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摘要：古代建筑不仅是古人智慧的体现，也是人类文明的呈现。中国作为四大文明古国之一，众多宏伟古建筑蕴藏着深厚的历史文化价值和艺术情感价值。由于年代久远，古代建筑损毁现象日趋严重，对古建筑的保护也日趋重要。随着近代科技的发展，采用数字技术对古建筑进行保护成为一条重要蹊径。BIM技术与VR技术相继问世并不断完善，古建筑的保护迎来了新的时代。BIM技术具有强大的信息管理功能，VR技术可以创造一个虚拟的环境。数字化保护技术中的实用性很强，有助于古建筑重修复原工作的开展。在此基础上，探索古建筑虚拟旅游体验和文创产品的衍生开发，更好地传承古建筑文化，使国民可以“沉浸式”感受古建筑的特色与魅力，更好传承古建筑文化。构建数字化保护体系，对古建筑的保护具有十分重要的意义。

关键词：中国古建筑；数字化管理和保护；三维立体技术；三维建模

一、徽派建筑概述

1. 徽派建筑概述

徽派建筑是中国传统建筑中最重要的流派之一。徽派建筑主要以砖、木、石为原料，以木构架为主。梁架多用料硕大，且注重装饰。还广泛采用砖、木、石雕，表现出高超的装饰艺术水平。徽派建筑聚族而居，坐北朝南，注重内采光；以木梁承重，以砖、石、土砌护墙。在平面布局上规模灵活，变幻无穷；在空间结构与利用上，造型丰富，其中小青瓦和马头墙十分有特色；在建筑雕刻艺术上也颇有讲究，融石雕、木雕、砖雕为一体，显得富丽堂皇。

二、古建筑保护和数字技术发展现状分析

1. 徽派古建筑现状分析

（1）古建筑自然老化

经过时间的洗礼，这些古建筑是我们认识历史，传承文明的有效载体，承载了中国千年来源远流长的历史文化。通过实地调查我们发现，近年来，由于人类活动、气候与环境的变化，造成了一系列的自然灾害，如酸雨和洪水等，徽派建筑遭受了巨大伤害，加之长期受到风吹雨淋等自然破坏，荒废倒塌的现象严重。如表1所列。

（2）古建筑功能落后、生活不便

随着中国经济的发展和人们文化观念的改变，许多古建筑衰败不堪，生活不便的矛盾日益突出，不能满足现代人类居住的要求[1]。这就导致许多居民为了建造新建筑、改善居住条件而拆除旧建筑的要求越来越迫切，这些行为无疑对古建筑的保护造成了极大的威胁。并且许多旅游开发的村落，原住居民为了获得经济利益而开设门店等，对古建筑进行建设性破坏，使得古建筑的保护、村落原本的结构形态和环境整体的保护造成威胁。

（3）古建筑量大面广，缺少保护经费

文物保护经费短缺也是导致古建维修和保护问题的关键。徽派建筑建筑往往是一个建筑群，对于没有被纳入文物保护单位的古建筑得不到保护和修复。虽然有相应的条例去保护古建筑，但条例实施起来困难。地方政府拿不出来钱去保护，古建筑大都处于破旧状态，甚至濒临坍塌，这一定程度上造成了古建筑的流失。面对如此大量的古建筑，因文物保护经费不够、维修技术有限，导致维修古建筑时过于肤浅，这都可能会破坏了古建筑原有的风貌。

2. BIM技术与VR技术的发展现状

（1）国外现状

国外在古建筑参数化方面的应用主要集中在点云模型上的应用

2016年，Banfi Fabrizio在Simulation Modelling Practice & Theory期刊中通过了一个真实的案例提出了一种古建筑动态参数化建模的方法，这种方法使用了先进的BIM建模，摄影测量数据和激光扫描等[2]。

2017年，Luigi Barazzetti和 Fabrizio Banfi成功地将建模信息成果转化为基于虚拟现实的移动应用程序模型。他们的研究充分地证明了基于BIM的复杂模型可以用于便携式设备[3]。

2018年，Jorge Luis Garcia ValldecabresMariad等人在西班牙政府的支持下，基于BIM研究一种虚拟模型对中世纪建筑遗产进行管理和保护的方法[4]。

（2）国内现状

国内对古建筑模型参数化相关的研究主要集中在两个方向，其一应用BIM技术在实际项目上的运用，主要体现在以BIM理论作为指导依据来提出解决在实际项目中出现的问题的方案；其二是BIM相关原则的确立和学术性研究。

