敦煌壁画中建筑的数字化再现与重构

张加万 王巧雯

(1.天津大学 建筑学院，天津 300072；2.文物本体表面监测与分析研究国家文物局重点科研基地，天津 300354;3.天津市文化遗产保护与传承工程技术中心，天津 300354)

一、敦煌壁画与壁画中的建筑

敦煌石窟(Dunhuang Grottoes)是集建筑、彩塑、壁画艺术于一体的世界文化瑰宝，被誉为“东方卢浮宫”、“墙壁上的博物馆”。同时敦煌石窟也是世界壁画数量最多的石窟群，精美的岩彩艺术布满了洞窟的前、后室和甬道的佛龛、壁面及顶部。绘画题材上以佛像和佛经故事为主，也栩栩如生地描绘了人类狩猎、耕种、纺织、建设、舞蹈和婚嫁等社会活动；艺术表现上色彩热烈浓重，线条纯朴浑厚，在吸收糅合多个地区艺术元素的基础上兼具当地特色，具有很高的艺术欣赏和学术研究价值。

敦煌壁画是世界上十分珍贵的艺术遗迹，其中有众多中国古建筑的形象资料，特别是莫高窟壁画中涉及的建筑内容非常丰富注和红星《剖析敦煌壁画中的古建筑》，《华中建筑》1994年第4期，第63-69页。。从数量上看，莫高窟700多个洞窟中保存有45000多平米的壁画，时间跨度从4世纪到14世纪，前后超过千年，其中所绘有的建筑形象更是数以万计，数量之多，可谓惊人，例如约300幅大型西方净土变和东方药师变中，单座建筑的计数不下4000座[注]萧默《敦煌建筑研究》，北京：机械工业出版社，2003年。。在建筑内容上，涵盖了建筑群体(如城市、宫殿、寺院等)、单体建筑(如殿堂、城楼、楼阁、台榭、佛塔、阙等)以及建筑物局部及构配件(如斗拱、门窗、屋檐、台基等)，种类丰富且描绘真切、精炼。由此可见，壁画中建筑素材研究意义的广泛性与重要性。

二、敦煌壁画建筑的前辈研究

(一)研究起源与背景

敦煌壁画建筑的研究起于梁思成先生建国前后的两篇学术文章和期间的一个重大史学事件。二文分别为《我们所知道的唐代佛寺与宫殿》[注]梁思成《我们所知道的唐代佛寺与宫殿》，《中国营造学社汇刊》第3卷第1期，1932年，第75-114页。和《敦煌壁画中所见的中国古代建筑》[注]梁思成《敦煌壁画中所见的中国古代建筑》，《文物参考资料》1951年第5期，第1-48页。，前文写于1932年，以敦煌壁画为主要研究素材，探讨了唐代木构建筑的各方面特征，首开此视角与思路。后文时隔20年，在前文基础上修订扩充，于1951完成，进一步阐明了敦煌壁画中丰富建筑资料的价值。一个重大史学事件，指的是1937年梁思成一行在五台山发现国内现存唯一的一座唐代殿堂式木建筑——佛光寺东大殿。值得一提的是，在这一中国建筑学术史上极富里程碑意义且具传奇色彩的事件(图1)中，按图索骥的线索来源于偶然得到的一本画册——法国汉学家伯希和(Paul Pelliot)出版的《敦煌石窟图录》(Les Grottes de Touen-housang)[注]Paul Pelliot. Les Grottes de Touen-Houang. Vol. 1-6. Paris: librairie Paul Geuthner, 1920-1924.，而其中的“指引宝图“便是书中记载的位于敦煌莫高窟第61窟西壁的《五台山图》，这在梁思成1951年一文中皆可寻得原委。这一发现印证了通过壁画素材研究中国建筑思路之可行，也反映出敦煌壁画中建筑信息的真实与有效，敦煌壁画建筑研究自此起步。

