基于B I M的历史建筑数字展示平台与仿真体验系统的开发——以翟雅阁博物馆为例

吴莎冰，许颖

（中信建筑设计研究总院有限公司，武汉430014）

1 引言

近年来，随着数字技术的发展，“数字敦煌”等一系列数字化文化遗产保护项目大量出现。不可再生的文化遗产实现了“数字孪生”甚至“数字重生”。通过数字化展示，文化遗产的历史原貌能够得到精准再现，一些不易被探知了解的细节也能够“触手可得”。目前，利用数字技术对馆藏文物进行展示已经成了博物馆建设的新趋势。但对于历史建筑来说，其本身就是值得进行数字化的一件“藏品”。本研究基于武汉市一家小型博物馆——翟雅阁博物馆开展，目的是探索历史建筑的数字展示与仿真体验系统的开发及应用。

翟雅阁博物馆在修缮之前称为“翟雅各健身所（James Jackson Gymnasium）”，是为纪念文华大学（现为华中师范大学）首任校长詹姆斯·杰克逊（James Jackson）所建的一座中西合璧风格的二层体育馆建筑。建筑由美国传教士设计师柏嘉敏（J.Van Wie Bergamini）设计，建成于1921年。柏嘉敏主张建立基督教建筑时应结合中国传统因素，有意识地同“中国本土式”风格靠拢，以便教化国人。它的设计建造远早于“中国固有形式”运动，是武汉近代教育建筑中对中式形制与西式结构相融合的大胆探索，对后来中国建筑民族主义风格流派形成具有启迪、引领作用。

翟雅各健身所为2层砖混结构，庑殿抱厦顶，清水红砖外墙，中轴对称“凹”字形布局。正立面一层正中为拱券门，两侧为混凝土框套方窗。二层外廊设中式柱础、额枋、梁头、雀替、栏杆等，均为混凝土浇筑。屋顶采用钢木混合梁架，形成了大跨度无柱室内空间，便于当时作为体育馆使用。

建筑后因年久失修，空置近10年。2016年，翟雅各健身所完成修缮之后，更名“翟雅阁博物馆”，成为武汉“设计之都客厅”，成为举办展览、会议、活动的场所，完成了其功能的置换。在其普通博物馆的功能之上对其进行数字展示与仿真体验的系统开发，能够推动其建筑的保护和文化遗产价值的传播。

2 建立历史建筑数字展示平台与仿真体验系统的需求分析

建立历史建筑数字展示平台与仿真体验系统，要从使用需求、内容需求、性能需求3方面进行考量。

1）使用方面。系统首先需要面向历史建筑的参观及使用者，促进他们对建筑的理解；也需要面向历史建筑的管理者，增强他们对建筑的管理和控制能力，从而达到保护与合理利用文化遗产的目的；还需要面向历史建筑的修缮、服务单位，在管理者授权的前提下，这些单位可以接入系统，了解建筑使用的相关情况、通过传感器等提供的数据了解建筑不可探知或不易探知的部位的现状，做好修缮维护的前期准备工作。

2）内容方面。历史建筑的参观及使用者对建筑的来龙去脉尤其是其中发生的故事和建筑的美学特征较感兴趣。因此，系统针对这一需求，设置了历史建筑的历史背景介绍、历史照片、建筑的特色部位、三维全景欣赏等内容进行展示。展示类功能是历史建筑数字化平台内容方面的基本需求。在这些功能的基础上，了解建筑修缮过程、修缮前后对比、建筑解构等，并进行仿真虚拟体验，则是参观使用者更深一层次的需求。

对于历史建筑的管理者来说，历史建筑的修缮加固信息、历史构件倾斜偏移受力等状态的监测、机电信息、管线信息，都是其设置数字平台的基本需求。在此基础上，整合安防、消防等功能，对特殊事件进行模拟，则可以更有效地利用平台进行历史建筑使用管理，便于在日常保养维护和突发事件中良好应对。

