青铜器修复中的新理念与新方法探索

王大霖 李延利 王鑫光

摘要：为了减少青铜器修复中的保护性损伤以及提高青铜器保护修复的效率，通过使用三维技术对陕西省甘泉县博物馆馆藏的断腿青铜马、残损简化兽面纹鼎开展修复实践，旨在丰富博 物馆展陈内容的同时，以此为例进一步探索青铜器修复中的新方法和新理念。本次修复实践不仅对今后利用三维技术在其他材质文物的修复工作方面具有借鉴价值，还对以文物价值修复为导向的新理念进行了探索，同时论证三维技术未来将在文物修复方面发挥重要作用。

关键词：甘泉县青铜器；三维技术；文物修复

我国的青铜文化历史悠久，存世青铜器数量巨大，但损坏情况复杂。若只是按照传统修复方法进行修复，则有些青铜器无法达到理想的修复效果。而包括三维扫描技术和三维打印技术在内的三维技术，是近些年先进的高精度无损伤式立体扫描技术及增材制造技术的总称，在诸如工业技术、人体医学等领域发挥了巨大的作用。以三维扫描技术为基础形成的虚拟修复技术，不仅能够使青铜器的修复效率和容错率显著提高，减少对青铜器的保护性损伤，还能丰富博物馆的展陈形式与内容，从而提升展出文物与观众的交互性。

一、三维技术及其在文物修复中的应用

三维扫描技术的原理是利用激光扫描仪对物体发射激光，收集反射信号获得目标物表面大量点的三维空间坐标，从而快速建立起目标物三维数据模型的一种自动化扫描技术[1]。三维打印技术又称增材制造技术，其基础原理就是基于目标物的三维数据模型，使用某些特定材料对实物进行从下至上逐层堆积打印，从而区别于传统的“减材制造”，具有缩短制造周期、节约成本和一体化生产复杂产品等优势。因此，通过扫描青铜器的残缺外形形成数据模型，制作出相对应的缺块，将缺处填补之后再进行做旧，从而达到补缺的目的[2]。

三维技术在文物信息采集方面具有多方面优势：无损性、效率高且准确性大，能够无间断作业[3]。而快速成型技术是在经三维扫描形成的文物三维虚拟模型上，通过使用粉末金属或者其他具有黏合性的材料形成所需的造型，这一技术在文物复制和修复等领域发挥了巨大的作用。例如1999年发现于意大利阿尔卑斯山脉奥茨山谷的“奥茨人”的头骨复制工作[4]；再如上海博物馆由于馆藏的出土象牙無法满足展陈需要，便通过三维扫描技术与三维打印技术进行了成功复制，既满足了博物馆与观众的需求，也不会对象牙文物本身造成损伤[5]；还有卜为民先生利用三维扫描技术与快速成型技术成功复制了新石器时代早期的陶器[6]。可以说，在文物复制领域，通过三维扫描技术将文物的整体信息全面数据化，再经三维打印技术将文物完美地复制出来，这不仅使修复后的文物更加忠于原型，还可复制一些难以在博物馆进行展陈的文物或者具有重大价值意义但无法继续保存的文物，有效弥补了传统方法无法复制文物的缺憾。

而在文物修复领域，最早在1996年至2001年，德国美因茨州立博物馆、德国考古研究所与埃及博物馆合作，将激光扫描应用于获取2件古埃及铜塑的全部三维数据[7]；20世纪90年代，德国美因茨州立博物馆还与陕西省考古研究院合作，对一件被盗的中国慈善寺唐代菩萨头像开展复原工作[8]。

三维技术在文物修复领域中发挥的巨大作用，主要集中于残缺文物碎片的拼接以及残缺文物缺损部位的复原。在这两个修复领域中，若使用传统修复技艺，不仅修复周期长、成本高、效率低且易造成二次损伤，不适合我国青铜文物的修复需要。因此，目前在文物破碎残片的拼接方面，更多的学者都把注意力放在断裂面的文物碎片数字化匹配拼接算法上[9-10]，这不仅能够有效避免在匹配连接过程中出现邻接碎片相互渗透的现象，还解决了在破碎文物碎片较多且形状多样的困难条件下，传统修复方法很难完成的匹配拼接问题[11]。

