引入BIM技术的古建筑数字化保护研究——以凤阳明鼓楼、明皇陵为例

郭豪，周玉佳，陈洪杨，于皓，金星雨，桑李云

（安徽科技学院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

在中国的历史发展过程中，许多宝贵的物质和精神文化得到了保存，成为中国文明发展的见证人和记录者，其中最明显的是各种古建筑。因此，加强古建筑的保护是我们要解决的主要问题。然而，与国外相比，我国历史保护的发展仍然较晚，工作中还存在许多不足。一些古建筑遭到严重破坏甚至拆除，导致我国许多珍贵的文化遗产永久丧失，成为不可挽回的损失。

2 明鼓楼、明皇陵概述

明鼓楼始建于洪武八年（1375年）。它位于凤阳县以东，是城区的重要建筑组成部分。鼓楼由桥台和建筑组成。明朝末年，鼓楼成为中国最高的建筑，它的结构、方向与其他鼓楼不同，形成了自己的特点。平台底座上有九座建筑，“三层檐，百尺建筑，高耸于翼，无尘”。鼓楼曾在文化大革命时期受到了严重的破坏，通过政府部门的大力营救才使其恢复了原有的外观。

明皇陵建于元武二十六年，位于凤阳县以南7公里处，它是朱元璋为其父母所建造的坟墓。随着时间的推移，风雨的侵蚀和人为的破坏，明陵几乎成了废墟。目前，仅留下墓碑，石人，石兽，石柱等，但它们均被破坏。皇家陵墓是众多陵墓的代表，其代表了当时的最高等级。由于建筑时代问题，明代墓葬建设较晚。其地面遗迹保存较为完好，为建筑学、考古学、历史学、等相关专业领域的研究提供了极大的便利，充分利用这些文化遗产，将其建设成景点也是城市发展的必由之路。

图1 明鼓楼

图2 明皇陵

3 明鼓楼、明皇陵建筑保护现状分析

经过5000年的洗礼，中国留下了数千处历史文化和历史遗迹。这些古建筑见证了世代相传的历史变迁，承载了中国数千年的历史文化，近年来，由于人为对自然的严重开采以及气候与环境的变化，导致发生了一系列的自然灾害，如酸雨和洪水。此外，人为的破坏对明鼓楼、明皇陵等古建筑造成了巨大的损伤。可以说，明鼓楼、明皇陵已经面目全非，就连大部分的古建筑也已严重损坏，难以进行修复。从明朝开始，明朝的陵墓就保存完好，不断进行修缮。1982年，明陵被列为重点文物保护单位后，一些遗址和文物得到了保护和修复。但在2003年，淮河被洪水淹没，明陵再次遭受自然灾害。由于地势低洼，排水渠道狭窄，陵墓发生了严重的涝灾。神社和石像在水中浸泡多日，造成了严重的侵蚀。当地文物保护部门却因资金不足而束手无策。其过去的建筑风格，我们只能从明陵的修复开始幻想，如何科学有效地保护明皇陵、明鼓楼这些古建筑，恢复其原始的历史风貌是当务之急。明鼓楼、明皇陵据我们调查其建筑信息主要有以下几种存储方式，然而，这些存储的建筑图纸并不能完全反映建筑的真实面貌，而且由于其历史悠久，存储的数据也不是很全面。如果我们用图像记录历史建筑，虽然给人一种直观的感觉，但并不能真正反映其实际大小，也不能直接获得。

图3 明鼓楼风化图

图4 明皇陵雕像风化图

而面对一些老旧建筑，虽然有图像、音频、视频资料，但事实上关于它们的文案记录非常少，所以不可能还原它们的真实面貌，因为修复工作极其困难，信息数据不完整。面对这些困难，运用现代信息技术保护和继承这些具有重要历史价值的古建筑具有重要意义。

4 BIM数字化技术在文物和古建筑保护中的作用及意义

因上述信息收集方法的局限性，收集一些文化遗产建筑信息时引入BIM数字建模技术的优势显而易见。掌握了古建筑的信息后，我们可以使用软件在计算机上模拟其形状并记录其实际大小。但是，它的应用在国外相对成熟。我国仍处于起步阶段，与国外相比仍然差距很大。但西方先进的应用理念和理论知识值得学习，对我国古建筑和古文化的保护和传承具有深刻的指导意义。二维形式不能充分体现建筑的特点，但因自然和人的长期客观影响，对建筑造成的破坏，使得文物建筑的表面和内部空间规模发生了不规则的变化，很难进行三维建模，BIM技术可以根据古建筑和文物的实际规模，以1：1的比例重现古建筑的仿真模型。同时，它还可以整合古代建筑的实体并显示它们所具有的历史信息。

通过BIM数据平台，可以方便地保护和管理文物，并可以获取实时数据，方便将来对古建筑的维护和维修。

5 凤阳鼓楼明皇陵的BIM数字化建模流程分析

那么，如何基于BIM技术对明鼓楼和明皇陵进行数字化保护呢？简而言之，根据现场勘测和扫描技术，生成鼓楼和皇陵的地表点云数据，并将收集到的点云数据保存在数据库中，然后导入到REVIT软件中，为三维模型的建立提供数据上参考。另外，根据明鼓楼、明皇陵的保护要求，在软件中设置相应的建筑属性信息，比如模型年代信息、运用的材料和破坏程度，当前保存状态或表面状况等。模型完成后，还可以将建筑物的实际测量和制图或照片，或相关的历史文件、维修记录、周围环境特征信息以及管理部门信息输入到虚拟模型中。最后将收集到的历史图像数据导入其中，以构建出一个完整的虚拟古代建筑场景，并建立一个共享的可视化和交互式信息平台。这不仅为工作人员了解古建筑、执行动态更新维护提供了方便，而且对文物古建筑的保护和历史价值的传承具有非常重要的参考价值。接下来进行数字技术还原，以凤阳明鼓楼、明皇陵为例。

