王 鶴，吉 航

(沈陽建筑大學(xué)設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

以計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)、地學(xué)信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)空間分析、建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)信息化測繪技術(shù)為代表的CGB技術(shù)框架，在建筑行業(yè)向信息化發(fā)展過程中有著舉足輕重的地位。積極探索信息化技術(shù)在文物建筑保護工作全生命周期中建設(shè)、管理、監(jiān)測方面的應(yīng)用，對傳統(tǒng)文物建筑保護工作向現(xiàn)代化發(fā)展有著重要價值。

一、基于CGB框架的信息技術(shù)

1.CGB技術(shù)概述

為整合建筑(Architeture)、工程(Engineering)、建造(Construction)等AEC領(lǐng)域的微觀建筑信息與宏觀地理信息，國際化標準組織開放地理空間信息聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)于2006年在開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會(OGC Web Service，OWS)中提出了一種結(jié)合CAD、GIS、BIM技術(shù)的技術(shù)框架，即CGB(CAD-GIS-BIM)。該框架以CAD建筑工程制圖為基礎(chǔ)，通過BIM技術(shù)、GIS技術(shù)分別對建筑的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)信息與外部環(huán)境數(shù)據(jù)信息進行采集、監(jiān)測、分析與管理，從微觀與宏觀的角度出發(fā)，參與建筑設(shè)計、施工、運營的全生命周期(見圖1)。

2.CGB技術(shù)組成

(1)CAD技術(shù)被應(yīng)用于日常建筑施工、機械設(shè)計、家居設(shè)計等多個領(lǐng)域，具有數(shù)據(jù)計算、信息存儲、圖形繪制、圖形編輯等功能，是最常見的二維、三維圖形設(shè)計軟件，有廣泛的適用性。

圖1 CGB平臺內(nèi)的層級關(guān)系

(2)GIS是結(jié)合了地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感學(xué)等多個學(xué)科的重要空間信息系統(tǒng)。在計算機技術(shù)的支持下，GIS能細致描述建筑本體狀態(tài)及其周遭環(huán)境的視覺表現(xiàn)信息。以GIS俯瞰視角展示的沈陽故宮如圖2所示(圖片來源于谷歌地球)。

圖2 GIS展示的沈陽故宮

(3)BIM是將建筑本身的建筑規(guī)劃、建筑結(jié)構(gòu)、建筑材質(zhì)等信息數(shù)據(jù)以三維可視化的方式予以表達，并以三維模型、二維圖紙、工程量清單、材料特性報告等方式輸出，為建筑設(shè)計施工提供可參考的建筑信息模型技術(shù)[1]。運用BIM構(gòu)建的仰熙齋建筑結(jié)構(gòu)信息模型如圖3所示。

圖3 運用BIM構(gòu)建的仰熙齋建筑結(jié)構(gòu)信息模型

3.CGB框架的技術(shù)優(yōu)勢

在CGB技術(shù)框架中，GIS是用來監(jiān)控建筑設(shè)計的時間節(jié)點、記錄建筑施工變化、收集建筑項目工作的時態(tài)數(shù)據(jù)，從時空上把握建筑整體的強大技術(shù)；BIM則以設(shè)計建筑方案、安排建筑施工的節(jié)點進度等方式，對建筑項目的全生命周期進行實時管控。

建筑設(shè)計工作者利用CGB框架所含的GIS與BIM的強大信息管理技術(shù)，能對建筑項目中設(shè)計、施工、運營工作的全過程進行充分的信息管理及系統(tǒng)監(jiān)管[2]。

二、文物建筑保護信息技術(shù)探索

1.GIS技術(shù)原理與應(yīng)用方式

GIS在文物建筑保護工作中的應(yīng)用主要在于其強大的地圖管理功能，可根據(jù)項目的地理、建筑與環(huán)境信息，整合包括其空間位置與自身屬性的宏觀尺度信息，以此合理規(guī)劃文物建筑保護工程的施工范圍，調(diào)整文物建筑保護工作的設(shè)計、施工方案。

