信息技术在建筑遗产保护与再利用中的应用研究

贾 泽 慧

(天津美术学院,天津 300143)

1 概述

建筑遗产是城市发展的见证，是城市文化的灵魂，是城市特色的根基。建筑遗产所承载的不仅是居住者和使用者的柴米油盐、点滴日常，更是城市从古至今的人文荟萃、历史过往。保护建筑遗产就是捍卫城市风貌，延续历史建筑的光芒才能让城市文化的底蕴生生不息。破坏的建筑遗产是不可再生的，这意味着建筑遗产一旦消失后便只能通过文字或图片去了解，再无法深切感知其存在。然而，由于城市的不断建设与扩张以及人们对于历史文化的不够重视，建筑遗产的保护与发展正在遭受前所未有的考验。

2 建筑遗产生存现状

对于城市的发展建设而言，部分建筑遗产的历史文化背景堪比城市“名片”，因而经济效益便成为其被关注的重要方向，这导致了对建筑遗产的过度开发和不当利用。不仅如此，建筑遗产自身的结构老化和功能退化也是影响建筑遗产生存的严重问题。

2.1 过度开发的建筑遗产

一直以来，我国的建筑遗产便存在着过度使用和不当开发的现象。如安徽的宏村和西递村，古老的村庄早已被林立的商铺打破了宁静，粉墙黛瓦旁也坐满了前来采风的学生和游客，每年十月份的喧闹匆匆而过后，只有满地的垃圾和日益老化的建筑相依在风中萧瑟。又如平遥古城，初见古城，除了被历史悠久的城墙所吸引外，其“明清一条街”也是各个导游口中不可不去的地方。而这样的商业街，在无锡也有一条，甚至其所具备的商铺、所售卖的商品竟然也大同小异，观赏过后没有欣喜反而只剩下无尽的唏嘘。这样的不当开发，让古城失去了特色，也让地域文化没有了灵魂。而丽江古城、北京故宫等世界级建筑遗产，因“旅游业过度开发，遗产地不堪重负”，更是直接被世界遗产大会亮了“黄牌”。把建筑遗产当做经济收益的摇钱树，对其进行超负荷的利用，乃至超过了本身的承载能力，加速了建筑遗产本体的老化程度，严重破坏了其周边环境，只会导致无法挽回的后果。

2.2 经久失修的建筑遗产

随着时间的发展，建筑遗产出现了许多问题，如建筑结构的损坏问题。以应县木塔为例，应县木塔是我国现存传统木结构古代建筑中结构最宏伟、高度最高、体量最大、年代最久远的建筑遗产。也是现存木结构中存在安全风险最大的一处，如木结构的倾斜、位移、构件损坏、材料风化等病害[1]，使得这座建于辽代的名塔岌岌可危。此外，建筑遗产中存在许多具有居住功能的建筑，其中相当一部分还处在使用中，但是其功能已无法满足现代人的需求，为了更加便于使用，居住者私搭私建了其他建筑，导致古色古香的建筑旁立着彩钢板建造的小房子，建筑遗产的原本风貌遭受了很大破坏。

3 现有建筑遗产保护方式

现有的建筑遗产保护和再利用的方式主要有建筑实物修复和3D打印建筑模型两种。

建筑物实体修复是在现有建筑遗产保护中应用最多的一种，其主要措施是投入高标准、高质量的材料以及充足的人力和物力，按照“修旧如故”的方式，尽量使用原材料、原工艺来进行。这样的保护方式基本做到了对建筑遗产的保护，但是投入巨大，耗资无数，并且经由此方式保护修缮的建筑遗产往往会呈现两种极端情况：第一种是建筑遗产极度商业化，如北京智珠寺在进行修复后，修复方秉持着“谁修复，谁受益”的原则，将修复后的智珠寺作为高档酒店使用，导致智珠寺外部虽维持原貌，但内部空间结构布局早已被严重破坏，其所承载的多个时期的历史记忆被抹去，建筑本身的历史感和厚重感荡然无存，古老的建筑成了一个“徒有其表”的空架子。第二种是建筑遗产冷冻化。部分正在使用的建筑遗产经修复后，由于担心再次破坏，被静态冷冻式保存起来，与使用者的正常生活严重分离，将建筑遗产的价值抹杀得只剩下历史意义而失去了人文光彩。

