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北京建筑大学携手云冈石窟研究院揭秘“会动的”云冈石窟

部门: 供稿:汪洋海容 摄影:高蕾 胡保华 审核:侯妙乐 高蕾 发布时间:2020-05-18 阅读次数:

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5月11日,来到山西考察调研的习近平总书记走进大同云冈石窟,实地了解历史文化遗产保护情况。始建于公元5世纪的云冈石窟再次以绚烂多姿的文化魅力走人广大公众的视野。

   

千余载云冈石窟历经沧桑,展现世界雕刻艺术奇迹。百余年建筑大学传承智慧,助力历史文化遗产保护。从2005年开始,北京建筑大学就与云冈石窟研究院携手开展云冈石窟保护研究工作,从最初为石窟建立数字影像资料库,到如今制作完成石窟等比例高保真复制模型,十五年的合作历程见证了双方的深情厚谊,也见证了双方携手向云冈数字化保护高峰攀登的勇气与信念。

5月18日国际博物馆日当天,央视记者走进北京建筑大学大兴校区开展直播报道,邀请云冈石窟研究院院长张焯、北京建筑大学副校长李爱群作为嘉宾,在云冈石窟18窟复制工程(1:1)前,揭秘3D打印如何“让文物活起来”背后的秘密,讲述高校科技创新服务云冈石窟保护的故事。

初心:让文物讲述历史

云冈石窟是世界文化遗产,保护好云冈石窟,不仅具有中国意义,而且具有世界意义。习总书记的话语不仅强调了云冈石窟在中华文明中的重要地位,更是对长久以来云冈石窟保护工作的充分肯定。

云冈石窟是我国三大石窟之一,石窟依山开凿,东西绵延一公里,现存大小窟龛254个,主要洞窟45座,造像59000余尊,是中国佛教艺术的巅峰之作。据张焯介绍,石窟吸收和借鉴印度、中西亚文化,汲取希腊、罗马艺术元素,是文化融合的历史丰碑,代表了公元5世纪世界雕刻艺术的最高水平。

保护好中华民族五千年珍贵的、灿烂的文化遗产,是义不容辞的重大责任。一直以来,云冈石窟都未能建立起自己的数字档案。随着时间的推移,岩体渗水侵蚀、风化侵蚀等给石窟带来不可逆的破坏,尽可能全面的保留石窟样貌成为双方合作的当务之急。

2005年,北京建筑大学利用三维激光扫描技术,生成了完整的云冈石窟外立面点云及正射影像图。该图经检验,尺寸精确无误,在此图基础上绘制的云冈石窟实测线描图,弥补了云冈石窟一直没有全景正射实测线描图的缺憾。该项技术可以克服石窟结构复杂、细节繁琐等困难,采集到传统人工绘制方式难以获取的佛像造型方面的精确数据。这不仅为云冈石窟走进三维数字时代奠定了数据基础,也为日后制成高保真的复制品打下了坚实根基。

复制:让石窟走出大同

一直以来,张焯有一个梦想,就是希望能找到1:1高保真复制云冈石窟的办法,把云冈石窟能够像堆积木一样简单组装和拆解,带到国内外其他地方去展示,让世界一起见证灿烂多姿的中华传统文化。这也慢慢成为所有云冈人的共同期盼。

北建大在前期合作的基础上接下了这份重担。“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。”李爱群介绍说。2016年3月,云冈石窟复制技术研究正式启动。此后,北建大在国内外率先提出了针对大型文化遗产的高保真等比例复制“5+1”关键技术。

以高精度三维信息留取与虚拟修复技术,如实展现佛像的岁月沧桑。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。由此,团队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。大幅提升了复制模型的相似度,真正意义上实现了石窟佛像的“重生”。

以艺术价值表皮分区划分技术,确定模型切块拼接标准。把石窟佛像模型做成“积木块”不是随意地进行切割,团队为了让模型能够充分反映石窟佛像的艺术价值和文物价值,综合建筑艺术与传统文化,制定了一套完整的取舍原则。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。例如在做第18窟主佛复制模型时,团队注重凸显佛像千佛袈裟上风格各异的罗汉,而洞壁四周的那些高浮雕、小佛龛等则进行了简化。再比如,最终制作完成的云冈第18窟东立佛模型共计有120余块,每一块大小不一,整体上实现无缝隙。

以高性能复合材料技术,还原佛像真实质感。想要让云冈石窟“活”起来,不仅要在形状上看着像,还要在质感上仿的真,更要经得起室外环境大风、雨水、高温等条件的考验。这时,选用什么样的材料来做佛像模型的外表皮就显得格外重要。团队研发出了新型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,相比传统材料也更加绿色环保,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。李爱群讲到,团队为保证户外展示效果,选取了20余种材料进行实验。

