“数字壁画建筑”敦煌壁画中建筑的数字化构建

王巧雯　张加万

内容摘要：本文以敦煌壁画中的建筑为例，结合中国唐代古典建筑特点，提出了一种从二维壁画图像到三维信息模型的数字化技术方法。首先对壁画全景与建筑特征进行分析与解读，通过建筑信息模型构建技术，依照古建筑建造规律和模数尺寸关系，经原境信息解读、构建方案设计、三维构建实践，将壁画二维建筑信息转换为三维建筑信息，实现壁画中建筑的数字化呈現。本方法为历史绘画作品中古典建筑的三维构建与呈现提供了思路与实践途径。

关键词：敦煌莫高窟壁画;历史建筑图像;数字化构建呈现;实践方法探索

中图分类号：K854.3  文献标识码：A  文章编号：1000-4106（2022）02-0125-11

Digital Construction of the Architecture in Dunhuang Murals

—With a Case Study of the Buddhist Temple Architecture in a Painting

in Mogao Cave 361

WANG Qiaowen1 ZHANG Jiawan2，3

（1. School of Architecture， Tianjin University， Tianjin 300072;

2.Tianjin Cultural Heritage Protection and Inheritance Engineering Technology Center， Tianjin 300381;

3. Key Laboratory of Information Technology for Protection and Inheritance of Architectural Cultural Heritage under

the Ministry of Culture， Tianjin University， Tianjin 300072）

Abstract：By combining the characteristics of classical Tang dynasty architecture and 3D digital technology， and by taking the architecture in Dunhuang murals asexamples，this paper proposes a digital technology methodology for three dimensional information modeling based on two dimensional mural images. The procedures are as follows： （1） analyze the characteristics of the architecture in a panoramic mural; （2） based on the principles of construction and proportion for ancient buildings，use architectural design information and modeling technology to transfer the two dimensional architecture visible in murals into three dimensional architectural data; （3） utilize 3D construction design technology to render a digital representation of the architecture in the mural. This method is intended to provide new ideas and practical approaches for the 3D construction and representation of the classic architecture in historical paintings.

Keywords：murals in Mogao caves at Dunhuang; images of historical architecture; representation through digital construction; exploration of practical methods

（Translated by WANG Pingxian）

引 言

中国古代建筑拥有悠久的历史和光辉的成就，是中华文明传续的物质载体，也是后人建造艺术的重要启发。敦煌石窟包括莫高窟、西千佛洞、榆林窟等552个石窟中，窟内壁画面积接近5万平方米，是世界上壁画面积最大的石窟群。其内容林林总总，包括佛画像、佛经故事、中国传统神话、经变画等。经变画多达三十多种[1]，形式多样，系统反映了敦煌莫高窟一千多年间佛教绘画发展的历程。敦煌石窟壁画中含有大量描绘中国魏晋南北朝到隋唐时期的建筑面貌的内容，这些信息具有非常重要的史学价值，是研究古代建筑不可多得的重要史料。但是，敦煌壁画由于年代久远，出现的问题逐年增多，对其进行保护迫在眉睫。围绕上述背景和问题，本文基于数字化技术，提出壁画中建筑图像信息的三维构建方法，从二维图像到三维模型，实现壁画中建筑的实景再现。在此基础上，重新审视“历史建筑图像”中的古代建筑，通过图像类史料的画面表达去探索和理解历史，同时探寻历史发展演变与建筑形态的关系，挖掘壁画中历史建筑及其文化、艺术价值，创新壁画及“壁画建筑”保护方法，丰富古建保护和建筑学研究的维度。

一 壁画中的建筑

中国古代壁画根据用途可以分为石窟寺壁画、墓室壁画和寺观壁画三种类型，其中石窟寺壁画以敦煌壁画为代表。莫高窟在我国现存石窟艺术宝库中规模最大、内容最丰富，其壁画描绘了年代跨度大、数量类型众多的古代建筑，本文称之为“壁画建筑”。从数量上看，“壁画建筑”的面积达到45000多平方米，绘制的建筑形象超过10000个;从时间跨度上看，敦煌壁画记录了從4世纪到14世纪长达1000多年的建筑演变历程;从内容上看，敦煌壁画中不仅记录了城市、寺院等群体建筑的布局，更描绘了宫殿、庙宇、佛塔等单体建筑，其斗拱、台基、门窗等建筑构件都清晰可见。敦煌壁画中展现的建筑形象时间跨度之大、内容之丰富、形式之多样，是极为罕见的。这些建筑图像中，佛教寺院占了很大比例，体现了寺院布局特征及其佛教文化特点。

