一、研究背景
文化遗产的数字化复原分两种方式：一是在遗产原位置，复原其在已知的较早时间的状态；二是利用数字化手段进行虚拟复原。《中国文物古迹保护准则（2015）》不提倡考古遗址在原址重建，但鼓励根据考古和文献资料通过图片、模型、虚拟展示等科技手段和方法对遗址进行展示，这对数字化遗产保护提出了更具体的要求。本文所涉及的即是第二种方式。 数字化技术中，BIM[1]技术集获取数据、建模、全方位周期管理等多种功能为一体。相比其他三维建模软件具有明显优势。2012年，联合国教科文组织举办关于HBIM发展的会议，强调BIM应用到文化遗产保护的重要性，开启遗产业对BIM的应用。目前，BIM在文化遗产复原的应用主要集中两个方面：遗产的虚拟展示，与非物质遗产结合：如杰登（Jeddah）古城[2]；利用VR和AR技术将BIM模型进行虚拟真实展示或漫游，如埃及的亚历山大（Alexandria）城[3]；结合游戏软件，提高BIM视觉化水平，并与四维技术结合，实现对复原过程的全方位控制，同时结合当地非物质文化，共同作用于最后的展示中[4]。 中国对于BIM在文化遗产复原上的研究才刚兴起。目前主要集中在通过扫描数据，建立局部构件信息模型[5]，如武汉老斋舍的活化；实现BIM与 GIS数据转换、共享；对遗产修复、保护过程全生命周期进行管理，如上海嘉定西门历史街区改造等方面[6]。 但因为中国的遗产种类众多，目前BIM对于遗产保护、修复及其研究多数集中在建筑遗产方面。而石窟寺作为遗产的重要组成部分，却鲜少涉及。数字化方面基本都是利用三维扫描和摄影测量等技术，对洞窟内部空间、造像等进行扫描、数据存储、洞窟复原展示[7]等；也有将扫描技术用于壁画临摹和复原[8]等，利用BIM技术对洞窟复原基本没有开展。 麦积山石窟于2014年入选世界文化遗产，作为佛教石窟寺类文化遗产，具有丰富的文化内涵和多重保护价值。其中，西魏时期作为麦积山石窟历史上重要的阶段，在整个石窟发展中具有重要的作用，而第44窟作为西魏时期最具代表性的石窟，造像风格体现出西魏时期出现的新面貌 ，并由于乙弗氏的因缘，该窟与其相邻的第43窟具有历史性的纪念意义。虽然窟的前部坍塌严重，却可以根据残存洞窟和造像进行虚拟复原。故本文利用BIM技术，对麦积山第44窟进行虚拟复原，并探讨BIM技术在复原文化遗产和考古研究中的重要作用和意义。
二、麦积山第44窟的复原
2.1 麦积山第44窟现状天水古称秦州，为地震多发区，公元前780年以来，先后发生5级以上地震40余次[9]。地震使得麦积山崖面至少三个区域崩塌，现存洞窟也大多残缺不全。洞窟前部多已崩塌，窟门无存，有些墙壁泥皮脱落，塑像或被震塌后已不存，或因地震损毁而被后代历次修复，原作不详。这些问题使得窟内布局不全， 造像题材缺失， 重修叠压层位较多等， 增加了推断洞窟原貌的难度。（图1）
麦积山第4 4 窟现存正壁及四身造像。（图2、图3）窟内造像均比例匀称，佛像饱满丰润，旋涡纹高肉髻，椭圆形脸，五官清秀，双眉细长。内穿绿底蓝边僧祗支，腰间系带，外穿双领下垂褒衣博带袈裟，身体微微前倾，低首下视，半结跏趺坐，垂于膝下的悬裳裙裾较为写实，衣褶分明，质感厚重。两身菩萨身材修长，头戴宝冠，长发披肩，面相五官与佛相似，头微微向佛靠拢，双眼含笑微眯，右侧菩萨上身袒露，下着长裙，一手持莲花，一手提净瓶；左侧菩萨身着长裙，披帛于腹部穿环交叉，右手置于胸前，左手提环形装饰；左壁弟子头略偏，身体偏向左侧，表明属于侧壁的胁侍，细颈削肩，双手合十置于胸前，下着长裙，身穿垂领袈裟，足穿履。（图4）