对于历史建筑的修缮、服务单位来说，历史建筑的数字展示平台能够为其提供数字化的档案资料和实时监测数据，还能够进行修缮工程前的相关模拟，为修缮及相关工程提供依据。

3）性能方面。平台需要在满足展示需求的基础上，尽可能实现轻量化。一方面可以不用过分依赖高配置的设备，便于场馆布置；一方面便于减短加载时间和点击-响应时间，减短用户等待时间，便于用户使用。同时，安全可靠、便于修改、可拓展更新、便于移植到手机等其他设备，也是平台设计需要满足的性能要求。

3 历史建筑数字展示平台的开发

3.1 基本架构

翟雅阁博物馆数字展示平台PC端部分功能面向用户展示，部分功能面向历史建筑的管理者。展示平台整体使用UE4（Unreal Engine 4）和C++结合BIM软件Autodesk Revit进行开发，数据库采用SQL进行管理。

展示功能分为10个模块，分别为：首页概况、项目介绍、建筑赏析、修缮前后、门禁系统、监控系统、消防演示、机电系统、建筑剖切、建筑导览。

其中，利用BIM技术建立历史建筑模型，通过Revit、3Dsmax、Navisworks、Unity、Fuzor等软件，结合橄榄山等相关插件，对历史建筑进行建模还原，能直观地呈现历史建筑的改造情况，为未来的运维保障提供数字底板和基础。而且，通过虚拟现实的技术、数字化的呈现，不但可以将历史建筑的原貌进行复原，更可以将历史元素和历史上发生的事件与建筑进行有机的结合，从而对建筑本身的历史风貌和与之相关的历史进行更好的呈现。

为了增强易用性，展示平台在功能方面体现了高度的人机交互特征，能够实现系统模块、历史建筑BIM模型方面的交互。BIM模型方面，通过交互，能够实现建筑场地虚拟游览、建筑内部虚拟游览、历史影像和在历史建筑中开展的活动欣赏、建筑组成构件信息查看、修缮前后对比、安防监控动态、消防疏散模拟等功能。

3.2 数据采集与整合建模

通过整合传统测量、无人机航拍、三维激光扫描及摄影测量技术，结合BIM技术及理念，本项目首先对翟雅阁博物馆进行了信息采集，并对数据进行深度处理，建立了三维模型。在三维模型基础上，整合历史信息、修缮资料、运维信息与传感器信息，最终建立数字展示平台。

对翟雅阁博物馆采集的建筑数据包括3部分内容：历史资料，含建筑基本信息、历史图纸、民国老照片、修缮前资料照片等；建筑信息，含基础测绘数据、无人机倾斜摄影数据、点云数据、细部数据、结构资料、材料资料、修缮工艺、施工记录等；运维信息，含设备信息、管件信息、运营信息、展陈方案等。

通过BIM建模，将采集到的来自不同时代的建筑信息、结构信息、材料信息、特殊构件、水电暖通管件信息、运维管理信息和建筑的完损程度、修缮手段，整合在一个“四维”模型之中——既可进行三维观测，又可进行时空回溯，甚至能够对未来进行精确预测。但由于软件平台的局限性和数据整合的复杂性，历史建筑的信息处理面临着软件功能不匹配、数据冗余、数据丢失、数据误差等问题，需要通过识别冗余数据、加强数据兼容性等手段进行处理。BIM在处理数据方面。具有一定的先进性。如在处理点云数据方面，能够实现完整数据的三维传递，从而减少建模中的信息损失，有利于提高建模的精度。