“壁画建筑”数字化构建涉及画面信息解读、原境信息推导及数字化构建等环节。面对历史悠久、包罗万象的壁画信息，实现数字化构建，也面临着诸多问题。首先，壁画中建筑图景的来源是基于现实佛教场所的推演与重塑，其中的场景存在遮挡、缩小横向尺度、主要人物放大尺度、添加水面、人为移动、示意性画法、造景等问题，使得“壁画建筑”图像信息的解读存在诸多不确定性;其次，所选时期——唐朝，现存的建筑并不多，也没有系统完整的古建设计、营造规则，使得“壁画建筑”原境信息解读及验证难度增大;第三，构建过程横跨多个学术领域，多学科的融合研究是一项不小的挑战。

莫高窟第361窟南、北壁上部绘有经变画各2铺，其中南壁西起为无量寿经变和金刚经变，北壁西起为药师经变和弥勒经变[2]。依据敦煌学专家的研究，4铺经变画存在组合对应关系，具有很高的研究价值。本文选取的莫高窟第361窟南壁西起第一铺无量寿经变（图1），从画面上看，主要由建筑、人物及配物构成，表现西方极乐世界。

本文以该经变画中的佛寺院落为研究对象。该佛寺院落呈现为背景式建筑图景，依照画面组成与构图位置，其中主体建筑群与中心佛像是图面突出的重点，也很大程度上决定了画面的主题与基调。此类壁画在构图上一般分三部分，上部以天境、须弥山等远景为表现对象，中部多以说法场面统摄画面，下部则绘有莲池、平台等布景要素，平台又多伴有乐舞队列等个性化形象，栩栩如生，杂而不乱。在佛教义理、粉本需要以及自由率意表达之间达到了很好的平衡。而其中的建筑，作为画面场景的主要背景，在结构上与壁画各部分交相呼应，在组织上与人物、配物等元素互动统一，贯穿于整个画面之中。

二 壁画中建筑信息研究

本文所选实例为中唐时期敦煌莫高窟壁画，建筑信息以佛教建筑为主。受历史背景、宗教特征、绘画艺术等因素影响，实现壁画中建筑的“再现”，要运用艺术、考古、图像和建筑学等知识，通过搭建唐代建筑理论框架、探讨佛寺院落及建筑单体信息，层层解读，逐渐剥离敦煌“壁画建筑”的佛教性和艺术性，还原壁画所处时代建筑的本来风貌。其研究主要分为两部分，一是原理的探讨，即讨论中式大木作的建造规律。二是方法的应用，主要是对古建规律的实际应用。具体而言，首先研究了木构营造的一般规律，重点搭建了唐代建筑的理论框架，以及相关建筑数据关系，包括对宋《营造法式》、唐代木构遗存以及考古发掘数据的梳理总结、提炼。其次，确定了佛寺院落和各个建筑单体，包括院落的组成及主题建筑的定位。最后对原境信息中数据进行计算、比对，生成表格。

1. 佛寺院落建造规律探索

第361窟南壁无量寿经变描绘了中唐时期单院的佛寺建筑组群。隋唐时期距今1400多年，虽然是我国建筑发展的繁盛时期，但是存世建筑文献却非常稀少，这给唐代壁画建筑研究带来了极大困难。解决这个问题的首要方法，是依据相关学者的研究找到一条搭建唐代建筑理论框架的有效路径。唐、宋建筑建造规律一脉相承， 在大量历史建筑资料的基础上，梳理、分析、研究，挖掘其中内在规律，探索唐代木构建筑建造规律、建筑工艺、外部形制及内部数据关系。将这些成果与宋代《营造法式》进行 比对后发现[3]，《营造法式》对唐代“壁画建筑”研究具有很好的启迪作用。由此，可以确定研究唐代建筑模数规律的思路，即结合学者们对隋唐及延续唐风的辽、宋实例的研究成果，经过梳理总结，探索搭建唐代建筑理论框架和相关建筑数据关系等，从而形成解读壁画原境信息的最佳方案。

