谷 巖 王 欣

(東北林業(yè)大學(xué)材料與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

·規(guī)劃·建筑·

歷史性建筑的數(shù)字化復(fù)原與應(yīng)用價(jià)值研究★

谷 巖 王 欣

(東北林業(yè)大學(xué)材料與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

介紹了采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行歷史性建筑復(fù)原的優(yōu)越性，并經(jīng)反復(fù)實(shí)踐，提出了對(duì)歷史性建筑外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境等進(jìn)行復(fù)原的方法和設(shè)想，同時(shí)指出了對(duì)歷史性建筑進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原的重要應(yīng)用價(jià)值。

歷史性建筑，數(shù)字化復(fù)原，保護(hù)，應(yīng)用價(jià)值

所謂數(shù)字化復(fù)原就是指利用計(jì)算機(jī)數(shù)字化模擬技術(shù)、后期合成技術(shù)等現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)手段，來將已經(jīng)不存在的事物進(jìn)行三度空間還原。這種復(fù)原與純的二維空間復(fù)原效果不同，是一種可以使參觀者能夠從多個(gè)角度全面感受事物真實(shí)狀態(tài)的復(fù)原。這種技術(shù)是當(dāng)前世界范圍內(nèi)，數(shù)字模擬技術(shù)的研究熱點(diǎn)。我國目前也已經(jīng)取得了一些初步的成就，但是在對(duì)歷史性建筑進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原這一領(lǐng)域，研究還未深入。下文筆者就來對(duì)這一領(lǐng)域的數(shù)字化復(fù)原技術(shù)與應(yīng)用問題進(jìn)行簡單探討，提出對(duì)歷史性建筑進(jìn)行復(fù)原時(shí)的設(shè)想，指出歷史性建筑進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原的重要應(yīng)用價(jià)值和研究意義。

1 對(duì)歷史性建筑進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原的意義

對(duì)于一個(gè)國家來講，城市的發(fā)展進(jìn)程可以被看做是經(jīng)濟(jì)、文化宏觀發(fā)展的外在表現(xiàn)，而建筑的形態(tài)變化則是城市發(fā)展進(jìn)程的組成單元。而這里所指的形態(tài)變化，并不單單是指建筑外觀和構(gòu)造上的變化，還包含其內(nèi)部空間和裝修方式的變化。可以說，建筑作為一個(gè)微觀載體，承載了社會(huì)發(fā)展的整個(gè)過程。對(duì)一個(gè)國家某個(gè)時(shí)代的建筑進(jìn)行研究，就可以窺探出這個(gè)國家在當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)形態(tài)、社會(huì)形態(tài)和文明程度。這種研究是人類承接“過去”文明發(fā)展和“未來”文化創(chuàng)新的重要途徑。

一直以來，人們對(duì)于歷史性建筑的研究手段都停留在文字或圖紙這類抽象載體和二維載體上，直觀性比較差，研究者很難感受到蘊(yùn)含在建筑整體性中的深層次內(nèi)容。而近年來興起的數(shù)字化復(fù)原技術(shù)，則可以通過軟件將歷史性建筑進(jìn)行全方位還原，并將其放置在三維虛擬世界中，形成立體的建筑結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，研究者可以像研究真實(shí)建筑一樣，置身其中，對(duì)歷史建筑形成更加直觀的認(rèn)知感受，這對(duì)于提高歷史性建筑研究水準(zhǔn)，促進(jìn)人類文明發(fā)展具有重大意義。

2 采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行歷史性建筑復(fù)原的優(yōu)越性

數(shù)字化復(fù)原技術(shù)是一項(xiàng)集軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、渲染技術(shù)、成像技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)為一體的先進(jìn)科技，其中軟件技術(shù)是最主要的核心技術(shù)。復(fù)原時(shí)，首先要通過類似于建筑構(gòu)建過程的虛擬建模來實(shí)現(xiàn)建筑空間的虛擬模型；其次，在現(xiàn)實(shí)建筑中，通過數(shù)字照相采集建筑表面肌理與材質(zhì)樣本，通過賦予材質(zhì)來實(shí)現(xiàn)建筑外觀的模擬；再次，對(duì)已創(chuàng)建好的建筑模型進(jìn)行真實(shí)光環(huán)境的營造。我們都知道，目前的3D軟件技術(shù)已經(jīng)取得了階段性的進(jìn)展，尤其是光環(huán)境的渲染可以通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)非常接近于真實(shí)的效果，可以根據(jù)每個(gè)季節(jié)和時(shí)間段的需要來調(diào)整建筑的光影，不僅使人產(chǎn)生身臨其境的感覺，還為場景增加了藝術(shù)美感。這對(duì)于研究歷史性建筑來講，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比二維空間研究更具有優(yōu)越性。如果歷史性建筑的圖紙保存相對(duì)完整，對(duì)于建筑以及其構(gòu)造描繪較為詳細(xì)，則所模擬的場景就會(huì)更加真實(shí)，能夠更好地為歷史性建筑的研究服務(wù)。

