三维激光扫描与HBIM技术在历史建筑数字化建档中的应用探索

牛鹏涛 田疆

摘  要：历史建筑作为民族文化发展的见证，是国家宝贵的文化遗产，也是不可再生、不可替代的宝贵财富。实施历史建筑数字化建档工作对我国历史建筑遗产的继承、保护和开发具有重要的现实意义。利用三维激光扫描和历史建筑信息模型（HBIM）等创新技术和方法，构建历史建筑档案的数字化工程框架，具有效率更高、管理更加便捷的优势。通过对我国历史建筑建档工作中存在的问题进行分析，提出了历史建筑建档的数据分类、作业方法和工作流程，并尝试构建由基本档案记录、点云可视化数据和HBIM模型高度融合的历史建筑数字化建档工作方案。

关键词：三维激光扫描;HBIM;历史建筑;数字化;建档

Abstract： As the witness of the development of national culture， historical architecture is the country's precious historical and cultural heritage， but also the country's non-renewable， irreplaceable precious wealth. It is of great practical significance for the inheritance， protection and development of historical building heritage in China to implement the digital filing of historical building. Using the innovative technologies and methods such as 3D laser scanning and historical building information modeling （HBIM）， the digital engineering framework of historical building Archives is constructed， which has the advantages of higher efficiency and more convenient management. Study of historic buildings in China in the document analysis of existing problems， put forward the historical building of document method， the classification of the work process and data acquisition methods， and try to build by visual basic records， point cloud data and HBIM model composed of highly integrated digital archive work of historic buildings.

Keywords： 3D laser scanning; HBIM; Historic buildings; Digital; Archiving

我國历来高度重视历史建筑的保护工作，不断尝试新方法、新技术对历史建筑进行记录、测绘、修复与开发[1]。当前，随着测绘科学和信息技术的快速发展，利用激光扫描和BIM等新技术和新方法做好历史建筑的建档工作，对于坚定文化自信、弘扬中华优秀传统文化、塑造城镇风貌特色[2]、推动城乡高质量发展具有重要意义，是对建筑和文化遗产保护领域电子建档工作的有益探索，也是在建设“档案强国”工作中的创新尝试。

1 历史建筑建档工作进展

1.1 国外历史建筑建档工作。长期以来，世界各国采取了不同的方法和手段以实现历史建筑的建档和保护工作，其中欧美国家起步较早。美国早在1933年就开展了历史建筑调查（HABS，Historic American Buildings Survey），并于1935年通过了《历史遗址法案》，明确提出对历史建筑遗产实施档案登记管理。1969以后，美国又先后启动了工业遗产遗迹建档计划（HEAR，Historic American Engineering Record）、历史景观调查（HALS，Historic American Landscape Survey）和美国国家历史地标建档（NHL，National Historic Landmark）等工作，明确了以图纸、报告和影像三种要素作为历史遗产档案的主要信息构成，为历史建筑遗产档案的编制、收集等工作确立了标准[3]。英国于1983年制定了《国家遗产法》，成立专门机构“英国遗产（English Heritage）”对历史古迹和历史建筑进行档案制作、储存和共享。亚洲国家中的韩国特别成立了文化遗产厅对各类历史文物按照国宝、古迹等七大类分别登记建档，2008年号称韩国第一国宝的“崇礼门”被人为焚毁后，该国对历史建筑建档工作的重视程度提升到前所未有的水平。当前，随着三维激光扫描和BIM技术的发展，欧美等发达国家在2009年前后已经开始基于三维全息信息的历史建筑数字化建档工作探索[4]，并尝试构建了各种电子档案馆和线上博物馆等示范范例，运行效果良好。

1.2 国内历史建筑建档工作。我国先后依托国家文物局开展了三次大规模的文物普查，将大量历史建筑列入文物保护单位并进行信息采集和记录。2007年5月，国家文物局联合国际古迹遗址理事会和联合国教科文组织世界遗产中心共同研讨并通过了《东亚地区文物建筑保护与修复指导文件》，明确了对文物建筑、历史建筑进行档案记录的指导原则。另外，国内学者围绕历史建筑建档工作也做了大量的讨论和研究，包括类别划分、收集整理、建档策略等[5-6]。

