民族建筑学术前沿
文/曹永康
数字化技术对建筑遗产的保护和发展具有重要意义。相比传统方法，三维激光扫描、摄影建模等数字化技术的优势在于：①能够极大丰富信息维度，使建筑所含信息能得到长久、有效地保存；②在建筑的档案记录、病害勘查和安全监测方面都更具优势，有助于大大提高保护与管理工作效率；③建筑遗产三维数字化可以在更大的范围内实现建筑的展示、传播和共享，促进建筑遗产保护事业的精细化、公众化与可持续发展。
鉴于此，近年国家和各地区相继提出建筑遗产保护和数字化实践的要求。在国家层面，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中明确提出加快数字化发展的总体思路；在区域层面，以上海为例，2020年底，上海市委、市政府发布了《关于全面推进上海城市数字化转型的意见》指出，要坚持整体性转变和全方位赋能，构建数据驱动的数字城市基本框架，推动“经济、生活、治理”城市全面数字化转型。
上海交通大学建筑文化遗产保护国际中心是国内较早从事建筑遗产保护的团队，主要开展建筑遗产的理论研究、病害检测、建筑保护修复技术、数据管理与分析等科研工作，中心一直重视国内外先进技术的应用，近年来已将三维激光扫描、摄影建模等数字化技术普遍应用到建筑遗产的勘察、测绘和评估中，因此积累了一定的相关研究与实践经验。
一、三维激光扫描在建筑遗产保护中的应用三维激光扫描（3D laser scanning）技术能够在高精度的前提下，在计算机中客观还原被扫描目标的几何形态信息，形成数字模型，用于下一步的图纸绘制及其他工作。其作业分为外业和内业两部分，外业即数据采集，内业操作流程则包括：①数据导入，②站点拼接，③误差计算，④噪点删减，⑤坐标调整，⑥模型和切片导出。
三维激光扫描的成果可以直接应用于建筑现状记录、建筑准确尺寸的获取、倾斜分析等。
早在2014年夏天，中心就将三维激光扫描技术应用到徐家汇天主教堂的测绘中。通过 1:1 的点云模型，不仅在电脑上准确得到建筑高度等手工测量很难得到的尺寸，还准确捕捉到建筑中的雕像、柱头装饰等复杂的有机形状；并进一步运用扫描成果，准确绘制建筑图纸，包括细部大样图。
徐家汇天主教堂正立面点云导出图
徐家汇天主教堂大厅点云导出图
2016年和2019年，中心两次对松江护珠塔进行三维激光扫描，成果用于对斜塔的倾斜研究。
2017年，三维激光扫描分阶段多次应用于上海青浦隆平寺遗址考古现场，真实记录当时考古挖掘的过程。
2018年，中心对上海原天后宫落地的木构件、砖石构件进行三维扫描工作，形成数字化模型的基础信息，为后续的复建研究工作提供依据和保障。
对天后宫木构件进行三维激光扫描
藻井构件三维数字模型及线描图
垫拱板三维数字模型及线描图
2020年，在成都杜甫草堂博物馆对馆藏石碑进行数字化工作中，使用手持三维激光扫描仪，以最高0.1mm的点云分辨率记录了古人在石碑表面的雕刻信息，结合高分辨率单反相机获取的色彩纹理，形成高逼真的石碑数字化模型。
近年，中心将激光扫描主要用于具有开敞空间的纪念性建筑，而在街道、城镇等空间局促和人流密集的场所则使用摄影建模建模。下面将简述摄影建模技术的运用。
二、摄影建模技术在建筑遗产保护中的应用摄影建模技术(photogrammetry) 是利用经过校正的相机，从一系列拍摄于不同位置的照片进行三维重建的技术。它可以准确记录建筑的材质信息、病害情况，适用于各种尺度建筑或构件的记录，也可以同三维激光扫描成果一样用于倾斜分析。
不过与三维激光扫描相比，摄影建模生成的模型精度偏低，但具有成本低、操作简单的特点，可以记录拍摄对象的形状、色彩等全方位的信息，尤其便于快捷地记录建筑物的保存情况，因此在实际工作中受到欢迎。