第一，唐、宋建筑建造规律一脉相承。宋《营造法式》所载材份模数制是对中国古建筑设计方法历史传承的总结和发扬。李诫在《营造法式》中言考阅旧章，稽参众之，其中记载的材份制度是研究宋代或以前木构建筑不可或缺的理论基础，宋营建法度实质上是对唐风营建的传承。唐之恢弘国力促进了大规模营造技术的高速发展。唐代建筑木构形式多样化，结构组合自由化，营造规范化。唐末时期，偷工减料、奇技淫巧成风。才导致北宋后期以法律的形式将晚唐传下来的营造技术规范化，即宋《营造法式》。因此，宋营建法度只是规范化的唐风营建。由此可知，唐代建筑建造规律可借鉴宋代《营造法式》中“材份制度”开展研究。

第二，唐代建筑理论框架的搭建。《营造法式》建立了一套完整的中国古代木构建筑用材标准。如房屋营造所有的尺寸都有一个标准，所有的建筑构件、规模大小等都从这个标准出发，是这个标准数值的一定整数倍。书中规定柱径为材的2.8—3倍，另有八品材质的尺寸及使用范围和材份模数制。其中1份=1/15材广=1/10材厚，1份=1/6栔，1栔=2/5材。梳理总结学者们关于十余处隋唐时期建筑遗址考古发掘数据、唐代两处木构建筑及辽宋时期十余处木构建筑实例的研究内容，可知《营造法式》中所规范的用材标准并不严格与实际吻合，只是规范化的理论取值。根据探索唐代建筑建造规律、解读唐代壁画原境信息的需求，通过查阅相关资料和研究，对比唐代早、中、晚期的大明宫含元殿（遗址）、南禅寺大殿、佛光寺大殿材份模数规律，并将研究成果与宋《营造法式》文献中有关材份模数制规律进行比对分析，可得出唐代建筑理论框架及数据关系等建筑建造规律如下：按照间广大小进行排列，其份值也相应呈现出由大到小排列的状态，依此进行材等排列。可推导出由0.3至1，常数为0.05的等差数列。即隋唐木构建筑材份制为15等材，宋代材份制为0.3寸至0.6寸的取值范围，唐代材份制度径材倍数在初唐时期（约618—712）大约为1.60至1.70，中唐时期（约713—826）大约为1.70至1.80，晚唐时期（约827—907）大约为1.80至1.90，唐代木构柱子的柱高柱径比比值大约在9至10之间[4]。除上述建筑建造规律外，还可以利用建筑遗址保留下来的建筑平面布局、开间与进深的大小等基础数据以及柱础石、屋瓦等石瓦构件数据，推导出建筑原境的一些重要构件尺寸，如柱础石与柱径、柱径与柱高等关系，为“壁画建筑”原境信息解读提供数据补充，弥补了不足。

由此可以推断，由宋代文献《营造法式》及相关建筑实例研究总结形成的以上结论，适用于唐代建筑及其建造规律，也适用于本课题所研究唐代壁画中的建筑。

唐代木制构件的定型化说明唐时建筑已有用材制度，即模数制{1}。古代建筑模数制的规定集中体现于宋代《营造法式》，书中确定建造某一建筑时，以该建筑所用材及其相关尺寸为依据来推定该建筑的其他尺寸。清代《工程做法则例》规定，构件断面以斗口和柱子直径为基本模数，基本沿袭了宋代的模数制规定，但是在细节和尺度规定上有所差异。宋《营造法式》材等尺寸如表1，构件模数如表2。

根据梁思成、陈明达等研究成果，唐代模数尺寸大于宋代，其规律如表3所示。

2. 原境信息解读

在佛教建筑中，建筑单体形式是最基本的元素，因而在壁画中存在较多。主要有殿堂、佛塔、楼阁、亭、台、三门、回廊等建筑单体，其中佛塔是最早从印度传入中国的佛教建筑形式，也是中唐以前我国佛教寺院中的主体建筑。本文研究对象第361窟南壁无量寿经变建筑图像就是以佛塔为主体建筑的佛教院落。整个寺院呈一座由廊庑围成纵长方形的完整单院佛寺形象，各建筑物依中心轴线对称设置。佛寺以一座四角二层塔为主体建筑，两侧左右廊配殿为方楼，前部绘有三开间庑殿顶楼阁式三门，四角绘有角楼。因此，组成该佛寺的单体建筑主要有主体佛塔（可见）、楼阁式三门（推断）、2座前角楼（推断）、2座配殿方楼（可见）、2座后角楼（可见）等。