(二)研究内容及方式

从现存的文献看，敦煌壁画建筑的研究主要在建筑史学领域展开，多集中在对某一时期古建筑种类划分的佐证和对建筑发展史的历史考订两个维度上。另外，由于敦煌壁画中的建筑形象以界画[注]界画是中国古代画科中的一种，本意是指中国传统绘画的一种绘图技法，后逐渐演变为中国古代建筑画的代名词，其技法严谨工细、讲究法度，一点一笔皆要求比例切实，真切反映所画对象，其是将三维的数据按某种规律换算成二维数据，具有较高的精准性。亓敏《界画与中国古代建筑》，同济大学,2000年，第4-5页。的形式彩绘，在美术学专业也有一些探索，主要是从界画的一般性规律及固定套路出发对壁画中的透视现象与构图原则进行审视，也包括对敦煌壁画中一些特有布局构图形式的分析，如动视点巡游、散点透视现象以及数学折算规律等，这对解读敦煌壁画建筑，特别是排除失真信息的干扰起到了重要的方法支撑。从敦煌壁画建筑的研究方式上看，可分为描述与呈现、分类与梳理两个阶段。

图1 发现佛光寺

从左到右依次为：敦煌莫高窟第61窟西壁五代五台山图大佛光之寺，五台山佛光寺总平面示意图，佛光寺东大殿外景(梁思成摄，1937年)，佛光寺东大殿纵断面与西立面(中国营造学社绘制)，梁思成在佛光寺东大殿内工作(1937年)、林徽因在佛光寺东大殿内与“佛殿主女弟子宁公遇”塑像合影(梁思成摄，1937年)

1.描述与呈现阶段。自20世纪30年代，国内外学者开展了一系列基础性研究性工作。国内以梁思成为代表的古建筑学家主要开展了基于壁画中建筑图像的中国传统建筑史学研究，而同时期国外一些学者则侧重利用敦煌历史图像对中国建筑进行汉学研究，如西方学者安内利泽·布林(Anneliese Builing,1900-2004,又名卜爱玲)，侧重从艺术史的角度对中国建筑特征与演进历程进行探索[注]刘涤宇《从历史图像到建筑信息——以1930—1950年代两位学者以敦煌壁画为素材的建筑史研究成果为例》，《建筑学报》2014年第9期，第150-155页。，在研究方式上以描述与呈现为主。国内对壁画中图像的使用方式主要有三种：或直接使用原始图像；或以白描的方式勾勒要研究部分的轮廓，有时增加引注；或将不同幅图像中的相关元素整理并归类排列，近似图表法，方便比较。另外，国外学者布林采用的将敦煌壁画中的建筑绘出平面布局图，并辅以立、剖面图[注]Bulling，Aneliese. Buddhist Temples in T’ang Period-ll. Oriental Art, 1955, 1(3): 115-122.,这种方式试图将绘制的图像从二维平面到三维空间还原出来，可理解为一种“空间重构”的初步尝试，是国内三种方式的另一补充。从整体上看，这一阶段做了不少开创性的工作，但研究内容略显单一，方式较为原始粗放。可见，描述与呈现阶段是一个纯手工式作业下的初级时期。

2.分类与梳理阶段。随后，在梁先生等前辈研究成果的基础上，通过对原始资料的进一步挖掘与整理，国内学者展开了类别梳理及专题研究，取得了阶段性成果。这一阶段的工作可概况为两方面，其一在于基本完成了对敦煌壁画中建筑形象的类别认知与分析论证，如1989年学术专著《敦煌建筑研究》中第1篇“敦煌壁画中的建筑”，通过将敦煌资料与古建遗存、文献记述相互印证，对敦煌壁画中的建筑形象进行了九个专题性研究，在建筑史和建筑艺术史上，具有填补空白的研究意义[注]赵声良《〈敦煌建筑研究〉介绍》，《敦煌研究》1990年第4期，第120-121页。。另一项重要研究在于对敦煌壁画中的细节信息及建筑现象进行了断代式的图示论述，敦煌研究院在这一方面做了大量卓有成效的工作，发表了多本专著及相关文章[注]孙毅华、孙儒僩《中世纪建筑画》，上海：华东师范大学出版社，2010年。孙儒僩、孙毅华《敦煌石窟全集》21《建筑画卷》，香港：香港商务印书馆，2001年。，大大丰富了敦煌壁画建筑的研究内涵。可见，这一阶段在研究的深度与广度上有了很大提高，但在研究方式与角度上没有太大变化，定性开展建筑史学领域内的研究占绝大篇幅。

