基于BIM技术的古建筑修复研究

汪梓豪，程希莹，操强，马晓东 （安徽科技学院，安徽 蚌埠 233000）

1 引入BIM技术修复古建筑的可行性

1.1 古建筑修复的现状

中国，一个有着五千多年历史文明的大国，拥有着成千上万的历史遗物，古建筑就是其中之一。古建筑的存在不仅见证了人类历史上代代相传的变迁，还反映着古代人民的精神文化。每个历史朝代的建筑物各具特色，反映着当时人们的思想、技术水准以及当时社会的发展水平。然而，近几年来，人类对自然资源的需求越来越多，生活环境发生了重大变化，地震、冰雹等天然灾害时有发生，加上人为恶意毁坏，这些建筑受损的越来越严重。可以说，这些古代建筑逐渐变得面目全非，大部分古代建筑遭到严重破坏，已无法修复。就目前的情况来看，如何有效、科学地保护古建筑，恢复其原有面貌是重要问题。

由于年代过于长远和频繁受到自然灾害的影响，很多古建筑的保存现状堪忧，修复问题同样不容乐观。诸多专家学者已经多次研究使用不同方法来修复古建筑，但是传统的修复手段难以复原古建筑的本来面貌。首先，传统的古代建筑信息存备方法主要有文字、图片、表格等，但由于年代过于长远，储备的信息不是很完整，且这些存备的建筑信息并未能够反映真实的情况。如果我们用传统的建筑模型的信息存储方法，尽管它能够起到一定的记载作用，但是却不能够真实地反映建筑物的实际尺寸和规模。其次，古建筑的修复技术，虽然从上世纪七十年代有了很大地提高，然而这并不代表修复品质的进步，我们的修复水平依然很低，修复技术不成熟等问题。所以引进新技术修复古建、帮助古建筑恢复全貌是近年来专家、学者重点研究的领域，也是保护古建筑亟需解决的问题。

1.2 引入BIM技术

面对以上难题，在古代建筑中引进BIM技术显得更加重要。建筑模型是通过建筑工程项目中的各种相关信息作为建筑模型的构造基础，通过信息数据模仿建筑所具有的相关信息，从而模拟建筑所具备的相关信息。为了修复古建筑，我们可以利用从古代建筑提取的相关参数信息，运用BIM技术的数字化技术来建设三维空间模型，这样的做法不仅能获取建筑构造的各方面数据，而且能够高度还原建筑，方便古建筑修缮和研究。同时，还可以利用BIM漫游的功能与先进的VR技术相结合，可以实现人们对古代建筑进行零接触，一方面满足人们参观古建筑的需求，另一方面又防止人们对古代建筑造成的二次破坏。那么，如何使用建筑信息模式技术对古代建筑进行保护、修复呢？简单地说，就是利用三维激光对古建筑全身进行扫描，准确地存储从古代建筑所采集的各种云数据，然后引入BIM软件，通过收集到关于古建筑数据，来制作模型。对于保护古建筑的需要，可以修改软件参数，根据收集到的有关资料，对古建筑模式的构件材料、古建筑所处年代、古建筑表面损坏的程度、现有划痕或重建记录等。模型建成后，还可输入实际的古建筑图片，或相关历史文献、维修记录、地理位置的信息，以及导入历史图像资料，从而构建一个虚拟的古建筑重现场景。对古建筑的保护和其历史价值的传承具有非常重要的借鉴价值，可以使工作人员动态地更新、维护古建筑。

2 BIM技术在古建筑修复中的具体运用

2.1 信息采集

文物古建筑的信息收集一般分为两种类型，分别是物理空间信息和历史文化信息。空间信息指的是文物和古建筑的详细外形、大小和方位。历史和文化信息通常被称为属性信息，包括古建筑本身是如何建造的，采用了什么材料，使用什么样的科学技术，古代建筑和历史文物的时代和地区的特点，以及人文社会科学的价值。BIM技术都可以通过三维激光扫描技术对建筑物的有关信息进行收集，并转化为数字可视化模型。在对古建筑修复的过程中，可以充分运用BIM技术对古建筑进行采集数据以及信息加工，再对建筑物的大小，建筑物中的构件，建筑物内部构造，建筑物所处的地理位置、环境条件等详细信息进行设计。同时借助三维激光扫描技术和GIS技术快速采集古建筑物的有关数据。