在以往的残缺部位修补中，都是基于缺块堆成部位的整体外形和纹饰进行推算，以及依赖于文物修复工作者的长期工作经验，从而进行残缺部位的补配修复，因此不可避免地会出现修复失败的情况。而在修复失败后会对残缺部位进行重拆，或者对器物进行打磨、矫正，这个过程会对文物造成损害以及丢失文物的原始信息。同时，由于人工因素会导致文物的修复时间较长。三维打印技术的使用无疑能够避免上述问题。三维技术应用于文物补配修复中，一般将缺块类型分为片状、跨区域和结构性缺块：片状缺块是指缺失部位在青铜器上还存有相对应的结构；跨区域缺块是指缺失区域对称性结构数据的丢失，无法在青铜文物上寻找到对称信息；结构性缺块是指具有独立的结构的缺失[12]。因而缺损部位的还原其实质就是寻找文物几何相似性的问题，即文物本体中具有对称性结构或者文物之间的相似性特征。通过这些特征对文物进行有依据的修复，使得被修复的文物能够忠于原型、保持原貌。因此，利用三维技术对文物进行扫描后形成破损文物的数字化模型，经过软件设计并结合修复专家意见，调试出符合器物整体外形特点的残块，再结合快速成型技术将其真实补配。这样不仅能够提高文物修补中对器物精度的要求，使器物更加符合原状，还可避免传统接触式采集器物信息以及传统修复技艺对器物本体造成的二次破坏。同时，由于三维扫描的精确性和三维打印的快速性，所制作的残缺部位不仅原真性好且制作效率高，有力降低了器物补配时间，提高了文物修复效率，这对于我国急需修复、数量巨大的青铜器而言，无疑是较好的方法。

在博物馆展陈方面，将修补之后的青铜器与三维扫描形成的残缺青铜器的数字化模型进行对比展示或者形成视频影像，这些动态过程强化了观众的观展体验，提高了观众与陈列器物之间的交互性，提升了文物的展出效果，弥补了传统展览的单调性。除此之外，减少实物的流通频率，降低自然损耗，从而保护文物无疑是其最大的意义[13]。

二、三维技术应用于甘泉县青铜器的修复工作

（一）传统青铜器补配修复方法介绍

在传统的青铜器补配修复中，有两种方法是经常使用的，即铜条编织法和打制法。编织法是先将铜条按经纬线进行编织，后采用小铜片进行填补焊铸，再进行协色做旧处理（图1）。但铜条编织法具有很大的不足：首先，其采用多次焊接的方式，没有形成统一的整体，在出现病害后很难再对其进行修复，且不利于器物的后续保存；其次，受主观因素影响，对具有圆弧形特征的器物很难进行修复，易导致修复失败，从而对器物本体造成更大的损伤。

打制法是先用纸托在青铜器缺块处的反面，用笔描画出缺失部位的轮廓后，将其放在铜叶或铜板上进行对应的裁剪，后经打、焊接等机械操作将其修补（图2）。打制法相对于铜条编织法而言无疑是进步的，其一体化的打制不仅减少了焊接的次数，还使得力学强度均匀，有利于后续的器物保存。当然，打制法也有相应的不足：首先，其打制程度过于依赖修复师的技艺水平，且由于打制原因导致修复效率较低；其次，还可能引入新的锡，影响器物的后续保存。

由于上述两种传统的修复方法都存在不足，因此，我们从甘泉县出土的青铜器中选取两件器物进行修复新方法和新理念的探索。

（二）铜马、铜鼎概况

1.铜马

甘泉县共出土有铜马2件，实心圆雕，铜体素面，形制相同。其中一只铜马的两前腿残缺，马尾脱落，呈站立状，体型健硕，四肢粗短；马身较长，头部较小，眼睛圆睁，口鼻微张，两短耳直立向前，鬓毛短直，长尾下垂；马的背部有一椭圆形背垫，背部中间自腰部到尾部有一条脊线[14]。为了使铜马更好地满足考古研究以及博物馆展陈的需要，也为了使铜马的修复效果更加理想，我们采用三维扫描技术和三维打印技术，通过数据调整，设计和打印出符合铜马形态的残缺腿和马尾，使修复后的铜马形象更加符合“保持原状”之原则。

