历史性建筑的数字化复原与应用价值研究★

谷 岩 王 欣

(东北林业大学材料与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

·规划·建筑·

历史性建筑的数字化复原与应用价值研究★

谷 岩 王 欣

(东北林业大学材料与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

介绍了采用数字化技术进行历史性建筑复原的优越性，并经反复实践，提出了对历史性建筑外部结构、内部结构、周边环境等进行复原的方法和设想，同时指出了对历史性建筑进行数字化复原的重要应用价值。

历史性建筑，数字化复原，保护，应用价值

所谓数字化复原就是指利用计算机数字化模拟技术、后期合成技术等现代先进的技术手段，来将已经不存在的事物进行三度空间还原。这种复原与纯的二维空间复原效果不同，是一种可以使参观者能够从多个角度全面感受事物真实状态的复原。这种技术是当前世界范围内，数字模拟技术的研究热点。我国目前也已经取得了一些初步的成就，但是在对历史性建筑进行数字化复原这一领域，研究还未深入。下文笔者就来对这一领域的数字化复原技术与应用问题进行简单探讨，提出对历史性建筑进行复原时的设想，指出历史性建筑进行数字化复原的重要应用价值和研究意义。

1 对历史性建筑进行数字化复原的意义

对于一个国家来讲，城市的发展进程可以被看做是经济、文化宏观发展的外在表现，而建筑的形态变化则是城市发展进程的组成单元。而这里所指的形态变化，并不单单是指建筑外观和构造上的变化，还包含其内部空间和装修方式的变化。可以说，建筑作为一个微观载体，承载了社会发展的整个过程。对一个国家某个时代的建筑进行研究，就可以窥探出这个国家在当时的经济形态、社会形态和文明程度。这种研究是人类承接“过去”文明发展和“未来”文化创新的重要途径。

一直以来，人们对于历史性建筑的研究手段都停留在文字或图纸这类抽象载体和二维载体上，直观性比较差，研究者很难感受到蕴含在建筑整体性中的深层次内容。而近年来兴起的数字化复原技术，则可以通过软件将历史性建筑进行全方位还原，并将其放置在三维虚拟世界中，形成立体的建筑结构。在此基础上，研究者可以像研究真实建筑一样，置身其中，对历史建筑形成更加直观的认知感受，这对于提高历史性建筑研究水准，促进人类文明发展具有重大意义。

2 采用数字化技术进行历史性建筑复原的优越性

数字化复原技术是一项集软件技术、硬件技术、渲染技术、成像技术等多项技术为一体的先进科技，其中软件技术是最主要的核心技术。复原时，首先要通过类似于建筑构建过程的虚拟建模来实现建筑空间的虚拟模型；其次，在现实建筑中，通过数字照相采集建筑表面肌理与材质样本，通过赋予材质来实现建筑外观的模拟；再次，对已创建好的建筑模型进行真实光环境的营造。我们都知道，目前的3D软件技术已经取得了阶段性的进展，尤其是光环境的渲染可以通过技术手段实现非常接近于真实的效果，可以根据每个季节和时间段的需要来调整建筑的光影，不仅使人产生身临其境的感觉，还为场景增加了艺术美感。这对于研究历史性建筑来讲，要远远比二维空间研究更具有优越性。如果历史性建筑的图纸保存相对完整，对于建筑以及其构造描绘较为详细，则所模拟的场景就会更加真实，能够更好地为历史性建筑的研究服务。