根据案例图像中建筑年代、绘画艺术、宗教特点和搭建的唐代建筑理论框架及数据关系，以画境信息解读为基础，可分析研判莫高窟第361窟南壁西起第一铺无量寿经变中寺院原境信息，完成其主体建筑佛塔及其两侧角楼、左右廊配殿二层三开间方楼、二层三开间庑殿顶楼阁式三门及其两侧角楼的原境信息解读提取。

假设莫高窟第361窟南壁无量寿经变中寺院建筑为理想模型。根据前述唐代建筑理论框架和相关数据关系，参照画面尺寸、绘画比例等绘画技术规律，对寺院图景进行分析推算，确定每个建筑单体原境的控制尺寸，然后逐一解读出各单体细部名称及原境数据尺寸。初步推出的信息包含确定性信息和不确定性信息，需要进一步比对、研判、修正，进而确定佛寺院落原境信息，为参数建模、设计、重构再现提供详实数据信息。

佛寺院落涉及建筑单体较多，本文仅以主体佛塔数据信息推导为例，其它建筑单体原境信息推导类同。以柱径结合界画尺寸成比例进行分析。主体佛塔位于佛寺中轴线上，属于主要建筑，又根据中唐佛寺建筑之恢弘气度，可判定主体佛塔用材属于《营造法式》中殿閣。根据潘谷西老师《营造法式解读》，一宋尺约合32厘米，按《营造法式》殿阁三等材尺寸可知柱径范围为67.2—72厘米，柱高最大为375分，即6米。根据柱高不越间之广，可推断心间间广为6米。根据《营造法式解读》仅知道心间柱径与柱高，无法推导次间广及进深。从壁画可推测佛塔上下层均为对称的方形建筑。根据前文壁画三维信息解读可知，“壁画建筑”遵循界画折算无亏即尺寸成比例的关系，故根据壁画画面尺寸比例关系，可推导出一层次间广为3米，通面阔为12米，柱高（6米）与通面阔（12米）的比值为0.5。鉴于以上分析，确定主体佛塔一层柱高为6米。这符合主体佛塔一、二层整体空间布局及各单体构件尺寸关系，也最符合原境尺寸。另外，还需对初步推导的原境数据进行研判、修正，并验证数据的准确性，在此不再一一论述。

同样方法，确定主体佛塔二层构件名称及数据信息。最终得到主体建筑佛塔的构件名称及原境尺寸如，表4所示。

同样，对角楼（后部两侧建筑物）、配殿原境尺寸进行推导计算，得到相关数据如表5、6所示。

对前部中心建筑物原境尺寸进行推导计算，得到相关数据如表7所示。

三 佛寺院落的数字化构建{1}

无量寿经变中主体佛塔的可见部分由基座、塔身、塔刹组成，本次推导研究的佛塔为方形仿木塔。通过推导数据结合三维建模软件，将壁画中该佛塔予以还原呈现。佛塔主体的三维模型构建采用主流三维BIM建模软件Revit[5]。

首先，完成古塔建筑方案的推导，包括一、二层平面的布局，立面的绘制。

然后完成佛塔主体的三维模型构建。依据图像信息解读和原境信息研究成果，对以上推导的佛塔构件进行拆解，策划构件的创建方式。可采用系统族、内建模型及可载入族实施，根据不同构件的安装装配特点，建模软件特性，古塔构件的创建方式等划分。

1. 数字化构建方案设计

依据图像信息解读和原境信息研究成果，分别对经变图像中建筑信息三维呈现设计方案。首先确定画面院落内各部分单体建筑的绘图顺序：主体佛塔—楼阁式三门—前角楼—配殿方楼—后角楼—连廊—整体院落。其次确定每个单体建筑的绘图顺序：建筑物平面柱网图—建筑物正立面图—建筑物侧立面图。在绘图过程中使用1∶1比例绘图。第三步是设置绘图环境，进行方案设计。第四步检查、修改、出图。按照方案设计步骤，分别完成建筑物的设计，以主体佛塔示例，其它建筑单体及院落略。主体佛塔的设计方案出图顺序为：主体佛塔一层平面柱网—主体佛塔二层平面柱网—主体佛塔立面图。出图情况如图2、3。

