基于三维数据模型的河西走廊古民居历史再现

冯星宇

摘 要：河西走廊古民居历史文化的传承，除了史料资料记载，现存古民居建筑本身的结构，花纹图案装饰，以及建筑构件都可以经过许多方式再现展示，如三维数据模型的重现是民居历史再现的重要手段。

关键词：河西走廊 古民居 模拟数据模型 历史再现

河西走廊古民居尤其是张掖古民居的历史再现是对古建筑历史文化再现的一种延续性保存手段，通过古民居实物再现可以真实的反映出不同时期古民居历史变迁，其中古民居再现包括很多方面，例如对建筑的内部窗户样式，窗户的雕刻装饰，窗户门头色彩装饰，门头结构，屋檐的造型，屋檐的雕刻装饰，梁的形式，梁的构造，柱的构造样式、色彩的分析以及柱的高矮等都是古民居历史再现的重要内容。

由于气候原因，整个河西走廊古民居建筑呈现出屋顶为平面四边形居多，甘肃河东地区民居在外观印象当中为平屋顶的形式，呈人字形屋顶，河东雨水较为充足，人字形屋顶便于雨水流走。河西走廊张掖古民居除传统四合院民居外，还有诸如裕固族、蒙古族等少数民族民居也是不容忽视的，它在张掖民居中占有一定的比重，就其民居建筑形式也较为独特。

《甘肃省实施文化遗产“历史再现”工程的意见》指出，加强文物本体抢救保护，运用原状展示、陈列展示、模拟展示、揭露展示和复原展示等多种手段，全面深入地揭示其历史文化价值，让文化遗产从历史记忆中走出来、“活起来”。河西走廊自古以来就是民族交融之地。历史上曾经是游牧民族生活的地方，就其古民居来说，除了四合院式土木结构的房子以外，帐篷这种民居样式也较为普遍。就其帐篷来说，河西走廊应用这种居住空间的当属张掖的裕固族，裕固族是全国唯一的在河西走廊的少数民族，其分布在大河、皇城、康乐、明花、区及马蹄区的友爱乡，其余居住在酒泉市肃州区的黄泥堡裕固族乡，是回纥后裔之一。就其帐篷的形式而言，也和其他少数民族居所有很大的差别，随历史的变迁也丰富多彩，其建筑形式独特少见， 这一帐篷经常用耗牛的毛编织而成，一般长5米、宽3米、高2米左右，帐篷的四周用棕色或黑色牛毛搓绳拉紧固定，再用四根木柱和一根顶梁组合在一起，分别固定在周围的木橛子上，把帐篷拉成八角圆形或是方形，屋顶开一个天窗，天气晴朗的时候打开，下雨或是阴天时用一块能够活动的牦牛毡盖住。裕固族人讲究风水。牧民在搭建帐时，按照向阳避风，山形，河流来确定房子的坐向，一般大多数坐北向南，也有坐东向西或坐西向东的，帐篷门一般不朝北开，可对着山、河沟开。其屋顶采用裕固族帽子的样式，装饰图案除了屋顶四周外，围绕帐篷的一圈，八个方向也绘制了八宝吉祥图案。这一民居的再现随着历史的变迁帐篷的形质也发生了改变，当地政府对其采取保护，有它的自身历史价值、历史地位。

现在张掖的古民居保存下来的仅仅29处，其分布在张掖市的西大街的法院南侧、张掖市青年东街上的文庙巷内，还有劳动街的南面、北面、东面、税亭街街巷都有零散的分布。虽然进行挂牌保护，修缮以及复原等工作，但是，张掖古民居的形制结构大都以土木结构为主，其建筑的原材料采用当地的黄土和木材，由于材料的限制，黄土和木材的不论其耐久性方面或坚固性都不及水泥钢筋混凝土，要因此需要定期的修缮和维护。随着城市的发展，夯筑打墙的技术和用土坯去砌墙的方法已经不常用了，但是若要没有了土墙这一结构样式，其实也失去了古民居的精髓所在；更有一些如用青砖去勒脚、青砖做成山尖的形状，以及勾头、屋脊、筒瓦、等不同尺寸的几何建筑构件的烧制方法以及工艺，也很少有人去掌握和运用，所以那些精美的砖雕，木雕，木刻等形象很难恢复到原来的样子和水平，都有不同程度的偏差。因此，张掖古民居的历史再现，就是要根据原有建筑的建筑质量、损坏程度和历史原因环境等因素，应采用不同形式的修复方式。主要分为三类：一是以旧为旧，尽可能地恢复在现有古民居建筑的基础上还原以往的风格，即修旧如旧；二是新旧对比建筑的内部与外部，根据不同时期的历史文化取得一手资料，进行修复，在这一过程中我们强调岁月留下的痕迹，使得建筑修复部位能够明显区别于古老的建筑部分，从而产生出建筑的新旧对比，更好的分析原有古民居的形态特征及其意义。三是运用现代电子技术去模拟古建筑曾今的模样和当时发生的事情，去模擬场景再现，用艺术的空间形式对已存在的古建筑进行再现。古民居古建筑的修复技术同样可以运用到古民居的历史再现。

三维模型是对三维形体的空间描述。利用三维模型对古民居进行历史再现是一种较为可行的方法，而且有成功的先例。据新闻报道，扬州大学建筑学院古建测绘队受扬州市文物局委托，对该市清代廖可亭盐商住宅进行进行测绘复原。廖可亭盐商住宅位于扬州市南河下历史街区118号，建于光绪31年（1905年），为省级文物保护单位。现古宅内有住户几十家，因文革时期受损严重，亟待保护。其间，测绘队员们将根据获得的数据，运用计算机绘图原理将标有数据的草图整理成计算机二维投影图，最后建立数字三维模型。此次古建筑测绘主要是为古城历史文物的保护、维修等提供最基本的地理信息数据，进而推动扬州古城保护的数字化建设进程，使得文物保护工作更加科学高效。