(1)空間位置表達。文物建筑的建筑空間由其本身及其道路、環(huán)境等內(nèi)、外界因素共同組成。GIS中文物建筑的空間位置信息可以通過經(jīng)緯、平面直角、極坐標的方式表示。例如，可在GIS內(nèi)對沈陽故宮的空間坐標進行經(jīng)緯定位(見圖4)。

圖4 沈陽故宮的GIS定位

(2)屬性信息表達。可在GIS中建立針對文物建筑的年代、面積、類型、高度、道路、人居環(huán)境等屬性信息的專項分析，以此對文物建筑的景觀、規(guī)劃等多方面數(shù)據(jù)進行詳細監(jiān)管、專項分析。程梟翀[3]提出的故宮環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，是GIS在文物建筑專項監(jiān)管工作中的實際應(yīng)用案例。

2.CGB框架應(yīng)用于文物保護工作的可行性

CGB技術(shù)框架內(nèi)所含的CAD、GIS、BIM，能夠從二維、三維的角度以可視化的形式記錄、分析、管理文物建筑的建筑制式、交通環(huán)境、建筑病害等建筑信息。拓展以GIS、BIM平臺為基礎(chǔ)建立的針對文物建筑的監(jiān)測、管理系統(tǒng)，是對其日常保養(yǎng)、巡查、設(shè)計施工、監(jiān)測等工作進行現(xiàn)代化、信息化管理的前提。以CGB框架為基礎(chǔ)的文物建筑保護信息庫能為文物保護工作提供現(xiàn)實支持，使文物建筑保護的信息化成為可能。

《中國文物古跡保護準則》指出，文物古跡的保護是一個連續(xù)的過程，包括建筑物本身的修繕，建筑物的日常維護、監(jiān)測、清潔和防災(zāi)。其中，日常檢查是“由專業(yè)技術(shù)人員定期對建筑遺產(chǎn)的安全健康狀況進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)建筑遺產(chǎn)的隱患，并作出相應(yīng)判斷”的有重大意義的工作，要實時、確切地掌握建筑存續(xù)狀態(tài)信息[4]。

在此類工作中，通過拓展CGB技術(shù)框架下的建筑信息技術(shù)、地理信息系統(tǒng)相關(guān)軟件平臺的應(yīng)用，持續(xù)監(jiān)測文物建筑的存續(xù)狀態(tài)，記錄破損現(xiàn)象頻發(fā)的、有病害發(fā)生傾向的、清潔需求頻繁的部件，分析其變化趨勢，并據(jù)此對文物建筑實施整體的及有針對性的、預(yù)防性的保護，是CGB技術(shù)框架得以應(yīng)用在文物建筑保護工作中的重要方法。

三、文物建筑保護項目概述

1.項目背景

盛京皇宮始建于后金天命十年(1625年)，清崇德二年(1637年)初具規(guī)模，在清朝于順治元年(1644年)八月由盛京遷都京師后成為陪都宮殿，繼續(xù)受到清朝統(tǒng)治者的重視，前后經(jīng)歷了努爾哈赤宮殿、皇太極皇宮和乾隆行宮3個時期，被多次整改、擴建，最終形成東、中、西三路并列，太祖、太宗、高宗三朝建筑共存的格局[5]。伊藤清造《奉天宮殿建筑圖集》中的奉天宮殿平面布局如圖5所示。

其中，大政殿、十王亭等沈陽故宮最早一批建筑所在的東路建筑群是清太祖為居住與政務(wù)需要而建；中路是乾隆皇帝為方便東巡駐蹕而加建，整體劃為東、西二所，各為東巡時皇太后、皇帝及后妃臨時駐蹕的宮殿，又稱東、西宮；西路因皇家內(nèi)府的文化發(fā)展需求而建，南部以嘉蔭堂為中心，北部為文溯閣建筑群，分別為皇帝駐蹕期間宴請賞戲與進行文化活動的場所。