① 以BIM理论作为指导在实际项目中应用

2010年袁洁、赵卫东结合一般中国古建筑的实际构造，以统一化、标准化、参数化的构件以及可扩展的平台实现一种新的管理模式，从而构建了基于ObjectARX的中国古建筑参数化构件库平台[5]。

2015年，张源清，张士杰利用了三维参数化的手段，现代工业化组设计技术和古建筑模数化权衡相结合的设计方法来设计中国古代木质建筑模型[6]。

2017年6月，陈庆军，王永琦等人运用REVIT软件，将古建筑进行建模拉术分析，从而建立了阶基、台阶、泥槽、柱子、屋檐、斗拱等族的信息数据，完成了较为清晰且系统的模型构建[7]。

② BIM相关原则的确立和学术性研究

2002年陈越对将参数化设计运用于古建筑的可行性以及方法做出了详细阐释[8]。

2008年赵毅立将BIM技术与建筑节能方面相结合，通过分析建筑节能软件的基础需求和工作流程，建立了BIM数据管理平台[9]。

2008年张泳、付君等研究了基于BIM的全寿命周期项目管理的应用[10]。

2016年天津大学研究团队基于BIM技术对近代历史风貌建筑的全寿命周期内的信息保护提出了方法论[11]。

从上述可以看出，我国对古建筑参数化方面的应用已经有了一定的进步，但是仍然存在许多问题：虽然有了许多对古建筑参数化的研究，但是并没有一个通用且专业化的古建筑模型软件出现，没有一定的建模构件标准，也没有一个专业且规范的制度产生。

三、研究目的与意义

（一）目的

（1）研究BIM技术和VR技术相结合对古建筑的数字化管理和保护，对完善和发展古建筑遗产数字化保护方法，徽派古建筑遗产数字化保护提供了一定的理论价值和参考价值[12]。

（2）基于对古代建筑物的保护，采用新型网络技术，将古建筑数字化处理。通过实地考察，建立相关建筑物的数据库信息，该数据库包括以下几个方面的信息：1 构建的空间信息。2 构建的属性信息：包括建筑本身的材料、构建方法、时代地域的特征、工艺风格，以及古建筑在人文、艺术、科学等方面的价值信息，还包括各个构件的长、宽、高、插入点、基准等数据。3 除了空间信息和属性信息之外，还应包括工程对象的关系，工程对象的位置以及其他的信息。将得到的信息库进行数据分析与结合处理，并在电脑上使用BIM技术进行建模。以此来实行对相关建筑物的保护。

（二）意义

1. BIM技术与VR技术在古建筑的修复上的实际运用

（1）BIM技术的实际运用

BIM技术是一种用于工程设计、施工和管理的数据处理工具，在提高生产效率、节约成本和缩短施工时间等方面可以发挥重要的作用。BIM技术具有可视化功能，由于徽派建筑的建筑结构复杂且精巧，种类繁多，做法灵活，使用BIM技术对其建筑进行建模后，根据可视化功能，能够清晰的了解其内部建筑结构；BIM技术具有虚拟模拟性，构建出古建筑的结构模型后，可以在虚拟的建筑模型中去进行实际操作来得到在不同的保护工作阶段实现具体措施的操作，从而显著地提高工作效率和准确性；BIM技术具有共享协同性：工作人员在保护古建筑的工作中需要及时地互动和沟通[13]，BIM技术可以使得工作人员在信息收集、勘察设计和实施过程中高效工作和沟通。BIM技术也具有便捷性，徽派建筑往往是一个较为密集的建筑群，古建筑信息涉及范围广，储存分散，在管理上非常的困难，使用BIM技术可以在古建筑结构保护中管理整个过程的信息，也可以实现高效地记录与保存古建筑结构的真实信息。也可利用三维模型，集成古建筑内各种特殊构建的数据信息，从而建立一个古建筑构建的族库，这样可以形成一个在形态特征、构件、结构等方面与真实古建筑一一对应的“虚拟古建筑数据库”，使留存的古建筑信息具有更强的可重复利用性及更长的使用寿命，也为后人留下了珍贵的数字化资产。

