國外建成遺產歷史建筑信息模型（HBIM）前沿發展綜述

摘要：當今，新興數字技術對于文化遺產的保護與記錄顯得至關重要，相關技術的應用使得諸如降低文化遺產損壞風險、制定文化遺產預防性保護計劃、實現文化遺產全生命周期記錄與監管以及文化遺產可持續性保護等目標得以實現。作為文化遺產數字化保護領域的國際先進組織，國際建筑攝影測量與文化遺產記錄委員會（CIPA HeritageDocumentation）自1968年成立以來，一直積極致力于匯集與發表各類前沿的文化遺產保護與記錄的研究成果和實踐經驗。CIPA2023會議是后疫情時代由該組織主辦的首次線下集會，大會不僅為學術交流提供了平臺，更匯集了大量前沿研究進展、創新的數據收集方法，以及應對復雜挑戰時的有效解決方案。歷史建筑信息模型（HBIM）是文化遺產數字化的核心和紐帶。無論是對于單體歷史建筑或建筑群，還是大規模考古遺址和景觀遺產，抑或分布廣泛的線性文化遺產，綜合運用HBIM對其進行保護已被廣泛認為是高效精準且潛力巨大的。本文通過檢索國外學者在CIPA2023會議、國際攝影測量與遙感學會（ISPRS）出版物以及Web of Science（WoS）中所發表的HBIM研究文獻，總結基于HBIM對遺產的復雜結構和構件進行建模，文化遺產管理、監測和修復的研究，可訪問資源構建，以及探索數字孿生技術和深度學習的應用等四個方面的最新研究進展，介紹HBIM國際研究與應用的前沿進展。

關鍵詞：CIPA2023會議；文化遺產；建成遺產；數字化；歷史建筑信息模型（HBIM）

一、 國際建筑攝影測量與文化遺產記錄委員會與CIPA2023會議

作為國際古跡遺址理事會（ICOMOS）歷史最悠久的國際科學委員會之一，國際建筑攝影測量委員會（CIPA）于1968年由國際古跡遺址理事會和國際攝影測量與遙感學會（ISPRS）共同成立。該委員會的成立旨在促進測量科學技術在文化遺產文檔記錄領域的應用，因最初的法語名稱“ComitéInternational de la Photogrammétrie Architecturale”無法完全囊括其在文化遺產保護領域內開展的全部活動和所作出的學術貢獻，而后更名為國際建筑攝影測量與文化遺產記錄委員會（CIPA HeritageDocumentation， 簡稱“CIPA HD”）。

作為文化遺產記錄與文化遺產信息使用者之間的連接紐帶，CIPA HD致力于將應用于測繪科學與可視化科學的技術引入到文化遺產記錄、保護和文獻領域，其主要肩負以下兩項職責：一是鼓勵制定事關文化遺產各方面的記錄、文獻和信息管理的原則與實踐準則；二是支持和鼓勵相關從業人員開發專業工具和技術來支持前述行動。自1968年成立以來，CIPA HD已召開32次國際會議，包括1968年的成立大會、1980年和1986年的第一屆和第二屆國際學術討論會以及每兩年舉辦一次的國際研討會（見表1）。

作為后疫情時代舉辦的首個重要的文化遺產數字化保護國際會議，CIPA2023會議吸引了來自35個國家和地區的400余名專家學者。所有學術論文均圍繞“記錄、理解和保護文化遺產：塑造未來的人文和數字技術（Documenting，Understanding， Preserving Cultural Heritage：Humanities and Digital Technologies for Shapingthe Future）”這一主題展開。大會由意大利佛羅倫薩大學和佛羅倫薩市政府主辦，并與米蘭理工大學（Politecnico di Milano）、都靈理工大學（Politecnico di Torin）、威尼斯大學（Università Iuav di Venezia）以及布魯諾·凱斯勒基金會（Fondazione Bruno Kessler）等文化遺產保護與數字化領域知名院校和機構進行合作。同時，也得到了托斯卡納（Tuscany）大區、國際古跡遺址理事會意大利委員會（ICOMOS Italia）和意大利攝影測量與地形學會 （SIFET） 等意大利區域和國家組織的大力支持。 會議論文涉及18個話題，從文化遺產保護的前沿技術及其應用到文化遺產的監測與管理，重點關注了新興技術和應急保護，以及文化遺產保護教育、瀕危文化遺產保護和信息傳播等（見表2）。