在建模中，尤其需要注意的是历史建筑具有艺术价值、科学价值的特色部位，需要结合点云数据，实现其历史信息真实性的有效表达，还原其历史肌理。

4 历史建筑仿真体验系统的开发

利用BIM模型，翟雅阁博物馆数字展示平台设置了仿真体验系统，包括消防疏散模拟功能和虚拟展览功能。

消防疏散模拟功能对历史建筑的管理者和使用者均能起到帮助的作用。翟雅阁博物馆中，屋架、地板等木结构构件较多，展览设施也存在一定的易燃性。因此，消防是进行翟雅阁博物馆建筑保护与管理的一项重要任务。基于建筑BIM模型，结合建筑导览功能，能够实现第一人称视角的逃生模拟；通过建筑的剖切、展示，能够实现全知视角的逃生模拟。针对建筑1层展厅、1层办公室、1层设备间、2层设备间、2层会议室等不同部位起火，可以分别计算最优的逃生路线，引导迅速疏散。结合传感器，运用物联网技术，则可以实现火灾实时监控，实现实时逃生指引。

翟雅阁博物馆的展览功能，也在能够通过数字展示平台进行仿真体验，通过对展品、展览空间的数字采集，观众可以远程通过手机或结合VR眼镜，以第一人称视角进行虚拟参观。在后疫情时代，这种“云展览”不仅能够防止人群过度聚集，也能够通过数字信息的整合，为观众提供更丰富的展览体验。除实现已有展览的数字呈现之外，翟雅阁博物馆的数字模型本身就是1个可复制、可布展的虚拟空间。后疫情时代，实体观展受限较多，直接将展览布置成为虚拟展，通过“云端”展陈，能够最大限度地扩大展览的覆盖广度。

翟雅阁博物馆的建筑本身也是其最重要的展品。对于这件展品来说，虚拟体验能够弥补实体展览中肉眼观察不够细致、无法贴近观察的不足。通过BIM完成的翟雅阁博物馆模型，可以实现将建筑的每一个角落展现在观赏者面前的效果。实体展览无法看到或看清的地下室、屋顶桁架细节、建筑构件细节以及修缮时对历史建筑的精心“修补”，都能够通过模型的展现、解构来实现观众的虚拟体验，实现对建筑本体展览的精细化。

5 历史建筑数字展示、仿真体验与“智慧博物馆”的结合

何为“智慧博物馆”？有学者指出：“通过充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术，感知、计算、分析博物馆运行相关的人、物、活动等信息，实现博物馆征集、保护、展示、传播、研究和管理活动智能化，显著提升博物馆服务、保护、管理能力的博物馆发展新模式和新形态。”[1]通过建立历史建筑数字展示平台与仿真体验系统，将历史建筑的展示纳入“智慧博物馆”的体系，能够有效地实现历史建筑的活化利用。

目前，我国的智慧博物馆案例还缺少可复制推广的案例，主要停留在对某一业务环节的智能化方面。“尚缺少全业务流程并具有‘透彻感知’‘智能融合’‘万物互联’等特征的智慧化发展模式。”[2]针对翟雅阁博物馆进行的数字展示与仿真体验系统，是一次基于历史建筑使用者、管理者、维护者的“全业务”数字探索。

值得注意的是，市面上较为流行的“云游博物馆”和“虚拟展览”，与翟雅阁博物馆基于“智慧博物馆”理念的数字展示与仿真体验系统有本质的不同。多数“云游博物馆”和“虚拟展览”采用的是对实体展览进行全景拍摄，再加入场景切换、展览介绍、背景音乐、一键导览等功能的做法。虽然成本较低，但对实体展览的依赖性极强，本质上是实体展览的复制和线上推广，仍存在实体展成本较高、修改不易、展览时间有限、交互困难的问题。翟雅阁博物馆的数字展示则以建筑BIM模型为基础，可以直接在模型提供的虚拟空间中搭建展览，能够实现同时多展、出现问题及时修改、人机交互等功能，更好地促进历史建筑的展示与利用。

6 结语

历史建筑的价值展示与阐释、其细节的监控与管理都离不开最新的数字化手段。本研究通过对武汉市优秀历史建筑——翟雅阁博物馆进行数字建模，探索了城市历史建筑数字展示平台及仿真体验系统的建设方法，对于推广“智慧博物馆”做了有益的探索。