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3D激光扫描技术为圆明园散落石块找“归宿”

2017年07月19日 14:41:18
来源:北京晚报
编辑:陈玉蓓

  西洋楼,圆明园的一角,虽然面积只占全园总面积的1.5%,但其残破的西洋风格遗址是中国人最熟悉的圆明园标志,每一张圆明园明信片几乎都取景自西洋楼。到访西洋楼的游客,似乎都习惯了这里每一处石构件的摆放,似乎没有游客会去深究——“这些散落的石块原来应该在哪儿?”

  但有一群人,正在利用3D激光扫描技术,帮散落的石构件找到“归宿”。

  北京清华同衡规划设计研究院建筑与城市遗产研究所(以下简称“清华同衡遗产所”)所长肖金亮,在接受北京晚报专访时表示,清华同衡遗产所从2009年开始就大规模利用数字化技术,为圆明园内的遗迹寻找精确定位。“圆明园内遗存下来的石构件数量巨大,同时又缺少图纸等原始资料,我们的工作每天都在不断更新,尽量找到每一块石构件原来的位置。”

  在3D激光扫描技术的帮助下,学科带头人清华教授郭黛姮和肖金亮及团队,不仅帮西洋楼的石块找到“归宿”,甚至还修复了已经坍塌的碧澜桥。

  没图纸?石构件3D模型助复位

  始建于1709年的圆明园,其精致与恢弘已无须赘述。在1860年遭英法联军劫掠后,“万园之园”只剩下残垣断壁。从那以后,我们只能借助绘画和老照片,想象圆明园巅峰时的壮美。

  “我们现在看到的西洋楼,是1980年清理之后的样子。”肖金亮说,圆明园在1860年遭劫后,由于社会动荡、疏于管理,军阀和附近村民都对圆明园遗址进行过盗取。到了1960年,西洋楼的很多遗迹已经被土堆掩埋。直到1985年前后,圆明园才迎来了一次较为彻底的清理,许多现在的景点才重见天日。“不过,当时的技术条件受限,西洋楼的很多东西并没有严格按照原位摆放。有些应该立着的石构件,现在是躺着的。”

  对于古建筑研究这个专业来说,西洋楼的特别之处就在于它虽遭破坏,却留下了大量石构件。古埃及金字塔、古希腊神庙、古罗马斗兽场都因大量采用石材而留存至今,在木材被烧毁、夯土已坍塌的情况下,西洋楼的石构件显得弥足珍贵。时至今日,随着考古工作日益深入,还有石构件不断被发现。但问题也随之而来,这些残破的石构件原来属于哪座建筑?应该在什么位置?

  “或许大家自然而然都会想到找图纸,可实际情况是,关于西洋楼的‘样式雷图’数量很少。”

  样式雷,是对清代200多年间主持皇家建筑设计的雷姓世家的誉称。雷家是清代内务府样式房的掌案头目人,为皇家进行宫殿、苑囿、陵寝、庙宇等设计和修建。“样式雷图”就是雷家留下来的图纸,这些图纸有的是设计图,有的是测绘图,数量繁多,原先在样式房有专门管理。但到了清末,管理混乱,“样式雷图”被太监宫女们夹带着流出宫外,在民间四处流转。

  “像圆明园西洋楼这样西式表达的建筑,图纸本来就少。现在仅存的一些圆明园‘样式雷图’,分散在故宫、国图、第一历史档案馆、清华等单位。虽然有一些整理,但大部分都需要辨别。”

  怎么办?借助3D激光扫描是个好办法。利用精确到毫米以下级的扫描技术,肖金亮和同事们把散落的石构件变成了电脑里的3D模型。“在电脑里,我们可以一点点去试、去拼接,找到构件之间的对位关系,特别对于曲线形状的构件,原来手工测量难以测得的形状,现在都准确测量了。”

  有缺失?新科技老手艺修石桥

  新科技的运用,让研究团队知道那些散落在圆明园遗址地上的石构件原先属于哪儿。“我们在不断更新数据库,万一哪天石构件某些原因出现缺损——当然我们不希望有那一天,可以利用数据库里的信息,去追溯损坏石构件的原样。”