在内业处理时，计算机软件应用特征点匹配的原理，可以将连续拍摄的照片自动转为三维模型。基本操作流程包括：①图像采集；②导入软件；③生成密集点云；④生成网格；⑤生成纹理；⑥导出模型和正射影像。
中心是国内最早使用摄影建模技术的团队之一。2014年，中心研究人员基于近景摄影建模的成果，对华东师范大学中北校区行政楼的墙体进行倾斜分析。通过计算摄影建模模型上各点与理想平面上（垂直与地面，与墙体平行）最近点的距离，得到整个墙体的倾斜分布规律，并以热点图的形式表现，直观而全面地反映出墙体的倾斜情况。
建筑立面的正投影图
和以热点图方式显示的墙体倾斜分布示意
可见二层右侧起第三个窗洞附近的墙体存在明显的凹凸变化。
同年，中心用无人机获取青浦麟趾桥的图像，建立三维模型，并通过有限元分析软件对桥的撞击进行模拟，得到危险程度的分布示意图，模拟桥体受撞变形的情景，为修复和加固提供了参考。
利用无人机拍摄的照片对麟趾桥进行三维
麟趾桥三维模型
麟趾桥危险程度分布示意图
2017年，摄影建模正射影像用于复旦医学院东一号楼彩画的法式特征分析以及病害图绘制。
从基于图像的建模到建筑病害表达的好处在于，它可以对测绘成果定量表达，使信息可以被不同的使用者共享。
这些年，中心利用无人机摄影建模陆续对上海嘉定历史文化风貌保护区、广西省贵港市的老城区、西藏江孜古镇、福建泉州寻浦村等古镇（片区）建立三维模型。利用无人机，可以建立建筑群落的三维模型，并弥补地面摄影建模在视角上的局限。在很多复杂、重大的项目中，则将摄影建模和三维激光扫描结合使用，使激光扫描的高模型精度和摄影建模的高材质精度的双优势得以显现。
这些数字化工作的意义，不仅是对古镇保存现状的真实记录，而且是进行古镇保护等各项工作的分析数据源。模型中的每一个点都包含空间坐标和颜色信息，可以利用这些点的数据进行各种分析和叠加，比如可以获得片区的建筑高度分析图、历史建筑分布特点图、绿化分布图等。
此外，无论是三维激光扫描还是摄影建模，最后都可以生成点云数据，从而对建筑进行偏移分析。2021年，中心利用这一原理基于摄影建模生成的点云模型对上海松江秀道者塔做了偏移分析。
松江秀道者塔进行偏移分析
上图是对松江秀道者塔进行偏移分析，以一层外切圆为截面生成圆柱，计算塔上点到圆柱的距离，得出每一层的偏移数据。
对历史建筑的真实和有效记录是建筑遗产保护的基石，目前中心已经开始尝试利用这些数字化成果建立扎实专业的历史建筑保护信息数据库，并取得阶段性成果，向信息化迈进，下文对GIS、HBIM技术的应用便是新的前沿性课题。
三、GIS技术在建筑遗产保护中的应用GIS（Geographic Information System，地理信息系统的简称）是一种新的科学方法，是分析、处理和挖掘空间数据的通用技术，具有空间数据的采集、存储、显示、编辑、检索、分析、表达、输出和应用等功能。
在建筑遗产的管理与保护领域，GIS在建筑信息空间表达、历史资料存档、勘察信息标准化、保存状况评估等方面，具有传统方法无法比拟的巨大优势，它能够辅助人们获得更准确全面的资料和分析成果，从而科学地指导今后的保护管理及干预工作。
针对当前GIS的应用和发展方向，中心正在致力于建立专业的建筑遗产GIS数据库，并面向用户开发相应的在线GIS平台，现已在很多项目中取得了阶段性的成果。
比如在贵港的骑楼建筑群调研中，建立了老城区骑楼建筑群数据库，并基于GIS的基本信息分析，作为编制贵港历史街区保护规划的依据。
GIS辅助的贵港老城区骑楼建筑群普查
在张家花园里弄建筑群的勘察中，GIS技术不仅辅助里弄建筑群的调研工作，同时能够比较直观地表现墙体的病症病害情况。