1.3 我国历史建筑建档工作中存在的问题

1.3.1 缺乏统一标准。历史建筑建档工作没有档案行政管理部门的科学指导，导致全国统一的建档标准缺失，历史建筑编码、分类和索引的编制工作滞后。因此，虽然我国不少地方的城市建设部门采取了一系列措施对历史建筑进行建档管理，但由于没有完备的档案管理体系，加上历史建筑的分类、划定标准不一，档案登记详细程度差异，导致当前历史建筑数字化建档工作成效不明显[7]。

1.3.2 数字化难度大。我国传统历史建筑设计巧妙灵活、结构复杂，数字化三维模型信息采集难度大。历史建筑的微小构件种类繁多，彩绘信息繁复[8]，采用传统的文字报告、现场绘图和影像照片的方式对其进行数字化复原和描述难以达到理想效果，构建三维模型的难度大。

1.3.3 建档数据量大。中华文明源远流长、文化底蕴厚重，历史建筑数量庞大，建档工作任务艰巨。仅公布的全国重点文物保护单位就有5292处，其中古建筑2160处，近现代重要史迹及代表性建筑952处。而目前已知的不可移动文物约有40万处，其中大部分是历史文物建筑。以被誉为中国“古建博物馆”的山西省为例，当前已注册历史建筑18418处，单体建筑超30万个。

2 三维激光扫描技术与HBIM发展介绍

2.1 三维激光扫描技术。不同于传统测绘的单点测量方式，三维激光扫描技术具有效率更高、精度更高的领先优势[9]，已经被广泛应用于测绘测量、室内设计、建筑监测、工业设计、灾害评估、数字城市等工程领域。在古建测绘与保护方面，传统古建信息采集通常采用单点测绘和平面摄影相结合的方式，费时费力且精度很难得到保障。

2.2 历史建筑信息模型（HBIM）。建筑信息模型（BIM）概念最早是在1975年由美国佐治亚理工大学Chuck Eastman教授提出，目的在于实现建筑物从设计施工到拆除进行全生命周期的可视化和量化分析。2002年，著名建筑辅助设计软件公司Autodesk收购三维建模软件公司Revit Technology以后，首次将建筑信息模型（Building Information Modeling）的首字母连起来使用，推出了目前众所周知的“BIM”系统，该系统不仅能绘制常规的建筑及其构件的设计加工图纸，还可以实现建筑物的三维可视化展示[10]，并通过专业的插件工具对建筑物及其构件进行模拟和优化，使建筑细节表达更加直观和详细。

2009年，爱尔兰都柏林大学的Maurice Murphy和Eugene McGovern教授在BIM和三维激光扫描技术快速发展的基础上提出历史建筑信息模型（Historical Building Information Modeling，HBIM）概念。HBIM首先使用三维点云或RGB图像对历史建筑进行参数化建模，然后利用BIM技术构建标准参数化构件库，最后将实景三维模型附加构造、材料及其他属性信息按照BIM模型标准存储并发布。同年，国内的清华大学也提出在常规BIM的基础上加入反映历史建筑特殊属性管理模块的HBIM构建思路。从此，国内关于HBIM的研究和应用逐渐开始领先，并在实践工作中总结出了一套较为科学、规范的工作流程。

3 历史建筑数字化建档方法和流程

近年来，国内城市建设管理部门出于对历史建筑的保护目的，先后发布了一系列指导文件对历史建筑建档工作进行规范，但是由于专业局限性，相关文件的指导措施大多不够全面，对历史建筑的历史溯源、地方史志等档案文献缺乏详细记录。本文尝试将建筑、历史和档案管理等多专业的先进理念融合在历史建筑的建档保护工作中，进而提出利用三维激光扫描和HBIM系统实现一种多方参与、协同共管的数字化档案管理平台。以期逐步实现将档案管理、保护单位、改造设计、维护施工和大眾参观访问联系在同一个管理交互平台，可以实现贯穿历史建筑全生命周期的信息管理和展示工具，有效解决当前我国历史建筑数字化建档的问题。

3.1 历史建筑的认定与建档范围。2005年建设部发布的《历史文化名城保护规划规范》，对历史建筑定义为：“有一定历史、科学或艺术价值，能够反映历史风貌和地方特色的建（构）筑物”。而2008年国务院公布的《历史文化名城名镇名村保护条例》则指出历史建筑是被各地方政府认定的具有一定历史价值，但尚未确定为文物保护单位，也未被登记为不可移动文物的建筑物和构筑物。