对于古建筑内部大木结构的记录有两种方法，一种是拍照、另一种是通过拉皮尺对建筑进行测量和记录。由于古建筑的结构复杂多变，用传统的方法对大木结构的实体曲面模型的数据整理是耗时和费工的一项任务。但是当我们通过采用三维激光雷达扫描技术，就可以很快的突破这一技术难点。激光扫描仪可以获得物体反射激光束，然后这一光束再到达被测物体，从而获得反射回扫描仪的时间差，就可以计算出扫描仪到被测物体之间的距离，并且连续采用反射脉冲激光的镜子的角度值去获得被测物体的一个精准的三维坐标。通过三维点云数据和相关的建模软件制作出三角网模型和Nurbs模型，通过这两种模型去得到古建筑的线性数据和特征面貌。通过三角网模型去制作建筑的立面图；用三角网模型和Nurbs模型来去制作古建筑的剖面图和平面图。

河西走廊古民居尤其是张掖古民居的历史再现，也可采用现代科技信息技术，收取整理民居的相关分析数据，例如民居的大小，尺寸，颜色，结构，形质等，统一整理收集，运用三维数据，进行三维建模，从而做出实物的三维模型，达到再现民居实物再现的目的。同时在三维建模过程中又为古民居的修缮和复原工作提供精准的、细致的、工程化的数据分析基础资料。在民居数据的取证过程中我们还将要预计出古民居将来所遇到的自认灾害和认为因素，例如风化，损毁，受潮变形给古民居带来的危险，一些稀少珍贵的民居，例如张掖现存清代高总兵府，是张掖民居中规模最大保存最完整，文化价值最高的民居，相当于北京的恭王府，只不过规模形制嫌小，像这一类民居留存久远的历史烙印，反映着当时达官贵人的生活面貌，其房屋的结构样式形质和色彩图案装饰都区分于普通百姓民居。对于研究当时社会的历史文化都有重要的价值。

对民居这类文化遗产的保护，要考虑到未来所面临不可知的因素，如烧毁或是全部倒塌，所以古民居的保护除了还原维修，还必须考虑根据较为完整的基础资料和数据信息，真实的图像资料进行历史再现。首先是数据的整理，平时的模拟实物再现这项工作就必不可少，甚至是其中非常重要的环节，其中对于于图纸绘制的准确性，数据收集的全面性要求就很高，通过实地去测量建筑物与周边建筑物后取得正确的数据，把文物建筑的测绘制档保存作为纪录文物建筑现态的最重要的手段，并且将其充分利用。其次，以往对建筑物资料的收集大多采用简单的，拍照，摄影录像，传统习俗绘画、等传统综合性手段，这些往往需要较多的人力物力的投入，例如图像在拍摄过程中受到光线，角度等多方面的因素，缺乏数据的精准度，整体性、准确性，经常只是一个外观的模拟，数据的取证因受多种因素的影响，存在一定的局限性和不完整性，对民居的修复及完全恢复原貌是非常困难的。因而，通过建立古民居的三维模型，不仅可真实的实现古民居原貌，还可以清楚的让人们看到和了解当时的历史文化，具有直观性和情境性。

随着计算机技术的日益进步，计算机三维可视化技术在古民居保护和研究中的应用正日益显示其优势。运用三维模型进行古民居历史再现，通过高精度的数字化计算将有关民居数据信息进行保存，随时可以运用三维空间计算与测量技术，为珍贵的古民居修缮和复原工作提供准确无误的工程计算数据，同时也可以运用三维模型再现古民居。研究这些建筑，就需要用模型建筑的信息技术，对与古民居的建模处理，使其恢复古民居的原来面貌，再用参数化的方法对建筑几何模型进行分析论证，就其民居每一个部位都进行参数设置。应用信息模型技术，对古民居先进行参数化建模，然后通过技术的处理形成古民居三维信息从而进行三维模型的制作。民居通过三维信息的模型就可将虚拟的建筑做到恢复原貌，民居的内部结构样式都可以直观而形象的立体呈现给观众。在民居修缮和复原的过程中信息模型的设计主要是通过收集整理明清时期的古民居构件信息资料 ，如民居构造的样式、建筑材质，几何和物理信息、古民居所用油漆彩绘、装饰形式等建筑信息去生成古民居的建筑信息模式，從而进行模型信息设计。这些数据的整理不但扩展民居的相关信息，而且也完善和存储了古民居信息系统，这样使其信息的扩展性、延展性、储备性得以保存和实现，并且可以使信息的存储和相关部门随时查阅资料提供了方便和保障。在用户使用数据信息的同时，也可以将一些相关的数据补充和添加进去。当在对已纳人的古民居三维数据分析时，又可概括归纳出一些规律，从而为古民居提出保护和修缮的措施。对于古民居三维模式的建立，一般有两种模式：一是古民居建筑构件的相关数据信息通过软件本身所提供的参数建模；二是将dwg或者dxf两种格式的模型直接导入参数，这种参数通常用手工输入的方式或者用直接导入测绘数据完成。

总之，河西走廊古民居历史再现，可以运用多种手段，随着VR技术的普及，人工智能技术运用都为古民居历史再现提供可以选择的各种路径和手段。

参考文献：

[1]楼庆西.中国古建筑二十讲[M].生活读书新知三联书店，2001.

[2]王卫东，张掖.古民居建筑特色[M].载《甘州文史资料》（第十二辑），政协站也是甘州区委员会编，2013.

[3]陆元鼎，陆琦.中国民居建筑艺术[M].中国建筑工业出版社，2010.

作者单位：河西学院土木工程学院