3 歷史性建筑的數(shù)字化復(fù)原方法

由于目前還沒有相對(duì)較為健全的建筑復(fù)原技術(shù)體系，因此經(jīng)過反復(fù)的實(shí)踐，筆者根據(jù)自己的理解和研究，提出了在復(fù)原建筑時(shí)，至少要做到以下五點(diǎn)。

3.1 對(duì)建筑外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)原

建筑外部結(jié)構(gòu)是一座建筑的骨架，在復(fù)原歷史性建筑時(shí)，首先要做的就是要對(duì)建筑的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)原，包括對(duì)主體框架結(jié)構(gòu)的復(fù)原和對(duì)建筑外部立面裝飾結(jié)構(gòu)的復(fù)原兩方面。其中，對(duì)外部框架結(jié)構(gòu)的復(fù)原能夠建立建筑的骨架，降低單元內(nèi)技術(shù)錯(cuò)誤的影響范圍。而對(duì)建筑外部立面裝飾結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)原時(shí)，要充分考慮到原歷史性建筑的裝飾材質(zhì)以及一些細(xì)部構(gòu)造，盡量貼近真實(shí)。另外，針對(duì)不同類型的建筑，需要開發(fā)出不同的技術(shù)模塊和方法對(duì)其進(jìn)行支撐。就以我國的古建筑來講，大都是以磚木結(jié)構(gòu)為建筑主體，直到近代以來，才逐漸轉(zhuǎn)向磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等新型建筑結(jié)構(gòu)。那么對(duì)我國古建筑構(gòu)件和機(jī)理的制作就完全不同于現(xiàn)代流行的建筑結(jié)構(gòu)，這就需要在復(fù)原建模過程中開發(fā)出更加適合這種建筑類型的建模技術(shù)模塊組。在對(duì)不同的建筑結(jié)構(gòu)和建筑材質(zhì)進(jìn)行仔細(xì)分析的同時(shí)，還要對(duì)建筑風(fēng)格加以分類，理順建模思路，分門別類開發(fā)不同的技術(shù)單元模塊，使還原的建筑更接近實(shí)際。另外，若條件允許，最好對(duì)建筑材質(zhì)進(jìn)行實(shí)地的信息采集，這樣所做出的建筑飾面效果的質(zhì)感才更接近原建筑。

3.2 對(duì)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)原

在完成建筑的骨架構(gòu)造復(fù)原之后，就要對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)原。這是建筑復(fù)原的重要組成部分，如只對(duì)建筑的室外進(jìn)行復(fù)原，則對(duì)建筑的研究作用不大。因?yàn)榻ㄖ强臻g的藝術(shù)，只有對(duì)建筑內(nèi)部和外部共同形成的空間構(gòu)造加以復(fù)原才能使數(shù)字化還原更加有價(jià)值。若能夠通過數(shù)字模擬技術(shù)來還原建筑內(nèi)部的各種狀態(tài)，必然對(duì)研究歷史性建筑提供極大的幫助。