《中国石窟·天水麦积山》等著作对麦积山西魏时期开凿的洞窟进行划分，为本文的案例研究提供了较为清晰的范围。《天水麦积山石窟编年论》和《北朝时期麦积山雕塑造型研究》等文章，分析了麦积山石窟中西魏时期的造像风格。董玉祥 、李裕群、达维佳 、陈悦新等学者基于考古学、历史学等对西魏时期的洞窟进行了研究，为本文的复原工作提供了重要的学术基础。因此本文借鉴考古类型学方法，梳理以上相关文献可知，不同学者对麦积山西魏洞窟的分期意见主要分为十四种，整理如下。（表1）再根据洞窟残损情况和实际调查，筛选出西魏时期的10个窟龛与第44窟进行分析和对比，以此探究第44窟的原貌。（表2）由表1可知，部分学者根据窟内造像风格将麦积山西魏时期洞窟分为早晚二期，但从其洞窟形制、空间分布上看，变化不明显，故本文只区分出西魏时期的相关洞窟进行对比，而未对其进行进一步分期。
根据表2，将筛选出的西魏洞窟进行分类之后，再根据洞窟内保存的造像特色，继续进行分类筛选。经对比，第20、102窟的造像与第44窟造像风格相近，可进行复原参考。
根据窟顶和平面形制，分为方形覆斗顶和方形平顶两类。一类窟造像组合正壁为一佛二菩萨，左右两壁为一佛一弟子一菩萨组合。二类造像组合可继续划分为三型。A型为正壁一佛二菩萨，两壁为一佛二菩萨或二弟子组合。B型为正壁一佛二弟子，侧壁为一佛二菩萨或一佛二弟子组合。C型只在第123窟出现，为正壁一佛二菩萨，左右两壁为维摩、弟子、童男和文殊、弟子、童女组合。（表3）至于洞窟大小，根据第20、102、146、172窟等，尤其是较为完整的第20、102窟，可得出第44窟的进深面阔应基本与面阔相等。（表4）
综上所述，可得出第44窟复原结果：第44窟为方形四角攒尖顶的三壁三龛窟。其中，窟高约3.10米，面阔3.02米，进深约3米。虽不知窟门的具体数据，但对比同时期较完整的如第102窟，大致可推测出其高1.20米左右，宽约0.77米，深约0.64米。造像组合为正壁一佛二菩萨，左右两壁各开一龛，龛的大小与正壁一致，龛内起台座，座上塑坐佛，风格为前文所述的三种情况之一，左右各一弟子，龛外不排除有力士的可能。（图6）
利用BIM对文化遗产复原主要分为四步：数据收集，建立参数化数据库，绘制调查数据，完成BIM模型。因为本篇文章主要侧重于探讨BIM对文化遗产数字化复原的意义以及如何与文献、实地调查相结合，将历史资料、同类型遗产融入BIM模型中去，因此只完成Level 0和level1 阶段的模型。（图7）
首先，利用三维激光扫描仪和照片进行数据收集，对比其他相关洞窟，分析其内部结构，以及造像细节，进行记录、拍摄。由于石窟寺本身就是一种建筑形式，洞窟内部也是一个建筑的三维空间。因此导入扫描数据后，对洞窟内部空间进行校正、补充，再进行建模等一系列工作。建模时，将建好的石窟形制、修复所需的材质、预算等信息输入到Revit中，为模型赋予建筑信息。（图8）然后将其导入到3DsMax中，进行佛教造像的建模。在导入外部构造模型之前，首先在ReCap中对原先的点云集文件进行整理，将扫描的四个造像分割开来，划成四个不同的文件，分别导入到3DsMax中，根据点云集进行人物建模。（图9）再对比其他洞窟的造像，在AI中对要复原的侧壁主尊像和弟子像进行矢量线描图的绘制，完成后导入到3Ds Max中作为底图进行人物建模。（图10）之后，将石窟外部模型以及所有造像模型导入，进行拆分，重组。再导入到Lumion中进行渲染和场景漫游制作。
三、讨论
