梁靜，湯茗喆

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150006）

0 引言

傳統(tǒng)村落占據(jù)著特定的空間、場所與區(qū)域[1]，記載著傳統(tǒng)建筑風(fēng)貌、傳統(tǒng)習(xí)俗風(fēng)尚和原始空間狀貌[2]。目前，由于人工采集手段的侵入性、數(shù)據(jù)存儲方式的單一化、文物保護(hù)的標(biāo)本式與鄉(xiāng)建無序發(fā)展的消極影響，我國原生態(tài)村落的數(shù)量在21 世紀(jì)初的10 年期間，從360 萬驟降至270 萬左右[3]，許多珍貴的歷史資料也隨之消失，使得蘊(yùn)涵豐富信息的傳統(tǒng)建筑風(fēng)貌呈現(xiàn)衰亡狀態(tài)，傳統(tǒng)文化的保護(hù)與傳承出現(xiàn)危機(jī)。為逆轉(zhuǎn)傳統(tǒng)村落發(fā)展的困境，政府相關(guān)部門頒布了相關(guān)保護(hù)政策以推動傳統(tǒng)村落的可持續(xù)性發(fā)展與保護(hù)，充分發(fā)揮傳統(tǒng)文化與建筑風(fēng)貌在我國城鄉(xiāng)建設(shè)中的引導(dǎo)作用。2021 年9 月，我國印發(fā)了《關(guān)于在城鄉(xiāng)建設(shè)中加強(qiáng)歷史文化保護(hù)傳承的意見》，表明在城鄉(xiāng)建設(shè)中系統(tǒng)保護(hù)、利用、傳承好歷史文化遺產(chǎn)，對延續(xù)歷史文脈、推動城鄉(xiāng)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展、堅(jiān)定文化自信、建設(shè)社會主義文化強(qiáng)國具有重要意義。

目前，以人工操作和二維數(shù)據(jù)為主的保護(hù)手段已經(jīng)難以滿足當(dāng)代傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌保護(hù)的需求，而在我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的背景下，數(shù)字信息技術(shù)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中推陳出新式的創(chuàng)新表現(xiàn)與成果[4]，為傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌保護(hù)思路的轉(zhuǎn)型提供了方法，也使得建筑風(fēng)貌信息的數(shù)字化存留、場景可視化、全生命周期管理成為可能。數(shù)字化技術(shù)具備的信息記錄、數(shù)據(jù)分析、場景模型重建等功能與高效、準(zhǔn)確、開放等優(yōu)勢，可以作為一種多元化方法為傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌的保護(hù)提供支撐[5,6]。將數(shù)字化技術(shù)引入傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌保護(hù)的目的在于數(shù)字化技術(shù)可以快速、自動化地獲取建筑風(fēng)貌物質(zhì)特征的基本數(shù)據(jù)，并能夠結(jié)合非物質(zhì)特征的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建、信息記錄與分析。但如何將數(shù)字化技術(shù)有效地應(yīng)用在傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌保護(hù)、信息采集與記錄研究中，以及如何將多項(xiàng)數(shù)字化技術(shù)有效結(jié)合，是目前亟待解決的問題。

1 傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌保護(hù)面臨的困境與矛盾

當(dāng)前，我國在國際上的影響力越來越大，城市化建設(shè)成為我國展現(xiàn)大國實(shí)力的絕對表現(xiàn)，但這種入侵式的建設(shè)活動對傳統(tǒng)村落生存環(huán)境的破壞也是難以逆轉(zhuǎn)的，傳統(tǒng)村落面臨的矛盾與困境主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）標(biāo)本式的保護(hù)模式落后。

一直以來，我國在傳統(tǒng)村落保護(hù)過程中一直采取“以不變應(yīng)萬變”的保護(hù)模式，以達(dá)到延續(xù)傳統(tǒng)村落的原真性的目的。傳統(tǒng)村落內(nèi)的建筑多以磚木結(jié)構(gòu)或木結(jié)構(gòu)為主，而部分處于閑置狀態(tài)的房屋由于僵化的保護(hù)模式難以及時(shí)地進(jìn)行修繕管理，易出現(xiàn)建筑構(gòu)件破損、保溫性能退化等問題，進(jìn)一步制約了繼續(xù)居住或使用的可能性。除此之外，傳統(tǒng)村落的相關(guān)保護(hù)工作與信息管理只掌握在某一組織或單位范圍內(nèi)，難以協(xié)同其他領(lǐng)域或?qū)I(yè)人員共同進(jìn)行保護(hù)建設(shè)，降低了保護(hù)工作的創(chuàng)新性。

