石塔构件化测绘技术和方法研究——以南京栖霞寺舍利塔为例＊

沙楚翘 张军军 洪道宁 张宏

石塔作为中华文化传承的重要物质载体之一，不仅是建筑遗产的重要部分，其独特的结构特征和构造手法，充分反映了古代匠人的营造技术水平和艺术创造力。南京栖霞寺藏经楼东侧的舍利塔，作为南唐时代少有的石构密檐式佛塔，被认为是我国佛塔由“古拙时期”发展到“繁丽时期”的重要过渡[1]，也是我国五代南唐时期石构建筑的杰出瑰宝之一，具有极高的保护价值。因自然风化和侵蚀等原因，现存栖霞寺舍利塔于1921年由刘敦桢先生和1993年由国家文物局进行了两次测绘和修缮。然而这两次测绘修缮更偏向于抢救性修复保护，留下的存档资料相对较少，给后世的预防性保护增加了难度。

近年来，三维扫描技术被引入文物建筑测绘和研究领域，弥补了传统二维测绘的缺点。与传统的测绘方式相比，基于三维扫描技术的数字化测绘，在高效率的同时兼具了高精度和高完整度。然而，现有的测绘方式依然停留在表层，通常将文物表面作为整体进行数据创建，缺乏构件级别的研究。因此，本研究将构件分件技术融入栖霞寺舍利塔的数字化信息采集和数据重建，形成虚拟石质文物构件数据库，为今后的文物重建和修缮提供信息支持，使建筑文化遗产瑰宝得以长存。

1 古建筑测绘历史回顾

1.1 二维测绘模式及缺陷

自1932年伊始，营造学社的先贤们为了解中国古代建筑、解读营造法式，进行了数次古建筑调查测绘，开创了中国建筑遗产测绘的先河[2]。这种古建筑测绘主要依赖拍照技术、工具测量和手工记录，同时辅以一定的调查。但受制于当时的技术手段，现存在案的测绘存档仅存留当时的黑白照片及手绘的二维相关图纸。这些文件不仅在测量的尺寸上存在误差，而且修缮过程中的修补位置、尺寸、所选用材料等信息也难以完整记录存档。

我国高等院校的相关专业也较早开设古建筑测绘类课程，并取得了一定的成果。然而这种测绘活动大多是学生在老师的带领下，近距离接触古建并进行二维的测量和记录，然后依据数据整理结果绘制复原草图。此类测绘同样基于视觉可见的建筑表面，无法深入建筑内部构件。

传统的测绘方式难以满足当下对古建筑精准记录、数据重现、分析保护、多重展示的需求。若这些信息能完整留存下来并被合理地研究使用，将对文物保护从抢救性保护转向抢救性与预防性保护并重的新模式产生较大的帮助。基于上述问题，从二维测绘转变为三维测绘，特别是基于信息模型的构件化测绘的必要性日益凸显。三维信息采集方法结合相应的软件工作流，可帮助研究思维转型升级，实现表达和协同能力的同步突破。与此同时，以三维信息模型为基础的信息模型技术，能提供可记录古建筑构件全生命周期的信息载体，记录内容包括且不限于构件损伤率、文物损伤率、重量、材料以及修缮记录等不同专业领域的各类信息。

1.2 构件化测绘

建筑是由构件组成的，基于构件逻辑的测绘，可以为古建筑保护提供更精细化的帮助。首先，对建筑构件进行科学合理的分类、分级和分件，可以帮助文保工作者进一步提升对古建筑营造逻辑的理解。其次，基于构件指导的测绘研究，可以帮助负责构件层级的人员进行修复分工，合理保护和研究不同类别的残损构件，使修复工作具有针对性，提高协同工作的效率。因此，石塔构件化测绘可以为石质文物的预防性保护提供构件级别的三维数据基础，是预防性遗产保护的重要技术。

