基于CGB技术的文物建筑监测

程枭翀

摘要：文物建筑是故宫作为世界文化遗产最重要的价值载体，文物建筑监测是故宫世界文化遗产监测工作的重要内容。相比其他类型的遗产要素，文物建筑有其独特性和复杂性。揭示这种独特性和复杂性，是对其实施科学监测工作的前提。以“养心殿研究性保护项目”为契机，借助CGB技术，故宫博物院试图解决干预中文物建筑的监测难题：利用GIS来管理建筑组群层面的信息，利用BIM来管理建筑单体层面的信息，从而完整记录此次养心殿大修的干预信息，为今后的保护、管理、研究工作提供方便。同时，探索在时间和空间上均可推广的监测方案，致力于建构故宫文物建筑监测体系。

关键词：CGB技术;文物建筑监测;故宫养心殿;研究性保护

引言

2015年故宫博物院启动了“养心殿研究性保护项目”（以下简称“养心殿项目”），区别于以往的文物保护工程，此项目强调“以研究为主导、以价值評估与保护为核心”，将研究贯穿于养心殿勘察、设计、施工、竣工的各个环节，努力成为国内文物建筑保护工程的表率。

文物建筑监测是文物保护的重要内容。201 2年以来，故宫世界文化遗产监测中心（以下简称“监测中心”）经过数年实践，积累了一定的监测经验，但对于文物建筑的监测还处于摸索阶段。故宫近年开展的文物建筑监测工作主要包括第三次文物建筑基础信息普查和文物建筑监测系统建设，前者全面搜集了故宫文物建筑的基础数据，而后者为各类数据的管理提供了平台。然而，从原始素材到最终成果呈现，需要一个科学的整理和分析过程。恰逢此次养心殿项目启动，监测中心开展了一系列对于文物建筑的监测工作，同时将普查、测绘、勘察、设计、研究成果进行整合，为将来文物建筑信息的系统化管理探索可推广的方案。而CGB技术在其中扮演了重要角色。

CGB （CAD-GIS-BIM）概念是2006年国际标准化组织OGC （Open Geospatial Consortium）提出的一种架构，CAD用来绘出建筑物作为基础数据来源，BIM用来集中管理建筑物自身所具有的信息，GIS用来综合管理建筑物外在环境信息，三者相结合可以满足宏观和微观建筑信息的查询和分析功能。在其他领域已经发展成熟的CGB技术，虽然在文物建筑领域尚未有广泛的运用，但其技术特点与养心殿项目的需求契合度甚高，于是顺其自然被选中，成为管理文物建筑各类数据的“利器”。GIS主要作为管理建筑单体层面的工具，BIM主要作为管理建筑构件层面的工具。

一、文物建筑监测的新需求

文物建筑监测工作如何开展？在养心殿项目开始之后，我们始终在思考这个问题。事实上，对文物建筑进行监测，我们并不是白手起家。早在“监测”概念尚未提出之时，前人已经有大量的监测实践，这在故宫尤其显著。故宫文物建筑往往每隔五六十年需要进行大修，期间还有不同程度的保养工程，历次干预均有详细的图纸、档案记载（图1），后人能够利用这些资料掌握文物建筑的变化情况。以养心殿为例，近几次干预分别发生在1997年、1980年、1953年，时间间隔在20～30年间，干预层级多为保养工程，根据相关图纸、档案能够大致评估此区文物建筑的真实性和完整性。

在监测概念提出以后，情况有所变化。依靠经验作出的定性评估结论已无法满足监测需求，取而代之的，应该是一套科学的、成体系的、可推广的、可回溯验证的评估方式。这种方式要求，评估结论要有充分的数据支撑，而数据应当是具体的、可读的，分析过程也应当便于解读。

在养心殿，建筑组群和建筑单体两个层面的价值载体显然具有不同的监测需求，但其价值又决定了二者不可偏废（图2）。在这种情况下，需要采取两套既相互关联、又相对独立的监测方式。宏观上，建筑组群的评估内容包括建筑完整性、形制真实性、材料真实性、功能真实性等，这些内容需要在若干建筑单体的数据中反映。微观上，建筑单体的评估内容包括形制真实性、工艺真实性、材料真实性等，这些内容需要在众多构件的数据中反映。这种监测方式，使用了统计学的研究方法，需要大量的样本数据，数据量越大，呈现的变化规律越明显，得出的结论越真实。