（2）VR技术的实际运用

利用VR技术可以将古建筑三维模型转化成趣味性的数字化产品，有利于丰富人们获取信息的方式。通过BIM和VR技术相结合后，利用建模软件展示虚拟现实技术的应用价值，结合古建筑的信息内容来实现古建筑的原景再现，实现古建筑模型的动态展示，从而可以制定保护古建筑的有效方案，实现进一步研究古建筑的保护、修缮和管理的目标，实现基于BIM的古建筑全生命周期管理[14]，提升古建筑的数字化保护价值。

四、古建筑的数字化管理和保护流程方案

为了更好的满足既有古建筑保护工作的需要和古建筑信息管理和信息共享平台的创建，实现模型可视化与信息储存的统一，可以基于BIM的Revit平台或相关BIM软件，建立一个古建筑信息模型和可视化GIS平台，再通过BIM和VR的结合来更好的对古建筑进行保护和管理。整个流程主要分为四步：一是对古建筑进行信息采集，对各个古建筑进行信息采集后进行信息汇总，组建一个精准且庞大的数据库，可以用来后期的维修保护和传承；二是对古建筑模型的创建。对古建筑进行相应的信息采集后，了解了其各方面的参数、数据信息等，就可以通过BIM软件通过相应的技术手段对古建筑模型构建；三是构件一个GIS平台的可视化分析和监测；四是通过BIM技术和VR技术相结合进行古建筑的虚拟展示，在数字化保护过程中，将古建筑BIM模型数据导入到虚拟漫游程序中，从而提供一个立体且真实的世界。

1. 古建筑信息采集

古建筑群的信息采集分为空间信息和属性信息的采集。空间信息包括古建筑的具体空间形状和大小、复杂构件和节点的空间形式和尺寸等；属性信息包括古建筑本身的建造方法、建筑所需的材料、工艺技术风格、时代地域特征以及古建筑在人文、艺术和自然科学等方面的价值[15]。空间信息采集可以借助三维激光扫描、局部点云扫描和无人机技术等，三维激光扫描具有非接触性，在对徽派建筑进行信息采集时，结合其目前的古建筑现状，去人工使用仪器进行采集显然是不妥的，可能会对建筑内部结构造成一定损害，这时候可以通过三维激光扫描技术来对古建筑进行测绘，使用三维激光扫描不仅可以节省人力物力，也可以减少工作人员在实地测量中对古建筑损害的可能，还能避免在某一个环节出现失误而造成不必要的后果。用三维激光扫描仪可以快速地采集到古建筑的海量点云数据，再经过配准拼接去噪、平滑、配准、标记分析等预处理后利用GIS系统对采集后的海量数据进行集成处理得到建筑物各构件的精确三维尺寸[15]。在徽派建筑中同时还存在着雕刻、壁画等较为精细的信息，可以通过传统的测绘，结合照片、草图等方式来记录这些细部。属性信息的获取方法可以通过实地调查、文献查阅等方式来进行人工整合去筛选。

2. 古建筑模型的创建

（1）创建古建筑构件的标准化模块

创建徽派建筑中各个典型建筑构件的标准化模块，根据古建筑的结构体系特征可以把古建筑构件所属类别划分为：台基类、古建筑主要的承载构件柱类、古建筑特有的构件斗栱类、装饰类、梁枋类、屋顶和围护类7类。如创建台基，建筑物的底部砖石材料基础为台基，可以依据使用功能和外线，大致分为普通基座和须弥座两种[16]；再如柱结构的分类，在不同古建筑中，柱的尺寸轮廓等各有不一，叫法也各不相同，但可以结合柱在古建的位置进行分类，如檐柱、金柱等。

（2）设计古建筑构件标准化模块的几何参数

设计徽派建筑中各个古建筑构件标准化模块的几何参数。古建筑参数具有模数化的特点，构件的长、宽高以及刻口等尺寸的大小都是基于斗口或者柱径，为模型实现参数化提供了理论基础[16]。根据不同的类别分类，可以创建不同的构建参数。

（3）扩展古建筑标准化模块中的信息

古建筑构件除了其几何信息外，还具有其他附带信息，如：建筑材料、构建方法、工艺风格、修缮记录、特征描述介绍、周围环境信息、数据资料、管理部门信息、完残程度等，可以依据文字编码的方式进行记录，从而方便后期的数据提取。如构建的位置，某一根金柱可以编码为从左到右依次为JZ01，JZ02，…如果再细化到不同柱径可以再添加柱径编码，从而予以区分，方便后期GIS可视化展示；再如完残程度记录，将古建筑构建划分1-10十个等级，建模时逐一进行分级，以便古建保护系统的评分。