（2）傳統(tǒng)人工的保護(hù)方法。

目前我國對傳統(tǒng)村落及其建筑風(fēng)貌的保護(hù)協(xié)同工作仍局限在以人工操作與二維數(shù)據(jù)為主的工作平臺，受上述傳統(tǒng)保護(hù)方法的限制，存在信息獲取片面、失準(zhǔn)，信息存儲和管理效果較差，信息傳遞不及時(shí)等問題，給傳統(tǒng)村落建筑保護(hù)與修復(fù)工作的開展造成困難。對于傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌信息的保護(hù)和管理，主要通過紙質(zhì)圖紙或電子文檔格式作為信息數(shù)據(jù)的儲存方式完成的。物質(zhì)信息通常以圖紙或資料集為載體進(jìn)行儲存，非物質(zhì)信息則以手藝、口述、經(jīng)驗(yàn)等形式掌握在村內(nèi)的老人或傳承人手中，通過計(jì)算機(jī)以文本或者二維數(shù)據(jù)的形式儲存在一定程度上能夠降低管理難度，但仍無法將相關(guān)信息進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)與統(tǒng)一管理，嚴(yán)重制約了傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌保護(hù)的工作效率。

（3）復(fù)雜的信息類之間別缺乏關(guān)聯(lián)。

各地域傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌的形成均受其所在地域的自然、人文、社會等多重因素的影響，外在呈現(xiàn)出風(fēng)格各異的構(gòu)件特征，內(nèi)在蘊(yùn)含有類別豐富的風(fēng)貌信息，每一類建筑風(fēng)貌的特征與信息都是多個(gè)歷史階段發(fā)展與演變的疊加而形成的，然而目前對各類別構(gòu)件及其信息的保護(hù)缺乏關(guān)聯(lián)性，對于信息數(shù)據(jù)的管理尚無系統(tǒng)有效的框架體系與合理的分類標(biāo)準(zhǔn)，造成大量信息孤島的形成，進(jìn)一步限制了傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌數(shù)據(jù)的管理與分析、信息資源的整合與共享。各類別信息相互孤立的現(xiàn)狀難以滿足傳統(tǒng)村落全生命周期的信息保護(hù)與管理需求[7]。

2 數(shù)字化保護(hù)技術(shù)路線研究

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，越來越多的學(xué)者開始探索數(shù)字化技術(shù)在傳統(tǒng)村落保護(hù)中的應(yīng)用研究。其中，采用數(shù)字技術(shù)構(gòu)建的三維模型可以完整地采集和存留傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌相關(guān)的建筑環(huán)境與構(gòu)件信息，相比于影像視頻和二維圖紙的平面化表達(dá)，三維數(shù)字化模型所承載的信息量、種類、表達(dá)方式、詳細(xì)程度都具有無可比擬的優(yōu)勢。文中提出的傳統(tǒng)村落數(shù)字化保護(hù)技術(shù)路線包括基于多視角圖像的三維重建技術(shù)與建筑信息模型技術(shù)。

2.1 數(shù)字信息采集的技術(shù)路線

文中以尚志市鎮(zhèn)北村為例，針對傳統(tǒng)村落環(huán)境的數(shù)字信息采集與處理的操作步驟包括：任務(wù)準(zhǔn)備與現(xiàn)場調(diào)研、無人機(jī)航拍與近地面拍攝采集圖像數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)村落風(fēng)貌數(shù)據(jù)信息處理、特征要素模型精度評定共4個(gè)階段見圖1。由于圖像的質(zhì)量直接決定三維實(shí)景模型的精確度，需設(shè)計(jì)完善的信息采集方案，以確保影像采集過程能獲得足夠和清晰的紋理圖像，確保目標(biāo)對象影像的完整性。其中，重要節(jié)點(diǎn)包括傳統(tǒng)村落內(nèi)具有傳統(tǒng)風(fēng)貌的歷史建筑以及村落內(nèi)具有特色但無人機(jī)難以采集到的隱蔽區(qū)域。