二、歷史建筑信息模型

過去幾十年中，建筑信息模型 （Building Information Modelling，簡稱“BIM”） 的應用范圍和場景顯著擴展，特別是在文化遺產保護領域。2008年，阿拉伊奇（Arayici）首次提出BIM這一方法，其適用目標主要針對于既有建筑（ExistingBuilding）[1]。這項研究中的實踐案例展示了通過使用3D激光掃描工具所獲取的數據對既有建筑應用BIM的方法，被稱為eBIM（BIM for ExistingBuilding）。 在eBIM中，既有建筑的各方面信息得以記錄和管理，包括使用BIM進行全生命周期分析和資產管理、實時數據訪問、維護計劃、應急管理、改造、維修與重建、建筑能源模擬、環境分析等方面[2–5]。

在文化遺產與歷史建筑保護領域中，許多建筑師、考古學家、保護專家和工程師將 BIM視作一種技術變革，重塑了各類專業人員的研究與實踐方法，包括（1）狀態監測；（2）項目、遺產和資產管理；（3）多樣信息記錄；（4）制定預防性保護決策[6–8]。洛格西提斯（Logothetis）提出將BIM應用到現存歷史建筑的寶貴方法，并使用點云（Point Cloud）數據進行實踐[9]。目前，用于實施歷史建筑信息模型的平臺可分為商業平臺和開源平臺兩類，前者主要以GraphiSoft ArchiCAD?，Autodesk Revit?， Bentley MicroStation V8i?和Tekla Structures?等軟件為代表，可實現許多復雜結構或構件的建模。而開源平臺則以Edificius（Acca Software） ?，Tekla BIMsight?和AutodeskNavisworks Freedom?等平臺為代表，因缺乏充足的工具集，主要用作投影和可視化模型工具[10]（見表3）。

對于擁有豐富文化遺產資源且分布廣泛的發展中國家來說，HBIM不失為一種文化遺產保護的創新方法，既能夠節省人力成本和時間成本，又能解決傳統測繪與調查方法中存在的人為誤差因素，還可以提高現場外業工作的效率和所獲數據的準確性。此外，在同一項目中，使用HBIM構建一個擁有插件的參數化對象庫，能夠促進不同學科背景的專業人員之間文件和數據的存儲和共享以及協同工作。

盡管全球范圍的研究人員和團體都在積極投身這一新興領域，但相關先進技術的應用和發展在歐洲，特別是意大利，表現尤為突出。意大利歷史悠久，世界遺產地數量③居世界之首，文化遺產資源豐富，面臨著復雜多樣的文化遺產保護問題，因而長期以來一直致力于探尋更為有效且精準的保護方法。在Web of Science（WoS）數據庫中使用主題（Topic）“Historic Building InformationModelling”并關鍵詞（Keyword）“HBIM”進行檢索，在出版物和科研方面有著豐富貢獻的前三個機構分別是：意大利米蘭理工大學（Politecnicodi Milano）、都靈理工大學（Politecnico diTorino）和西班牙塞維利亞大學（Universidad deSevilla）（見表4）。這一結果從側面反映了表1中“意大利是舉辦過CIPA會議次數最多的國家”這一事實，也進一步表明了該國在文化遺產保護與記錄數字化領域中擁有著廣泛的實踐經驗和扎實的研究基礎。此外，由意大利政府部門或組織資助的跨國合作項目也有助于將HBIM傳播到更多擁有豐富文化遺產資源的發展中國家，例如，由米蘭理工大學科琳娜·羅西（Corinna Rossi）副教授主導的“生活在邊緣環境（Living in a FringeEnvironment，簡稱“LiFE”）項目采用數字建模的方法展現了羅馬帝國時期埃及的古老住宅[11][12]。

