第1章 绪 论
1.1 研究背景与意义
明清古建筑代表了劳动人民的智慧和结晶，体现科学技术同时也体现艺术价值，是历史文化的载体。其中木结构建筑最为常见。木结构建筑在建筑史中独树一帜，自成体系。但是由于年代久远，很多古建筑难以保存或者容易被腐蚀，古建筑由于自然和人为因素等造成一定程度的损坏。一些古建筑由于历史原因只剩下遗址,并且文字档案丢失或者不完备,并且大多数没有进行数字化存档。如图 1-1 所示为古建筑坍塌和烧毁，没有存档资料重建恢复困难。如今，随着国家和社会的发展，人们对建筑遗产的保护受到越来越重视。针对明清古建筑，必须采取有效的手段进行保护和利用。测绘工作在古建筑保护中十分重要，快速准确的获取完整的数据，可以为古建筑保护、修复及重建提供数据支持[1]。三维激光扫描技术是一种可以快速的获取数据的测绘方法，其特点是精度高，密度高，采用非接触式测量方法。将三维激光扫描技术应用与古建筑数据采集中，可以高效的获取空间数据，从而获取真实的古建筑物空间数据模型，建立三维空间模型。但由于一些古建筑被玻璃铁丝网等遮挡保护如图 1-2，或是一些梁柱裂缝较深部分，尤其是严重毁坏的建筑遗址，三维激光技术很难全部获取古建筑的数据，所以需要结合古建法式营造技术进行数据补充和设计修复[2]。法式营造技术是前人建造古建筑各做法的规范，构件之间按照一定的比例关系建造，也是古建修复和重建的重要依据，而通过法式营造过程中需要反复测量，修改数据导致其他构件改动十分不便，复杂的推算画图过程也降低了重建的效率。上述的种种情况反应了我国古建筑文物的一些现状,目前的紧迫任务即应用当今的科学技术,对于尚存的和被破坏的明清古建筑采取积极的手段进行保护,以实现古建筑的数字化存档、二维与三维重建、三维可视化、数字化保护等方面的需求。
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1.2 国内外研究现状
本文主要研究我国古建筑测绘、营造技术和明清古建筑遗址管理系统等内容。通过文献资料查阅进行国内外现状总结：中国从远古的河姆渡建筑遗址和商州遗址规整的木桩、榫卯和竖井可反映出精确定向、定水平等高超建筑测绘技术[4]。三国时期记载“重差”术间接测量建筑物高度等和计算的方法。文献[5]提到最早通过现代方法测量的建筑遗产测绘图。在我国历史上多次出现有关木构建筑营造技术方面的书，如《考工记，匠人》有 2000多年的历史[6]。由朱启钤兴办，梁思成和刘敦桢等人一起研究中国传统营造学于 1930年 2 月成立营造学社，中国营造学社从创立到的解散的 17 年中，最少只有 5 位专业研究人员，最多也不过十多人，经过学术交流和研究，却得了大量的研究学术成果并成为我们宝贵的资料，促进我国古建筑研究的发展[7]。梁先生对古建筑营造技术研究，对我们全面认识木构建筑营造技术有极大帮助，学习和继承技艺是我们的责任和义务。国外学者对中国建筑文化进行研究，日本学者伊东忠太，英国人叶慈，德国人艾克、鲍希曼，瑞典人希仑等人，纷纷搜集中国古建筑资料，并著书立说[8]。随着《雅典宪章》的颁布[9],建筑遗产保护越来越受重视。1964 年，在威尼斯通过了文物保护修复的原则性文件《威尼斯宪章》[10]；随后又有了美国的《华盛顿宪章》[11]，澳大利亚的《巴拉宪章》[12]，英国各类专家管理权威机构为英格兰历史建筑和古迹委员会（Historic Buildings and Monuments Commission for England）与英格兰遗产贸易有限公司（English Heritage Trading Limited），简称 EH。中国也颁布实施了《文物法》等相关规范，这都意味着对建筑遗产的保护在世界上受到的重视[13]。文献[14]介绍了对故宫太和殿等进行数据采集，数字化保护等工作。对古建筑保护工作起到了实质性的推进作用。文献[15]对圆明园碧澜桥残余构件进行了扫描，通过计算机虚拟构件功能，研究得出残留构件的组合复原方案。文献[16]主要讲对山西陵川县西溪二仙庙的部分建筑，以及佛光寺东大殿进行了三维扫描，通过与现状点云作对比进行检测，得出变形评估。以上文献资料均说明了三维激光扫描在数字化保护中的重要意义。随着技术的发展，利用信息技术对古建筑进行管理，设计系统并实现各种功能给今后研究带来便利。如严明硕士利用 Web 技术设计实现了明清古建筑信息系统，为古建筑研究提供了帮助，使更多人了解古建数字化保护[17]。