（4）构建标准化徽派古建筑模型

完成古建筑各个构件标准化模块的创建和模块中的参数信息后，开始构建标准化的徽派古建筑模型，首先需要在Revit中完成必要的全局参数的设置，包括徽派建筑中柱类模块、墙类模块、台基类模块、装饰类模块等等，然后使用基于Revit的可使参数化插件Dynamo，在Dynamo中完成古建筑建模程序的设计，该程序可以分为三个环节：①获取在Revit中已完成的全局参数②计算相应古建筑标准化模块所处的放置点坐标分量并生成放置点的坐标③在相应坐标放置相应的标准化模块。

3. GIS平台的可视化分析和监测

基于前期的数据建模，通过使用output和input的数据提取并转换，建立一个可视化三维GIS平台，该平台可以展示该模型中的每个构件。根据这个平台预计可以实现两个系统模块：古建筑保护评测系统和古建筑实时监测系。

古建筑保护评测系统：基于构件的扩展信息，如完残程度，物理特性（抗压强度、抗剪强度等）、油漆图层等设定阙值和权重，建立数学评价分析数据后得出结论，通过结论来预测修缮程度。

实时监测系统：通过传感器、摄像头等设备实时传输数据，完成对古建筑的实时监测。

4. VR技术与BIM数字化模型相结合

使用VR技术与BIM数字化模型相结合，利用三维激光扫描，将采集到的相关数据进行三维立体化，然后通过创建一个虚拟环境[1]，将Revit软件构建的徽派古建筑模型数据导入到虚拟漫游程序，为人们创造一个古建筑所处的环境，实现人们与古建筑面对面的接触，提供给人们真实的沉浸式体验。

如何做到BIM技术和VR技术相结合来实现一种新的游玩体验方式呢？大体分为三步：①将Revit构建的古建筑源模型进行处理，处理包括材质、模型面数上的处理。②将处理后的源模型进行模型传递，将古建筑模型导出为第三方格式FBX格式后传递至后续处理软件③选择合适的VR体验系统生成平台，如内置于Revit软件的第三方专业插件Enscape、Fuzxor等，可以直接将BIM源模型加载到其中进行视觉效果的制作，主要有材质的处理、光纤处理和体积处理与后期的优化等，完成后可以一键启动VR体验系统，可以利用HTC VIVE等主流VR设备进行体验，也支持在眼镜设备中沉浸式探索和体验古建筑的魅力。

五、可行性分析

1. BIM＋VR技术的应用能够帮助古建筑实体的修缮

随着社会的不断发展，人类对古建筑保护的认识越来越高，对古建筑的价值认识和评价也越来越高[18]。改革开放以来，随着历史建筑保护越来越复杂，传统的历史建筑保护方法也越来越落后，显然已经不能满足现阶段的时代步伐[19]。此外，在技术方面也遇到层层阻碍，工作人员之间互相协作能力差，缺乏数字技术化手段和信息化管理方法。

BIM与VR技术的成功应用，可以为我国古建筑修缮和保护的顺利实施提供全面的技术支持，在设计前期导入已知的数据和参数等信息，通过BIM技术进行数据的整合及模型的构建工作，最后再融入VR技术对仿真状态下的古建筑模型进行相应的性能模拟与分析，从而全面的提升古建筑的展示效果，也可以有效地协助工作人员更加直观地了解古建筑的模型，并且能够提高设计人员对古建筑的整体性的认知，进而使古建筑修缮的效果得到大大提高。在理论上可以对所有古建筑的不同类别的信息进行录入和实时调取，可以为我国古建筑的保护和修缮、研究等各项工作提供更为真实、系统、精准，且具有大量历史文化信息的模型[20]。

六、结语

随着时代的发展和社会的进步，人们对于古建筑保护的意识正在逐步提升，对于能够用于古建筑保护的技术也在快速地更新换代。BIM技术与VR技术与古建筑的管理和保护相结合，这对于古建筑而言，是一个发展的机遇，对于BIM技术和VR技术而言，是一个崭新发展的方向。我们期待着古建筑能够受到更好的管理、保护和修缮，也期待着有一天可以在现实社会中窥得千百年前古建筑未被风霜侵蚀，未被人为破坏，真正的面目。

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项目：铜陵学院2023年大学生创新创业训练计划国家级项目

项目编号：202310383127