另外，从20世纪80年代，敦煌研究院开始尝试利用国外先进的数字摄影测绘及计算机图像处理技术探索、记录、存储壁画艺术，90年代后，联合国内外其他研究机构逐步展开了敦煌数字化的研究，尤其近年来，数字技术在敦煌石窟、壁画的保护工作中已有不少成功的实践案例，积累了一定的成熟经验，但在壁画建筑的研究中尚未有过多尝试性应用。可以说，这一阶段是一个以手工作业为主，辅以一定信息技术，并有所发展时期。

(三)研究面临的挑战

敦煌壁画建筑研究面临的挑战因素较多，经过梳理归纳，主要来源于以下两个方面：

1.敦煌壁画建筑数量大、分布广、种类多。莫高窟45000多平米的壁画中展现了从北梁到元代十个朝代、一千年的各类建筑形象，分布在700多个洞窟中，同一时期壁画中包含多种建筑类型，而同一建筑类型在不同时期的壁画中都有出现。敦煌壁画中建筑素材的研究价值毋庸置疑，而其中建筑形象数量之巨、内涵之广、信息量之大也极为罕见。在大脑中去架构这一庞大而错综复杂的内容体系基本不可能。

格鲁克在芭蕾舞和舞台布景方面也进行了革新，原本芭蕾舞在传统歌剧中大多起着串场的作用，舞蹈与剧情并无关系。他为了改变这种局面，他专门请人为他的歌剧作品编创了芭蕾舞，使舞蹈与剧情完美融合。舞台背景也摒弃了传统歌剧那样一味追求铺张与豪华，从而使舞台设计更符合戏剧的整体效果。

2.创新保护方法和技术手段迫在眉睫。受气候、自然灾害、人为因素的影响，敦煌壁画脱落、褪色、失真等劣化现象渐重且难以逆转，这些原本已稀缺的不可再生文化资源面临加速锐减的趋势。近年来，经敦煌研究院及遗产保护科研机构专家学者的共同努力，在壁画保护研究上已取得很大进步，但受技术条件和研究方式的制约，研究多集中在对壁画局部的修复及图像的复原上，成果多以书籍、论文、考古报告、复原设计图纸等形式表达，涉及壁画永生保护、壁画建筑再生重构方面的探索甚少且力不从心。另外，敦煌壁画中建筑图像的线描是一项浩大而重要的工程。在这个过程中需要对壁画逐平米的反复细看、取样、辨识、绘图与标注，工作量可想而知，而所采集图像的信息质量和数量直接影响到后续研究的开展，是壁画建筑研究的基础。不可否认，通过现场考察、取证及手工描摹的传统方式在早期的研究中确实发挥了不可替代的作用，但图像精度不高、数据信息缺失、素材利用率低以及无法构建三维空间等问题也不可回避，特别是在建筑研究中抽丝剥茧的细节把控上捉襟见肘。壁画建筑研究方式及技术手段的更新势在必行。

基于此，本文提出数字化再现与重构的研究新课题。在数字信息时代，沿梁思成、林徽因发现佛光寺之足迹，从数字化的视角重新审视敦煌壁画中古老的建筑信息，探讨敦煌壁画建筑研究的新起点。

三、敦煌壁画建筑数字化再现与重构的探索

基于对敦煌壁画建筑信息的解读与数字建构的分析，提出敦煌壁画建筑数字化再现与重构的研究方法，进而论述数字化再现与重构的方法及技术特性，探索实现途径，提出研究目标，总结其应用价值。

(一)敦煌壁画建筑信息解读与数字建构

1.基于信息论的敦煌壁画建筑信息源解码。敦煌壁画中的建筑图像包含众多建筑相关信息，而图像特性的归纳是信息源分析的基础。敦煌壁画中的建筑图像具有视觉性、动态性与综合性三大特性。视觉性是敦煌壁画中建筑信息可视化的直接体现，动态性是建筑信息生命周期活性的表征，综合性则是建筑信息多元表意的映射。依据敦煌壁画中建筑图像的三个特性，从信息论[注]信息论，由美国科学家克劳德·香农(Claude Shannon,1916-2001)提出。1946年，发表“A Math ematics Theory of Communication”一文，标志着信息论的起源。的角度出发，将敦煌壁画建筑对应分为三个维度信息，也是解读壁画建筑的三个视角，即形象维度(Visual) 信息、时空维度(Temporal-spatial) 信息以及意象维度(Image) 信息 (图2)。