张冬梅设计了古建筑病害信息处理与管理系统，实现了对古建筑构件病害信息的查询检索和显示生成普查表等功能。为日后检测施工提供了技术支持[18]。上述两位作者主要通过系统实现对古建筑信息进行管理查询，本文在此基础上主要添加了法式计算功能，自动计算构件尺寸数据。马明星设计了古建筑数字展示系统，并且是基于 Android 平台开发的系统[19]。利用平台开放性兼容性等优点对古建筑进行数字化保护。马明星设计的系统作用主要是展示古建筑信息，没有遗址重建功能，平台与本文不同。王茹，孙卫新等人提出了基于 BIM 对明清古建筑建模的系统，为今后构件组装在古建筑数字化修复中的应用提供了研究方向[20]。主要基于 BIM 对古建筑遗址实际存在的构件进行建模，而本文主要针对明清古建筑遗址构件尺寸进行计算恢复。王婉等提出了古建筑参数化系统的研究，提出了参数化建模的方法建立了系统，应用 OpenGL 技术构建场景，实现虚拟漫游[21]。参考 OpenGL 技术构建场景，用于本文系统中，使整个数据管理系统法式计算功能的基础上，添加三维可视化功能和信息数据管理功能等。
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第 2 章 古建筑测绘
2.1 古建筑测绘方法及成果
传统古建筑测量方法主要是手工测量，一般使用 30m 皮卷尺，50m 钢卷尺、60m和 100m 水平尺、垂球和细线、角尺、三角板、灯具、复写纸、宣纸、粉笔等辅助工具。通过人工逐一测量建筑物以及各个构件。撰写测绘报告工作包括整理资料并拍摄照片，获取图件和文字记录等数据[24]。这种传统古建筑测绘方法主要针对是结构简单的古建筑，而像庑殿、歇山顶及重檐建筑通过传统手工测绘则十分复杂困难。需要注意的是工作分工要明确，共同配合完成。读数要规范和统一避免混乱。通过科学有效的方法测量无法直接量取的数据。图 2-1 为梁思成先生对古建筑进行测绘工作。现代测量技术应用在古建筑中主要有：通过量测坐标点连线的全站仪测量方法，通过摄影测量方式得到建筑物的整体形状的近景摄影测量方法，还有通过激光反射获取点云数据方法得到建筑物三维数据的三维激光扫描技术。这些方法都是随着技术发展应用到古建筑测绘，从而快速高效的获取古建筑数据。为古建筑做记录和存档工作，为古建筑遗址重建修复做准备工作。如表 2-1 所示，各种测绘方式在古建筑测绘中的优缺点。人工测量简单方便，作业方式比较灵活。缺点是与古建筑接触多，易对古建筑造成危害，具有一定的危险性。人为测量数据精度不够。全站仪测量技术的优点就是单点精度高，效率较高，对复杂形状的物体量测大量不方便，费时费力。三维激光扫描技术先进，遮挡和噪点部分数据获取困难，如缝隙，阴影，灰尘等获取相对困难。数据量太大，对古建筑点云建模相对困难耗时。
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2.2 三维激光扫描技术
三维激光扫描技术——快速获取点云数据生成三维点云模型的新技术，真实描述建筑物的整体结构，获取古建筑物完整的空间信息，可以成为完整的参考资料[26]。对于一些只剩下遗址的古建筑而言,如何通过各种科技手段进行三维重建是一个难点,本文将针对该问题进行研究和探讨。三维激光扫描技术测绘技术革命，又被称为实景再现技术[27],很早便应用在建筑遗产数字化保护中,主要在建筑遗产的数字化、三维重建、变化监测等方面。针对我国古建筑，比较复杂，扫描仪的选取非常重要。三维激光扫描仪进行古建筑测绘主要准备工作、扫描工作、检查工作和数据处理工作四步。首先对现场进行调研勘察，并制定作业方案。选择仪器进行扫描从而获取建筑遗址点云数据。对扫描数据仔细检查，确保没有遗漏。将古建筑点云数据进行配准，对数据进行去噪精简等处理工作，建立三维模型并贴图实现纹理映射。在软件中将模型调整到正南正北等方向进行截图，用于绘制平立剖面[28-33]。
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第 3 章 明清古建筑营造方法...........15
3.1 古建筑形式与构件........ 15
3.1.1 我国古建筑形式..... 15
3.1.2 古建构件信息......... 17
3.2 明清营造技术与计算............ 18
3.3 景祺阁后院正殿构件推算............ 24
3.4 营造技术与计算机信息管理技术结合........ 24