根据以上概念，由于各地文物普查实际工作中已经将大部分具有历史、艺术或科学价值的建筑登记为不可移动文物。但不可移动文物中又有相当比例尚未被公布为文物保护单位，在实际工作中往往无人监管，造成大量的历史建筑未被实质性地建档和保护。因此，本文建议将所有文物保护单位、不可移动文物中的建筑物、构筑物连同各级政府认定的各类反映历史风貌和地方特色的历史建（构）筑物统一列入建档范畴。

其中具有历史价值的历史建筑主要包括与历史人物、事件或历史机构相关，或者在城市产业发展和建设与建筑演变过程中有明显代表性的建筑。具有艺术价值的历史建筑主要是指风格或造型具有区域民族特点或艺术典型性。具有社会文化价值的历史建筑是指具有特定社会文化背景的地标性建筑，如上海中共一大旧址等红色建筑等。

3.2 适用新方法的建档信息内容和标准。为实现历史建筑的数字化建档，需要首先明确档案收集标准和内容。本文将历史建筑档案分为基本档案、数字化图纸档案、二三维影像档案、建筑主要构件档案等四大类，基本实现了历史建筑全生命周期的各类信息覆盖。本文将各类档案信息内容和记录要点通过整理后如表1。

其中，三维激光扫描技术可以实现二三维影像档案和建筑主要构件档案中大部分内容的快速采集工作;而HBIM系统则可以借助Revit等软件将四类档案信息与空间模型进行关联和融合。而历史建筑的维护管理与线上展示等要求，需要在当前HBIM系统中进行更全面二次开发。

3.3 历史建筑建档流程

3.3.1 基于三维激光扫描的历史建筑三维建模。虽然国家测绘主管部门发布了《地面三维激光扫描作业技术规程》，但是针对历史建筑保护和建档的特殊需求，国内并没有对历史建筑的三维激光扫描工作进行统一规范。为此，本文结合长期以来对历史建筑三维点云采集的经验，提出了适用于历史建筑三维信息采集的工作流程：首先根据历史建筑三维建模等需求，确定测绘范围、测绘目标、测绘步骤。在三维激光扫描作业过程中要考虑总平面图、平面、里面、剖面、典型构件的测绘和建模需求，合理设置测站和永久控制点（标靶点）。针对历史建筑的室内信息等传统测绘方式无法施策的区域，应当使用三维激光扫描仪尽可能地覆盖所有价值要素、结构构件。现场采集、处理后的三维点云数据可以直接用来构建历史建筑三维模型。

在信息采集精度方面，按照宋代《营造法式》的说明，我国历史建筑构建多以“材分”或营造尺为尺度单位，大多数建筑构件的最小尺寸为1“寸”（3cm），最小的构件以1“分”即3mm为最小尺寸，当前三维扫描技术的精度往往在2.9mm@20m以上，符合精度要求。由于激光点云的高精度特性，还可以对历史建筑中的任意构件进行尺寸截取，并对以往档案资料中的尺寸数据进行检验与核对。

3.3.2 从三维模型到HBIM数据的转换。三维激光扫描得到的点云数据经滤波处理、尺寸要素提取，可以在点云后处理软件中制作建筑白膜和几何三维模型。然后借助Revit等软件将几何三维模型与属性信息关联，实现三维模型到HBIM的快速转换。另外HBIM中根据历史建筑构件的自身特点和建档要求，可以附加各种外部链接，使其档案记录可以基于建筑三维模型进行丰富。

3.3.3 基于HBIM空间信息的建档信息整合。为实现对建筑材料和造价的智能化管理，当前的建筑企业已经普遍启动了BIM的应用。而实现对历史建筑档案信息的全面智慧化管理，需要借助HBIM来完成。HBIM不仅可以对历史建筑进行分类、分权限管理，还能实现对应档案信息的科学分类、建筑及构件的维护管理，最终通过VR+AR等实现全息模型展示。HBIM技术通过整合GIS软件的相关功能，可以在WEBGIS的基础上构建历史建筑电子档案库，实现基于电子档案的日常管理和规划管理功能;针对单体建筑及其特定构件，实现三维模型查看、属性信息录入与检索等功能。为避免数据量过大，HBIM还可以基于云平台关联数据量庞大的三维激光扫描点云、图像和影音数据库，用以管理和储存历史建筑的基本档案、数字化纸质档案、二三维影像档案等资料，实现宏观层面的GIS体系、单体层面的HBIM体系以及云端数据库之间的无缝连接。