圖5 奉天宮殿平面布局

仰熙齋建筑處于沈陽故宮西路中軸線上的文溯閣建筑群中，坐落在文溯閣后方，是沈陽故宮西路漢化建筑群中的典型建筑之一，清帝東巡盛京駐蹕期間便于此讀書、題詞書畫。伊藤清造《奉天宮殿建筑圖集》中的文溯閣建筑群平面圖如圖6所示。

圖6 文溯閣建筑群平面圖

2.項目組成

仰熙齋是標準的七間卷棚硬山頂前后廊式建筑。齋內(nèi)分東、西二軒，分別為皇帝書房及小型室內(nèi)戲臺(見圖7)。

圖7 仰熙齋平面圖

仰熙齋外東、西兩側(cè)各有一耳房，以抄手游廊同文溯閣南北后檐廊相通(見圖8)。清代民間通俗戲曲文化蓬勃發(fā)展，在宮廷內(nèi)形成賞戲之風(fēng)，于乾隆時期達到鼎盛。仰熙齋內(nèi)書房、戲臺并存的布局便受此影響，體現(xiàn)了這一時期帝后東巡期間的文化生活需求。

圖8 仰熙齋側(cè)面耳房及游廊

仰熙齋本體與其耳房共同組成了錯落有致的中原園林式院落，仰熙齋與其耳房的具體建筑形制、建筑高度及其建筑占地面積如表1所示。其中，仰熙齋與其耳房均為硬山頂，仰熙齋占地約241 m2，高7.98 m，東、西耳房占地約38 m2，高5.65 m。

表1 沈陽故宮仰熙齋建筑組成

3.項目現(xiàn)狀

仰熙齋于乾隆四十八年(1783年)建成，至今已經(jīng)200余年，其建筑本體及細部彩繪、裝修、內(nèi)部構(gòu)件等難免受到人為與自然因素的影響。根據(jù)現(xiàn)場勘測情況，仰熙齋建筑群的木構(gòu)件、磚石構(gòu)件、彩畫裝修等大多有不同程度的病害。

(1)木構(gòu)件。中國古建筑一向以木造構(gòu)件作為建筑的主要支撐。作為一種柔性的生物材料，木材有明顯的干縮濕脹特性，易蟲蛀、腐朽、開裂，尤其在冬季干寒、夏季潮熱的東北地區(qū)，木材的特性表現(xiàn)得更加明顯。同時，古建筑容易受到原始施工與后期修繕過程中的誤修影響。因早期修繕主要依靠人工測繪，在計量建筑部件數(shù)據(jù)時容易出現(xiàn)錯誤，在修繕過程中產(chǎn)生誤差，對被修繕建筑造成二次損壞。例如：官式建筑在最初設(shè)計時不會在室內(nèi)加建吊頂，梁柱是外露的，被稱為“結(jié)構(gòu)外露”[6]，而仰熙齋東耳房內(nèi)的天花吊頂，是本不應(yīng)存在的，為后期修繕不合理的添加。而且由于人工保護不周，仰熙齋的室內(nèi)天花已經(jīng)開裂，露出了內(nèi)部原有的梁架結(jié)構(gòu)(見圖9)。

圖9 仰熙齋天花現(xiàn)狀

官式建筑梁柱外露是中國古建筑的基礎(chǔ)建筑形式之一。此類形式做法，一是為了木質(zhì)的建筑主體大木結(jié)構(gòu)能在空氣中自然地排除濕氣，是防潮防灰的需要；二是為了裝飾美觀并可便于觀察木結(jié)構(gòu)的損壞程度，以便及時修理。例如：上海龍華寺天王殿內(nèi)的梁、柱、椽等建筑構(gòu)件均未被墻體與天花遮擋，且飾有細致的雕花及裝飾，集觀賞性與功能性于一體(見圖10)。

