考古立奇功!利用BIM技术对麦积山第44窟虚拟复原初探

2021/08/10
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简要:作为文化遗产虚拟复原的重要手段,BIM 技术需明确其复原理念和方法。本文以麦积山石窟第44 窟为例,阐述文献、数据、调查与技术相结合的数字化复原方法,所遇问题和复原意义,指出BIM 技术在遗产虚拟复原中的独特性和价值,并对其发展进行展望,为日后的遗产保护和考古工作奠定基础。

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)

2.2 复原设想

《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。

由表2可知,西魏洞窟以方形窟为主,为三壁三龛或三壁无龛窟。第43窟是仿地面陵墓建筑的形制;第127窟为大型横长方形盝顶窟。这两窟不能列入复原的可参考洞窟。排除以上两窟,可对比参考的洞窟有第146、147、87、172、20、102、105、123窟,共8个。   在窟形方面,第87、172、105、123窟为三壁三龛窟,第20、102为无龛窟。第44、146、147窟等窟因坍塌严重,现存正壁有一龛。因此,从窟形考虑,第44窟应为三壁三龛窟。  

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)

造像方面,主尊佛像与正壁主尊风格相近,而第44窟正壁主尊佛像与菩萨像风格接近第20和102窟的造像风格,所以对比三者,可发现,对于佛像的复原大致分为以下三类:第一类与第44窟主尊造像风格一致,躯体饱满丰润,垂于膝下的悬裳裙裾较为写实,衣褶分明,质感厚重,下部微微内收,初现倒“V”形状,且距台座底端有些距离。(图5,1)第二类佛像面部、手势与第一类无异,也呈半结跏趺坐,但腰间所系带垂于袈裟之外,悬裳裙裾不如第一类质感厚重,下垂部分较外散,无“V”形状,且距离台座底部较近。(图5,2)第三类佛像面部、衣饰、坐姿与第一类无异,但头部无旋涡纹,双手交叉搭于胸前。(图5,3)  

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)

2.3 BIM对麦积山第44窟的复原 本次实验中,两侧壁主尊采用第一类复原形式,应用BIM对麦积山第44窟进行复原。  

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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