圖1 基于多視角圖像的信息采集與三維重建流程

文中選用大疆Mavic 2 pro 和尼康D750 作為低空與近地面信息采集設(shè)備。采集得到多視角二維圖像作為輸入數(shù)據(jù)，通過Context Capture 軟件自動化處理重建得到包含建筑紋理、色彩、高程等數(shù)據(jù)信息的三維點(diǎn)云模型。三維點(diǎn)云模型不僅能夠展示真實(shí)的建筑環(huán)境現(xiàn)狀，而且進(jìn)一步與建筑信息模型技術(shù)相關(guān)聯(lián)，可輔助傳統(tǒng)村落內(nèi)各類型建筑立面、平面等測繪圖紙的準(zhǔn)確繪制，克服了傳統(tǒng)人工測繪的限制，避免了人工操作產(chǎn)生誤差的可能性。文中構(gòu)建的傳統(tǒng)村落點(diǎn)云模型如圖2 所示。相較于單一無人機(jī)設(shè)備采集成果，方法成果能夠清晰地呈現(xiàn)村內(nèi)建筑的風(fēng)貌特征，達(dá)到建筑、庭院以及村落內(nèi)其他隱蔽區(qū)域的模型精細(xì)度要求，兩種方法的成果對比如圖3 所示。

圖2 三維重建過程

圖3 建筑構(gòu)件模型精度對比

2.2 數(shù)字信息模型構(gòu)建的技術(shù)路線

數(shù)字信息模型的重點(diǎn)在信息上，如何將信息有效存儲到模型之中，構(gòu)建準(zhǔn)確的構(gòu)建信息庫，是傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌數(shù)字化保護(hù)的關(guān)鍵步驟，通過不同方式實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌的物質(zhì)信息與非物質(zhì)信息的可視化，傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌信息的數(shù)字化構(gòu)建步驟包括建筑風(fēng)貌構(gòu)件分類、構(gòu)件族庫建立、建筑信息模型構(gòu)建見圖4。

圖4 建筑風(fēng)貌信息模型構(gòu)建流程

建筑信息模型的完整性是通過各細(xì)部構(gòu)件相互配合實(shí)現(xiàn)的，Revit 軟件的“族”功能能夠?qū)崿F(xiàn)建筑風(fēng)貌各要素類別集成。文中將類型學(xué)作為傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌特征分類的依據(jù)，構(gòu)建針對建筑風(fēng)貌特征的構(gòu)件信息模型，而建筑類型學(xué)可作為進(jìn)一步更新設(shè)計(jì)手法創(chuàng)作的基礎(chǔ)。

建筑風(fēng)貌的組成要素可分為裝飾構(gòu)件、煙囪、屋頂、立面（墻、門、窗）、臺基與臺階五類[8]。根據(jù)要素分類的類別，通過CloudCompare 軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，輔助構(gòu)件族模型的建立。建筑風(fēng)貌的修繕信息、建造工藝、歷史進(jìn)程、文化習(xí)俗等非物質(zhì)信息是以文本的形式存留在建筑信息模型中。進(jìn)一步根據(jù)實(shí)地測繪與文獻(xiàn)資料獲取的信息數(shù)據(jù)通過建筑軸網(wǎng)繪制、單層平面構(gòu)建、墻體與屋頂搭建、構(gòu)件族模型導(dǎo)入、建筑單體模型校正、場地布置六個(gè)步驟建立傳統(tǒng)村落內(nèi)完整的建筑信息模型見圖5。傳統(tǒng)村落的建筑信息模型與構(gòu)建模型庫的建立能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)村落建筑風(fēng)貌“修舊如舊”的保護(hù)修繕提供有力的技術(shù)保障與支撐。

圖5 模型建立過程

3 數(shù)字信息模型在傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌保護(hù)中的應(yīng)用

基于Revit 軟件重建得到的參數(shù)化建筑信息模型，把傳統(tǒng)村落的各類別建筑的建筑風(fēng)貌信息集成在一個(gè)三維模型中，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌數(shù)字化的多樣性管理。

3.1 建筑風(fēng)貌信息保護(hù)與管理

基于數(shù)字信息模型的傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌信息模型庫作為傳統(tǒng)村落建筑構(gòu)件信息的集合，能夠?qū)崿F(xiàn)各類物質(zhì)信息與非物質(zhì)信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與調(diào)取檢索。在Revit 軟件中，信息的管理與調(diào)取通過其數(shù)字信息模型、視圖明細(xì)表、階段化設(shè)置三個(gè)功能實(shí)現(xiàn)圖6。