3.3 對(duì)周邊環(huán)境的復(fù)原

任何建筑都不是獨(dú)立于外界環(huán)境而存在的，因此在復(fù)原古代歷史性建筑時(shí)，還要充分考慮到建筑周邊的人文和城市環(huán)境，并對(duì)周邊環(huán)境也進(jìn)行適宜的搭配。只有這樣，才能使建筑主體更加真實(shí)，另外，由于建筑在相當(dāng)長的歷史時(shí)期內(nèi)既對(duì)周邊環(huán)境造成影響，同時(shí)也被周邊環(huán)境所改造，因此對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行復(fù)原也有助于研究建筑與周邊地理環(huán)境、人文環(huán)境的相互影響。若在數(shù)字化復(fù)原時(shí)，深入詳細(xì)的了解和勘察，將建筑的地理位置、周邊的人文景觀、附近的交通狀況都加以復(fù)原，并做出一個(gè)模型，則歷史性建筑的復(fù)原就基本完整了。從技術(shù)角度來講，對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行復(fù)原也是很有必要的，這是創(chuàng)建三維瀏覽動(dòng)畫的基本背景，不可或缺。若之后再對(duì)建筑進(jìn)行重新規(guī)劃和設(shè)計(jì)，周邊環(huán)境可以為其提供一個(gè)良好的虛擬原型場景，更利于建筑復(fù)原的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。但由于一般情況下建筑周邊環(huán)境的資料相對(duì)于建筑本身比較有限，很長一段歷史時(shí)期內(nèi)的建筑周邊環(huán)境變化較大，筆者主張復(fù)原歷史性建筑的周邊環(huán)境：第一，不宜過繁復(fù)，喧賓奪主；第二，背景選擇要典型化，真實(shí)化。這就要求我們復(fù)原建筑周邊環(huán)境時(shí)未必選擇建筑初建時(shí)的周邊環(huán)境，而要選擇整個(gè)建筑歷史時(shí)期內(nèi)比較經(jīng)典的周邊環(huán)境或擁有資料細(xì)節(jié)最多的歷史環(huán)境。

3.4 不同時(shí)間與季節(jié)和時(shí)代下建筑特質(zhì)的表現(xiàn)

不同建筑的功能不同、特點(diǎn)不同、年代不同、設(shè)計(jì)師不同則會(huì)表現(xiàn)出不同的特質(zhì)；就算同一棟建筑在不同的時(shí)間和季節(jié)或在歲月變遷及使用功能流變下，所表現(xiàn)出的特質(zhì)也會(huì)有所不同。那么我們?cè)谧鰵v史性建筑數(shù)字化復(fù)原的過程中就要盡可能多的模擬建筑在不同環(huán)境下的不同特點(diǎn)，以求通過這種模擬，幫助研究者發(fā)現(xiàn)建筑更多隱性特征，這對(duì)了解建筑的文脈、設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖以及建筑使用功能的變化都會(huì)起到積極的作用。

3.5 三維瀏覽動(dòng)畫的創(chuàng)建和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

建筑瀏覽動(dòng)畫有別于傳統(tǒng)的建筑數(shù)字化復(fù)原效果圖，其在三維空間內(nèi)要盡量根據(jù)人的行走順序以觀察視角定義空間尺度，這就涉及到影視鏡頭轉(zhuǎn)換與剪輯技巧。想要使模擬場景具有更豐富、更直觀、更生動(dòng)的表現(xiàn)形式，就一定要在這方面做足功夫。制作三維瀏覽動(dòng)畫時(shí)，一定要嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的規(guī)劃流程。按照先后順序主要分為：瀏覽相機(jī)設(shè)定、分層渲染與信息采集、后期非線性剪輯與配樂、樣片測評(píng)與歸納信息入庫。讓建筑研究者能夠利用最有效的時(shí)間了解建筑的內(nèi)、外部構(gòu)造以及建筑的周邊環(huán)境，同時(shí)借助影視后期處理軟件還可以加注解說，極大程度上充實(shí)其信息攜帶量與易讀性。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年興起的三維影像互動(dòng)技術(shù)，能夠在觀察者與模型之間建立一個(gè)互動(dòng)的平臺(tái)，讓觀察者能夠更加自主地對(duì)環(huán)境進(jìn)行觀察。但這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是，技術(shù)含量較高，實(shí)現(xiàn)成本較大。但仍不失為未來數(shù)字化模擬建筑復(fù)原的發(fā)展方向。

4 歷史性建筑數(shù)字化復(fù)原的應(yīng)用價(jià)值分析

采用數(shù)字化技術(shù)對(duì)歷史性建筑進(jìn)行復(fù)原是具有重大研究和應(yīng)用意義的，這不但體現(xiàn)在科學(xué)研究價(jià)值上，還體現(xiàn)在一定教學(xué)研究價(jià)值上。同時(shí)，歷史性建筑復(fù)原對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4.1 科學(xué)研究中的應(yīng)用價(jià)值