3D打印技术在近些年来也成为了建筑遗产复原保护的热门方式。3D打印技术是通过特定机器层层叠加材料的方式实现的，具备快速形成建筑遗产模型、易于保存等优点。但是，就目前而言，受3D打印机台面的限制，打印时需要将模型进行分块处理，成型后再进行拼接安装，这就导致了其创建的建筑遗产模型精度不足。另外，3D打印只能使用特定材料，而建筑遗产常见材料如木材、石材却无法使用，因而对建筑遗产的质感和色彩方面的真实还原还是存在一定问题。

4 国内外优秀案例研究

采用信息技术保护和再利用建筑遗产在国内外早已被广泛关注并进行了相关实践，意大利虚拟重建庞贝古城项目以及我国清华大学郭黛姮教授团队所进行的三维复原圆明园项目皆有一定成果，在保护与再利用建筑遗产领域有率先垂范之功。

4.1 庞贝古城的虚拟复原

公元79年，庞贝古城被火山喷发出来的熔岩一瞬间吞噬，浓浓的黑烟夹杂着滚烫的火山灰，铺天盖地的降落到这座城市，这里所有的繁华与富庶、奢靡与美丽均化为乌有，庞贝消失了……直到1876年，科学家们循着蛛丝马迹一点点的发掘，才慢慢将庞贝的残骸再现于世人面前。

2010年瑞典隆德大学的研究团队开始着手进行庞贝古城的虚拟复原工作。隆德大学的研究人员利用计算机FARO 3D扫描技术收集古城大量的视觉数据来创建建筑物，并使用专业软件将数据进行网格化处理，再通过在计算机中输入颜色来增强生成的多边形结构形成影像，然后将处理后的数字照片添加到三维模型中以增强墙壁和地板的外观，从而创建更易识别的三维可视化效果，达到虚拟复原庞贝古城的目的。通过以上方式，该团队已完成对庞贝古城多个建筑物的复原，得益于信息技术，古老而光辉的庞贝古城得以详细又清晰的重现于人们面前。

4.2 圆明园的三维重现

圆明园是清王朝鼎盛时期的产物，是其存留下来的宝贵建筑遗产，被称为“无上之园”“万园之园”，可惜在经过鸦片战争后面目全非。改革开放以来，国家在实体修复圆明园方面做了无数努力且花费巨大，但是基于种种原因，许多建筑和文物并不能完全恢复原貌。

基于此种状况，清华大学郭黛姮教授带领她的团队采用计算机技术对圆明园展开了研究。经过十几年的努力，精准数字复原景区已超过全园景区总量的60%。这些由信息技术复原的景区可以通过“虚拟现实”圆明园移动导览系统和圆明园虚拟游园系统[2]展现在人们面前，以上系统将海量数据、定位系统、导航系统、音频系统综合为一体，让人们可以只花几十元便欣赏圆明园盛景。得益于计算机技术，那些精美的梁、斗拱、柱、椽子、门窗才有机会再获新生。

信息技术的迅猛前进为建筑遗产的保护与再利用提供了技术支撑和探索更新领域的机会。国内外所使用信息三维虚拟复原技术探索建筑遗产保护领域案例的成功都表明了通过信息技术来保护和再利用建筑遗产的可能性，信息技术与建筑领域的交汇已成为建筑遗产保护和再利用的题中应有之义。可见，在数字化高度发达的当今，对于历史建筑无论是学术研究、知识获取甚至文化旅游等，就其信息承载的手段，都昭示着与时代趋势相对应的新方式。

5 信息技术参与建筑遗产保护和再利用

通过研究国内外建筑保护的案例、对比现有保护建筑遗产方式的不足之处可以发现，保护建筑遗产可以让信息技术参与其中。这里所采用的参与方式主要是三维仿真虚拟现实技术和互联网技术。

