全文刊登于《中国文化遗产》2024年 第2期 P32-41

自1990年代以来，数字技术已广泛应用于文化遗产的保护、研究、交流和管理工作。2003年联合国教科文组织（UNESCO）在《保存数字遗产宪章》（Charter on the Preservation of Digital Heritage）中指出“数字遗产”（Digital Heritage）是以数字方式生成及存储的，具有长久的价值和意义，应当为当代人和后代人加以保护和保存的独特资源和信息[1]。2013、2015年，UNESCO连续支持召开“国际数字遗产大会”（Digital Heritage International Conference），对“数字记录与采集”“数字资源保存”“数字展示与可视化”“数字内容管理与解析”进行了探讨。2022年，国际文物保护和修复研究中心（ICCROM）启动“可持续数字遗产（SDH）”计划，旨在收集和传播数字遗产保存和创造性利用的策略和工具[2][3]。

在建筑遗产领域，数字遗产则用“文化遗产数字化”（Heritage Digitization）来表示。近年来，世界范围内以及我国建筑遗产领域内的数字化发展迅猛，数字遗产量呈指数级增长，内容的不断增加和不断变化的技术使这项工作变得更加复杂。大量的建筑遗产进行了三维激光扫描或者摄影测量，却较少进行后续的研究利用，停留于简单的保存与展示；信息化建设欠账，导致建筑遗产监测体系建设中缺乏衔接，实现反应性监测与智能化监测有很大的困难；数字采集、监测、管理等阶段多是孤立的，造成信息不流通、工作量重复、效率低下等问题。基于当下建筑遗产数字化现状，一套以整体视角来统筹全局的解决方案十分必要。

“数字孪生”（Digital Twin）是2002年美国密歇根大学教授迈克尔·格里夫（Michael Grieves）为了解决产品的生命周期管理（Product Lifecycle Management）问题提出的数字化工具[4]。具体而言，数字孪生是一个使用最佳物理模型、传感器更新、历史记录等内容，集成多物理、多尺度、概率模拟的系统，以反映其相应的孪生体的生活[5]。经过多年的完善与研究补充，包含了物理、动态、环境、使用者等先进于以往数字化的理念，符合信息化与智能化的趋势，在工业、城市、水利等领域有着广泛的应用与研究[6][7]。建筑遗产领域对此也有一定的关注，如意大利米兰大教堂通过发展数字孪生的概念来预测砖石建筑遗产的结构响应[8]；上海宋庆龄故居集成多种数字孪生技术构建了基于全生命周期管理的文物建筑预防性保护综合运维管理系统[9]；浙江湖州毘山遗址对建筑考古遗迹进行了数字孪生建模[10]。

一、建筑遗产保护领域的数字孪生逻辑

迈克尔·格里夫（Michael Grieve）与约翰·维克斯（John Vickers）在其2017年合著的《数字孪生：缓解复杂系统中不可预测、不良的突发行为》（Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems）一书中指出，数字孪生意指数字信息是嵌入物理产品本身信息的“双胞胎”，是一个随产品生命周期变化的动态模型，是一个能够设计、测试、制造和使用虚拟产品的系统，以减少物理产品实际生产与运行中不可预测的不良突发行为。在其定义的数字孪生三维模型中，包括真实空间，虚拟空间，从真实空间到虚拟空间的数据流链接，以及从虚拟空间到真实空间和虚拟子空间的信息流链接[11]。

将数字孪生概念引入建筑遗产中，首先要注意的就是提出数字孪生的原因——实现产品的全生命周期管理。产品的生命周期包括创建（Creation）、生产（Production）、运行（Operations）和处理（Disposal）。基于数字孪生平台或者技术，产品创建阶段可以首先进行低成本的试验以及根据用户反馈不断改进虚拟实体进而改进物理实体；产品生产阶段可以构建整合制造流程的生产系统模型；运行阶段能够在与物理实体等效的虚拟系统中进行故障预测、健康管理与寿命预测；处理阶段可以为下一代产品保留有价值的信息。