文物建筑的监测包括静态数据和动态数据两类，分别对应文物建筑自然衰败和人工干预两个不同的阶段。但实际操作中，两类数据并不是截然分开的，相互之间具有密切的联系。以养心殿为例，此次保护项目是对文物建筑的人工干预，监测应以动态数据为主。这类动态数据包括文物建筑的病害信息、维修信息、竣工信息等。但是，对养心殿文物建筑实施科学的保护工作，同样离不开对静态数据的记录和整理，这也是研究性项目的意义所在。这类静态数据包括文物建筑的构成要素、形制信息、历史信息等。上述两类数据都是养心殿文物建筑监测不可或缺的内容。

庆幸的是，“研究性保护”这一文物建筑保护方式，为开展科学化的监测工作提供了可能。长周期、高投入、精细化的研究性保护工作，获取了大量的基础数据，为文物建筑的分析研究提供了根本保障。除以往工程必需的勘察、设计资料外，此次养心殿项目划分了大木、瓦顶、墙体、地面、装修、彩画、裱糊等工种，分别深入推进勘察设计工作，工程与研究同步推进，同时辅以文献资料、信息化测绘、环境监测等相关领域的研究，最终成果非常翔实，全面揭示了养心殿区域文物建筑的特点。

然而，“工欲善其事，必先利其器”，革命性的保护理念，需要有革命性的工具来支撑具体的实施工作。“研究性”项目带来的“大数据”，对传统的记录方式而言，是前所未有的挑战。勘察报告及保护设计方案从以前的“一本”变成了“一箱”，甚至“一车”。如此卷帙浩繁的工程文件不但存储不便，而且可读性较差，不利于后人分析解读。因此，随着研究性保护项目的推广，信息载体进行相应的革新势在必行。

二、CGB技术的优势

CGB技术实质上是CAD、GIS和BIM三种计算机技术的结合，名称取自三者的首字母。故宫博物院是国内最早将CAD技术运用于古建筑测绘及维修保护领域的科研机构之一，目前存档的大量工程图纸都是由CAD绘制。GIS指地理信息系统（Geographic Information System），以其强大的宏观管理、信息处理、图像可视化等功能，逐渐得到业内的认可，未来将在遗产保护、管理、监测、研究等领域发挥更大作用。BIM是建筑信息模型（ Building Information Modeling），其优势在于建筑物全生命周期管理，同时这也是文物建筑监测的核心任务，二者相契合，因此BIM成为故宫文物建筑监测的利器便顺其自然。

GIS和BIM技术在故宫文物建筑保护、管理、监测等领域已经有所运用，但是这些工作仅仅是起步，GIS和BIM仍有众多强大功能未充分利用。例如，GIS管理地图的功能可以推广至建筑组群层面;GIS在时态数据管理方面的功能有助于实现文物建筑全生命周期的信息管理。再如，以往对于文物建筑保护工程的关注，大都集中于开工前和竣工后两个节点状态的对比，而忽略干预中文物建筑的变化。利用GIS大数据管理的优势，能够实现干预中文物建筑信息的记录、分析，及时指导和调整保护设计方案。

另外，BIM由于建模周期长的技术特点，短期内难以像现代建筑工程那样用于保护工程实践，但在监测工作中有很大的发挥余地。文物建筑在相当长的时间里，会处于相对稳定的状态，因此花费较多时间搭建建筑信息模型是一劳永逸的工作。这种模型实质上是一种索引模型，模型本身的几何形体并不苛求完全反映建筑现状，几何形体背后的建筑信息是模型的核心价值所在。文物建筑的基本信息、残损信息、干预信息等以字段属性的形式映射到几何形体中，从而真实地反映建筑的各类专题信息。文物建筑监测关注的是文物建筑的微小变化，在较长时间内，BIM是作为记录工具持续记录文物建筑的静态信息，到了重要节点，BIM即可成为分析工具，将之前记录的信息整合汇总，分析文物建筑的变化规律，从而指导后续的保护工作。