圖10 上海龍華寺天王殿殿內(nèi)建筑構(gòu)件

(2)磚石構(gòu)件。在中國古建筑中，以青磚為底、靠灰縫黏合砌筑而成的墻體雖可與建筑整體緊密結(jié)合，但青磚墻體自重大，黏合度低，不承擔(dān)剪力，牢固度不高。加上東北氣候的影響，在嚴寒低溫地區(qū)，青磚易受潮吸濕而干裂凍漲，故仰熙齋的建筑墻體酥堿風(fēng)化嚴重，肉眼可見磚墻及臺基有損毀、歪閃、裂縫、磚塊滑落的情況[7](見圖11)。

(3)彩畫裝修。仰熙齋及其游廊上的原有彩畫多為蘇式，具有豐富的裝飾色彩，圖案繁多，以花草、山水為主。仰熙齋本體的木結(jié)構(gòu)侵蝕及墻體酥堿對其彩畫及建筑飾面造成了嚴重的破壞，彩畫裝飾大面積受潮、霉化、油飾脫落(見圖12)。

圖12 仰熙齋游廊上的彩畫

四、CGB框架下的信息化保護應(yīng)用

1.CIS系統(tǒng)下的整體專項監(jiān)管

近年來，信息化技術(shù)快速發(fā)展，將文物建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)資料以信息化的方式進行保存是文物建筑保護工作現(xiàn)代化的關(guān)鍵一步。在這一階段中，直觀的以視覺角度反映建筑信息的GIS系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用[8]。

建筑形制表現(xiàn)、建筑修繕情況是評判文物建筑真實性的重要內(nèi)容，也是GIS系統(tǒng)下相關(guān)軟件平臺的工作重點。搭載了GIS技術(shù)的軟件可將文物建筑的歷史存續(xù)、建筑制式、病害現(xiàn)狀等信息以可視化的方式，分項、逐一記錄在該系統(tǒng)下相關(guān)軟件平臺所展現(xiàn)的平面制圖與專項分類系統(tǒng)中，依此建立針對該文物建筑的信息庫，按項目設(shè)計、施工、管理等不同階段所需，在文物建筑保護工作的全工作周期中調(diào)用庫中的信息，以輔助、指導(dǎo)保護工作的進行。

依現(xiàn)場勘測情況看，仰熙齋的本體及其東、西耳房，包括其建筑周遭的西配房、九間殿等，均為硬山頂，每個單體建筑的進深、開間、做法等均有不同，各部位有不同程度的病害。在GIS系統(tǒng)中，可將這些信息以俯視的平面視角通過二維的方式表達，以此整體把控建筑病害、建筑功能及周邊環(huán)境等信息。例如：利用GIS監(jiān)測仰熙齋及周邊建筑時，通過在俯視圖中標記該建筑這一階段的臺基現(xiàn)狀，能直觀地顯示這一專項監(jiān)測的結(jié)果(見圖13)。并不斷更新、完善圖13中的內(nèi)容，如建筑修繕后及修繕一年、多年后的狀態(tài)等，依此建立針對該建筑的專項監(jiān)測分析報告。

圖13 仰熙齋臺基專項分析

2.基于 BIM技術(shù)的信息模型

文物建筑信息庫的基礎(chǔ)參照來源是其本身，建立模組時，要以CAD制圖為標準，通過逆向建模(先有CAD圖紙，再依據(jù)圖紙展現(xiàn)的數(shù)據(jù)構(gòu)建建筑信息模型)的方法，從建筑的臺基出發(fā)，再到立柱、梁架、屋頂、瓦面、磚墻，以建筑搭建的順序?qū)ο鄳?yīng)部件逐一進行信息化處理[9]。

中國文物建筑相較于現(xiàn)代建筑，有復(fù)雜的榫卯搭建結(jié)構(gòu)，各部件間關(guān)系密切，尺寸約束嚴格(見圖14)，無法使用簡單的幾何部件建立建筑信息模型，需針對不同建筑部件創(chuàng)建對應(yīng)的信息屬性及信息數(shù)據(jù)。