而建筑遗产的全生命周期与产品不同，由于其被人们所重视珍藏的特殊价值，建筑遗产不需要被处理，而是保护。从重建（Reproduction）开始，到维持（Sustainment），直至可能因为某些原因解体消亡（Disappearance）（图1）。基于数字孪生平台或者技术，建筑遗产重建阶段可以实现所有信息的数字化保存；维持阶段可以管理、监测、保护、研究；若不得已消亡则可以永久保存其曾经存在的信息，实现虚拟永生。

图1 产品与建筑遗产的全生命周期管理（作者自绘）

建筑遗产的数字孪生，始自真实的建筑遗产本体，通过对其多类数据的采集和集成，构建起虚拟建筑遗产。而虚拟建筑遗产通过存储、分析、处理、决策的信息，也可逆向作用于遗产本体的干预（如替换构件、外观修复等等）。真实与虚拟建筑遗产之间的联系是双向的，理想状态下一方的变化都会在另一方体现，最终实现虚实共生、迭代运行与双向优化。

因此，建筑遗产数字孪生体由三个部分组成（图2）：

图2 建筑遗产数字孪生体（作者自绘）

（1）真实建筑遗产。即在现实空间中实际存在的建筑遗产以及其包含的以物理或其他形式存在但未被数字化的信息。

（2）虚拟建筑遗产。即包含着建筑遗产在实体状态与虚拟状态下产生的所有数据与信息的虚拟对象模型。

虚拟建筑遗产生成后主要应用于综合管理平台和数字博物馆。综合管理平台面向管理人员，为建筑遗产从被动的“抢救性保护”逐步转变为主动的“预防性保护”提供科学有效的依据，也是实现全生命周期管理的工具。数字博物馆面向大众，主要呈现三维空间图景与信息资源，能极大地促进建筑遗产基础信息资源的社会共享及其历史、艺术、文化、科学价值的传播。

（3）数据与信息。即从真实建筑遗产中获取的数据以及由虚拟建筑遗产产生的信息。

真实建筑遗产产生的数据除了基础的空间图形数据，还有历史信息（历史变迁、影像资料、构建方式、建筑材料、建筑产权等），保护信息（未来规划、遗产研究、管理制度等），以及反映建筑遗产存在状态的动态信息（位移形变、沉降变化、温湿度、人流量等）。虚拟建筑遗产产生的信息包括管理、分析、反馈等产生的信息。

总的来说，可以归纳出建筑遗产领域的数字孪生应该有数据采集与存储、全生命周期管理、内容传播几项内容，以及镜像、实时、反馈、智能等特征。本文将实现理想的数字孪生分为三个阶段（图3）：

图3 理想的建筑遗产数字孪生阶段及其技术（作者自绘）

（1）“虚拟镜像”——数字重现

对建筑遗产的各项数据进行采集让其在虚拟世界“重建”，这是建筑遗产保护普遍认同并推进实施的工程，即“文化遗产数字化”，也是数字博物馆与全生命周期管理的基础。

此阶段主要应用数据采集与建模技术。在数字孪生的语义下，在虚拟空间需要建立一个形象上近乎“完美”、同时又集合了各种信息的三维镜像模型。三维激光扫描、摄影测量实现了建筑遗产近乎完美的重建；“3S”技术（GPS、RS、GIS）获取了建筑遗产环境并确定了空间坐标；建筑信息模型（BIM）、有限元等建模工具对建筑构件深入建模以助实现后续的信息管理、结构分析等目的；传感器与物联网让建筑遗产实时监测数据的感知、接入、融合成为可能。

（2）“虚实共生”——全生命周期管理

对全生命周期各阶段所有采集的数据与产生的信息进行管理，这是数字孪生的核心。分析、处理后的决策会反映到数字重现和数字博物馆阶段。

此阶段主要应用信息管理与网络技术。BIM作为目前普遍使用的建筑参数化工具用来管理建筑本体数据，而整合了地理信息的GIS可以用来管理建筑遗产的周边环境数据；云计算与大数据技术激活了海量数据的线上实时管理、分析与预测，让管理更加轻量化，扩大了管理范围；AI将为实体与数字孪生体之间的自主迭代提供可能性。