5.1 三维仿真虚拟现实技术

三维仿真虚拟现实技术具有真实性、互动性、故事性等特点，不仅能够将建筑遗产的各个细节完美重现，还可以让使用者与建筑遗产进行互动，通过音乐、材质、色彩和空间的变换营造身临其境的体验，采用三维仿真虚拟现实技术来保护和再利用建筑遗产，可以通过以下几个步骤来进行：

第一步是调研所要保护和再利用的建筑遗产、建筑遗产所在街区，以此来了解建筑遗产的历史背景信息，主要有拍摄建筑照片、测量尺寸、分析结构等。详实而系统的资料是成功的保护措施的基础。接下来分析调研结果，对选定建筑遗产的相关数据信息归纳整理，并使用Computer Aided Design(CAD)软件等二维矢量绘图软件绘制建筑遗产的平面、立面以及剖面图稿。

第二步是将建筑遗产的平、立、剖面图导入3DMax，Sketch Up等三维建模软件中，按照准确数据，结合先前调研所得信息创建三维模型。模型需包括建筑遗产主体、建筑遗产所在街道其他建筑、建筑遗产所在街道街区场景及人、车、物等配景，所创建的模型需要最大程度还原建筑遗产形象，保证真实性。

第三步是运用虚拟现实技术(Virtual Reality)、增强现实技术(Augmented Reality)或者全系投影技术，对建筑遗产及其相关三维模型进行表达展现。虚拟现实技术可以将之前创建的三维模型进行连接，形成闭合画面以达到给予观赏者沉浸式体验的目的。增强现实技术可以将三维模型与建筑遗产本体进行“无缝”集成，使虚拟的场景和真实的建筑实时叠加，给使用者以“虚实相间”“亦真亦幻”的体验感受，并且增强现实技术还可以将气味和触觉加入到场景中，使建筑遗产的形象更加立体而鲜明，回溯历史的过程更加完整。全息投影技术可以让使用者与建筑遗产进行互动，将全息投影技术应用于建筑遗产保护和再利用中，可以不穿戴设备便直接观看。通过全息投影技术，使用者可以通过一些简单的步骤来更加深入的了解建筑遗产。全息投影技术在建筑遗产领域中的应用不仅是观赏，还可以用作教育，建筑学习者可以通过全息投影技术更方便的学习建筑遗产的外观及内部的设计细节。使用VR，AR，全息投影等计算机技术来保护和再利用建筑遗产，可以在不伤害建筑遗产本体的前提下拉近建筑遗产与观赏者之间的距离，让建筑遗产不再是“高岭之花”，人人皆可了解建筑遗产、人人皆可了解建筑遗产所代表的历史文化和时代记忆。

最后一步也是贯穿于整个三维仿真虚拟现实技术保护和再利用建筑遗产的过程中的一步是使用建筑全信息化模型(BIM)技术对以上三个步骤的成果进行检验。BIM技术在建筑遗产保护领域的应用主要在分析建筑遗产现状，快速收集建筑遗产相关信息，将建筑遗产数据可视化，并且精确计算修复建筑遗产材料用量等方面[3]。在前期分析中，BIM技术可以传达、保存及管理建筑遗产的相关信息；在模型创建中，BIM技术可以对建筑遗产的各个构件和细节进行分析并检验建模数据的精确性；在表达展示中，BIM技术可以建立参数信息库，为相似情况的建筑遗产的保护和再利用提供数据参考。

综上所述，使用三维仿真虚拟现实技术对建筑遗产进行保护和再利用，主要是按照收集数据、建立模型、成像展示这几个步骤来进行的，而BIM技术贯穿其中。以上步骤在建筑遗产保护和再利用的过程中环环相扣，建筑遗产模型的清晰展示，人景交融的互动体验以及对于建筑遗产信息的全方位把控，共同构成了信息技术在建筑遗产保护领域参与的应用媒介链。