故宫博物院对于文物建筑的保护、管理、研究有良好的传统，基础工作扎实，积累了大量档案和图纸资料。这些资料具有多种价值，通过不同的管理方式，能够发掘不同的价值。在传统的管理模式下，原始的档案和图纸资料大都相对独立地存在，绝大多数专业人员仅熟悉自己相关的内容，而资料之间内在的联系只有少数专家可以解读，这在很大程度上限制了资料价值的发挥。为突破这一瓶颈，在养心殿项目中，我们尝试着利用CGB技术，将历史资料、普查信息、现状勘察、维修设计等内容加以整合，综合利用，尽量发掘其潜在价值。

三、CGB技术在养心殿文物建筑监测中的运用

接下来具体阐述在养心殿项目中，如何利用GIS技术来管理建筑组群信息以及利用BIM技术来管理建筑单体信息。

（一）GIS平台中对养心殿区建筑组群的监测

利用第三次文物建筑基础信息普查的成果，我们明确了养心殿区文物建筑的构成要素，这是开展文物建筑监测工作的基础。在GIS平台中，将养心殿核心区内的13座房屋、21座门、3座影壁、2个树池、1口井等以面要素的形式进行表达，成为记录文物建筑各类属性信息的载体（图3）③。相比传统的记录方式，GIS中的这些面要素具有唯一的编号和名称，与真实的文物建筑相对应，减少了多种名称混合使用造成的误读。如果文物建筑存在多个名称共用的情况，可以通过增加字段的方式实现，再根据使用需求进行显隐操作。此外，GIS以可视化的方式，实现了信息与实物之间的互动（通过选取信息能够检索相应实物，选取实物能够检索相关信息），对于文物建筑信息化管理迈出了重要一步。

此次养心殿项目中，文物建筑需要记录的属性信息主要包括建筑形制、历史沿革、现状病害和维修设计等，建筑组群层面的这些信息都能够记录在GIS当中，并以可视化的方式表达，深度达到建筑单体级别。

文物建筑形制既包括建筑单体本身的开间、进深、层数、屋顶形制等信息，也包括具体工种的信息，如木作的横顺望板形制、瓦作的瓦件样数等。建筑形制是评估文物建筑真实性的重要内容，因此也是监测的重点。以屋顶形制為例，养心殿核心区共有歇山、硬山、卷棚硬山、卷棚歇山4种类型，其分布规律十分明显：正殿是级别最高的歇山，两边次要的建筑是硬山，北部生活区域为卷棚硬山，南侧附属用房为卷棚歇山。屋顶形制反映出各建筑单体不同的级别，体现了整个区域建筑功能的划分，如果将现状与历史文献相对照，能够科学评估文物建筑的真实性（图4）。事实上不仅是屋顶形制，其他每一类建筑形制都有其特定的价值，这些信息记录在GIS中，按需调用，能够满足文物建筑监测、保护、管理、研究等多种用途。

文物建筑历次维修情况是历史沿革的重要内容。故宫历来重视档案记载，从清代到民国再到新中国成立后，几乎每项重大的文物保护工程都记录在案，历代故宫人也花费了大量精力来整理这些资料。这些资料以图纸、照片、文字的方式保留下来。21世纪初，大多资料都实现了电子化，方便了资料的管理和使用。近些年来，信息技术突飞猛进，如果故宫维修档案的管理从电子化走向信息化，将更有利于发挥这批资料的价值，而GIS就是实现这一跨越的利器。

养心殿近三次维修工程分别发生在1 954年、1 980年和1 997年，采取的措施包括揭宦瓦顶、捉节夹垄、修整大木、归安石活、修整地面、重做油饰等。在GIS中，以建筑单体为单元，将维修信息记录在年份对应的字段中，不但能够将某一年份建筑组群的维修情况以图纸的方式呈现（图5、6、7），还能够将某一建筑单体历年的维修情况以数据表的方式呈现。GIS在同一平台上实现了空间和时间两个维度的延伸，这是传统媒介所无法完成的。如果将历史上所有的维修资料以及今后实施保护工程的资料全部集成在GIS当中，积累大量时态数据，同时结合使用需求不断优化属性的设置，提升分析水平，相信对于文物建筑真实性、完整性、延续性的评估将会带来革命性的变化。