2.铜鼎

经统计，在甘泉县共出土简化兽面纹鼎3件，形制相似但大小递减，且都处于残缺状态[15]。而利用三维技术进行修补研究的是一件残存四分之三的铜鼎，其有两处缺损部位要进行修补，分别是耳缺处和鼎中部口沿处。由于其上腹部有一圈宽4厘米的凸起带，以及其上与双足之间的对应处饰有3组由扉棱与乳钉组成的简化兽面纹，并且根据对称性原理，以及与其他两件铜鼎的对照，缺损部位不仅要具有一定的纹饰，修补之后的器耳还要与原耳相对称。因此，使用传统的修复手法对这件器物进行补配具有一定的操作难度，这不仅会耗费大量的时间和精力，还可能对器物造成严重的二次伤害。

三、铜马、铜鼎修复过程

在这两件青铜文物的修复过程中，我们都是首先使用先临公司生产的Einscan Pro2020型扫描仪对残缺青铜器进行三维模型信息采集，再利用各種软件进行青铜器现状模型的修整与矫形以及青铜器的虚拟修复，后使用形优公司所生产的formlab form3型打印设备，并采用光敏树脂材料进行青铜器残缺部位的打印制作。由于这两只铜马的前足都残缺，属于跨区域缺块，没有几何特征及相似性结构作为依据，我们无法得知两只前腿的具体形态，只能根据铜马站立形态、力学稳定性，以及迄今为止出土最早的西周铜马——盠驹尊（图3），从而在软件上制作出马的虚拟前足模型，并将其打印。由于铜马的特殊性，我们抛弃了传统的焊接方式，而是采用插拔式的新型连接方式。使用新方法对铜马的修复不仅能够生动复原马的立体形态（图4、图5），并且这种可拆卸的马足还兼顾了器物的完整形态及完美契合了可逆性的修复原则，从而丰富了博物馆的展陈内容。

从修复前后的对比（图6、图7）中可以看出，打印出来的模型残片与青铜本体结合紧密，左耳残片具有良好的对称性，右侧腰部至口沿残片上的乳钉与扉棱清晰可见，基本符合青铜器的本体原有纹饰，保证了铜鼎的原貌性。与此同时，我们按照原配方、原工艺的方法将缺损部位模型进行翻模铸造。由于铸造的铜片与铜鼎本体有着很好的铆合度，因此我们抛弃了传统的锡焊接方式，采用卡扣式的连接方式将铸造的铜片与铜体连接（图8、图9）。这种方式，一方面使得铜鼎的完整形态得以复原，另一方面相较于传统方法引入大量的新锡而言，这有利于铜鼎的后续保存。更为重要的是，由于卡扣都是在新铸造的铜片上，最大限度地减少对于青铜器本体的破坏，达到了最大可逆性。

与传统的修复方法相比，三维技术对于文物补配的优势是显而易见的。不仅仅在于效率高、修补效果明显，而且由于补配模型的可拆卸性，在博物馆展陈中不仅能够提供更多的展陈内容，还能够从观感上让观众更好地了解到文物背后更多的深意，从而提升文物与观众之间的交互性。

四、结论

在青铜器的传统修复方法中，不论是打制法还是铜条编织法，在其修复步骤中都会进行矫形、焊铸、打磨等操作，对青铜器本体损坏都比较大。同时，由于部分精美的青铜器上有铭文或者花纹，根据青铜器的对称性结构，传统的修复技艺很难对其进行修补，并确保其与原物保持一致性。除此之外，由于青铜器的数量庞大且保存环境不一，导致青铜器的破坏情况不同，传统的修复方法在解决诸如破损部位修复、复杂文物复制等问题上面临很大的困难。而三维技术的发展为青铜器的传统修复开辟了一种新的思路，通过对青铜器的三维扫描获得青铜器整体的三维数据，再根据不同的缺块如区域性缺块、结构性缺块、片状缺块等，经过软件上的修改进行虚拟缺块补配。同时，在考古或者修复专家的指导下进行修改，再将数据导入打印设备将其打印，获得缺块成品，从而更快也更精确地对文物进行修补。