2 基于构件法的栖霞寺舍利塔三维信息采集和分件研究

在测绘领域，三维扫描技术是GPS（全球定位系统，Global Positioning System）技术之后的又一次技术革命，它的出现改变了传统数据采集模式，推进了文保领域的研究。但是三维扫描技术目前仅能精准获取采集对象的外观数据，无法直接探明其内部组成方式。仅凭中国古代石塔类建筑的表层数据，难以提供行之有效的预防性保护，因此本研究创新性地使用了三维扫描仪、无人机倾斜摄影和探地雷达组合的多重信息采集技术，实现了古建筑数字化测绘的进步。

2.1 三维信息采集

栖霞寺舍利塔测绘选用的三维数据采集方法主要为两类：三维激光扫描仪和无人机倾斜摄影采集现状外观信息，探地雷达采集基座束腰以下的内部结构情况。

2.1.1 三维扫描仪

传统二维测绘工作通常需要搭架子和攀爬等工作，容易对石质文物产生破坏。基于保护的目的，本次测绘选用了相位式三维激光扫描仪进行全方位、非接触式的信息采集。对易产生误差和复杂数据的采集区，如塔檐、塔刹等位置，数据测绘点保持了30%左右的重叠。在不触碰舍利塔的前提下，快速完成对目标的三维扫描仪采集记录，获得可编辑的高密度三维点云数据文件（图1），测量误差小于5mm，具有较高的原真性。

2.1.2 无人机倾斜摄影

在古建筑测绘领域，无人机倾斜摄影技术具有较好的灵活性和高覆盖率等优势，提升了构件现状信息采集的完整度。例如，石塔出檐顶部等难以攀爬或目视不到的地方，采用无人机倾斜摄影技术更容易获得真实且全面的纹理贴图。该技术通过特定软件对获取的图像进行快速匹配算法，获得拍摄对象的数字表面模型、正射影像以及侧面影像，最终拼合形成三维实景模型[3]。确定拍摄路线和参数后，在阴天的情况下使用无人机在规划点位进行详细拍摄，最后完成数据处理形成模型（图2）。

2.1.3 探地雷达

探地雷达是近年发展起来的一种无损探测技术，具有速度快、过程连续和分辨率高等优点，其工作原理是在探测设备的移动过程中，定时发射出脉冲电磁波并不断接受目标体的反射波，通过读取反射波的传播时间，计算反射面深度，形成雷达剖面图像，并由此判读确定目标体的分布特征[4]（图3）。探地雷达在本次测绘中的主要目标，是以不破坏文物的方式勘探舍利塔基座束腰以下的内部结构情况。通过提取探地雷达各类杂波数据（图4）并去粗存精后，得到基座一至五层外构件尺寸。

这三种三维数据采集方式各具优势，获得的数据类型也相互补充，组合搭建出栖霞寺舍利塔三维模型的数据基础，为分件研究提供了强有力的数据支撑。在外观层面上，三维激光扫描仪的数据相对更完整、真实且支持相关软件进行数据分析；无人机倾斜摄影获取的数据贴图更详尽；探地雷达则支撑了内在构造数据的研究，使得整个三维模型有了质的飞跃。

2.2 舍利塔分件研究

我国的古建筑与构筑物在构件形制、组合和装配建造方面有一定规律，一些建构逻辑甚至延续至今。因此通过对现存的古石质建筑资料进行研究，并结合常用的建造分件逻辑，有利于对石塔类文物进行建造逻辑的归纳、总结与推断。通过对三维扫描技术得到的数据进行交叉解析和推断，可以推测得到石质建筑的完整内部构成信息。

1 高密度三维点云数据文件

2 无人机测绘成果合并图

3 探地雷达工作原理

4 探地雷达实测数据图

2.2.1 外部分件

古代石塔类建筑的构件具有一定的规律，构件之间的交接做法相对固定，因此对构件进行外部观察分析是最直接的分件研究途径。

栖霞寺舍利塔基座的层间和层内构件之间均有较为清楚的缝隙（图5），同层级的构件交界处也存在肉眼可见的灰缝（图6,7）。结合探地雷达所测构件深度，基本可推断出舍利塔一至五层构件形态和分件方式。其余层级因高度所限，使用文献对比研究，综合推测完整剖面。