圖6 建筑風(fēng)貌信息在數(shù)字模型中的管理流程

建筑信息模型是傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌信息庫的主要成果，同樣也是傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌數(shù)字化信息的載體，物質(zhì)信息均以三維模型的形式展現(xiàn)，非物質(zhì)信息以文本形式與三維模型相關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌信息庫的建立是以信息采集技術(shù)為基礎(chǔ)，對建筑風(fēng)貌構(gòu)件的幾何信息、材料信息、空間組合信息、工藝及價(jià)值信息等信息進(jìn)行全方位獲取，其物質(zhì)與非物質(zhì)信息經(jīng)過參數(shù)化處理以電子信息的形式被存留在數(shù)字化模型中。

建筑信息模型可以應(yīng)用在建筑全生命周期的各個(gè)階段內(nèi)，其構(gòu)件信息依據(jù)保護(hù)修繕工作的進(jìn)行能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整與更改，并可以三維可視化的形式進(jìn)行展現(xiàn)。將建筑信息模型技術(shù)引入傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌保護(hù)的優(yōu)勢一方面在于提高保護(hù)工作在信息數(shù)據(jù)管理方面的效率與協(xié)同性；另一方面也為后期建筑改造與更新設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。明細(xì)表可以實(shí)現(xiàn)信息的快速檢索與調(diào)取，滿足各個(gè)階段的工作需求。Revit 軟件中的各項(xiàng)參數(shù)能夠通過明細(xì)表與約束功能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)整，即對單獨(dú)數(shù)據(jù)的修改在整體模型中可以得到體現(xiàn)，數(shù)字信息模型的數(shù)據(jù)交互性優(yōu)勢是修繕信息可以實(shí)時(shí)更新的重要保障。在建筑信息模型中置入時(shí)間因子能夠以階段化設(shè)置的方式對保護(hù)修繕各工作步驟進(jìn)行信息記錄與管理見圖7。

圖7 基于建筑信息模型的信息記錄與管理方式

3.2 構(gòu)件修復(fù)信息記錄

傳統(tǒng)村落內(nèi)傳統(tǒng)風(fēng)貌建筑的維護(hù)修繕工作需遵守“保持原貌”的基本原則，使傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌的歷史信息與文化價(jià)值能得以保留與延續(xù)。目前，傳統(tǒng)村落內(nèi)建筑的保護(hù)類別較多，針對各個(gè)類別保護(hù)建筑的政策和要求也存在差異；同時(shí)，傳統(tǒng)風(fēng)貌建筑的建筑構(gòu)件往往形態(tài)復(fù)雜且種類繁多，利用傳統(tǒng)的信息分類與整理方法難以得到準(zhǔn)確的成果。在對傳統(tǒng)村落內(nèi)各類別建筑進(jìn)行構(gòu)件更新與修繕時(shí)，除記錄各類建筑構(gòu)件的建筑風(fēng)貌信息外，還需要對各構(gòu)件后期的保護(hù)狀況進(jìn)行跟蹤管理。Revit 軟件中的明細(xì)表功能的應(yīng)用是信息記錄與管理規(guī)范化的關(guān)鍵，明細(xì)表功能可以根據(jù)建筑各保護(hù)類別、建筑構(gòu)件、信息類型進(jìn)行針對性的統(tǒng)計(jì)與管理。建筑信息模型的另一個(gè)優(yōu)勢在于可以使三維模型與二維圖紙進(jìn)行信息交互與關(guān)聯(lián)，避免因二者相互獨(dú)立而導(dǎo)致信息孤島現(xiàn)象出現(xiàn)。通過約束關(guān)系的設(shè)置，在軟件內(nèi)的修改操作都是同時(shí)對三維模型與二維圖紙的信息修改，最終的成果在平面圖、剖面圖、三維視圖和圖表中以關(guān)聯(lián)變化的形式向操作人員實(shí)時(shí)反饋。

通過對建筑信息模型的進(jìn)一步應(yīng)用，傳統(tǒng)村落的保護(hù)工作者與建筑師可以在構(gòu)建完成的建筑信息模型中依據(jù)需要建立構(gòu)件的明細(xì)表，根據(jù)不同類別建筑的保護(hù)要求與等級進(jìn)行記錄管理。相較于傳統(tǒng)的信息管理方式，Revit 軟件的優(yōu)勢在于能夠通過數(shù)據(jù)約束功能關(guān)聯(lián)二維圖紙、文件與三維模型之間的信息，在保證有效記錄構(gòu)件修復(fù)信息的同時(shí)，在三維可視化模型中也可追蹤構(gòu)件后續(xù)的保護(hù)狀況。數(shù)字信息模型的構(gòu)建與應(yīng)用，能夠簡化保護(hù)修繕的工作內(nèi)容與流程，提升信息利用效率與精度。