（3）“遗产活化”——数字博物馆

将已采集的建筑遗产数据进行有益传播，是建筑遗产数字孪生的价值导向。传播过程中收集到的反馈会在管理系统中处理进而对数字博物馆自身进行优化，并作用于数据采集阶段。

此阶段主要应用虚拟与网络技术。通过虚拟现实（VR，Virtual Reality）、增强现实（AR，Augmented Reality）、混合现实（MR，Mixed Reality）、全息投影（Holographic）等技术将采集的高精度三维数据开发为新媒体作品、VR/AR/ MR头显项目等，让参观者拥有沉浸式体验，并且能够突破时间与空间的限制；在线数据库技术让多元信息呈现在网页供用户获取与浏览；5G、云计算等技术让足不出户的线上沉浸式游览大体积三维场景成为可能。

二、建筑遗产“数字孪生”阶段性案例研究

要实现具有完整架构的真实建筑遗产数字孪生，必须要有对数字孪生的全面认识和相关技术，这一点目前尚未实现，但是针对上述的三个建筑遗产数字孪生阶段，已经有了较为丰富的数字化和信息化技术实践。

（一）“虚拟镜像”：数字重现

1.静态数据

近年来，激光扫描和摄影测量被广泛应用于空间图形数据的采集，相对于以往的二维测绘，其定位更加准确、纹理更加清晰、细节更加精确，显著提升了数字化重建的准确度与精度。此外，其他精密测量设备（如全站仪、RTK等）也被利用以评估激光与摄影测量的数据精度。在此基础上，对建筑遗产进行精确的空间图像处理，从而为建筑遗产形象留下永久性依据。

数据采集获取的重建模型或点云数据等可以为建筑遗产保护人员提供原始数据样本，用于建筑遗产的外观修复、材质修复、沉降监测等。艺术史学家安德鲁·塔伦（Andrew Tallon）早在2015年就利用激光扫描技术对巴黎圣母院及其周围的50多个地点进行了扫描，收集了超过10亿个数据点，获取激光点云数据后生成点云图、照片环绕图、线框图与渲染模型图（图4）。巴黎圣母院2019年失火致其尖塔与玫瑰花窗被烧毁，安德鲁·塔伦的珍贵档案为修复巴黎圣母院提供了重要依据。

图4 巴黎圣母院激光点云生成图<图片来源：Historian uses lasers to unlock mysteries of Gothic cathedrals[EB/OL]．(2019―4―17)[2023―6―20]https://www.nationalgeographic.com/adventure/article/150622-andrew-tallon-notre-dame-cathedral-laser-scan-art-history-medieval-gothic.>

然而要实现对建筑遗产的结构修复，光有“看”模型还不够，还必须与结构建模和分析软件相结合。例如，意大利米兰大教堂借助摄影测量技术建立了更精细的有限元建筑结构数值模型，并在模型中植入了大地测量、历史调查、材料纹理、材料特性、监测信息等数据，用于结构分析以预测、判断和维护建筑的结构安全（图5）。这一案例揭示了更精细的数值模型可以更好地预测结构响应，例如结构或非结构元素的局部损伤或振动模式，这些是大多数简化的结构模型无法预测的[12]。

图5 米兰大教堂数字孪生仿真模型（图片来源：Angjeliu,G.,Coronelli,D.&Cardani, G.Development of the Simulation Model for Digital Twin Applications in Historical Masonry Buildings:The Integration Between Numerical and Experimental Reality[J].Computers&Structures,2020,238:106282.）

此外，为了使建筑遗产其他信息与重建的虚拟建筑遗产模型相结合，也需要借助其他信息化软件。2007年墨菲（Murphy M.）等针对历史建筑复杂的现状表达需求，提出将点云和摄影测量数据映射到参数化组件的跨平台程序[13]。BIM作为建模、管理、查询的综合参数化工具，以“族”为单位实现模型的搭建，以BIM软件Autodesk Revit为例，根据精细点云针对构件建族（图6），相比传统测绘建模更加精确。虽然新建的“族”是相对现实构件的“理想构件”，但是点云重建模型以及其他各项信息都能够以属性或外部链接的形式与BIM构件相对应，可以方便地调取查看。