HBIM過程主要包含數據收集和對象建模兩個階段，同時其在記錄信息、分析數據、模擬現實和利用插件等方面具有可拓展性。在數據收集階段，數據按照其幾何屬性可被分類為非幾何數據（Non-geometric Data）和幾何數據（GeometricData）兩類[13]。前者包括研究對象的材料類型、建筑技術、歷史數據、物理性質、檔案數據和歷史文件等[14–17]；后者則主要用于創建研究對象的三維模型，其收集手段既包含使用傳統測量儀器[18][19]，也包含：（1）帶有全球導航衛星系統（GNSS）的全站儀[20][21]，（2）文化遺產圖像[22][23]，（3）近景攝影測量（Close-range Photogrammetry），（4）地面激光掃描（Terrestrial Laser Scanning）[24]，（5）無人機（UAV）[25][26]等新興手段。這些方法已廣泛應用于對沿線性或區域性分布的大規模遺產和呈集中分布的大體量遺產的精細三維建模[27][28]。同時，文化遺產的當前狀態、位置、地形以及HBIM的使用規模與范圍也影響著測量方法和工具的選擇。Agisoft? [29][30]和ReCap?[31-33]等軟件經常用于處理、管理和編輯點云數據（圖1）。

在對點云數據處理并用其建模后，一個關鍵步驟便是將語義信息（Semantic Information）編入文化遺產信息模型中[34][35]。這些擁有豐富信息的模型為遺產保護的后續活動和潛在功能，如記錄、監測、分析和修復等，奠定了堅實的基礎。此外，在整合HBIM與其他平臺和數據方面的研究，包括地理信息系統（GIS）和三維數據，尤其是在城市、鄉村和線性文化遺產保護方面，相關研究已經呈現出快速增長的趨勢[36–39]。相關研究的開展得益于工業基礎級（Industry FoundationClasses，簡稱“IFC”）④概念的引入，這對跨平臺和不同格式間的模型與數據的整合工作起到了關鍵性作用。因而數據得以在不同應用程序之間進行傳輸，促使HBIM成功地與各種平臺進行了整合[40][41]。

除了諸如復雜結構建模和修復過程管理的傳統研究領域外，CIPA2023大會還探討了HBIM的新興應用場景。這些應用場景包括開放資源訪問、建筑遺產內部微氣候分析，以及將HBIM與人工智能和深度學習結合的可行性。本文著重關注以下基于HBIM進行研究的四個方面：（1）利用HBIM對遺產的復雜結構和構件進行建模和重建的研究；（2）利用HBIM進行遺產管理、監測和修復的研究；（3）基于HBIM構建可訪問資源的研究；（4）在HBIM框架下探索數字孿生技術和深度學習的應用研究。

三、 使用HBIM對文化遺產的復雜結構和構件進行建模

當前，對于具有混合結構類型和多樣建筑材料的文化遺產的數字化而言，始終面臨著一個主要挑戰，即如何如實且精確地再現與建模。一方面，使用HBIM進行準確的文檔記錄和建模是關鍵步驟，也是后續研究、保護和更新工作的基礎。另一方面，因各種因素（如氣候變化、地形侵蝕和人為破壞等）影響，文化遺產及其結構構件的狀況自建成后不斷發生變化。使用HBIM可以記錄這些變化或整合歷史數據以及使用先進的監測工具來解決前述問題。已發生變化的文化遺產通常會具有不規則性和典型要素，包括建造時所使用的建筑材料、建造技術及近期破損等，這些會導致遺產各部分顯現出強烈的異質性（Heterogeneity）特征。

一些研究團隊已嘗試通過在對地處不同文化片區和采用不同建筑技術的傳統建筑進行建模的過程中解決這些挑戰。例如，在對西班牙洛斯阿爾卡薩雷斯市（Los Alcázares）拉梅塔（RameTower）中由兩種材料建成并具有不規則平面的拱頂和樓梯進行三維重建的研究中，BIM 環境下對傳統遺產中具有典型不連續性特征的結構和構件進行建模的問題得以解決[42]。在為意大利科莫市（Como）圣詹姆斯大教堂（Chiesa di SanGiacomo）的建筑構件和拱頂系統進行記錄和建模的研究中，團隊提出了一種可隨時間更新幾何和非幾何信息的模型更新方法[43]。在對東亞傳統木建筑進行數字化保護的案例中，來自韓國的研究人員采用了一種基于腳本的（Script-based）參數化建模方法，其整合了歷史圖檔和掃描模型，用以生成復雜的木制榫卯等木制連接構件模型[44]。

