天津历史风貌建筑数字化保护研究及应用推广

摘要：伴随“网络强国”“数字中国”“智慧社会”的推进，建筑业的信息化变革不断深入，推动历史风貌建筑保护与现代科技的创新融合，提高文化遗产保护的科技水平成为迫切需求。以段祺瑞旧居修缮为例，采取“校企合作”方式，探索三维激光扫描技术、BIM技术及云平台相结合的数字化保护在历史风貌建筑保护中的实践应用，并在此基础上进一步探讨天津历史风貌建筑数字化保护模式及推广应用。

关键词：历史风貌建筑;数字化;三维激光扫描技术;BIM技术;云平台

中图分类号：F293.33 文献标识码：A

文章编号：1001-9138-（2021）04-0068-72 收稿日期：2021-03-05

作者简介：苑娜，天津国土资源和房屋职业学院讲师。

党的十九大报告中明确提出：要“加强文物保护利用和文化遗产保护传承”。在“十三五”期间，建筑业数字化、网络化、智能化取得突破性进展，初步建成一体化行业监管和服务平台，数据资源利用水平和信息服务能力明显提升。天津拥有大量风格多样的历史风貌建筑，是天津城市特色的主要特征和宝贵的文化资源，亦在我国近代史中具有较高的历史价值。推动历史风貌建筑保护与现代科技的创新融合，提高文化遗产保护的科技水平成为目前历史风貌建筑保护的迫切需求。

1 项目概况

段祺瑞旧居位于天津市鞍山道38号，是一座3层砖木结构的西洋建筑，具有很强的欧洲庭院式古典建筑风格，是当时日租界最豪华的私人公馆之一，也是段祺瑞一生几经沉浮的传奇见证。因其具有较高的历史、艺术、科学和史料价值，被列为天津市重点保护历史风貌建筑和天津市文物保护单位。1976年地震后损毁较为严重，拆除了坡屋顶式3层建筑及八角凉亭之后作为天津市和平区教师进修学校，因办公需要，重新加建了简易3层房屋，并在外檐处加装了抗震柱和圈梁，如图1所示。

基于段祺瑞旧居较高的保护价值，以及天津历史风貌建筑数字化保护的需要，项目实施中充分发挥产学研深度融合，建设单位联合专业院校以及掌握先进技术的企业，在段祺瑞旧居保护修缮全过程中应用三维激光扫描技术、无人机倾斜摄影技术以及BIM技术等先进技术，实现了数字化保护在历史风貌建筑保护中的实践应用。

2 数字化保护实施

2.1 数字化信息采集与处理

三维激光扫描技术和摄影测量技术是获取三维坐标的主要方式。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度的立体扫描技术，三维激光扫描仪无需棱镜，直接可以获取物体表面的三维点云数据，在特殊的危险环境中发挥着很大的作用，在古建筑测绘中可以降低二次伤害，具有非接触性测量、数据采样率高、高分辨率、高精度、实时性、动态性、主动性等特点。摄影测量技术分为近景摄影测量技术和航空摄影测量技术，近景摄影测量技术主要应用于非地形摄影测量，而航空摄影测量主要应用于地形摄影测量。随着数字算法和计算机技术的发展，尤其是数字摄影技术及相关计算软件的成熟，摄影测量技术已全面发展为数字摄影测量。

项目中通过三维激光扫描仪及无人机倾斜摄影协同作业，真实记录了段祺瑞旧居修缮前、修缮中及修缮后的数字信息，并将信息云端展示，扫描二维码就可以实时查看。实现历史风貌建筑信息高精度采集和处理，不仅为现阶段的修缮保护提供确凿数据，更为后续的保护工作提供数字档案，避免了今后因信息丢失而无法保证原真性修复情况，如图2所示。

2.2 数字化信息模型

BIM技术的应用，直接导致了工程建设范围的第二次数字革命。BIM技术不仅加速发展了建筑业现有的技术水平，而且间接改善了组织和管理模式，同时对人们思维模式的转变产生了较为深远的影响。BIM技术与历史风貌建筑保护的结合可以有效地记录、组织、跟踪历史风貌建筑生命周期中的相关信息，通过历史风貌建筑信息模型，实现三维模型的浏览、施工进度跟踪、信息存储和管理及重点方案模拟等。

项目中利用BIM核心软件Revit平台建立了数字化信息模型。基于段祺瑞旧居现状测绘图纸，建立了现状BIM模型，结合修缮设计方案，建立了修缮设计BIM模型，并结合现状和设计模型，对设计方案进行优化。修缮设计中，将地下室改为设备层，集中布置了设备管线，但地下室层高有限，为了尽可能减少对原有建筑的破坏，不采取下挖的方式增加层高，如何在有限的层高内优化布置管线，得到最大的室内净高成为需要解决的重点。利用BIM模型很好地实现了管线碰撞的检测和优化设计。施工过程中利用BIM模型的参数化编辑和联动修改，极大地提高了修缮工作的高效准确性。同时，完善的信息记录还为后期的维护运营提供强大的信息平台，如图3所示。

