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【建大故事】数字化测绘让云冈石窟“活”起来

部门:宣传部 供稿:汪洋海容 审核:孙冬梅 发布时间:2016-06-12
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  6月7日,“东方第一佛教圣地——云冈石窟展”走进我校大兴校区图书馆,拉开了石窟保护与发展研讨专题活动序幕。自2005年以来,北京建筑大学石窟保护与发展研究团队与云冈石窟研究院紧密合作,开展石窟佛像的文物信息留取与修复保护设计工作。经历10余年的努力,团队研发的数字化留存与保护修复技术不仅实现了文物信息大数据化管理,突破了传统文物修复缺乏定量化手段的不足。据了解,经专家鉴定,相关技术水平已达到行业内领先水平。

  随着中央城市工作会议和全国文物工作会议的召开,文物保护工作提升到了更加重要的高度,相关研究被社会各界高度重视。近年来,我校积极发挥学科专业优势开展文化遗产保护人才培养和科学研究工作,构建了全国唯一的建筑遗产保护领域本、硕、博、博士后一体的完成人才培养体系。其中,石窟保护与发展研究团队汇集了多学科的专业人才,形成了包括建筑设计、数字测量、土木工程、先进制造技术、遗产保护等多学科交叉的研究团队,就石窟保护与发展关键技术开展了系统研究。云冈石窟的保护与开发自始至终贯穿于古建筑遗产保护研究领域,并成为我校“未来城市设计高精尖创新中心”里的重点课题。

  在石窟三维信息留取与文物修复保护设计方面,突破了大型复杂石窟文物修复、高精度信息留取、多元数字化表达等关键技术,研制了成套的文物空间信息提取、虚 拟修复、数据管理与展示等适用于大型复杂文物的信息留取与虚拟修复的工程化应用系统,建立了覆盖文物建模与修复主要环节的技术流程与工作规范。在石窟等比例复制方面,研制了成套的大型复杂石窟的等比例尺复制的工艺流程与工作规范,突破了大型复杂石窟表皮分块设计、结构设计、健康监测、复合材料开发等关键技术,提出基于艺术价值的表皮分块设计方法、发展面向石窟复制的结构设计方法、开发了兼顾耐用、轻质和颜色高相似的石窟复制复制材料、提出了面向石窟复制的3D打印辅助设计、石窟展品包装、运输及安装等技术流程。

  

  第3窟后室依坐佛像正射影像图

  记录:让文物讲述历史

  云冈石窟开凿于公元5世纪,是北魏拓拔皇权主持修建的佛教艺术圣地。1961年被国务院公布为全国首批重点文物保护单位,2001年12月14日被联合国教科文组织列入世界遗产名录,2007年5月8日被国家旅游局评为首批国家5A级旅游景区。作为中华优秀传统文化的一部分,为了让世界更好地了解中华文化,云冈石窟研究院希望能通过修缮保护以及等比复制的方式,让洞窟走出云冈,让洞窟全景走到人们身边。但是,云冈大型石窟在复制过程中面临着测绘数据体量大、复制品制作工艺繁琐等问题。

  历史古迹经历了岁月的淘洗,都会在表面产生浓重的历史沧桑感。云冈石窟的佛像也是如此,佛像表皮的缺损、风化在复制过程中都要加以如实地展现。那么,若想达到这样的效果,就需要借助三维激光测绘技术对佛像的每一个细节进行精准测量,以量化的数据记录这些历史留下的痕迹。

  我校石窟保护与发展研究团队针对相关课题已进行了多年的研究探索,2012年曾参与重庆大足石刻千手观音的抢救性保护工程。在这一项目中,科研团队创造性地将三维激光扫描技术应用于古建保护和高难度现代建筑施工,实现了对文化遗产的数字化测绘。此次与云冈石窟研究院合作,我校团队承担了第18窟的保护与复制工作。由于石窟结构复杂、细节繁琐,传统人工绘制的方式难以获取佛像造型方面的精确数据,也就难以在日后制成高仿真度的复制品。有了早期三维激光测绘技术的研发,科研团队在前期数据搜集方面的工作得以顺利推进。齐莹老师介绍说:“高精度信息留取是在为佛像复制打‘地基’,这也是让技术走出实验室,结合实用课题的尝试。”