  机会总是留给有准备的人,一座石桥遗址的出土,给了研究团队实践的机会。

  这座石桥位于圆明园坦坦荡荡景区,上有乾隆御笔刻字“碧澜桥”,2002年被发掘出土时,构件已经散落。2006年,介入石桥复原工作时,清华同衡遗产所再次遇到了缺少图纸的情况。于是,利用3D激光扫描技术,研究者们在电脑里完成了对石桥主要构造的拼接。

  “如果按照现在修建一座仿古石桥的方法,用吊车安装石构件,那很容易造成文物损坏。但是在电脑里,像搭积木一样,依照石桥的弧度,遵循石构件之间的榫卯结构,一点点找到每个石构件的精确位置,可以不触及石构件,避免了搬运过程中的损坏。”

  当拼接工作在电脑里完成时,不仅现存的构件都回归了原位,还能精确定位缺失的部分。再次借助现代科技,他们对老石材进行了化学成分分析,并在北京周边找到了清代开采这批石材的矿脉。“我们还找到了房山区的石材雕刻非遗传承人,请他们按照我们扫描下来的花纹,补齐了缺失的部分。这可以说是现代科技和传统手艺的完美结合。”

  经过近十年的细致工作,2015年底,碧澜桥的修复工作正式完成。“现在碧澜桥所在的圆明园西部景区,人流相对较少,还没有完全开放,相信不久的将来,游客们就有机会近距离感受碧澜桥的风采。”

  难复建?依赖于技术传承和匠人

  碧澜桥的复原只是研究团队工作的一小部分。“相对于公众最熟悉的西洋楼等景区,碧澜桥要好办一些。”为什么西洋楼难办?因为从1980年开始,所有人印象中的西洋楼已经固定,每一点小修补、小变动,都得考虑游客是否接受。

  西洋楼景区里有一个海晏堂蓄水楼,原先是给十二兽首喷泉提供水源的。蓄水楼的遗存主体是一个高7.2米左右的夯土台,上宽下窄,看上去像是倒立着的。“蓄水楼原先有厚度达到5米的包砖,但后来被扒走,只剩下夯土,多年风雨侵蚀造成夯土台风化、开裂、剥落严重,整体结构也处于不稳定状态,非常危险。”在决定抢险加固、局部包砖后,肖金亮和同事们进行了严苛的准备工作。首先就是测定原始用砖的化学成分,发现烧砖用土来自门头沟。然后是对砖块的力学性能进行分析,“如果新做的砖,强度不如原始用砖,那么起不到保护夯土的作用,就没有修复的意义。如果新砖的强度比老砖高,那又会造成内部应力向老砖集中”。在确定了砖的化学成分、力学性能后,施工团队联系了门头沟的砖厂,按照原始的规格进行定制。砖制作好后,又请老师傅按照夯土台上留下的砌砖印记,进行重新铺装。

  最后的效果,既达到了加固的目的,也严格按照原样修补,没有让游客产生不适应。

  虽然当初学的是建筑,现在研究的也是建筑,但肖金亮的工作经常需要同化学、物理、摄影等其他学科打交道,为的就是更真实地还原圆明园的本来面貌。尽管“是否应该重建圆明园”的讨论一直没有停歇,但肖金亮对北京晚报记者表示:“我们对复建圆明园是不持立场的,目前所做的工作只是希望留存技术资料”。

  有投资商希望在外省市异地复建圆明园,此前曾找过郭黛姮教授和肖金亮,但是商业行为显然没法与学术研究合拍,“一些老板有热情,也有情怀,但在具体行动上,他们期望的只是个主题公园,弄点清代的房子,做个正殿配殿,并不准备做严格的原始面貌展现。如果真的要复建圆明园,不只是钱和土地,更重要的是技术的积累、记忆的传承、工匠的培训、物料的长期准备。我们中国的古建筑,非常依赖工匠的表达,需要长时间浸淫于古建筑行业的资深匠人”。

  肖金亮和同事们的工作,继续在新科技和老传统之间寻找平衡,他希望能借助更多如3D激光扫描这样的新科技,也希望能有更多遗存资料涌现出来。“我们在做的工作,希望能有更多公众知道。一方面为公众提供一个了解圆明园的渠道,另一方面也希望调动全社会的力量,共同加强圆明园研究,说不定谁家就有一份很有价值的图纸。如果可以,我们希望学者和百姓能够进行良好互动,为更好地了解圆明园的本来面貌一起努力。”

  本报记者 孙毅 D175

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