新闻网 / 建大故事

建大故事

【建大故事】协同创新让世界遗产永续发展——我校多学科交叉科研团队将高保真复制石窟搬进校园

部门:宣传部 供稿:高蕾 汪洋海容 摄影:汪洋海容 审核:孙冬梅 发布时间:2016-11-15
阅读次数: 【字号:

  今年在我校八十周年校庆之际,工程结构实验室里矗立起了一座气势宏伟的石窟佛像。它高10米,宽近4米,半包围的弧形结构里呈现的是云冈石窟第18窟东立佛的等比例全身像。前来参观的人都被它巨大的体量和“足以乱真”的高保真效果所震撼。

  这就是我校与云冈石窟研究院合作的石窟足尺高保真复制技术预研究初期成果。作为国内最早开始这项研究的单位之一,我校组建了多学科交叉融合的科研团队,进行了多项关键技术的自主研发。在佛像复制的过程中,团队成员付出了巨大的努力,也获得了成功的喜悦。巨大的18窟东立佛模型不仅保留了石窟原有的壮丽风貌和文化底蕴,而且研发出了基于艺术价值的表皮分区划分、高精度三维信息留取与虚拟修复、基于复制工艺的高性能复合材料、装配式结构研发、多维数字化快速成型与制造等5大关键技术。让石窟艺术和文化走出云冈、走出大同、走出山西、走向全国,进而走向世界成为可能。

 

 

  初期构想:多学科协作发挥专业优势

  云冈石窟研究院院长张焯说,十几年来,他一直有一个梦,就是希望能找到1:1高保真复制云冈石窟的办法,并且希望复制品能够象积木一样简单组装和拆解,方便到国内外去展示,让世界一起见证灿烂多姿的中华传统文化。

 

 

  2015年7月,我校就与云冈石窟研究院签署了人才培养基地合作协议,在人才培养、科技创新、社会服务以及文化传承方面进行深度合作。2015年10月,当云冈石窟研究院提出要用足尺高保真石窟复制品进行多地巡展的想法时,学校给予了充分重视和大力支持。“在我国加快现代化建设的同时,保护好中华民族五千年珍贵的、灿烂的文化遗产,是我们义不容辞的重大责任。”校长张爱林说。

  我校既有多学科协同创新推动文化遗产保护的优势特色,又有国家文物局“国家建筑遗产保护研究和人才培养基地”、“代表性建筑与古建筑数据库”教育部工程中心等科研平台和云冈石窟研究院、大足石刻研究院等人才培养基地,还有北京“未来城市设计高精尖创新中心”这一广阔的未来发展平台。

  “我校从上世纪50年代起就开展了建筑遗产保护研究,并且形成了多学科协同创新助力文化遗产保护研究的优势特色。学校先后主持承担了历史文化名城、历史街区、传统村镇、建筑遗产保护规划等项目300余项,建筑遗产保护规划与设计项目遍及全国23个省市。2009年,我校承担的建筑遗产保护工程规划设计项目在国内名列第二,在全国高校中排名第一。”2016年8月,张爱林亲自率队来到山西大同,他对学校及文物保护优势的介绍,更加坚定了云冈石窟研究院与我校合作共同开展等比例佛像复制这一科研项目的想法。

 

  起步不易:攻坚克难打下牢固根基

  万事开头难,事实上等比复制工作在起步之初进行得并不顺利。“高精度、等比例、足尺度的复制石窟相关技术在国际和国内都没有先例。这既是一个富有挑战性的前沿性、热点性课题,同时又是面向未来具有文化传承创新重大意义的研究项目,对于北京建筑大学多学科交叉融合、协同创新能力的考验也是巨大的。”研究团队带头人、国家杰出青年科学基金获得者李爱群教授说。为此,学校汇集了建筑历史、建筑艺术、测绘、材料、结构、现代制造、监测监控等多学科的专业人才,组建了多学科交叉协同的科研团队。

  据团队成员工程创新实践中心许东晖老师介绍,传统的石窟复制技术,是先由老师傅手工捏制一个模型出来,再按照这个模型进行放大和复制。“这种工艺的局限就在于它对工匠的手艺熟练程度有很高的要求,即便是手艺最好的师傅,其复制相似度最大也仅能达到80%。”许东晖说。团队在多次研讨时发现,虽然现代的科技手段能大幅提高复制品的相似度,实现石窟造像的“重生”,但是作为一个实际的工程项目,石窟造像在复制过程中还会受到很多因素的制约。