当然，使用新方法的前提是要有新理念的引导。在传统文物修复的早期阶段是以提高文物的经济价值为主，修复后的青铜器能够大大提升其商业价值。因此产生“修旧如旧、恢复原貌”的修复理念，即务必使修复之后的青铜器达到“以假乱真”的状态，注重的是形态、面势上的一致。

而重视文物价值的修复理念则主要集中于获取文物的制作技艺、艺术价值等，并且根据不同的研究目的进行不同方式的修复。

在本次修复实践中，我们一方面通过使用三维扫描技术最大限度地保证铜鼎、铜马的原貌性，这一点也充分体现出保持原貌的修复理念；另一方面，通过使用便携式X射线荧光光谱分析仪测定铜鼎的铜锡铅比例，按照原配方、原工艺进行铜鼎缺损部位的翻模铸造，最大限度地保证了器物整体材料的一致性，这一点体现了注重文物价值的修复理念；而在最后的做旧环节，我们抛弃了传统的焊接方式，因为打印的缺损部位残片的精确度较高。我们将打印出来的铜鼎残片利用卡扣连接的方式将其与铜鼎本体连接，这样不仅使得铜器整体看起来更为美观，卡扣或者插拔的连接方式也在不损失文物本体的基础上，满足了不同的展陈方式或者内容研究需要，也充分保证了铜鼎的后续保存。铜鼎的缺损部位复原这一修复过程则充分体现出传统修复技艺与新科技相结合，并以价值修复为主导的修复理念。

［此论文研究由国家重点研发计划“馆藏脆弱青铜器保护关键技术研究”项目（批准号：2020YFC1522002）资助，在此一并致谢］

参考文献：

[1]祝文婷.三维激光扫描技术在深坑岩壁精细勘测中的应用[J].土木建筑工程信息技术，2016，8（04）：73-79.

[2]刘杰，孙令真，李映.3D打印技术在文物保护方面的应用[J].科技风，2019（06）：86-87.

[3]李丽红，王家鑫.浅谈三维激光扫描技术与3D打印技术在云冈石窟复制中的应用[J].经纬天地，2020（05）：88-92.

[4]Der Mann aus dem Eis[J].Biologie in unserer Zeit，2020，50（06）.

[5]陆耀辉.3D打印技术在有机质文物复制中的应用——以福泉山遗址象牙器的复制为例[J].都会遗踪，2019（01）：142-149.

[6]卜卫民.3D打印技术在古代早期陶器复制中的应用[J].工业设计，2018（05）：128-130.

[7][8]Ch.Eckmann/S.Shafik，Leben dem Hours Pepi.Resturierung，Konservierung und technologische Untersuchung der Metallskulpturen aus dem Tempel von Hierakonpolis（Mainz 2005）.

[9]Koller，David|Levoy，Marc.Computer-aided Reconstruction and new Matches in The Forma Urbis Romae.[J].Bullettino Della Commissione Archeologica Comunale Di Roma：Supplementi，2014，15（15）：103-125.

[10]赵夫群，周明全，耿国华.刚体碎块的断裂面匹配[J].中国图象图形学报，2017，22（01）：86-95.

[11]侯妙乐，赵思仲，杨溯等.文物三维模型虚拟修复研究进展、挑战与发展趋势[J].遗产与保护研究，2018，3（10）：1-10.

[12]魏明强，陈红华，孙杨杏等.破损文物数字化修复：以中国出土青铜器为例[J].计算机辅助设计与图形学学报，2021，33（05）：789-797.

[13]侯改玲，Guido Heinz.博物馆计算机技术虚拟修复与复制文物方法初探——以德国美因茨博物馆为例[J].华夏考古，2021（01）：114-121.

[14][15]王永刚，崔风光，李延丽.陕西甘泉县出土晚商青铜器[J].考古与文物，2007（03）：11-22.

作者简介：

王大霖（2000—），汉族，海南乐东黎族自治县人。郑州大学历史学院在读硕士研究生，研究方向：考古学、文物保护。

李延利（1970—），女，汉族，陕西合阳人。大学本科，汉语言文学专业，文博副研究员，研究方向：博物馆学。

王鑫光（1989—），男，汉族，河南濮阳人。硕士研究生，科学技术史专业，文博馆员，研究方向：文物保護。