图2 敦煌壁画建筑“建筑-信息论-信息维度”模型(作者绘制)

形象维度是从建筑类型学视角出发对壁画建筑信息的归类梳理，可分为佛教建筑、世俗建筑以及装饰性建筑等信息类别，每一类别又包含不同的建筑种类信息树，基本涵盖了建筑场景、建筑群体、建筑单体以及细部构造等多尺度古代建筑信息，其中也包括了一些鲜有记载的建筑类型，如壁画法华经变中有许多唐宋监狱形象[2]。时空维度是以建筑形态学为坐标对不同时间点与时间段内壁画建筑整体变迁、局部演变的动态过程分析。以中国传统木构架体系建筑中独有构件“斗拱”为例，其在敦煌壁画中绘制十分频繁且丰富，发展与演变的脉络清晰可寻，特别是一些唐代斗拱，既有斗拱演进的时间段信息，如初唐处于过渡期、盛唐迅速发展进入完全成熟期的发展轨迹，也包含了一些时间点上的新信息，如中唐已有双补间，盛唐出现斗拱四跳，逐跳计心，并多重拼等。意象维度是基于建筑现象学理论对壁画建筑显性与隐性信息的关联性探讨。如莫高窟85窟中的“里坊城”，便是源于唐长安、洛阳城中的108里坊原型，从这“天上人间”的意象信息中折射出中国古代城池布局及营建原则(表1)。

表1 敦煌壁画中建筑的“量空间-质等级”分析

注：量空间：大；中；小Quantity space: Large(L); Medium(M); Small(S);

质等级：高；中；初Quality class: Senior(S); Junior(J); Primary(P)

2.基于建筑信息模型的敦煌壁画建筑数字建构分析。建筑信息模型与其他三维建筑模型的最大不同在于其“信息与模型”的强大结合能力，而敦煌壁画建筑数字建构中逻辑需求在于“空间与数据“的内在统一。敦煌壁画建筑数字建构在于借助建筑信息建模将建筑师看到二维图像在脑海中生成的三维图像在电脑中呈现出来，这是数字化再现与重构的理论基础。依据敦煌壁画建筑信息的解读，从建筑信息建模角度对数字化建构分为三个层面。一，基于参数构件与数字组装的几何建构。中国古建筑的复杂结构以及古建筑中极具特色的榫卯结构决定了建筑信息建模以构件为单位、以装配为方式的三维空间搭建模式，通过几何建构生成不同尺度的形象建筑信息。二，基于时代周期动态演化的时间建构。建筑信息模型在原有的3D模型XYZ轴上，加入了时间轴，实现空间与时间的统一，记录敦煌壁画时空维度的建筑信息。三，基于多向度建筑描述的属性建构。建筑信息模型兼具物理属性与功能属性，物理属性可理解为几何特性，是数字化建构的第一个层次，而功能属性是基于对象非几何特性的描述，是数字化建构的第三个层次，建筑信息模型这种多维参数的特性可完成一种或多种特定建筑感知与认知信息的载入与调用，从而实现个人经验与场所氛围下敦煌壁画意象建筑信息的个体化表达(图3)。

图3 敦煌壁画建筑“建筑信息-数字建构”关联图谱(作者绘制)

(二)数字化再现与重构技术方法与实现途径

1.数字化再现与重构概述。信息技术与建筑遗产保护传承相结合，已经成为一个全球性的发展趋势。通过计算机、网络、大数据、软件等，可以为建筑遗产保护、研究、传承提供技术、工具支撑和研究新范式。数字化再现与重构是一项以数字建构和空间转译为核心，以实现敦煌壁画建筑形象化、信息化及视觉化呈现为目标的新技术方法，其逻辑内核在于实现从壁画图像到空间信息模型再到数字再生的二次转译，是一个逆向推导数据与正向设计建筑的综合过程，需要基于多维视野架构与组织整个流程，也需要从不同侧面出发动态把握分解、整合与再组合的具体环节，整个过程涵盖了空间策划、数据采集、信息解码、数字建构、建筑设计以及虚拟呈现等多个步骤。数字化再现与重构也是一项数字化集成技术，涉及数据库(Database)、三维建模(3D-Modeling)、虚拟现实增强现实及全息(Virtual Reality、Augmented Reality &Holography)、BIM协同平台(BIM-based collaborative platform)等多项技术的综合运用，为再现与重构过程中各步骤的有序组织及实现提供了技术保障。