此次养心殿项目在勘察设计阶段，划分了大木、瓦顶、墙体、地面、装修、彩画、裱糊等工种，以适应研究性项目的要求。分工种推进项目，有利于研究的深入，但在成果整合时面临一定的挑战，即如何保证不同设计师从不同工种提出的维修措施在同一建筑上相互协调、避免冲突？这在传统的方式下，需要依靠设计师之间频繁的沟通以及设计师个人的全局观来实现。在故宫，设计人员拥有丰富的工程经验，上述矛盾尚不突出。如果要将这一模式推广，考虑到不同地区从业人员水平不一，便需要借助新的工具来解决这一问题。

GIS中，所有的勘察结论、设计方案全部指向唯一的文物建筑要素。在勘察设计工作完成后，将各工种的成果录入信息载体当中，若选取某一文物建筑，相关的勘察结论和维修措施就可以全部呈现出来（图8、9，表1）。这样便可以评估维修措施是否“对症下药”，不同工种采取的措施是否相得益彰，这也就实现了干预中文物建筑的监测。不过，由于工期等因素，在现有条件下这种监测工作只能延后开展，仅仅达到评估设计方案科学性的目的。未来如果能够实现实时监测，将监测结论及时反馈至设计人员，在工程实施前进行一轮方案优化，将会提升文物保护工程的质量。

除保护工程之外，还有其他因素会影响文物建筑的保存状况，如管理部门或使用功能的改变、容纳人员数量的增减等，这些都是故宫文物建筑监测的重要内容。借助于GIS技术，结合养心殿项目，我们对这些影响因素的监测进行了探索（图10、11）。

总而言之，GIS可以当作一个汇总文物建筑信息的平台，将各类既有素材集成于代表文物建筑的要素之上，经过分析转化，再输出新的有用信息，指导文物建筑的保护、管理、研究等工作，这也是监测的目的所在。借助GIS能够实现立足建筑组群、深至建筑单体层面的监测目标。至于深入构件层面的监测目标，则是BIM的使命。

（二）BIM平台中对养心殿西配殿建筑单体的监测

文物建筑是由诸多建筑构件有机组合而成，建筑构件承载着建筑形制、工艺、艺术等多方面的价值，因此仅仅依靠建筑单体层面的载体根本无法满足文物建筑的监测需求，只有深入构件层面记录信息，才能更加科学地的评估建筑单体价值。养心殿项目立足“研究性”定位，深入构件层面进行勘察设计，搜集了大量一手数据。但在传统记录方式下，管理这批庞大的数据显得力不从心。以台基病害为例，如果勘察深度达到每一块方砖层面，那么图纸中索引这些方砖的不同病害时会显得混乱不堪（图12），即使通过表格来详细表达每一块方砖的病害，也存在图表难以对应的问题，且往往只有专业人员才可以解读。这极大地限制了研究性项目成果的表达。

针对以上问题，BIM提供了一套行之有效的解决方案。BIM中的模型与背后的数据直接关联，方砖的几何形态显示在前台的模型中，而名称、编号、类别、病害、维修措施等属性都储存在后台的数据库中，二者支持相互索引（图13、表2）。这样在不影响可视化的前提下，完整地记录了每一块方砖的信息，从而保证了研究性项目大数据的管理。