3.3 場地布置可視化

傳統(tǒng)村落的建筑布局通常較為緊湊，建筑間多以小巷相連，施工時(shí)的用地范圍較為局促狹小，大型設(shè)施難以進(jìn)駐、施工建材無序堆放等都是傳統(tǒng)村落保護(hù)工作中亟待解決的困難。如何充分合理地利用現(xiàn)有場地空間是提高保護(hù)修繕工作效率與精度的保障，與Revit 軟件相配合的族庫大師等網(wǎng)絡(luò)云平臺的應(yīng)用，通過場地施工預(yù)制族庫能夠在三維模型中對施工場實(shí)現(xiàn)施工設(shè)施預(yù)布局見圖8。

圖8 施工場地預(yù)布置

建筑信息模型具有傳統(tǒng)二維圖紙無法比擬的優(yōu)勢，包括在Revit 軟件中可以通過自由切換三維視角以確定施工設(shè)備在場地中的空間方位；與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，可以身臨其境地置身于虛擬的施工場地中進(jìn)行設(shè)備擺放與規(guī)劃；除能夠?qū)龅貎?nèi)部進(jìn)行規(guī)劃外，還能夠分析場地周邊環(huán)境是否對施工設(shè)備造成影響。通過場地布置可視化，能夠有效提升保護(hù)修繕的工作效率、簡化工作流程。

3.4 綠色性能模擬

在對建筑風(fēng)貌特征進(jìn)行保護(hù)修繕的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和，還需對其更新再利用進(jìn)行生態(tài)節(jié)能思考。Revit 軟件具有極高的適配性，其保存的文件格式能夠作為輸入數(shù)據(jù)在各類性能模擬軟件中進(jìn)行分析，因此在傳統(tǒng)村落風(fēng)貌建筑的修繕方案制定過程中，依據(jù)構(gòu)建完成的建筑信息模型，進(jìn)一步應(yīng)用各類綠色性能模擬軟件（如Ecotect Analysis、Energy plus、Airpak 等）可以從日照、光環(huán)境、聲環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、熱輻射等多方面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化綠色性能分析，達(dá)到設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的目的。以Exotect Analysis 軟件進(jìn)行采光模擬為例，在Revit 的三維視圖下，將建筑信息模型導(dǎo)出為gbXML 格式，并轉(zhuǎn)換為UTF-8 字符編碼的XML 格式文件，再導(dǎo)入Ecotect Anlysis 軟件。性能模擬分析依照GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的現(xiàn)行民用建筑參考平面設(shè)定采光分析得平面，以鎮(zhèn)北村內(nèi)的護(hù)路軍兵營為例，基于黑龍江氣候區(qū)設(shè)定臨界照度，進(jìn)行建筑的各樓層的采光模擬見圖9。根據(jù)數(shù)字化綠色性能模擬的結(jié)果，可以針對性地進(jìn)行局部修繕與性能優(yōu)化。

圖9 基于Ecotect Anlysis 的建筑性能模擬

4 結(jié)語

面對難以阻擋的城市化推進(jìn)，數(shù)字化技術(shù)方法在傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌保護(hù)中的應(yīng)用探索既是傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代科技相融合的有效途徑，也是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)文化可持續(xù)性發(fā)展的有力保障。文中以傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌信息采集、管理與保護(hù)作為切入點(diǎn)，針對傳統(tǒng)村落復(fù)雜的地形環(huán)境與建筑布局，提出了集成基于多視角圖像三維重建技術(shù)與建筑信息模型技術(shù)的數(shù)字化保護(hù)技術(shù)方法。實(shí)踐證明該技術(shù)方法具有可行性，其成果能夠準(zhǔn)確記錄與管理傳統(tǒng)村落建筑風(fēng)貌的形態(tài)、文化與修繕信息，并協(xié)助專業(yè)人員客觀地進(jìn)行場地可視化與綠色性能等現(xiàn)狀分析。但該方法在信息采集過程中仍存在受障礙物遮擋、光線變化影響大等問題。在未來的研究中，應(yīng)探索更為自動化與高效的信息采集方法，完善相關(guān)技術(shù)體系。（6）:22-23.