3 历史性建筑的数字化复原方法

由于目前还没有相对较为健全的建筑复原技术体系，因此经过反复的实践，笔者根据自己的理解和研究，提出了在复原建筑时，至少要做到以下五点。

3.1 对建筑外部结构进行复原

建筑外部结构是一座建筑的骨架，在复原历史性建筑时，首先要做的就是要对建筑的外部结构进行复原，包括对主体框架结构的复原和对建筑外部立面装饰结构的复原两方面。其中，对外部框架结构的复原能够建立建筑的骨架，降低单元内技术错误的影响范围。而对建筑外部立面装饰结构进行复原时，要充分考虑到原历史性建筑的装饰材质以及一些细部构造，尽量贴近真实。另外，针对不同类型的建筑，需要开发出不同的技术模块和方法对其进行支撑。就以我国的古建筑来讲，大都是以砖木结构为建筑主体，直到近代以来，才逐渐转向砖混结构、框架结构和钢结构等新型建筑结构。那么对我国古建筑构件和机理的制作就完全不同于现代流行的建筑结构，这就需要在复原建模过程中开发出更加适合这种建筑类型的建模技术模块组。在对不同的建筑结构和建筑材质进行仔细分析的同时，还要对建筑风格加以分类，理顺建模思路，分门别类开发不同的技术单元模块，使还原的建筑更接近实际。另外，若条件允许，最好对建筑材质进行实地的信息采集，这样所做出的建筑饰面效果的质感才更接近原建筑。

3.2 对建筑内部结构进行复原

在完成建筑的骨架构造复原之后，就要对其内部进行相应的复原。这是建筑复原的重要组成部分，如只对建筑的室外进行复原，则对建筑的研究作用不大。因为建筑是空间的艺术，只有对建筑内部和外部共同形成的空间构造加以复原才能使数字化还原更加有价值。若能够通过数字模拟技术来还原建筑内部的各种状态，必然对研究历史性建筑提供极大的帮助。

3.3 对周边环境的复原

任何建筑都不是独立于外界环境而存在的，因此在复原古代历史性建筑时，还要充分考虑到建筑周边的人文和城市环境，并对周边环境也进行适宜的搭配。只有这样，才能使建筑主体更加真实，另外，由于建筑在相当长的历史时期内既对周边环境造成影响，同时也被周边环境所改造，因此对周边环境进行复原也有助于研究建筑与周边地理环境、人文环境的相互影响。若在数字化复原时，深入详细的了解和勘察，将建筑的地理位置、周边的人文景观、附近的交通状况都加以复原，并做出一个模型，则历史性建筑的复原就基本完整了。从技术角度来讲，对周边环境进行复原也是很有必要的，这是创建三维浏览动画的基本背景，不可或缺。若之后再对建筑进行重新规划和设计，周边环境可以为其提供一个良好的虚拟原型场景，更利于建筑复原的设计和规划。但由于一般情况下建筑周边环境的资料相对于建筑本身比较有限，很长一段历史时期内的建筑周边环境变化较大，笔者主张复原历史性建筑的周边环境：第一，不宜过繁复，喧宾夺主；第二，背景选择要典型化，真实化。这就要求我们复原建筑周边环境时未必选择建筑初建时的周边环境，而要选择整个建筑历史时期内比较经典的周边环境或拥有资料细节最多的历史环境。

3.4 不同时间与季节和时代下建筑特质的表现

不同建筑的功能不同、特点不同、年代不同、设计师不同则会表现出不同的特质；就算同一栋建筑在不同的时间和季节或在岁月变迁及使用功能流变下，所表现出的特质也会有所不同。那么我们在做历史性建筑数字化复原的过程中就要尽可能多的模拟建筑在不同环境下的不同特点，以求通过这种模拟，帮助研究者发现建筑更多隐性特征，这对了解建筑的文脉、设计师的设计意图以及建筑使用功能的变化都会起到积极的作用。

3.5 三维浏览动画的创建和虚拟现实技术的应用

建筑浏览动画有别于传统的建筑数字化复原效果图，其在三维空间内要尽量根据人的行走顺序以观察视角定义空间尺度，这就涉及到影视镜头转换与剪辑技巧。想要使模拟场景具有更丰富、更直观、更生动的表现形式，就一定要在这方面做足功夫。制作三维浏览动画时，一定要严谨科学的规划流程。按照先后顺序主要分为：浏览相机设定、分层渲染与信息采集、后期非线性剪辑与配乐、样片测评与归纳信息入库。让建筑研究者能够利用最有效的时间了解建筑的内、外部构造以及建筑的周边环境，同时借助影视后期处理软件还可以加注解说，极大程度上充实其信息携带量与易读性。