2.数字化再现与重构技术框架。技术框架分为四个部分：

(1)建立敦煌壁画建筑的史料数据库。在壁画建筑的基础数据采集及后续研究中，积累了庞大的图像、文本资料，需要按照不同属性进行分类、标注、索引与检索，便于资料的收集、储存、转换与共享。

(2)完成敦煌壁画建筑的数字建构。构建建筑信息模型是数字建构的核心工作，运用数字技术整合壁画建筑的历史资料，解码壁画建筑多维信息，以数字再生为设计导向，生成敦煌壁画空间信息模型，为后续可视化展示奠定基础。

(3)实现敦煌壁画建筑的虚拟呈现。在完成史料数据库和数字建构的基础上，进行以信息模型为载体的成果展示，为学界开展相关研究提供技术途径。同时支持互动虚拟漫游，让公众也可以在虚拟场景中了解壁画建筑风貌，共享成果。

(4)实现敦煌壁画建筑的动态关联。经过对壁画建筑历史数据的逆向推导与壁画建筑正向设计，在模型中生成涵盖构件类型、尺寸、材质等参数图形单元，图形单元由数据驱动与参数控制，若某一参数发生改变，与之相关的所有构件都会随之更新，可根据设计、展示及营造的需要，方便、准确、快捷地导出基于信息关联的动态模型(组)，实现虚拟与现实的互动或交互设计。

3.数字化再现与重构研究目标。研究目标分为四个方面：

(1)搭建开放的数字化信息平台。研究首要目标在于全面系统地整合壁画建筑的历史资料和前辈学术研究成果，构建一个面向知识服务、具有学术公信力的开放数字化信息平台。介绍壁画建筑的相关历史知识，分享数字化再现与重构中的考据资料与设计依据，同时面向专家学者和公众征集信息和建议，开门搞研究，丰富敦煌壁画建筑研究层次，推进壁画建筑遗产保护的全面展开。

(2)探索数字技术在敦煌文物保护传承中的应用。敦煌壁画中有众多古建筑形象资料，涉及的建筑信息极为丰富。敦煌壁画建筑再现与重构是敦煌文物保护传承的创新课题，涉及到历史、建筑、艺术、物理、考古和计算机等多个领域，面临着对庞大文献资料和数据信息的甄别、整理和共享，以及对研究成果的保存、查询和展示。数字化再现与重构在统筹信息存储与处理的架构上，集合多种数字技术的综合运用，为敦煌文物保护传承研究中的技术应用提供了新思路。

(3)指导敦煌壁画建筑的落地再生。从装配过程、技术和工艺流程的分析出发，以空间信息模型为蓝本生成虚拟三维建造模型，经过对建造过程的模拟优化和不同方案的预演比对，生成直观、精确反映壁画建筑营建过程的动态关联三建造信息模型，指导后续壁画建筑的落地再生。

(4)实现前辈的研究心愿。纵观敦煌壁画建筑研究的历史，以梁思成为代表的中国古建筑学人对其倾注了极大的热情与心血，完成了一项项研究成果。而如何直观的再现敦煌壁画中这些形象化的建筑素材一直是前辈学者们的共同夙愿，但由于研究视角和技术条件的限制，实景再现敦煌壁画建筑一直面临着学术争议和技术难题，致使这一愿景仍悬而未决。随着BIM、动画漫游、视觉模拟等技术的介入，数字再生敦煌壁画中的建筑，逼真游走在古代建筑之间，有针对性加载建筑历史信息等需求将逐步成为可能。同时，事业后继有人是老一代学人的一致心愿。通过敦煌壁画建筑数字化重构与再现研究，引起专家学者的关注，盼有更多的年轻学者致力于此项研究，催生多样化研究成果。