事实上，BIM模型中能够集成的数据类型是多样的。文物建筑相关的文献、照片、普查成果、测绘成果、勘察成果、设计成果均可以记录在BIM当中（图14）。以养心殿为例，文献包括清代宫廷档案、故宫建院以来历次维修档案、“样式雷”图档等;照片包括历史照片以及普查、测绘、勘察、设计阶段拍摄的实物照、工作照等;普查成果包括建筑构件的编号、名称、位置、形制等基本信息;测绘成果除传统的二维线划图之外，还有三维激光扫描或近景摄影测量生成的各类点云模型、Mesh模型、彩色模型以及模型输出的各类正射影像;勘察成果主要是针对文物建筑现状及病害编制的各类专题报告，如大木、瓦顶、墙体、彩画的残损和病害、木材树种情况等;设计成果主要是针对建筑构件采取的干预措施，如更换、剔补、拆砌等。以上数据格式多样、管理方式各异、价值侧重不同，但在BIM中整合之后全部指向对应的建筑构件，实现了信息的有机管理，为后续的信息检索、数据分析、成果输出提供了便利。 故宫养心殿项目按各工种推进勘察和设计工作，积累了大量的数据，但如何分析这些数据呢？我们利用BIM进行了一定的尝试。以大木为例，构件的病害主要包括糟朽、开裂、下沉、缺损、拔损等，而采取的维修措施有墩接、加固、楦缝、挖补等，这些信息都记录在对应构件之中（图15、16）。选取单个构件，纵向对照这两类信息，能够了解维修措施是否“对症下药”，从而达到评估保护设计方案科学性的目的。以此类推，台基（见表2）、墙体、外檐装修等专题也可以实现以上操作。与传统的管理方式相比，BIM中三维模型作为信息载体保证了建筑构件的完整性，从而能够完整记录构件层面的信息。值得注意的是，大木、瓦石、装修这些工种的信息载体以构件层面为主，因此BIM管理起来游刃有余。但是对彩画而言，同一构件上有大量信息，需要將构件再细分为若干部分，才能科学记录其病害及维修措施;对裱糊而言，多个构件结合成一个整体，这个整体再以另外的方式划分若干部分，才能表达裱糊相关的信息。面对这两种情况，BIM显得力不从心，目前尚无有效解决方案，这将是未来探索的方向。BIM的另一个技术优势是可视化，这在养心殿项目中也有所体现。任何信息只有以某种方式表达出来，传递给他人，完成信息交换，才能实现其价值。记录在文物建筑构件中的不同类型的信息，有不同的表达需求，而基于三维模型的BIM利用多方位的视图，恰恰能够实现多样化的可视化展示。

故宫的文物建筑以木构为主，作为主要的建筑材料，对于木材材料性能的研究显得至关重要。对于木材树种的研究，故宫积累了一定的经验。在养心殿项目中沿用既有的方法，采集了大量样品，经过分析化验，得出了精确到构件层面的结论。这些信息完整地录入了BIM模型当中，涉及的构件包括柱、梁、枋、檩、斗棋、花板、椽子、望板等。为了将这些信息全面、直观地展示出来，BIM以三维拆解模型的方式输出，避免了椽望对梁檩的遮挡，最大限度地展示出木材树种检测的成果（图17）。

当然，BIM中的三维模型并不排斥二维的展示方式。对于二维视图下能够完整表达的专题信息，还是采用二维展示。例如从俯视平面视图表达椽子的勘察情况（图18），从立面视图表达外檐装修的维修方案（图19）等。即使在这种情况下，BIM相比传统的二维图纸仍有优势。由于BIM后台的模型是三维的，因此可以保留构件的位置信息，自由调整视图的角度，同时能够根据专题需求灵活设置构件的显隐，突出表达专题信息。

显而易见，BIM技术为文物建筑构件层面的监测提供了强大支持。恰逢养心殿项目在勘察和设计阶段积累了大量研究成果，我们选取西配殿为例，深入构件层面，探索了干预中文物建筑的监测策略。实际上，BIM还有很大的潜在价值可以发掘，下一步我们将以更复杂的养心殿正殿为例，深入探讨参数化建模、模型轻量化、可视化展示等方面的内容，从而更好地服务于故宫文物建筑的保护、管理、监测、研究工作。

四、结语

以养心殿项目为契机，故宫博物院探索了CGB技术在文物建筑监测领域的应用。GIS在以建筑单体为单位管理建筑组群信息时具有突出优势，在故宫上线试运行的文物建筑监测系统中已得到印证，未来将在故宫进行更大范围的推广和更深入的发掘。BIM在以建筑构件为单位管理建筑单体信息时优势明显，在养心殿西配殿、值房、正殿中进行了不同深度的技术探索。但目前BIM技术在古建筑领域的应用还不成熟，在参数化建模、模型轻量化、可视化展示、数据规范化等方面还有众多难题亟待解决。本文立足遗产地管理者的角色，从需求层面论证了CGB技术在故宫文物建筑监测领域的必要性和可行性，更多技术细节还有赖于专业人员攻坚克难。

（本文为故宫博物院科研课题“基于图像资料的养心殿建筑记录及监测研究”成果。文中图片除署名外，为作者根据故宫博物院古建部《养心殿研究性保护项目·文物建筑调查评估与保护方案》整理。）

（责任编辑：孙秀丽）