2.3 数字化成果管理与应用

未来便于信息存储、查看及推广，以段祺瑞旧居为基础建立了天津历史风貌建筑数字化保护云平台，云平台存储了段祺瑞旧居修缮项目的所有信息。既包括全景及VR展示、正射及分析展示、视频展示、修缮展示等可以对外展示宣传的内容，又包含了测绘图纸、设计图纸、扫描文件、BIM模型、修缮实录等原始文件，供工程修缮相关人员参考查阅。全景及VR展示中包含不同阶段的三维扫描数据制作全景照片和VR视频，正射及分析展示中是基于三维扫描数据的正射影像和分析报告，视频展示中包含点云漫游、拆改动画、扫描影像、BIM模型等视频展示，这些视频和数据都可以实现扫码在线查看，既便于修缮工程相关人员查阅交流，又可以向公众随时展示工程进度。测绘图纸等原始文件因其专业性不适合对外展示，则设置访问权限，仅供相关人员查阅。云平台既是工作管理平台又是信息分享平台，实现了数字化的成果管理与应用。

3 应用模式推广

“原真性”是历史风貌建筑保护的重要原则之一，而原真性的最重要方面就是历史信息的真实性，因此历史风貌建筑保护工作的主旨是掌握其“灵魂”——历史风貌建筑信息。历史风貌建筑的信息不仅包含过去及现状信息，而且还会随着社会持续发展，不断增加使用、检测、管理以及保护等多方面的信息。只有全面、系统、真实地将这些相互联系的新旧信息予以记录及分析，才能够实现历史信息的传承，将历史风貌建筑的真实性完美诠释。在段祺瑞旧居数字化保护过程中，工作重点就是信息的数字化。三维激光扫描技术以及无人机倾斜摄影技术等先进技术的应用，实现了信息的数字化采集和处理，应用BIM技术建立数字化的信息模型，实现参数化设计和信息的联动。云平臺的搭建实现了信息的数字化管理与应用。

数字化不仅是技术手段的应用，更多的是对于传统保护思维和管理模式的转变。在段祺瑞旧居数字化保护的基础上，进一步探讨了天津历史风貌建筑数字化保护模式及推广应用。该模式从数字化信息采集与处理入手，建立数字化信息模型，并借助云平台实现数字化的成果管理与应用，使得历史风貌建筑的保护与智能化、云计算、大数据、物联网等信息技术相集成，推进风貌建筑保护数字化、网络化、智能化突破性进展。同时，以天津国土资源和房屋职业学院（以下简称学院）为主体，成立历史风貌建筑数字化保护协同创新中心，充分发挥学院、保护单位和企业多方合作优势，开展“产学研”一体化研究，加大专业人才的培养，实现历史风貌建筑数字化保护的深入持续和推广普及，如图4所示。

历史风貌建筑数字化保护模式中，BIM技术、三维激光扫描技术以及无人机倾斜摄影技术等先进技术的应用耦合党的十九大报告中提到的突出共性技术、前沿引领技术、现代工程技术的要求，云平台的建立耦合党的十九大报告中建设“网络强国”“数字中国”“智慧社会”的要求，数字协同创新中心的建立耦合党的十九大报告中“建立以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系”的要求。模式中云平台的建设实现历史风貌建筑保护全寿命周期的信息记录、传递、共享，在提高保护工作的准确度和效率之外，将历史风貌建筑本身及其保护工作更好地展示宣传，既可提高人们对历史风貌建筑的保护意识，又可实现优秀传统文化和技艺的传承。如图5所示。

4 结语

伴随建筑业信息化的推进以及建筑遗产保护的发展，数字化保护成为历史风貌建筑保护的最好方法，也是必然方法，但是实现的过程还需要保护观念的转变、数字技术的完善、复合专业人才的培养、项目多方的协同合作以及物力财力的持续投入。相信随着数字化保护的不断推广和深入，历史风貌建筑可以更好地被保护，优秀的文化遗产可以更好地被利用和传承。

参考文献：

1.傅建华 李琦琳 孔晖.关于天津历史风貌建筑保护机制的探索.2011年既有建筑改造技术交流研讨会.2011.04

2.苑娜 郭峰 张建光.基于全生命周期的历史风貌建筑数字保护研究——以段祺瑞旧居修缮为例.重庆建筑.2018.07

3.石越 青木信夫 徐蘇斌 等.BIM技术在历史建筑信息采集中的应用——以黄海化学工业研究社为例.建筑与文化.2014.07

4.邢亮.BIM技术在历史建筑保护中的应用研究——以长地质学院教学楼保护为例.吉林建筑大学.2017

5.李舒静.信息化测绘背景下基于BIM技术的建筑遗产信息采集与表达.天津大学.2014