2.2 模型构建

运用BIM软件构造模型是通过BIM技术反向创建古建筑三维模型，而后再利用其他软件构造出古建筑中的“群体”模型。最后，构建了精确的古代建筑三维模型(图1)。

图1 古代建筑三维模型

在建造模型前，需要获得古建筑内部结构的结造和每个构件尺寸的资料，需要用户在软件输入窗口中输入相关代码，然后利用所输入的代码建立古建筑模型。利用数字化技术，采集与古建筑有关构件、古建筑建造采用的材质，古建筑所处环境数据等，将采集到的数据总结成建模所需的相关代码，并设计了输入窗口，用户将这些代码输入到输入窗口。每当我们建立一个三维模型，就可以从这些古建筑所需的相关代码中总结出这个古建筑的专属代码。因此，我们可以根据每个实例推出结论，在总结各类古建筑的代码后，将生成古建筑构件需要的其他参数和相关代码存入到计算机中。每当用户在输入一个古建筑的相关代码之后，系统就会在构件数据库中搜寻生成构件的三维模型中所有的代码。每次模拟完成后，系统都会从数据库中查找其他组件的相关代码。这一模型的构建理念在后续保护古迹的工作中具有重要意义。

2.3 属性信息录入

古建筑模型包括的性质信息十分复杂，具有特殊的性质。涉及古建筑各个角度。例如，当时建筑自身使用的材料，以及其建造所需的技术结构，以及当时相应的地理位置和地域特征。此外，它还包括对社会人文学的价值贡献，以及构件间相关的数据。属性资料还包括古代的图形和照片绘制的文献、现状记录，以及对保存文献的现状进行记录和重建，表面特征描述，周围地理环境信息，信息管理机构和各类视听资料。具体操作：首先，系统会在输入属性信息的时候，依据用户所输入的建筑信息、物质信息、实物信息等进行标注。以前寄存的空间信息和属性信息均存放于同一数据库。在这个数据库中，每一个信息是彼此衔接的，并且它们之间的大小相互匹配(图2)。如果部分改变已被修改，其他也会有相应的变化（图3）。

图2 柱的构件布置

图3 梁的构件布置

2.4 VR虚拟展示

虚拟现实技术是由计算机科学发展到某个程度而产生的。虚拟现实，顾名思义，是一种以虚拟为基础的方法来反映三维物体。利用电脑在虚拟的状态中生成虚构三维立体空间，在虚拟的三维空间里，人们能够观看到十分靠近真实的、与环境同处一个空间中的虚构情形。利用三维激光扫描，把采集到的数据三维立体化，通过建立虚拟的环境，向人们展示一个动态的古建筑的立体模型，并为人民创造古建筑所处的环境，实现人们与古建筑面对面的接触，将虚拟与实际世界联合起来，使人们在虚拟空间中可以体会到现实世界所拥有的感官上的感觉。通过虚拟现实技术，我们能够把采集到的数据信息转换为形象生动的立体模型。通过虚拟现实技术，构建了所需的虚拟环境之后，就可以把建筑中的廓模数据引入到虚拟环境。进口后，佩戴特制的虚拟眼镜，游客能够充分感受到这种交流的感觉。一般而言，古建筑的虚拟实际情境制作，有以下步骤。

①对古建筑进行数据收集。包括阅读相关文献，利用三维激光采集古建筑的数据，走访当地居民。

②模型的建立。建模过程包括选择建模工法、选择建模工具和后期优化等。

③也是最重要的一个环节就是如何产生视觉效果。包括光线的处理，材料的选择，大小的把握等。

3 BIM技术对古建筑修复的影响

①BIM技术能保存古建筑的相关信息，它能将其存入数据库中，再现古建筑的样貌，可以防止人们参观古建筑造成的毁坏，对于已经不复存在的古建筑，可以通过专家采集到的信息，利用BIM技术，重现在大家的眼前。

②作为建筑业兴起的BIM技术，通过对古建筑数字信息的采集，在软件中可以按1：1的比例大小还原出该建筑的空间模型。并且很容易直观地看出其中存在的隐患，古建筑各个构件若有破损，材质老化，构件脱落等问题，我们可以用BIM技术对模型进行分析，让我们可以更好地去修复它。而且可以在不接触古建筑的情况下，对古建筑进行破损分析，以免工作人员实地考察会对古建筑产生二次破坏。

③古建筑的保护涉及各个学术界的领域，古建筑也蕴含着古代人伟大的智慧，对学者研究古代文明有着重要意义。

因此，如何将BIM技术合理且高效应用于古建筑的修复和保护，使古代建筑的保护工作由传统方法向数字信息化保护方法转变，是古代建筑修复和保护的必然发展趋向。