圖14 反映構(gòu)件搭接關(guān)系的模組

(1)柱模型的建立與布置。仰熙齋及其周邊建筑為標準的硬山頂建筑，其建筑各開間內(nèi)金、檐、角、瓜等有相同部位名稱的柱件的尺寸、構(gòu)造是相同的[10]，反映在BIM平臺中，此類部件可以其中一組為基點，成組使用在同類模型中。同名構(gòu)件的模型使用及分類方式如圖15所示，相同名稱的柱件之間使用相同的顏色加以表現(xiàn)，不同名稱的柱件之間使用不同的顏色作為區(qū)分。

圖15 柱的布置

在BIM軟件平臺上建立有關(guān)柱的模型部件時，雖有可重復(fù)使用的部件，但也存在相對獨立的部件。在創(chuàng)建此類特殊部件的信息模型時，需要考慮其角度、長度、連接結(jié)構(gòu)等特殊數(shù)據(jù)。

(2)大木結(jié)構(gòu)模型的建立與布置。在建立檁、梁模型時，要設(shè)立模型族，通過放樣命令建立模型的大體，再以布爾運算中交、差集的方式將部件間相互連接的榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)定出來。

布置此類橫、豎向交叉的構(gòu)件模組，應(yīng)先依柱網(wǎng)的分布規(guī)定梁及與梁方向一致的梁枋的位置，再以梁、梁枋的位置為依托，規(guī)定檁條及與檁方向一致的檁枋的位置(見圖16)，以表現(xiàn)檁、枋、梁、柱間以榫卯結(jié)構(gòu)水平相交的連接關(guān)系。

圖16 檁、梁的布置

(3)椽模型的建立與布置。椽是直接搭建在檁上的構(gòu)件(見圖17)，上承接望板、閘擋板、瓦口木及瓦件。其中，飛椽、檐椽、花架椽等不同類椽部件之間以榫卯相連。

圖17 椽的布置

中國古建筑中，在同一水平線上的椽部件的名稱是相同的，其部件的三維、材質(zhì)、做工也大體相同。因此，在建立椽類構(gòu)件的信息模型時，涉及有相同名稱的部件，其模組是可重復(fù)使用的。對于花架椽這一類在屋頂處以榫卯相連的構(gòu)件，雖兩側(cè)構(gòu)件均為相同名稱，但其榫卯是分陰陽的，故在建立有該相似情況的部件模型時，需要仔細區(qū)分相同名稱不同位置部件間的陰陽關(guān)系。

(4)石作部件模型的建立與布置。在中國古建筑中，同一建筑內(nèi)的石作部件大多使用同一種材料，石作材料主要為青磚，應(yīng)用于建設(shè)臺基與磚墻。在建立石作部件模型時，要充分考察現(xiàn)場，記錄不同部位方磚的表現(xiàn)形式、尺寸、排布方式及病害程度，將這些信息統(tǒng)一反饋到其模型群組，以不同的層級、圖色進行區(qū)分(見圖18)。

圖18 磚石病害的模型反饋

(5)彩畫裝飾的信息化較為特殊，無法將彩畫的枋心、包袱、托子、方格錦等各部分的信息以模塊化的方式置于大木部件模組。建立彩畫的信息模型，應(yīng)在其所依附的大木構(gòu)件的信息模型已完成的基礎(chǔ)上進行，要先依照現(xiàn)場實情，描寫彩畫的全部，抄繪成建筑草圖，再在CAD中描為標準的制圖，通過投影的方式將彩畫的細分模塊投射到其對應(yīng)的大木構(gòu)件的模組上，再以切割的方式將彩畫各個部位附著于其上(見圖19)。以此，可將彩畫裝飾的模組完整地添加到結(jié)構(gòu)模型中，并可分別記錄彩畫裝飾內(nèi)各個模塊的信息數(shù)據(jù)，如各部分的油飾用料、顏色、留存現(xiàn)狀、病害程度等。