3.5 本章小结........ 25
第 4 章 明清古建筑遗址营造数据管理系统设计...........26
4.1 系统需求分析........ 26
4.2 系统设计........ 30
4.2.1 总体框架设计......... 30
4.2.2 系统功能模块设计......... 31
4.3 数据库设计............ 35
4.3.1 数据库选择..... 36
4.3.2 概念模型设计......... 36
4.3.3 实体设计......... 36
4.3.4 数据库模型设计..... 36
4.4 本章小结........ 41
第 5 章 系统实现与应用...........42
5.1 系统环境与开发工具............ 42
5.2 系统主要功能实现........ 42
5.3 故宫古建筑遗址重建应用 ........... 48
5.4 本章小结 ....... 55
第 5 章 系统实现与应用
根据系统需求分析和设计，系统可以有效的对明清建筑遗址各类数据进行存储与管理，并实现对所存储数据的检索查询、构件法式计算、添加删除、上传下载和可视化显示等功能。下面分别对明清古建筑遗址营造管理系统的环境与开发工具、系统主要功能进行展示和操作，最后结合故宫建筑遗址重建全过程的实例验证系统功能的实用性和高效性。
5.1 系统环境与开发工具
明清古建筑遗址营造数据管理系统采用 64 位 win7 操作系统，通过 C#编程语言实现前端各功能，后台数据库通过 Micosoft SQLServer 2008 如表 5-1 所示，实现数据连接与数据交换。用户登录分为管理员和用户登录两种登录方式如图 5-1 所示，用户可以通过注册登录，管理员输入用户名、密码和验证码便可进入界面如图 5-2，可以存储上传数据，用户可以浏览数据。登录输入随机验证码以保证安全性。原理如下：当输入值与随机生成的图片一致相等便可以通过。验证成功后变可进入主界面，主要功能有项目类型、数据类型、查询搜索、读取、法式计算、可视化，统计和关于帮助等功能。用户登录分为管理员和用户登录两种登录方式如图 5-1 所示，用户可以通过注册登录，管理员输入用户名、密码和验证码便可进入界面如图 5-2，可以存储上传数据，用户可以浏览数据。登录输入随机验证码以保证安全性。原理如下：当输入值与随机生成的图片一致相等便可以通过。验证成功后变可进入主界面，主要功能有项目类型、数据类型、查询搜索、读取、法式计算、可视化，统计和关于帮助等功能。
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总结
本文主要根据明清建筑遗址重建相对困难的需求，设计并实现明清古建筑遗址营造数据管理系统，明清古建筑遗址通过本系统完成构件尺寸的计算，出图和数据管理等功能。通过实例验证系统有一定的实用性和可行性，主要工作如下：（1）分析古建筑测绘技术和方法，针对法式测绘复原明清古建筑遗址方法，以及三维激光扫描技术可以快速高精度的获取数据进行量测的特点，将二者结合应用与古建筑遗址的数据获取中，实现技术互补。（2）对古建筑形式和构件尺寸比例进行分析总结，并按照营造做法进行分类整理，对构件尺寸权衡表构件进行了翻译，对计算比例关系进行优化和调整。（3）从需求分析、系统设计和数据库设计三方面介绍明清古建筑营造数据管理系统的设计构成。实现了古建筑遗址营造数据信息的存储、检索查询、上传下载、法式计算、三维可视化等功能。（4）将明清古建筑遗址营造管理系统各功能进行展示，并结合实际案例进行应用和验证。实验表明，明清古建筑遗址营造数据管理系统可实现明清古建筑营造构件尺寸数据自动化计算和获取，减少了手动计算和修改的时间，提高了效率，同时该系统还实现了对明清古建筑法式营造数据的入库、查询、展示、更新等功能，实现了对相关信息的有效管理和利用，改变了传统法式重建的方法和过程。明清古建筑遗址营造数据管理系统主要作用是：随着人们对古建筑遗产和修复工作重视，越来越多的人们将学习和继承传统营造技艺，明清古建筑遗址营造数据管理系统可以提高效率的同时，有效的将数据进行操作和管理，成为一个实用的古建筑遗址重建工具。为建筑遗产保护工作贡献出一点力量，同时也是连接建筑和测绘专业领域的桥梁。
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参考文献（略）