以装配式结构设计研发技术,让石窟站起来、立得住。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。佛像模型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。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,可以抵御30米每秒的大风。

以多维数字化快速成型与制造技术,进一步提升佛像模型还原的真实度。云冈第18窟主佛模型的制作运用了最热门的3D打印技术。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保真度。

2017年4月,等比例复制项目完成验证;2017年5月,采用3D打印技术成功复制第五窟的窟首;2017年10月,第18窟局部1:1模型成功复制;2018年2月,第18窟协侍佛1:1模型成功复制;2018年8月,第18窟整体装配式3D 1:1模型成功复制。短短几年时间,北建大团队就在云冈石窟保护和高精度等比例复制方面培育出了丰硕的果实。

发展:研究尚未止步

北建大团队在佛像模型制作和装配上取得突破后,逐渐把目光更多地放在了复制全过程安全监测上,也就是提升佛像模型整体的综合性能,这是“5+1”关键技术中发挥重要支撑作用的“1”。在这一方面,北建大新建成立的多功能振动台阵实验室将在未来研究过程中发挥巨大作用。

大型多功能振动台阵设备是北京建筑大学“十三五”期间建设的科研重器,该设备由四个5m×5m、单台载重60吨的三向六自由度振动台组成。台阵中的每个振动台均可单独使用,也可在长短两个沟槽内任意移动,若干台可合成大型振动台台组联合工作,满足各种古建建筑及文物的抗震、减震和隔震研究需要,为我国的建筑遗产保护工作提供了一个具有国际先进水平的多功能地震模拟试验平台。依托此试验平台,团队可针对云冈石窟的抗震性能开展研究工作,结合当前最先进的抗震、减震及隔震技术,为云冈石窟的抗震保护提供技术支撑。

此外,VR虚拟现实技术也在北建大云冈石窟保护团队的研究工作中得到了应用。在2019年10月19日开幕的2019年世界VR产业大会上,北建大携“VR+文化遗产”交互体验项目亮相。在云冈石窟体验区,5台VR设备同时开放,可以5人共同互动体验。大家戴上头显之后,瞬间来到千里之外的世界遗产地——山西大同云冈石窟,先是从空中俯瞰景区,之后进入最具北魏特色的第18窟当中,伴随着音乐和讲解,体验者升到洞窟高处,在现实世界中不可能达到的视角欣赏洞窟景致,触发夜明珠并伴有飞天起舞,十分曼妙,还能抽签祈愿,和主像释迦摩尼佛互动,接受白毫赐福。



保护云冈石窟不是一代人可以完成的任务,是需要代代相传的历史使命。在北京建筑大学,有越来越多的师生投身建筑遗产保护事业,他们编制完成《北京市长城文化带保护发展规划》,建立了国内首个应县木塔精细BIM模型,开展了燃灯佛舍利塔精细重构及健康监测理论与方法研究等等,为全面监测、科学保护历史遗迹提供了全生命周期的支持。

在这一过程中,学校构建了国内唯一的“建筑遗产保护”交叉学科及相关领域学士、硕士、博士、博士后一体化人才培养体系,获批“国家文物局文博人才培养示范基地”,承办了建筑遗产保护规划进修班,组织了建筑遗产保护与发展学术论坛。2015年6月,北京建筑大学与云冈石窟研究院签署人才培养基地协议,共同设立了人才培养基地——数字云冈联合实验室。有许许多多师生榜样涌现出来,青年北京学者侯妙乐、云岗数字化室主任宁波和副主任何勇、全国优秀共青团员陈越、“时代楷模”北京榜样周坤鹏,团队师生同成长、共进步。

习近平总书记说,历史文化遗产是不可再生、不可替代的宝贵资源,要始终把保护放在第一位。发展旅游要以保护为前提,不能过度商业化,让旅游成为人们感悟中华文化、增强文化自信的过程。要深入挖掘云冈石窟蕴含的各民族交往交流交融的历史内涵,增强中华民族共同体意识。参与云冈石窟保护,不仅是一个科学研究的过程,更是与历史对话、与文明对话的洗礼。

“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。”李爱群表示,北建大将继续与云冈石窟研究院携手共进,再创文物保护的佳话。

截止到5月19号上午,经济日报、北京日报、中国科学报、北京头条等多家主流媒体对活动进行了报道,媒体报道链接如下:

经济日报APP:3D打印让云冈石窟“现身”北京

北京日报APP:云冈石窟大佛“走”到北京

中国科学网:北建大揭秘“移动的云冈石窟”

北京头条:云冈石窟研究院携手北京建筑大学揭秘“移动的云冈石窟”


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【央视频直播】博物馆奇妙YEAH| 会移动的“云岗石窟”掌门人现身讲奥秘:https://mp.weixin.qq.com/s/JflbWORiLxnu_AZoPw-VbA

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编辑:高蕾、李小虎





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