(三)敦煌壁画建筑数字化再现与重构的研究价值

1.建筑史研究方面。在中国建筑史研究中，对于缺乏建筑实物遗存的历史时期，很大程度上需要借助历史图像去认知那个时代的建筑，以古代壁画素材来研究中国古代建筑与城市风貌，已成为建筑史研究的一项重要方法。目前由于在图像采集质量、信息数据精度、批量材料处理速度等方面的水平层次不齐，敦煌壁画宝贵资源的利用率并不高，未发挥出其应有的史学价值，以敦煌壁画为素材的建筑史学研究基本无法开展定量研究和较深层次的定性比对研究，这在一定程度上制约了建筑断代、风格演变以及建筑形制领域的成果涌现与潜力挖掘。信息时代下，基于实景再现的敦煌壁画建筑研究可实现建筑形态、空间结构的科学、细致分析，大大推动以敦煌壁画建筑为素材的建筑史学研究进程。

2.建筑设计实践活动方面。历史建筑的复原设计是一项基于建筑史理论知识的综合性建筑实践活动。其依据往往依赖于古代建筑画作、古籍文献记录、古代营造工法以及参照同时期建筑遗迹等，而其中建筑画是十分珍贵的参考资料。敦煌壁画中的建筑画包括了建筑布局、形制、结构、材料和装饰等多个部分，涵盖了复原过程的所有内容，是一个直观的复原参照“图样集”。通过对敦煌壁画中建筑物的数字化再现与重构来指导古建筑的复原设计并利用虚拟模型的三维信息量化比对设计数据，具有现实实践意义。除此之外，敦煌壁画中含有的丰富图像意向，借助数字技术解开其中的奥秘，启发现代建筑设计，丰富建筑创作来源，也是一项新的内容。

3.建筑技艺研究方面。敦煌壁画中的建筑图像在反映大千建筑形象之余，也透出古代构造工艺之精巧，中国建筑之大美。中国古代建筑以木构架为主，其艺术特性是木结构建造风格的集中呈现，也是技术工艺的直接体现，这种技术与艺术的统一性在敦煌壁画建筑中随处可寻。如通壁经变画中的宫殿楼阁、水榭亭台，其细节处梁、柱、枋及斗拱等大木作的合理比例与穿插关系，便折射出点、线、面的构成之美，也体现了技术力与空间美的融合统一。然而，由于壁画图像在空间表现上的空洞与寂寥，使得基于壁画图像的建筑技艺研究在建筑体量及细部研究上后劲不足、层次单一。数字化再现与重构通过数字技术的集成应用可实现二维建筑图像到三维建筑空间的精细化展示与数据集成，有助于研究内涵的挖掘与层次的细化。

建筑史断代(1)建筑风格演变(1)建筑形制(1)建筑木构体系(1)建筑复原设计(2)建筑创作(2)建筑技艺(3)提高效率√√√√内容更新√√√√深化层次√√√

表2新语境下敦煌壁画建筑研究价值分析图

综上所述，基于数字化再现与重构的敦煌壁画建筑研究，在内容上、方式上以及学术应用上都带来一些新的价值。借助数字化集成技术，其在推动建筑史学研究进程，开拓建筑实践新领域，深化建筑技艺研究内涵，丰富建筑学学科园地等方面将发挥一定效力(表2)，且孕育着一种新的科学化研究范式。

四、结论与展望

中国是一个历史悠久的文明古国，很多建筑文化遗产在漫长的历史岁月中逐渐消失，后人无法身临其境感觉其辉煌，只能在画卷、诗歌、古文和历史资料中品味其雄威恢宏。敦煌壁画建筑就是典型代表，45000多平米敦煌壁画中所绘的建筑形象资料数以万计，时间跨度前后近千年，涉及的建筑类型也极为丰富，却都只能止步于大脑的理解与想象中。基于此，本研究提出数字化再现与重构的研究新视角，探索敦煌壁画建筑视觉时空表达新媒介，在深化数字技术发展中，逐步建立壁画建筑技术应用体系，丰富建筑遗产保护传承的方法范式。同时，敦煌壁画建筑数字化再现与重构研究是现代科学技术与历史建筑文化的一次交融碰撞，将促使信息科学、文物科学与建筑科学的交叉融合，催生新的研究方向。

附记：感谢敦煌研究院对本研究的指导与支持！