2.2.2 内部分件

地域文化对建筑往往有着深远的影响，加之古代社会的信息传播速度缓慢，因此本次研究以相似区位、时代、材质及高度作为筛选标准，选取了西安荐福寺小雁塔、灵隐寺两石塔和浙江瑞安垟坑石塔作为对比对象，进行结构剖面类比分析（图8）。

栖霞寺舍利塔自台阶以上算起，总高18.04m[5]，基于探地雷达数据可以判定，其外表面构件未直接延伸至塔心，内外有两种材质。始建于相似年代的西安荐福寺小雁塔结构为“空筒式”，为唐代最普遍的塔结构形式，基于传承的原因，五代时期始建的栖霞寺有可能参考了该营造结构。而灵隐寺两石塔始建于公元950年，皆为八面9层楼阁式实心石塔，高度在11.5m左右，底径约2.5m，营造方式为构件堆砌没有填心[6]。瑞安垟坑石塔始建于公元1071年，仿木楼阁式实心石塔，因2006年落架大修过，因此查阅到该塔为外部石构和内部填芯的结构（图9）。其外部石构件大小不齐、深浅不一，但重心大致落在同一直线上，塔心内部填芯为块石[7]。

垟坑石塔的内部结构参考价值相对最大。栖霞寺舍利塔虽然是实心石塔，但探地雷达的实测数据已经佐证其内部构造可分为外表面石构件和内部填心两个部分。基于建造工艺限制的原因，构件内部应略微向塔心倾斜，如此可保证石构件重心大致垂直，构造稳固合理[8]。综合运用文献和采集后的数据，可推测出栖霞寺舍利塔的剖面构造图（图10），其中内部填芯可能为不规则碎石，接缝处注入泥浆。

5 栖霞寺舍利塔基座缝

6 栖霞寺舍利塔一层缝

7 栖霞寺舍利塔三层缝

3 石质文物构件数据系统

石质文物的修缮和复原工作需要精确的、工程化的基础数据，因此有必要建立石质文物构件的全信息数据储存库。基于三维信息采集和文献研究取得的数据群组，可以模拟石质文物构件的建造和修复过程，实现虚拟模型与真实石质文物的耦合对比，进而优化相关建造与修缮步骤，保证石质文物再造与修缮工作的可靠性与系统性。

3.1 构件数据重造系统

栖霞寺舍利塔构件数据重造系统是数字化构件信息优化处理的流程之一，构件重造主要利用3D打印精准高效的特点，将前期信息合并优化后的点云数据模型导入相应软件进行修复和算法修正，然后复原打印，可以获得高度相似的还原构件（图11）。

3.2 基于BIM的全息数据构件库

建立石质文物虚拟构件库，能够有效合理地整合虚拟数据，数字化记录对应构件的属性信息（如材质信息、工艺技法、损耗情况等），有效提高石质文物保护的前瞻性与科学性。

在本研究中，石质文物虚拟构件库采用BIM软件Revit，因其可以加载构件信息并进行编辑，便于文物类不同构件的精细化管理。将导入三维扫描信息模型的构件文件转化为IFC格式，并带有尺寸和重量等信息，完成全信息储存流程。通过插件开发，Revit数据库管理系统会整合相应数据并建立石质文物构件数据库，相关人员可以方便地调取和使用（表1）。

8 塔类比对

表1 构件信息表

9 瑞安垟坑石塔内部填芯

10 栖霞寺舍利塔剖面推测

11 栖霞寺舍利塔构件及还原构件

4 结语

本研究以栖霞寺舍利塔为例，从建筑测绘历史发展和建筑构件组合出发，将构件原理应用到建筑遗产保护领域，提出了一套基于三维信息采集技术和文献研究的石塔测绘技术和方法，对南京栖霞寺舍利塔进行从整体到构件的数字化测绘和构件还原研究。通过构件分件技术实现数据重造，并建立了石质文物构件库，为石塔类文物的模拟、修缮和重生提供了数据信息基础，有效推动了石塔类建筑遗产的预防性保护。

图片来源

1-4,8作者自绘

5-7,9作者自摄

10来源于文献[5]

11来源于文献[7]

表格来源

1作者自绘