在松江泗泾镇古镇核心保护区建筑风貌评估工作中，建设了建筑风貌调查GIS数据库，并且基于GIS进行了量化的风貌评估。
松江泗泾古镇核心保护区建筑风貌评估分析
古镇核心保护区建筑风貌评估分析（以松江泗泾古镇为例）。
而在练塘古镇历史文化风貌区保护中，不仅基于GIS建设了勘察信息数据库，还实现了在线GIS管理平台。
练塘古镇鸟瞰
练塘镇历史建筑核心保护区地理信息平台
在对上海东斯文里石库门建筑群进行建筑病害勘察信息的分析和管理工作时，通过GIS系统，可以在一个平台上，同时显示勘查区地图信息、文字表格信息、图片信息等，并可以借助GIS工具进行更多元的分析和表达。
上海东斯文里石库门建筑群病害勘察信息
上图是历史建筑病害勘察信息存储、显示、检索和分析（以上海东斯文里石库门建筑群为例）。
目前在上海市文化和旅游局（上海市文物局）的部署和指导下，中心正在承建“上海市不可移动文物保护监测预警平台”，将现有的上海全市共3435处不可移动文物资源进行信息化整合，打通上海市不可移动文物的信息化管理、日常巡查、消防巡查、应急处置工作业务流程。
检测预警管理模块页面信息
四、HBIM技术在建筑遗产保护中的应用历史建筑信息模型（HBIM）是一种建筑遗产信息管理的技术手段，通过将点云和摄影建模数据映射到参数化组件的跨平台程序，并基于已有的历史建筑数据，来建立标准参数化构件库。
相较于文字、图片、图纸等传统二维的信息管理手段，HBIM 不仅能够更直观准确地进行建筑原貌的表现，也能够进行非几何数据的三维记录，为建筑遗产的数据管理和现状表现提供了新的方式和可能。
中心在分析上海张园石库门建筑的结构体系和构造方式的基础上，应用HBIM 技术，建立参数化构件库，搭建建筑信息模型，录入勘察数据，实现对张园石库门建筑勘察数据的可视化管理。
HBIM构建工作流程图
以点云数据为参照建模构件
HBIM模型搭建
当前基于HBIM 而建立的历史建筑勘察在数据管理方式上仍然存在着不足，一是由于受到所用软件的限制，属性表中没有针对遗产保护的专项，这就使得勘察数据的记录方式存在着优化的空间；二是对于数据的管理仍然采用离线的方式进行，数据孤岛仍然存在，数据共享差，数据未能被更有效的使用。
目前中心已经将张园区域内BIM 模型载入在线平台，不仅实现了BIM 的离线功能，也对周边环境进行了补充。后续将通过在线BIM 平台的功能开发，充分发挥历史建筑信息模型的价值，实现勘察数据的智能化管理。
张园区域三维展示
张园区域威海路590弄41号勘察数据查看
五、结语未来的建筑遗产保护工作应借助各种先进的数字化技术，包括基于在线的BIM 平台，增强数据共享等，为勘察数据的管理提供更大的可能，同时也期望未来基于大数据、云平台的建筑遗产保护新形势的诞生。
（本文作者：曹永康，中国民族建筑研究会专家、建筑遗产数字化保护专业委员会副主任委员，上海交大设计学院教授，上海交大设计学院建筑文化遗产保护国际研究中心主任。兼任中国文物保护技术协会常务理事兼副秘书长、近现代建筑保护专委会副主任兼秘书长，中国勘察设计协会传统建筑分会学术委员，中国紫禁城学会理事等。主要从事建筑遗产保护的理论与实践研究。先后主持了国家自然科学基金项目等课题100多项，并带领团队完成300多项建筑遗产的保护修缮工作。先后获得各项设计奖20多项。发表学术论文40多篇，著有《浦东传统民居研究》《上海古桥保护研究》《南洋筑韵》等5部）
（本文经作者授权，中国民族建筑研究会信息宣传部整理、编辑，更多精彩内容敬请期待下期）
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