部分研究則關注通過使用HBIM以期在整個文化遺產數字化重建過程中減少建模時間和工作量的實際方法與流程，特別是處理具有復雜且多樣化的結構或組件的文化遺產。布爾多（Buldo）提出了一種運用針對文化遺產的點云掃描（Scanto-BIM）工作流程，并測試了其自動化的迭代過程，強調了在連接點云和HBIM模型中的語義特征和結構要素的重要性[45]。羅曼（Roman）則提出了一種半自動化（Semi-automated）的方法，利用可視化編程語言（Visual ProgrammingLanguage）Dynamo?軟件和邊界表示法（B-rep）實現點云掃描下的建筑要素重建[46]。

相較于采取邊界提取（Boundary Extraction），實施NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）將點云數據轉換為曲面，在重建文化遺產的不規則和復雜幾何要素方面具有明顯的優勢[47]。由于Autodesk Revit?這一主流商業BIM平臺的限制，拱券的精準建模一直以來都在困擾著研究人員。當前，一些團體已經開始著手利用基于NURBS的方法來嘗試解決這個問題，并成功地應用于復雜對象的重建[48–50]。除了NURBS，網格模型（MeshModel）使用多邊形（Polygons）或創建多面體（Polyhedral Objects）來重建研究對象，然而，這種方法僅適用于規則形狀建模[51-53]。

四、 使用HBIM進行文化遺產管理、監測和修復

作為文化遺產全生命周期保護中最具潛力的方法，HBIM在結構監測、診斷分析、能源分析和遺產運營等方面顯示出諸多優勢[54]，應用實施范圍涵蓋建筑遺產、基礎設施遺產、景觀遺產和考古遺址等。相關研究旨在支持遺產修復活動和狀態監測，并為保護工作提供一個既可滿足當前需求又可支持以此為基礎而開展的后續工作的全面工具。以上目標可通過使用點云生成的詳細三維模型和一個以BIM為引領的工作流兩種途徑加以實現[55-58]。

在使用HBIM進行文化遺產能源分析的案例中，研究人員分析了對建筑結構及其氣候化特征具有消極影響的環境因素，并針對這些影響因素提出了解決辦法和建議，并強調了模型中所包含的各類信息在評估歷史建筑再利用的可行性和預防由環境因素造成的遺產損壞方面具有關鍵性作用[59-61]。同時，HBIM數據還可被用于改善文化遺產結構的當前狀況和性能，監測歷史建筑的室內微氣候，并分析在不同氣候條件影響下的更新策略[62–64]。

在制定修復計劃和準確再現遺產周圍建成環境方面，擁有豐富歷史數據的三維模型具有顯著優勢[65][66]。此外，以上研究通過采用地面激光掃描儀（TLS）等創新建模技術來克服傳統建模技術的局限性。卡內韋塞（Canevese）等將先進技術、預防性編目和眾包（Crowdsourcing）參與式三維建模進行結合，并成功進行了實驗，這為文化遺產三維重建領域開辟了新的研究視角與參與方式[67]。與此同時，研究人員應用視覺修復技術，基于已消失遺產周圍既有建筑的歷史建筑模型，對其進行了虛擬修復[68]。

五、基于HBIM構建可訪問資源數據庫

構建一個文化遺產的開源數據庫，不僅可使普通民眾和文化遺產保護專業人士受惠于文化教育、遺產共享和保護研究，還可為兩者之間搭建起溝通的橋梁，實現全社會共同參與文化遺產保護這項重要事業。基于數據庫開放標準和流程，卡迪泰洛皇家遺址（The Royal Site of Carditello）平臺實現了多種設備終端均可通過互聯網對其進行訪問，并使用數字化方法表達了遺產本身及其內部動態監測狀況。這使得不同類型的用戶不但可以瀏覽詳細的HBIM模型，還可按照自身需求和可視化系統來查詢和獲取與遺產相關的各類靜態與動態信息[69]。與此類似的，巴西圣保羅建立了一個用于傳播歷史研究和古跡保護的在線平臺[70]，以及開發參數資產和可訪問數據庫[71]，都旨在實現這一目標。

與數據庫及其構建標準和準則的相關內容亦是時下需要關注的主題。阿迪普特里（Adiputri）提出了通過分析歷史結構報告（Historic StructureReports）的當前指南，來評估BIM對于數字歷史結構報告（Digital Historic Structure Reports）的特征、潛力和挑戰。他們所提出的數字歷史結構報告協議將作為歷史建筑業主的使用指南，并為遺產的后續使用提供更全面、適應性更強且更易訪問的信息資源[72]。與建模相關的專業知識可利用HBIM和語義Web技術以信息⑤交換的形式進行分享[73]。

