数字技术在古建筑遗产保护中应用

各地区古建筑遗产是地方文化与历史价值的重要载体。当前，计算机参数化建模技术正以惊人的速度发展，在建筑设计与文物保护领域展现出广泛的应用潜力。文章主要总结国内外古建筑数字化前沿技术的发展趋势，并结合国内相关案例，探讨古建筑从“形态存续”到“智慧新生”的应用路径，为构建古建筑的数字化遗产保护体系提供新思路。

2019年法国巴黎圣母院的大火为世界各国保护本国重要建筑遗产敲响了警钟。在后续重建工作中，利用以往所留存的三维数字资料，巴黎圣母院得以复原，这也为古建筑在未知风险中“存续”并获得“新生”提供了研究和应用的范本。“十四五”规划以后，国家对文化遗产保护愈发重视，明确提出要推动文化遗产数字化工程。因此古建筑保护工作必须与国际接轨，拥抱最新的技术，迎接新一轮的技术革命。文章通过探讨国内外研究方向，以及国内数字化古建筑保护的案例，针对构建古建筑的数字化遗产保护体系总结出现有的研究路径，并为未来遗产保护体系的更新提供新的思路。

欧美数字化研究发展趋势

欧美对于数字化建筑形式的研究起步较早，在古建筑方面的研究强调理论（如设计建模、建筑历史学）与技术工具（如机器学习技术和参数化编程技术）的结合。其发展特点与研究路径总结为以下三个方面：

第一，数字化建筑形式研究起步较早。建筑学家里夫卡·奥克斯曼（Rivka Oxman）总结了建筑发展中对于参数化设计思维发展的三个阶段，即早期计算机技术参与模型辅助技术的阶段，此时数字化建模技术已经初步涉及古建筑保护、建筑设计及建造的过程，如Autodesk、BIM系列引擎等被广泛应用于建筑遗产研究，以及人工智能和人的认知模型合作，这个阶段是基于人工智能AI（Artificial Intelligence）的发展，大量数据模型可供给人工智能进行机器学习，未来可提供三维化虚拟空间建构，将人的行为认知纳入进来。

如今，遗产保护已经逐步融入算法思维和脚本运用，这个阶段是建筑学与其他学科相结合，产生学科交叉的集合体系，特别是以计算机学科为代表的编程思维体系的介入，使建筑学将理性逻辑能力与感性空间塑造能力更好地结合，形成新设计逻辑。而欧美国家建筑学院，诸如麻省理工学院建筑与规划学院（SA+P）、伦敦大学学院巴特莱特建筑学院（The Bartlett）等，正在建筑设计、遗产保护、交互设计等各个方面，充分发挥交叉学科的优势，给传统的建筑学学科带来前所未有的广阔图景，如注重算法的发展，注重建筑数字化保护工具和平台的功能更为全面，如Autodesk、BIM系列、Unity引擎等被广泛应用于建筑遗产研究。

第二，多学科交叉发展迅速。当代古建筑研究已经逐步从单一学科过渡到交叉学科的研究范畴，其中有两个较为突出的学科综合方向：一是以几何数学与计算机应用为主要交叉学科的形态模拟和建筑还原研究；二是考古学、历史学的介入，使得建筑学研究拥有丰富的文献资料依据和考古资料基础，具有一定的科学性。

几何学是建筑学设计与研究的重要学科基础，引入几何学与计算机运算技术可使建筑建模实现实时同步与精确定位，如弗莱明（Ulrich Flemming）的《建筑的逻辑：设计、计算和认知》一文阐明了建筑师可以突破以往的简单几何形体计算，开始驾驭更为复杂的建筑形体生成理论。从中世纪的经院哲学到当代拓扑空间哲学的变化，欧洲发展出复杂的形体生成理论和实践，其变化离不开计算机科学的进步。考古学、历史学的加入也拓展了建筑学的研究领域，诸如研究古建筑的保护、修复和维护技术，通过“以旧补新”来修复古代墙体；修建特定的研究室，在恒温、恒湿的科学环境结合现场同步加工方式还原古建筑局部细节；搭建涉及文物材料分析、结构与图形数字化修复的数据库，最大限度保存文化遗产信息，如意大利瓦伦蒂诺城堡结构及外立面的保护修缮工作。

第三，数字化建筑遗产保护趋势明显。许多国家已经将三维激光扫描（LiDAR）和遥感技术应用于古建筑数据采集，以哈佛大学、麻省理工学院等为代表的高校，对文化遗产建筑的数字建模与虚拟展示进行了深入探索。例如，“CyArk”项目专注于利用数字技术记录和保护世界遗产，苏黎世联邦理工学院的考古学家在庞贝古城遗址提取建筑院落与树木模型，模拟还原了古城复原的虚拟环境。

综上所述，计算机数字技术与传统建筑学科的交叉研究是具有前瞻性的发展方向，在设计理论、建筑前期设计、遗产保护等多个领域具有良好的发展态势。

数字化三维建模技术在国内的应用趋势

随着我国对外开放的深入以及工业生产端的逐步完善，计算机参数化建模技术已在市场上广泛运用，其中包括“Grasshopper”等参数化建模插件，在建筑设计与文物保护领域展现出广泛的应用潜力。