图6 根据精细点云的BIM建模<图片来源：张恩，曹永康，潘文卓.HBIM在建筑遗产勘察数据管理中的应用——以上海张园石库门建筑为例[J].建筑与文化，2021（7）：70―72.>

2.动态数据

数字孪生的重要意义是对建筑遗产发展的动态认识与调控，当下实施较好的建筑遗产保护已常态化实现定期检测与信息录入。而在数字孪生的最佳状态下，从真实建筑遗产中获得的任意信息都可以从虚拟建筑遗产中获得，这要求两者间的数据实时更新，传感器、物联网与不断提升的算力让虚实之间的大量实时数据传输成为可能。

例如，布达拉宫布置了裂缝计、倾角计、土体湿度计等388个各类传感器，结合相应软件24小时实时监控裂缝宽度变化、环境温度、墙体和柱子的倾斜角度等[14]。颐和园以德和园大戏楼为试点，开展了涉及多个古建病害指标的变形自动监测，以及引起古建本体变化的自然和社会环境因素监测，目前可以在监测预警信息平台实时获取大戏楼地基基础沉降、柱的弯曲、柱脚下沉、柱头水平移位、柱身倾斜、梁枋挠度等病害发展信息，以及振动加速度、风环境、温度、湿度、光照、辐射度、噪声频率、噪声声压级等环境因素变化信息[15]。

（二）“虚实共生”：全生命周期管理

全生命周期管理涵盖着广阔的内容，如重建数据的存储与利用、实时数据的监测与分析、对未来或过去的模拟与仿真、根据信息的预警与决策等，其核心就是信息管理。在技术层次上，信息管理可划分成信息化与智能化层次，这也是数字孪生从低级走向高级的过程。

1.信息化管理

早期的数字化成果主要保存在本地的存储器上，典型的有文件目录式结构管理和基于“关系模型”的表结构管理，但是难以快速定位、互操作性差、不同类型的数据之间信息互不关联，导致专业人员对数据的解读、分析、鉴别效率低下。后来有了地理信息系统（GIS）与建筑信息模型（BIM），是直接以信息为管理对象的技术平台。GIS技术倾向于大范围、大区域的空间与地理数据处理、集成与可视化，对于建筑遗产多停留在建筑外部。BIM技术则从建筑本体的模型建构入手，能够实现建筑各类构件的更新管理与其他非几何信息的植入。2007年基于BIM的遗产/历史建筑信息模型（HBIM, Heritage/Historic Building Information Model）被提出，强调了图纸、影像、文字与基于历史建筑数据建立的标准参数化构件的对应关系[16][17]，即将历史、监测、保护等信息植入或链接到相应的历史建筑构件属性，建立起以历史建筑三维模型为索引目录的信息管理系统，同时可以有效运用数据比对、明细表查询和构件提取等分析功能。

例如，故宫博物院世界文化遗产监测总平台中的遗产总貌模块，结合GIS技术将结构化数据（空间数据、名称、位置、面积、楼层、历史、管理单位等）和非结构化数据（测绘地图、影像资料、文献档案、监测报告、分级地图等）整合到信息管理系统中，实现遗产要素的空间分布、可视化和快速查询[18]。

再如，葡萄牙辛特拉王宫利用地面激光扫描与无人机摄影获取数据，在Revit中开发了一个曼努埃尔风格典型装饰的参数化BIM元素库。在BIM元素中以嵌入式属性或外部链接的形式包含了各种支持文档，并设计了属性树来组织可用数据，包括历史信息（例如翻新工程的文件）、管理信息（例如保护状态报告）、元素的类型或组成（例如砂浆描述）、材料特性（例如从描述结构并用于后续分析的现场试验测试中获得）[19]（图7）。

图7 葡萄牙辛特拉王宫BIM属性树<图片来源：作者改绘自 Godinho M,Machete R,Ponte M,et al.BIM as a Resource in Heritage Management:an Application for the National Palace of Sintra,Portugal[J].Journal of Cultural Heritage,2020,43: 153―162.>