5.2 互联网技术

互联网时代的建筑遗产保护可以通过以下两种方式来进行：

第一种方式是借鉴“智慧城市”的做法，在建筑遗产中嵌入传感器来对其信息进行感知、传输、集成共享、分析处理，以便于能够更加精细化的进行建筑遗产保护，在整个过程中可以及时反映状况、解决问题，让新时代的建筑遗产保护和发展富有智慧性。

第二种方式是利用互联网能够覆盖手机、电脑等设备的特性，引入建筑遗产应用软件。基于手机和电脑等移动端对于建筑遗产的展示能够呈现多种形式，人们可以通过应用软件来实时了解建筑遗产所包含的历史信息、保护现状以及未来发展的相关介绍，并且提供多种附加功能，如建筑遗产的周边购买、以建筑遗产为主题的自我创作等。此外，移动端的设计可以让使用者打破时空的界限，无需花费大量时间亲临实地的观赏，即便是相隔遥远也可以即时“游览”建筑遗产。

由此可见，在万物互联的时代背景下，在建筑遗产保护和再利用的过程中，互联网的参与可以使保护和再利用的方式更加具有智慧性和灵活性。

5.3 虚拟旅游

综合使用三维仿真虚拟现实技术和互联网技术，可以带动虚拟旅游的发展。所谓虚拟旅游，指的是以建筑遗产实体为依托，互联网为传播渠道，利用三维仿真虚拟现实技术达成虚拟仿真环境给人以与真实旅游相似体验的活动方式。

虚拟旅游的历史由来已久，自1995年Hobson和Willams提到“虚拟旅游”一词开始，一系列虚拟旅游的探索和尝试接连而来，就我国来讲，无论是2008年故宫举办的“超越时空的紫禁城”，还是2009年出现的“全景客”网站，以及2014年的虚拟敦煌莫高窟[4]都昭示了通过虚拟旅游来保护和再利用建筑遗产的可行性。

在建筑遗产的保护和再利用中引入“虚拟旅游”的方式，可以这样进行：首先是对建筑遗产及其所在地的语言符号和背景信息的整理及分析，以此来为虚拟旅游提供真实的历史感和完整的故事线，以及详实的三维建模数据。然后是采用三维仿真虚拟现实技术对建筑遗产进行虚拟现实化表达，准确把控建筑遗产自身的材质、纹理、尺度、结构、空间以达到三维场景对于历史场景的还原性。另外，三维仿真虚拟现实技术还需与游客进行互动，单一的观看行为与传统实地旅游能够提供的服务大同小异，而互动性的加入则提高了整个虚拟旅游过程的趣味性和沉浸感。游客通过穿戴特定装备形成人体感应，可以在虚拟场景中对建筑遗产的细节近距离观察、对兴趣所在之处进行虚拟创作并实时记录等。最后是虚拟旅游方式的传播和参与，这是通过互联网来实现的，将三维仿真虚拟现实成果进行数据整合后集成于一体并上传至互联网平台进行传播，提供多种参与方式如扫描二维码、安装应用程序、访问网站等，让游客只需简单操作便可开始自己的虚拟观光之旅。

虚拟旅游业与其说是新型的旅游方式，更像是对传统实地旅游的补充，在实地旅游中，由于建筑遗产的地处偏远和承载能力有限、游客收入不足和身体机能限制、旅游交通条件堪忧等各种问题阻碍了建筑遗产旅游业的发展，而在互联网技术和三维仿真虚拟现实技术支持的虚拟旅游中，这些困难将迎刃而解，建筑遗产的光芒将被人们所看见。

6 结语

信息技术的日益精进，各种以数字信息技术为基础的产品、设备甚至新兴专业应运而生，不论是三维仿真虚拟现实技术还是互联网技术在建筑遗产的保护和再利用中都占有一席之地。通过信息技术保护与再利用建筑遗产，不仅可以在物质层面保护其不受伤害，而且可以在社会层面进行跨越时间与空间的传播，让世界各地的建筑遗产都可以被看见，让“石头书籍”会说话，让人类文明的火种不会被熄灭，让淹没于浩瀚星河的历史之光得以重燃。