圖19 彩畫信息化

3.成果探究

在此項目中，筆者提出了基于CGB架構(gòu)的信息化文物建筑保護的主要工作模式。其中，以BIM技術(shù)相關(guān)軟件為平臺建立的文物建筑信息庫，是在建立數(shù)據(jù)模型的同時錄入建筑的病害、材料、留存狀態(tài)等信息后，將模組拓展成的建筑信息模型數(shù)據(jù)庫表現(xiàn)為二維平面、三維虛擬模型的形態(tài)，能直觀地管理建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)信息；以GIS技術(shù)相關(guān)軟件為平臺建立的監(jiān)管系統(tǒng)，可從俯瞰角度采集、管理文物建筑的周邊信息，整體監(jiān)測文物建筑群的建筑本體與外界環(huán)境，包括建筑存續(xù)現(xiàn)狀、病害、修繕需求和交通環(huán)境等。

文物建筑遺產(chǎn)的修繕工作復(fù)雜，項目周期各個節(jié)點的差異較大，分時間段對其進行多次勘測監(jiān)管無疑增大了項目的資源投入。但以建筑信息庫為基礎(chǔ)的信息化保護工作可在同一文件內(nèi)保留基礎(chǔ)測繪樣本，并實時更新建筑數(shù)據(jù)，能隨時導(dǎo)出項目內(nèi)材料明細、結(jié)構(gòu)大樣等建筑信息，依節(jié)點需求單獨顯示建筑某個節(jié)點、某個階段的狀態(tài)，使項目文件成為可交互的、直觀的、可編輯的信息集合體，并可依此開發(fā)基于CGB技術(shù)框架的信息動態(tài)處理系統(tǒng)、專項分析系統(tǒng)等。

五、結(jié) 語

中國文物建筑遺產(chǎn)保護的傳統(tǒng)工作方法已然成熟，但在可持續(xù)性、準確性方面仍存在不足。文物建筑遺產(chǎn)是整體的、歷史的。針對文物建筑的修繕保護，一是要維持其建筑本體的健康存續(xù)，二是要傳遞其富有價值的歷史信息，二者缺一不可。如何在對文物建筑進行修繕保護的同時，最大限度地保存文物建筑的整體性、歷史性，保證建筑信息可持續(xù)的傳承，還需要進行深入探討。

如今隨著信息技術(shù)的發(fā)展，GIS系統(tǒng)與BIM技術(shù)被充分開發(fā)并應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，在文物建筑保護工作上的適用范圍不斷擴大，通過參數(shù)化建模、信息可視化的形式被應(yīng)用于保護工作的前期規(guī)劃與后期監(jiān)管。

筆者以文物建筑遺產(chǎn)的建筑形制及現(xiàn)狀為研究重心，將仰熙齋的建筑信息以二維、三維的不同視角展現(xiàn)在信息技術(shù)下的軟件平臺內(nèi)，探究文物建筑遺產(chǎn)信息化保護的必要性和可行性，以豐富沈陽故宮宮殿建筑的修繕保護工作方法，拓展信息技術(shù)在文物建筑遺產(chǎn)修繕保護、研究工作中的應(yīng)用。

今后可將加強其信息建設(shè)作為主要思路，繼續(xù)拓展CGB技術(shù)框架在文物建筑保護工作中的應(yīng)用，結(jié)合GIS系統(tǒng)與BIM技術(shù)，建立CGB專項監(jiān)管系統(tǒng)，深入探究參數(shù)建模輕量化、地理信息可視化等內(nèi)容，以記錄文物建筑遺產(chǎn)的存續(xù)、病害再生情況等。在后續(xù)工作中，可依此建立文物建筑的營造技術(shù)信息數(shù)據(jù)庫及病害信息管理與預(yù)處理系統(tǒng)等，實現(xiàn)信息技術(shù)在文物建筑保護包括前期設(shè)計施工、后期運營及日常監(jiān)管的全過程工作中的參與。