2. 主体佛塔的三维模型构建

依据图像信息解读和原境信息研究成果，对莫高窟第361窟南壁无量寿经变中主体佛塔进行立体三维模型构建。

步骤1：

通过壁画中展现的情境，结合古建筑文献资料，推导建筑规模及布局，初步完成建筑布局模型创建。包括但不限于定位、标高等基准图元的创建，并完成单体建筑主要构件的创建与项目组装。

首先对佛塔底层部分进行实践操作。完成佛塔建筑的平面布局。佛塔基座的布置。根据推导的数据进行轴网布置。明确佛塔建筑底层地面标高、尺寸及柱定位布置。然后完成佛塔一层台阶、护栏的布置（图4）以及柱上斗拱构件的创建与布置，并完成一层挑檐部分屋面创建。采用二维平立面表达的方式，对创建的该部分内容进行图纸表达。图5—7分别为创建完成的一层斗拱平面布置图以及一层南立面视图。

斗拱是古建筑中独特的重要构件，本佛塔建筑和殿、庙建筑不同，相对低矮，采用单昂单翘五踩斗拱。该斗拱的组装如图8、9所示。这样即完成了佛塔一层的建筑三维模型创建（图10）。

步骤2：

继续对上层部分进行三维模型构建。首先完成二层布局定位参照基准的绘制，然后完成二层柱布置、塔顶屋面及塔尖的绘制（图11—13）。

步骤3：

采用链接模型的方式实施协同设计，进行整体模型组装。将创建好的佛塔二层链接到主模型中，组装成一个完整的单体工程，并对佛塔立面及三维视图进行展示（图14、15）。

经变图像中角楼、配殿、连廊和院落等建筑物立体三维构建可参照以上步骤进行。

3. 三维数字化呈現

（1）佛塔、两侧配殿、四处角楼、连廊等建筑物呈现

采用相同的数字化构建方法，可分别对图像中寺院配殿、角楼、连廊等主要建筑物进行数字化构建操作。因受篇幅限制，过程不再一一论述，成果呈现（包含佛塔）如图16、17、18、19。

（2）佛寺院落建筑图境的全境呈现

以壁画佛寺院落中五组单体建筑物及其他建筑物的构建为基础，基于佛寺院落的解读、设计、构建操作，绘制出完整的院落建筑群并进行全境立体呈现（如图20、21）。

结 论

壁画中建筑的三维重建，是将中国古典建筑与数字化呈现技术相结合，将二维图像变为数字三维模型的过程。包括了古建营造信息解读，从数据推导到三维模型构建等一系列步骤。本文以敦煌莫高窟第361窟无量寿经变中建筑为例，提出了“壁画建筑”的数字化呈现方法。首先依据建筑模数规律搭建隋唐建筑理论框架，然后解读壁画中建筑信息，对建筑形象进行确定，最后完成原境数据推导、方案设计、数字化构建，对各个单体及院落进行数字化呈现，实现壁画建筑的数字化再生。本研究为文物的数字化保护与传承提供了创新方法与实践途径，也是古建筑研究的一次有益尝试。

附记：

感谢敦煌研究院、天津市文化遗产保护与传承工程技术中心对本研究的支持与指导！

（图1照片由敦煌研究院提供，作者对照片进行了修正;图2至21为作者自绘。）

参考文献：

[1]施萍婷. 敦煌经变画[J]. 敦煌研究，2011（05）：1-13.

[2]赵晓星. 莫高窟第361窟南北两壁经变画考察——莫高窟第361窟研究之七[J]. 山西档案，2012（04）：32-

42.

[3]梁思成. 营造法式注释[M]. 中国建筑工业出版社，1983.

[4]王天航. 唐代木构建筑材份等级序列复原研究[J]. 建筑师，No.162，2013（2）：99-102.

[5]欧特克. AUTODESK REVIT ARCHITECTURE 2011官方标准教程[M]. 电子工业出版社，2011.