早期研究大多侧重装饰图案与艺术分析方面的研究，如学者陈振旺的《隋及唐前期莫高窟藻井图案研究》、肖梦薇的《北京故宫古代建筑群外檐苏式彩画纹饰与色彩研究》等。这些研究主要将古建筑遗产的形式逻辑和符号图像汇编成册，运用类型学的方式方法，考察图案所属的朝代背景，提出共性特点，总结样式规律，并将之汇编成册并建档。这些成果成为古建筑保护的重点资料来源。

而如今，通过大数据分析、算法模拟、可视化编程、参数化设计等方法，提取地方古建筑的形式规律，实时记录古建筑的新旧关系，留存数据档案并建立系统化数据库，实现古建筑遗产的存续保护，是学术与技术研究领域的一大热门方向。例如，学者林祖轩对江南园林中的传统亭榭进行了形式提取研究，文章结合形态学算法与参数化模型，揭示了传统建筑的比例和尺度规律。天津大学、清华大学等高校也积极参与故宫的测绘和三维数字化研究，将故宫的结构与形式用各类最新仪器测绘出来，为后期的修缮工作提供坚实的数据基础。

综上所述，国内对古建筑结构及形式规律的研究向两大方向靠拢：一是对古建筑艺术形式的研究，包含对古建筑构件、形式背后的符号意义等方面的研究，这个方向是较为成熟的方向，其专著数量较多；二是三维古建筑技术的保护与还原，涉及利用三维建模扫描技术对古建筑进行实地踏勘，记录数据，这个方向属于新兴方向，其专著与论文数量最少，但其研究和应用前景广阔，可以充分发挥交叉学科的优势，紧扣文化研究脉搏，彰显时代精神。

建水天缘桥的数字建档研究

天缘桥（如图1所示）位于建水县城东5公里，跨于沪江河上，于清雍正四年（1726年）组织倡建，因洪水冲毁，嘉庆三年（1798年）重修，1993年11月成为云南省第四批省级文物保护单位。该桥为三孔石桥，正中为一座亭阁，重檐四角八方攒尖顶，桥梁整体呈现优美的“弓”字形，对研究清中期石桥建筑具有重要价值。

研究者通过实地测绘记录、计算机点云技术等方式，完成模型的数据记录。首先，运用无人机航拍和现场踏勘等方式，拟定扫描测站点30个，并运用计算机绘制平面图，保证每一个测站点有效记录和还原桥梁与古建筑的立面完整性和细节。其次，在各个站点运用徕卡BLK360激光扫描仪对天缘桥的各个部位进行扫描，并辅助以摄影、相机记录等方式，搭建图像数据库。最后，研究者通过抽取桥梁部分构件的实测数据进行对比，对仪器记录再次校准，重复以上三个步骤，确保扫描数据的准确和全面。

完成数据记录后，进行数据校准，初步建立三维模型数据库。通过对天缘桥采集点的云数据进行校对、拼接、降噪等，得到点云质量较高的计算结果。紧接着将各点的云模型汇总、分类并“切片”研究，分成桥墩、石栏、一层、二层等体系并将之绘制为CAD图。最后研究者运用BIM技术的相关软件，将调整后的点云数据输入进去，并进行调整，形成最后的BIM模型，完成天缘桥建筑遗产的数字转化与数据留存。

靖江王陵陵墓遗址的数字建档研究

靖江王陵陵墓（如图2所示）是目前保存较为完整、规模宏大的明代藩王墓群，由于受气候和地理条件的限制，该王陵有严重受损的迹象，所以有必要运用现代三维技术对该遗址的模型进行实时监控和数字留存。

研究者通过数据采集、数据加工与处理、搭建数据库、系统研发四个步骤，生成针对王陵遗址的有效的数字监控技术。数据采集方面，研究者主要依托摄影、三维激光扫描等手段对王陵地上和地下部分进行三维数据收集。数据加工处理方面，研究者先对已获得的数据进行优化改善，接着使用建模软件Model Painter对数据进行建模，最后对已获得的模型进行分类，诸如信息模型和图像模型等。系统研发方面，研究者针对已有的模型库构建一套程序系统，将三维模型仿真子系统、文物空间与属性数据库、信息查询子系统三者结合起来，搭建完整的遗产保护数字系统。该数字系统对各大板块进行编码，并制作成网站和研究平台，保证其开放性和公共性，不仅为后续工作人员的研究和查阅提供珍贵的信息基础，更针对日后的破坏性风险予以数字“留档”，防止突发性事故对古建筑造成颠覆性破坏。

国内数字化古建筑遗产保护应用前景广阔，具备学科交叉特点，符合时代发展趋势。其中三维古建筑技术应用于保护与还原较多，其技术路径相对成熟，经过实地踏勘、三维数据收集、数据处理、数据库搭建与系统研发等一系列过程，将古建筑遗产的地理数据信息、外部形式信息、结构层信息以及细部装饰信息等，较为完整且系统地保留下来。这不仅可以让研究者根据实时数据，针对古建筑各部分损毁情况进行科学的判断，还能让古建筑信息得到数字化留存，以应对气候、地理、时间的变化对古建筑造成不可预测的风险性损害，以多种方式方法，保护我国珍贵的文化遗产。

在未来，我国的遗产保护体系可以将古建筑留存的数据供给人工智能进行机器学习，将分散的各个数据平台综合利用起来，形成一套完整的数字遗产资料档案库，并与其他学科广泛合作，纳入人的行为认知体系，将遗产保护与公众的体验结合，将遗产保护推向公共空间，激发公众参与的热情。

（作者单位：北海艺术设计学院）