受各種因素的影響，很多歷史性建筑都已經(jīng)消亡，甚至連同類的建筑實(shí)體也沒有得以保存。這對(duì)于研究歷史文明是一個(gè)很大的缺失。而通過數(shù)字化復(fù)原，就可以最大限度地彌補(bǔ)這一缺失。為科研人員進(jìn)行相關(guān)研究提供更好的研究資料。三維模擬還可以通過采集建筑當(dāng)?shù)氐牡乩硇畔?、氣候信息和人文信息等參?shù)作為可變常量，來對(duì)建筑的長期變化進(jìn)行全方位的模擬。這對(duì)于研究建筑的歷史與文脈有著非常大的意義。而這些研究數(shù)據(jù)，也為未來的建筑保護(hù)與再開發(fā)提供了重要參考依據(jù)。

4.2 教學(xué)研究中的應(yīng)用價(jià)值

目前我國的很多高校的建筑類專業(yè)在教學(xué)時(shí)，只有字面或圖影等教學(xué)資料，學(xué)生也很難有機(jī)會(huì)深入工地進(jìn)行實(shí)地考察和學(xué)習(xí)，對(duì)建筑的實(shí)際尺度和構(gòu)造難以有直觀的認(rèn)識(shí)，掌握知識(shí)時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)偏差和臆斷。若能夠利用數(shù)字化所復(fù)原的動(dòng)畫或虛擬現(xiàn)實(shí)場景來進(jìn)行教學(xué)，就能使學(xué)生產(chǎn)生真實(shí)的空間感，對(duì)于尺度的把握和細(xì)部構(gòu)造的認(rèn)識(shí)也會(huì)更加真實(shí)客觀。因此歷史性建筑的數(shù)字化復(fù)原是具有重要教學(xué)價(jià)值的。

4.3 對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的應(yīng)用價(jià)值

對(duì)歷史性建筑的保護(hù)與再利用向來是社會(huì)性難題。當(dāng)下的最流行的觀念是對(duì)歷史街區(qū)的改造融入時(shí)間軸概念，主張既不完全維持舊觀也不搞“一刀切”式的過快改造，這樣既能減少經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，又能使區(qū)域環(huán)境逐步得到改變，同時(shí)還能留給人們更多地對(duì)建筑功能進(jìn)行二次開發(fā)的時(shí)間，在保護(hù)與利用的過程中找尋完美的平衡點(diǎn)。如何能針對(duì)其原有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加以合理修繕與維護(hù)，并且加入可行的、美觀的設(shè)計(jì)元素，成為歷史性建筑再利用評(píng)估過程中最為重要的指標(biāo)。有效利用數(shù)字化建筑模擬手段，將比較的常量輸入模型庫參數(shù)選項(xiàng)，計(jì)算機(jī)3D軟件會(huì)準(zhǔn)確詳實(shí)地呈現(xiàn)比較效果，為我們做出最準(zhǔn)確可行的判斷提供若干個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn),這能夠有效避免資源浪費(fèi)和人力浪費(fèi)，符合國家提出的節(jié)能減排可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 結(jié)語

采用數(shù)字化復(fù)原技術(shù)對(duì)歷史性建筑進(jìn)行重造和還原，是一項(xiàng)具有很大應(yīng)用價(jià)值的科研課題。盡管目前針對(duì)這一課題的研究成果還很少，但是相信在未來的發(fā)展中，隨著數(shù)字信息技術(shù)水平的提升，對(duì)歷史性建筑進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原將成為未來對(duì)歷史性建筑進(jìn)行研究必不可少的輔助材料，并且還將具有很廣闊的應(yīng)用空間和更高的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 張 揚(yáng).基于圖像的古建筑物虛擬復(fù)原關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

[2] 林承陽.傳統(tǒng)與科技接軌——?dú)v史建筑數(shù)字化保護(hù)及改造再利用研究[J].新建筑，2009(3)：10-12.

[3] 韓 銳，劉天府.歷史性建筑的數(shù)字化復(fù)原與應(yīng)用價(jià)值研究[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009(12)：70-71.

Study on digital restoration and application value of historical architecture★

GU Yan WANG Xin

(CollegeofMaterial&Engineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150000,China)

The thesis introduces the historical restoration advantages with digital technique, puts forward historical architecture restoration methods and concepts including its external structure, internal structure and surrounding environment through repeated practice, and points out the important application value of digital restoration for historical architecture.

historical architecture, digital restoration, protection, application value

1009-6825(2014)11-0001-02

2014-01-26★：黑龍江省教育廳人文社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目“哈爾濱古教堂數(shù)字化復(fù)原與應(yīng)用價(jià)值研究”(課題編號(hào)：12534013)

谷 巖(1971- )，男，碩士生導(dǎo)師，副教授； 王 欣(1982- )，女，在讀碩士，工程師

TU-05

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