对于石窟寺的复原，本实验利用BIM技术实现洞窟的三维复原，在将洞窟完整呈现给观众的同时，实现对存储数据与控制工期，将复原及后续保护工作推向实践化。通过第44窟的虚拟复原，进而可以对麦积山其他残损洞窟进行虚拟复原，进而虚拟复原崖面原貌，将麦积山石窟虚拟复原到某一更早时间点，如唐代大地震破坏前的状态或情境，全面展示麦积山石窟发展脉络与内涵，从而更好地作用于日后的保护、发展，以及考古研究中。 其次，本次实验解决了利用BIM技术对石窟寺复原的三个技术性问题。第一，数据与文献的结合。通过文献、实地调查、与其他相关洞窟的对比，将第44窟内外部构造和造像进行复原设想，然后结合三维扫描数据，利用BIM技术对其进行建模，促使复原设想的实现。第二，不同格式数据的转换。由于该次调查得到的点云集数据形式为.asc文件，与BIM相关软件不相容，使得点云集数据无法导入到相关软件ReCap中进行格式转换，也无法直接导入Revit进行建模，且因为扫描数据太大，无法进行整体格式转换。因此，将扫描数据分解压缩成三个文件，每个文件不超过1048976个点。再将三个文件进行坐标转换，导入ReCap，进行整理、除噪，转化成相关文件形式，导入Revit，进行建模。第三，BIM软件与其他软件的互相配合。将点云数据导入到相关软件进行建模时发现，BIM软件适用于建筑相关模型，而非人像，对于该次复原的佛教造像很难在软件中实现。而文件的格式不能在ReCap中直接进行mesh渲染，因此需要与其他建模软件结合，进行佛像建模。所以，在导入点云数据后，先在立面图中构建洞窟立面，再转入平面视图，根据前文所得出的复原设想进行石窟外部形制以及窟顶的绘制。然后在3Ds Max中进行佛像建模，最后在Lumion中进行场景渲染，实现三维漫游。 所以，这次实验充分证明BIM技术相较于其他三维建模软件，具有独特性与优势：一是整合模型数据。将点云集、二维平面数据、三维立体数据及文献数据进行整合，存储到同一平台中，使模型不仅包括二维的平、立、剖面图，三维效果图，还包括洞窟的信息，如洞窟和造像的材质、破损状况，以及修复所需的材质等。二是三维效果展示。本实验最终以三维漫游向观众展示麦积山第44窟复原结果，推动麦积山文化内涵的传播，扩大麦积山石窟作为文化遗产的影响。三是多方位信息交流。平台中的数据实现了多方实时查询，随时补充、更新，从而 促进复原行动的推行。四是考古研究方面。考古工作的主要目的就是尽可能复原历史情境，利用BIM技术虚拟复原可以达到这种目的，从而为考古研究服务。 当然本实验只是处于初始阶段，仍有许多地方需要继续深入：（1）洞窟数据继续细节化。如增添BIM数据，保护信息，并随着其他洞窟的复原，构建整体的麦积山与数据库，实现统一管理，永久存储。（2）实时监控保护。洞窟的BIM模型可结合5D、6D技术，在软件中对洞窟后期实施的实地保护、修复方案进行实时监控，预算管理，随时调整，避免二次伤害。（3）多方位数字化展示。洞窟的模型可利用BIM技术，重现其当时开凿过程。并结合麦积山石窟的非物质文化，利用VR技术，在展示时增加声音特效，讲述洞窟的发展背景与历史，从而增强公众参与了解和传承遗产内涵。（4）与GIS技术的结合。宏观上，可结合GIS技术对麦积山进行管理。该次实验只是复原了麦积山石窟的一个洞窟，以此为基础，逐渐将麦积山的其他洞窟纳入复原研究和数字化展示中，结合GIS技术对麦积山石窟整体空间进行规划和保护，实现高效可持续管理。
四、结论
本次实验结合同时期麦积山石窟的其他洞窟，经过横向、纵向比较，总结出麦积山第44窟的洞窟形制及内部佛教造像的特点，从而构建复原设想。并经实地调查后，对洞窟进行点云集扫描，结合BIM技术，对麦积山石窟第44窟进行数字化复原。在复原过程中，解决了三个问题：在复原文化遗产中，文献、数据、实地调查与技术的结合；不同格式的文件如何进行转换；不同软件间的结合，促进数据整理、建模、渲染的实现。最后探讨了复原的意义及未来发展方向等。随着技术的不断成熟与应用，石窟寺的复原研究成为一种可能，并将有助于石窟寺的考古研究与保护、虚拟展示等领域。
作者简介：
陈月莹，上海交通大学设计学院，上海市 201100
魏文斌，兰州大学历史文化学院，甘肃 兰州市 730000
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