史”教育充分融合。作为红色档案与“四史”教育融合主体，要充分发挥自身能动性，主动作为，结合当前党史学习教育要求，安排部署好各项工作，确保循序渐进，取得实效。基于此，要完善红色档案融入“四史”教育的相关制度机制，对融入内容、融入形式等进行界定，并适当留设可灵活调整的范围。要强化红色档案、“四史”教育和社会主义核心价值观的长效融合机制建设，利用好重大节日节点，做好节日里的党史教育、红色教育，利用好红色资源，包括红色教育基地、红色档案馆等开展实训，真正传承好红色基因。[5]再者，要在基层党建工作责任制中纳入党史学习教育，强化红色档案与“四史”教育融合工作落实。此外，要配备专业的人员负责二者的融合推进，确保在专人、专班、完善机制的支持下，推动二者实现更高效的提升。

3.2 借助媒体技术，实现融合推进

3.2.1 创建红色专题网站。在“互联网+”和新媒体时代，红色档案融入“四史”教育需要更新理念，转变思路，努力打造“线上+线下”融合推进和教育模式。充分挖掘红色档案中的红色教育资源，结合“四史”教育内容，构建红色档案与“四史”教育专项数据库。搭建红色档案融入“四史”教育的专题网站，将红色档案资源、“四史”教育等融合成统一体，进一步扩大红色文化资源的影响范围。

3.2.2 开发红色档案与“四史”融合教育微课。当前，微课已经成为党史学习教育的一种主要途径。从红色档案与“四史”融合的角度来看，在设计微课时，要立足红色档案中的特色资源，充分挖掘本土化的红色资源，着眼于实际问题，采取以小见大手法，围绕红色文化内容制作微课微视频，供人们在碎片时间内学习观看。要注重在提高微课吸引力上下功夫，增设互动性较强的微课视频，包括红色经典诵读、红色人物事迹简介等，真正做到在“新”上下功夫，在提高实效上有作为。

3.3 拓宽宣传路径，强化教育氛围。红色档案与“四史”学习教育的融合需要良好的社会氛围的加持，在良好氛围创设上，则要注重拓宽宣传渠道。在宣传过程中，要注重红色档案融入“四史”在育人方面的浸润式作用，激发出受教育者“我”和“我们”的归属及认同。制作红色电影，包括近几年热播的《湄公河行动》《战狼》和今年大热的《悬崖之上》以及即将上映的《1921》等。通过大众喜闻乐见的宣传方式，将进一步加深社会大众对红色文化的了解和认同。[6]同时，要注重打造红色档案融入“四史”教育的体验式空间，将二者的共有特色进行融合，通过与受教育者的良性互动，加强熏陶和感染，将红色党史教育融入受教育者的日常生活中，引導受教育者成为红色基因的自觉传承者与忠实发展者。

4 结语

将红色档案融入“四史”教育中，具有必然性，二者内在逻辑一致，同质、同构、同向，具有较为一致的教育属性。基于此，将红色档案与“四史”教育相融合，需认识到新时代下二者融合过程中面临的冲击与挑战，进一步明晰教育目标，探寻发展之策，同时要结合建党100周年党史学习教育要求，深化红色档案与“四史”教育的融合力度，持续走好融合之路，做到多角度同促、多途径融合，在红色教育中不断汲取奋进力量，取得优异成绩。

*课题基金：河南省哲学社会科学规划办公室项目“网络时代大学生主流意识形态认同研究”（2017E017）。

参考文献：

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[10]陈旭铭，谢君.古建筑保护中的档案工作研究[J].兰台世界，2013（17）：34-35.DOI：10.16565/j.cnki.1006-7744.2013.17.080.

（作者单位：牛鹏涛，河南工业职业技术学院，成都理工大学;田疆，成都理工大学 来稿日期：2022-01-13）