空間模型。并且很容易直觀地看出其中存在的隱患，古建筑各個構件若有破損，材質老化，構件脫落等問題，我們可以用BIM技術對模型進行分析，讓我們可以更好地去修復它。而且可以在不接觸古建筑的情況下，對古建筑進行破損分析，以免工作人員實地考察會對古建筑產生二次破壞。

③古建筑的保護涉及各個學術界的領域，古建筑也蘊含著古代人偉大的智慧，對學者研究古代文明有著重要意義。

因此，如何將BIM技術合理且高效應用于古建筑的修復和保護，使古代建筑的保護工作由傳統方法向數字信息化保護方法轉變，是古代建筑修復和保護的必然發展趨向。