5.1 图片采集及草图绘制

这一步操作比较简单，主要是获取非数据信息。根据传统古建筑测绘的经验，在凤阳实地调查时收集大量有关明鼓楼明皇陵的图片信息，图片信息可以明确记录了其材质和局部结构外形(屋檐、栏杆等复杂结构)，可为后期建模提供参考。对于复杂的组件，拍摄后需要用软件进行裁剪，突出关键的建模部分进行保存，以便进行建模。鼓楼和明皇陵属于破损较为严重的建筑物，在这种情况下，破损部分需要通过已有部分进行类比来进行修复与还原。因此，图片采集工作尤为重要，能否采集到有参考价值的图片，直接关系到复原结果的准确性。除了拍照，还要画草图，包括鼓楼和皇陵的平面图和梁柱结构图。这一步骤没有涉及数据,但对建筑从整体外观到局部细节进行了系统的记录。

5.2 实地数据勘测及数据整理

文物古建筑信息的收集分为物理空间信息和历史文化信息两类。空间信息是指古建筑的具体形状、大小、大小和朝向。历史文化信息，包括古建筑使用的材料和结构构造方法、建筑的年代、人文特征、区域文化以及当时的科学价值观。空间信息则是通过现代电子技术进行采集的，可以快速生成文物古建筑的表面上的各个点的云数据信息。在获得所需的地表点云数据之后，将收集到的数据进行整合和处理，为准确地构建文物和古建筑3D模型做前期准备。

这一步骤可以看作对上一步骤的补充。经过图片采集和草图绘制,建筑的外观和骨架都已经掌握,一旦得到相应的数据信息,即可进行数字化建模。这个过程主要的工作就是对建筑的纵深和面阔、柱间距、层高以及一些细部结构的尺寸等进行测量。获取所需的地表点云数据后，对采集到的数据进行整合和处理，得到准确的文物和古建筑三维模型。建筑比较麻烦的是其历史文化信息，一般通过实地、网络调查或文献综述，最后通过软件进行分析。

5.3 信息模型的建立

该模型是利用BIM软件和GIS技术反向建立明古楼和明皇陵的3D模型，然后使用其他软件建立“组”；建立明鼓楼和明帝陵墓模型最终可以从立面到背面建立准确的古代建筑三维模型。在建立模型之前，需要获得明皇陵的内部结构和每个组成部分及构件的具体尺寸，用户可以在输入界面中输入这些关键参数。

图5 明鼓楼城墙Revit模型复原图

进而总结出每栋建筑的关键参数，因此，可以从一个示例中推断出参数，对其进行持续的总结和组织以形成一个系统的数据库，该数据库可以生成所需的古代建筑组件与之相关的一些参数和关键参数。将来，每次对模型进行建模时，系统都可以在数据库中检索所需零件，以生成零件的三维模型及相关其他关键参数。

5.4 明鼓楼、明皇陵属性信息的录入

明鼓楼和皇家陵墓的建筑模型还包含许多属性信息，例如当时使用的木材种类、大理石和其他材料、用于建立建筑物结构的交错技术，以及当时的区域文化特征。属性数据还包括一些图形，当时绘制的图形、所拍摄的照片、文献记录及其当前状态、恢复和重建记录、特征描述、周围环境信息以及各种视听材料。建立模型后，首先，在输入属性信息时，系统将根据用户输入的结构信息，材料信息和物理信息标记古建筑。输入的属性信息和先前存储的空间信息位于同一数据库中。在此数据库中，每条信息彼此相关，因为它与每个组件以及组件之间的匹配大小有关。如果一个零件被修改，其他零件将被相应地修改。

5.5 建筑模型的VR演示

通过虚拟现实，将抽象和具体（即抽象文本）转换为直观的三维空间模型，从而大大提高了古代建筑模型设计的效率。通过虚拟现实技术创建虚拟环境后，可以将上述建筑物的BIM模型数据导入虚拟场景。参观者可以戴上特制的VR眼镜，以充分体验与建筑之间的互动关系。一般来说，古代建筑物的虚拟现实场景的生成要进行以下几个步骤：首先，信息收集。这包括文献综述和地方调查。二是模型的建立。建模过程主要包括建模方法的选择，建模工具的选择以及后期的优化。最后也是最重要的一点是如何创建视觉效果。包括如何处理光，选择材料和掌握体积大小。

6 结语

通过集成现代信息技术的各种手段，可以快速、方便地建立文物和古建筑的三维动态模型。建立文物古建筑数字信息资源共享数据库，为文物古建筑保护提供有力支持。一般来说，文物与古建筑在造型设计上运用的技术较为复杂，为保证模拟文物古建筑的质量和实际效果达到计划中的目标，在实际操作过程中，必须将准备工作做到充足，包括各种信息的获取、建模的选择方法等。