  在大型复杂石窟文物多元数字化表达技术方面,团队研制了成套的文物空间信息提取、虚拟修复、数据管理与展示等适用于大型复杂文物的信息留取与虚拟修复的工程化应用系统,建立了覆盖文化建模与修复主要环节的技术流程与工作规范。团队发明了基于精密点位测量数据的三维扫描控制定位工具与数据处理方法,解决了大范围文物高精度亚毫米级信息留取的技术难题。在此基础上,团队根据测绘所得数据,建立了由文物正射影像图、骨架线图、特征线划图、三维模型等九大类图组成的文物空间信息多元数字化表达体系,侯妙乐老师说:“信息多元数字化表达能够在日后研究中满足多视角、多投影面表达文物特征信息。”

  

  第9窟后室南壁正射影像

  复制:让文物活灵活现

  文物是历史风貌的展现,云冈石窟研究院张焯院长表示,希望通过复制的手段,将云冈佛像搬出洞窟,让世界一起见证灿烂多姿的中华传统文化。石窟寺作为佛教建筑的重要组成,因其体量巨大、分布各异且承担着重要文化价值而成为文化遗产保护的难点和重点。我校石窟保护与发展研究团队针对石窟寺保护中面临的实际问题和科学问题,在云冈研究院的持续支持下,率先开展了石窟的数字化留存与保护修复技术、基于艺术价值的区域划分、石窟安全监测、面向石窟复制的结构和材料设计等方面研究,并已取得阶段性成果。

  我校团队突破了大型复杂石窟表皮分块设计、结构设计、健康监测、材料等关键技术,研制了成套的大型复杂石窟的等比例尺复制的工艺流程与工作规范。在佛像表皮复制方面,团队提出基于艺术价值的表皮分块设计方法,通过综合考究石窟的历史、艺术、科技价值,从艺术欣赏价值、工艺雕刻复杂程度、造像信息主体、展观空间感受等多个层面,对石窟表皮进行分块设计。团队负责人李爱群教授介绍说:“分块复制不仅有助于掌握佛像的整体艺术特征,而且有利于日后对复制品进行合理的切分与组合。”

  在佛像复制品的内部结构方面,团队提出可为复制石窟佛像表皮设计内部结构骨架的方案。团队老师介绍说,内部骨架的想法源自工人使用的脚手架,团队提出两套方案,一是使用圆钢管与扣件,一是使用方钢管与法兰连接节点。前者结构紧密,支撑强度高。后者因使用法兰节点可实现骨架的灵活调整,进而能够根据外表皮的弯曲变化更好地连接骨架与外皮。与此同时,骨架在设计中还兼顾到复制佛像的多次拆卸、安装与运输等问题,保证石窟整体在自重、风荷载作用下的安全性。

  目前,我校石窟保护与发展研究团队选取聚氨酯泡沫材料,利用激光切割技术,制作完成一件云冈第3窟佛像佛首的小样化复制作品。团队齐莹老师介绍说,聚氨酯泡沫质量轻,易于切割,成型效果好,但是表层强度差,在日后试用阶段容易变形。虽然未能完全符合预期目标,但是齐老师认为,有了初步的尝试,相信团队在未来能够做的更好。

  

  文物不可再生,也不能永生。随着城市发展加速,受自然灾害、环境变迁以及人为破坏等因素影响,文物的消亡速度愈加增快,对文物进行科学保护与合理利用迫在眉睫。党和国家相关部门在文物保护问题上也给予了高度的关注,习近平总书记在参观首都博物馆时要求,“让文物说话、把历史智慧告诉人们”。我校石窟保护与发展研究团队将继续与云冈石窟研究院保持密切的合作关系,以云冈18窟的复制工作为契机,进一步推进我校古建筑遗产保护专业发展与人才培养,为保护并弘扬中华文化遗产贡献力量。