  建筑学院齐莹博士告诉记者,由于工程造价、施工组织、工序工时等因素的限制,团队在确定复制品的“草稿”时会对石窟某些局部展现的内容进行适当取舍。为了保证能够充分反映石窟佛像的艺术价值和文物价值,齐莹综合建筑艺术与传统文化,制定了一套完整的取舍原则。据介绍,团队研发出了基于艺术价值的表皮分区划分技术,该技术分别以石窟佛像的雕刻形式、工艺水平、完好性、视觉重点等为标准绘制石窟的解析图,多张图叠加在一起,重合处的关键部位一目了然。“这次制作的第18窟复制品着重保留了主佛的千佛袈裟、风格各异的罗汉,而洞壁四周的那些高浮雕、小佛龛等则进行了简化。”她说。而这些关键部位,也成为日后复制品进行切块划分拼接的依据。

 

 

  体量大、结构复杂一直以来是石窟文物保护与研究过程中的主要难题,结合石窟高保真复制对数据和图件的需求,团队经过研发推出了高精度三维信息留取与虚拟修复技术。建工建方吴志群老师介绍,团队利用基于精密点位测量数据的三维扫描控制定位工具,将佛像的空间位置信息以X、Y、Z坐标点的形式保存在数据库中,利用其在虚拟空间建立实体模型,并可标注RGB色彩的颜色值。这一关键技术的突破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。

  有了明确的洞窟景观展现原则和丰富翔实的可靠数据,佛像复制品的制作才可以说是正式开始。

 

  成品制作:新材料新结构赋予佛像新生

  来自工程实践创新中心的化凤芳老师参与了佛像复制品的雕刻制作工序。他介绍说,为实现复制品大体量、高保真和耐久性的实际要求,需要以三维数据采集技术、计算机软件技术、3D打印技术和多轴数控加工制造技术为基础,期间还综合利用了3D建模、3D打印、3D雕刻、数控加工和3D快速成型等手段。“3D技术以层为单位、以点为基准,最大限度地保证了复制品的高仿真度。”化凤芳说。有了3D技术的支持,复制佛像的每块结构得以诞生。

 

 

  “胎”已成形,“釉”来封藏。为了让佛像的复制品能够经受室外环境的考验,同时也是为了进一步提高仿真度,土木学院的李飞老师在团队里负责佛像外皮材料研究,他经过多次试验尝试研发出了新型PU/PS/PF基和水泥基系列高性能复合材料。新材料的开发主要是为解决纤维增强塑料、混凝土等常规材料存在的自重大、耐久性差等问题。据了解,新型复合材料相比传统材料更加绿色环保,并且可以进行仿石效果处理,对于提高复制品的逼真度和抗风化能力都有帮助。“就像烧制瓷器一样,画好精美的胎,还要有一层釉来保护。”李飞举例说。

 

 

  实现了轻质便捷、高仿真、可拆卸的功能后,如何让石窟佛像复制品在组合安装后稳定地屹立在室外环境中,成为复制品展现最终效果前的关键一步。装配结构就好比骨架,团队根据石窟3D扫描得到的等高线数据,完成了复制佛像支撑骨架轮廓绘制。主要负责该项任务的土木学院祝磊老师介绍说,骨架在制作过程中遵照了便捷的原则,在标准长为2米的杆件之间采用端板螺栓连接,实现了反复拆装。同时,为了抵抗室外锈蚀问题,骨架构建还进行了镀锌处理。“抵抗30米每秒的风没有问题。”祝磊自信地说。佛像与骨架之间按照实际空间确定彼此连接的固件的尺寸,这样就为拼合而成的整个复制品提供了最大程度上的支撑。

 

 

  经历了组建团队、研究历史文化、制定方案、研发关键技术、加工制作、现场拼装等艰辛的过程,造像终于在学校80周年校庆前夕,完成了现场拼接,作为一份特殊的礼物献给母校。校庆当天,前来参加校庆活动的云冈石窟研究院卢继文院长看到这个还没有完全完成涂漆的石窟复制模型时非常惊讶。他前后上下仔细端详了一番之后,兴奋地说,“这个模型相似度很高,终于做出了我们想要的感觉!”

  世界文化遗产云冈石窟承载着光辉灿烂的中华文明,运用现代技术创新让文物活起来、得到保护和永续的传承,是团队成员共同的心愿。“只有带着对文物的敬仰和崇敬之情、对传统文化传承创新的使命感和责任感,全身心地投入工作才能把数据测准确、把文化表达出来、把这项工作做好。”北京市百千万人才专家、测绘学院侯妙乐教授动情地说。

  云冈石窟第18窟东立佛复制品的成形,标志着我校石窟足尺高保真复制技术项目取得了阶段性成果。“我们的工作才刚刚开始,”副校长李爱群教授说,“在未来,我们继续将围绕跨学科领域的关键技术、设计方法、制造工艺等内容把技术做得更成熟、更可靠,形成一整套技术标准和规范,使学校以多学科协同科研的模式,在建筑遗产、世界遗产领域更好地实现协同创新,为石窟永续保护和发展提供有力的科技支撑。”