六、在HBIM中應用數字孿生與深度學習

近年來，數字孿生（Digital Twin）和深度學習（Deep Learning）愈發受到文化遺產數字化領域專家學者的關注，其在提高歷史建筑信息建模的精準度、準確性和效率的過程中發揮著關鍵作用。朱安（Jouan）和哈洛（Hallot）較早地提出了在文化遺產保護中應用數字孿生的建議，倡導使用HBIM模型作為遺產的數字副本，以支持文化遺產地的預防性保護。他們提出了一個將數字孿生技術整合到建成遺產的預防性保護管理規劃過程中的全面框架，并為隨后的實施奠定了基礎，同時也強調了使用數字孿生方法的必要性[74]。

比奧洛（Biolo）等的研究側重于對意大利米蘭斯福爾扎城堡（Castello Sforzesco）進行數字化，他們創建一個包括現存要素和不可見要素的綜合數字孿生[75]。數字化模型結合了不同詳細程度的幾何信息，旨在開發一個支持了解、調查和管理建成遺產的工具。該研究提出了一個允許異構幾何數據（Heterogeneous Geometric Data）共存的框架，提供了對建筑資產及其演化階段的整體圖譜。此外，該研究還探討了利用和調整 IFC標準檔案特性的，以滿足建筑遺產診斷調查結果的可復制性要求，同時提高遺產保護計劃中后續干預階段的互操作性[76]。

作為HBIM的基礎，點云數據的質量和處理至關重要。由于深度學習方法的成功實踐，以此為基礎的從三維建筑點云中提取信息的方法得到了發展。曹雨薇和馬可·斯凱奧尼（Marco Scaioni）的研究提出了一種簡單且有效的三維建筑點云預訓練（Pre-training）方法，該研究表明在源數據集（Source Dataset）上進行預訓練，可以一致地提高目標數據集的性能，其結果平均提高了3.9%[77]。在另一項研究中，他們旨在為使用卷積神經網絡（Convolutional Neural Network）對由歷史城市360°視頻生成的點云進行分類鋪平道路并取得了令人期待的結果[78][79]。

七、結語

作為全球文化遺產數字化保護領域的重要會議，CIPA2023已成為該領域最熱門研究主題和尖端技術的聚集點。這些主題為全球文化遺產保護研究的未來提供了許多新視角、新思路和不同學科之間的新合作機會。作為文化遺產數字化核心和連接，歷史建筑信息模型（HBIM）的重要性不言而喻，因而本文在CIPA2023會議的眾多主題中選擇HBIM并對其前沿應用進行了介紹和討論。

隨著建筑信息模型的應用場景從新建建筑擴展到建成遺產，HBIM在過去幾十年中不斷發展。目前，HBIM正不斷取代傳統測繪方法，以用于獲取高精度模型和豐富信息與數據，特別是在意大利、西班牙等文化遺產資源豐富的地區。本文簡要回顧了HBIM的發展，概述其工作流程，包括數據獲取、格式轉換、數字信息和數據收集，以及使用Autodesk Revit?等BIM軟件對研究對象的結構和組件進行存檔。

與通常涵蓋整個過程的研究不同，本文按照屬性對數據進行分類，說明它們不同的收集方法和重建工具，著重關注幾何數據。此外，介紹了HBIM的優勢和潛在的整合應用。本文提供了關于使用HBIM進行文化遺產數字化的最新國外發展和應用建議，以期服務于文化遺產保護領域的研究人員。同時，HBIM的應用范圍已從簡單重建具有集成歷史資源的歷史建筑模型，擴展到通過先進技術處理更復雜對象。

本文展示了HBIM的前沿實踐案例和研究項目，介紹了其在實現以下目標方面的應用：（1）對文化遺產的混合、復雜結構和組件進行高質量和高精度的建模；（2）遺產的管理、監測和修復；（3）可訪問的源數據庫構建；（4）應用數字孿生和深度學習處理點云數據和建模。

[本文獲得中國國家留學基金委員會（項目編號：202206120044）的資金支持]

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（責任編輯：張雙敏）