虚拟现实技术是近年兴起的三维影像互动技术，能够在观察者与模型之间建立一个互动的平台，让观察者能够更加自主地对环境进行观察。但这项技术的特点是，技术含量较高，实现成本较大。但仍不失为未来数字化模拟建筑复原的发展方向。

4 历史性建筑数字化复原的应用价值分析

采用数字化技术对历史性建筑进行复原是具有重大研究和应用意义的，这不但体现在科学研究价值上，还体现在一定教学研究价值上。同时，历史性建筑复原对社会经济的发展也具有一定的应用价值。

4.1 科学研究中的应用价值

受各种因素的影响，很多历史性建筑都已经消亡，甚至连同类的建筑实体也没有得以保存。这对于研究历史文明是一个很大的缺失。而通过数字化复原，就可以最大限度地弥补这一缺失。为科研人员进行相关研究提供更好的研究资料。三维模拟还可以通过采集建筑当地的地理信息、气候信息和人文信息等参数作为可变常量，来对建筑的长期变化进行全方位的模拟。这对于研究建筑的历史与文脉有着非常大的意义。而这些研究数据，也为未来的建筑保护与再开发提供了重要参考依据。

4.2 教学研究中的应用价值

目前我国的很多高校的建筑类专业在教学时，只有字面或图影等教学资料，学生也很难有机会深入工地进行实地考察和学习，对建筑的实际尺度和构造难以有直观的认识，掌握知识时难免会出现偏差和臆断。若能够利用数字化所复原的动画或虚拟现实场景来进行教学，就能使学生产生真实的空间感，对于尺度的把握和细部构造的认识也会更加真实客观。因此历史性建筑的数字化复原是具有重要教学价值的。

4.3 对于社会经济发展的应用价值

对历史性建筑的保护与再利用向来是社会性难题。当下的最流行的观念是对历史街区的改造融入时间轴概念，主张既不完全维持旧观也不搞“一刀切”式的过快改造，这样既能减少经济浪费，又能使区域环境逐步得到改变，同时还能留给人们更多地对建筑功能进行二次开发的时间，在保护与利用的过程中找寻完美的平衡点。如何能针对其原有结构特点加以合理修缮与维护，并且加入可行的、美观的设计元素，成为历史性建筑再利用评估过程中最为重要的指标。有效利用数字化建筑模拟手段，将比较的常量输入模型库参数选项，计算机3D软件会准确详实地呈现比较效果，为我们做出最准确可行的判断提供若干个参考标准,这能够有效避免资源浪费和人力浪费，符合国家提出的节能减排可持续发展的战略目标，具有重要的社会经济价值。

5 结语

采用数字化复原技术对历史性建筑进行重造和还原，是一项具有很大应用价值的科研课题。尽管目前针对这一课题的研究成果还很少，但是相信在未来的发展中，随着数字信息技术水平的提升，对历史性建筑进行数字化复原将成为未来对历史性建筑进行研究必不可少的辅助材料，并且还将具有很广阔的应用空间和更高的应用价值。

[1] 张 扬.基于图像的古建筑物虚拟复原关键技术研究[D].天津：天津大学，2009.

[2] 林承阳.传统与科技接轨——历史建筑数字化保护及改造再利用研究[J].新建筑，2009(3)：10-12.

[3] 韩 锐，刘天府.历史性建筑的数字化复原与应用价值研究[J].吉林建筑工程学院学报,2009(12)：70-71.

Study on digital restoration and application value of historical architecture★

GU Yan WANG Xin

(CollegeofMaterial&Engineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150000,China)

The thesis introduces the historical restoration advantages with digital technique, puts forward historical architecture restoration methods and concepts including its external structure, internal structure and surrounding environment through repeated practice, and points out the important application value of digital restoration for historical architecture.

historical architecture, digital restoration, protection, application value

1009-6825(2014)11-0001-02

2014-01-26★：黑龙江省教育厅人文社会科学研究项目“哈尔滨古教堂数字化复原与应用价值研究”(课题编号：12534013)

谷 岩(1971- )，男，硕士生导师，副教授； 王 欣(1982- )，女，在读硕士，工程师

TU-05

A