2.智能化管理

要实现真正的数字孪生，需要一个随建筑遗产生命周期变化的动态模型，这就不仅限于对手动录入数据的管理与查询，而是要扩展到从真实系统到虚拟系统和从虚拟系统到真实系统的双向数据流的实时与智能管理，甚至自主迭代。因此，无论是GIS还是BIM都无法从根本上实现对建筑遗产的全生命周期管理。

智能化技术在数字孪生的最终完成中起到关键作用。比如通过传感器与物联网来获取真实建筑遗产的实时变化数据（比如本体监测、病虫灾害、游客管理、环境监测/气象监测、电力监控，等等）；用统一的云平台来实现静态数据与动态数据的共同管理；将源于人工智能领域的本体技术用于建筑遗产保护领域的知识建模，满足多元异构保护信息的统一存储[20]；利用仿真技术模拟真实建筑遗产在各种环境下的状态，以实现预防性保护；AI技术经过对全过程管理多次样本的深度学习后，实现自主决策、自主迭代，最终达到虚实共生……这些阶段都少不了智能化技术的参与。为了实现以上目标，需要大量的信息处理和计算能力，以满足数据量庞大、实时更新的需求。因此增加功能强大且价格低廉的计算能力、网络和存储的可用性和访问成为实现数字孪生的关键促成要素。

例如，丽江古城景区管理以资源数字化为基础，融合物联网、传感器、大数据等前沿信息技术，建设了一系列信息管理平台及应用系统，如智慧消防系统、遗产本体安全系统、智慧环保系统、噪音监控系统，以及包含指挥中心、行政执法、修缮管理、准入证管理和古城基础信息普查的丽江古城综合指挥管理平台[21]。但是这些系统依然是分散的，要实现集成与虚实共生的智能化管理仍然需要更高级的技术。

（三）“遗产活化”：数字博物馆

数字博物馆，即通过电脑网页、手机APP或小程序等数字手段获取全景参观体验或访问数字资源库的博物馆。广义来说，凡是利用数字技术实现建筑遗产的信息展示的，都可以叫作数字博物馆。

1.沉浸式空间游览

沉浸式空间游览为人们所熟知的是线上线下的VR、AR、MR体验与装置，比如VR体验馆、VR全景漫游、VR头盔、AR眼镜、基于App的AR交互（与真实地理位置结合/不受真实地理位置限制）等等。

早在21世纪初故宫就基于官式古建筑三维数据库，衍生了六部介绍典型建筑及其历史的VR作品《紫禁城·天子的宫殿》《三大殿》《养心殿》《倦勤斋》《灵沼轩》《角楼》，在故宫文化资产数字化研究所的演播厅播放（图8）。后来为了扩大影响力，逐步增加端门数字博物馆与北京奥林匹克塔演播厅，再到穿戴VR眼镜的网络VR。

图8 “紫禁城·天子的宫殿”VR演示<图片来源：像鸟儿那样看故宫——故宫VR《紫禁城·天子的宫殿》[J].紫禁城，2004（1）：56―57.>

再如，世界遗产韩国昌德宫推出5G增强现实游览App。在昌德宫现场，用户通过App可以跟随虚拟神兽导游Haechi游览整个昌德宫，并获得12处互动体验（图9a）。此外可以切换轮椅模式与行走模式，获取无障碍的游览体验。新冠疫情期间，App增加了居家模式，不需要在昌德宫现场，也能利用AR技术游览互动[22]（图9b）。

图9 昌德宫AR互动体验<图片来源：SK Telecom&Google,Changdeok ARirang[EB/OL].（2023―07―01）https://nexusstudios.com/work/changdeok/>

对于已经毁坏失去其原貌的建筑遗址来说，利用虚拟技术对其外貌复原展示而非原址重建，是对建筑遗产“原真性”的尊重。例如“数字圆明园”项目，借助计算机图形学、VR及AR技术，让圆明园的虚拟复原模型与现场遗址相结合，既保留了真实遗址的警示作用，又让人们重见圆明园昔日风采。再如，“古奥林匹亚：公共场所（Ancient Olympia:Common Grounds）”项目对27个古奥林匹亚遗址建筑的内外部进行了精美复原（图10），用户可以通过网页与App查看遗址的3D视图，App增加的AR模式让用户在任意现实环境中感受遗址。在雅典奥林匹克博物馆MR展览现场，用户使用特制的HoloLens头盔将置身于虚拟与现实的混合世界中，沉浸式探索全三维的古奥林匹亚历史古迹。

图10 “古奥林匹亚：公共场所”虚拟复原（图片来源：a引自“Ancient Olympia:Common Grounds”官网；b引自“Ancient Olympia:Common Grounds”APP；c引自Mixed Reality Exhibition“Ancient Olympia:Common　Grounds [EB/OL].https://athensolympicmuseum.org/en/exhibitions/ancientolympia-common-grounds/）

但是建筑遗产的三维模型是庞大的数字资源，如果在本地读取，就需要庞大的终端内存与长时间的下载，而云计算技术能够允许用户在终端在线浏览三维数据。例如莫高窟推出云技术游戏“数字藏经洞”，通过数字照扫、三维建模等技术还原了莫高窟1600米外崖面原貌，并对“三层楼”和莫高窟第16、17窟进行了毫米级的复刻，超拟真的数字模型实现了高精数字孪生。这形成了超过36GB的庞大数字资产，但依靠云计算技术，所有资产的渲染全在云端完成，公众只需要在手机上轻轻点击就能体验（图11）。

图11 莫高窟云技术游戏“数字藏经洞”（图片来源：“数字藏经洞”游戏界面）

此外，有一种特殊的“数字博物馆”是AR文创。用户用智能手机或平板电脑扫描文创上的AR识别卡，屏幕上即可显示建筑的三维孪生模型，以及附加的声音、文字、特效等，比如紫禁城600年AR纪念券、恭王府AR卡片、圆明园AR卡片。哈尔滨圣·索菲亚教堂利用摄影测量与AR技术完成了教堂三维模型的AR组装明信片，以多种形式展示了建筑的内外部空间（图12）。

图12 哈尔滨圣·索菲亚教堂AR明信片（图片来源：Nagakura T,Sung W.AR Mail from Harbin[M]//ACM SIGGRAPH.2017 VR Village,2017:1―2.）

2.多样性信息展览

建筑遗产的价值，不仅仅存在于建筑的空间、样式、纹理等外在形式，还体现在通过建筑遗产的可移动文物、历史资料、研究资料等传达的历史价值、文化价值、时代价值、科技价值。在计算机与网络技术发展的早期阶段，就有了以文字加图片形式展示的文化遗产网页数据库。随着技术的持续发展，现在更多的在线数据库结合VR全景、AR互动等新技术，借助于更加强大的算力平台，让数字博物馆轻量化地呈现于客户端，比如“故宫博物院”“云游敦煌”“云上龙门”“避暑山庄及周围寺庙”等小程序，包括了数字文物库、数字藏品库、研究资料、保护信息、地图导览、全景漫游、三维展示、展览信息、在线讲解等多样信息展示。

三、建筑遗产保护领域的数字孪生体系架构

上文对建筑遗产数字孪生阶段案例进行了介绍，但是完整的数字孪生是全阶段实现的、集成的系统。架构建筑遗产保护领域的数字孪生体系，需要一套完整的建筑遗产数字孪生搭建流程提供应用指导。

如上海宋庆龄故居设计了一套较为完整的数字孪生管理系统构建流程（图13）。首先应用地面三维激光扫描、手持激光/结构光扫描、无人机摄影测量、全景技术进行系统的数字化信息采集；其次，结合BIM和基于物联网的环境监测技术，实时采集传感器接收到的监测数据，并将监测信息与BIM模型中的建筑构件关联，实现建筑结构各部分性状在线交互展示；最后，将GIS、BIM、全景漫游、物联网、移动终端、二维码等多种系统进行了整合，满足历史建筑保护运维管理的各项需要，从而实现了管理的可视化、精细化、一体化、远程化与智能化[23][24]。然而，由于缺少“遗产活化”流程将遗产的价值进行传播，因此也未能实现完整的数字孪生。

图13 上海宋庆龄故居“数字孪生”流程图（作者自绘）

本文提出的基于数字孪生的建筑遗产保护路径（图14），从测绘、建模开始，首先搭建一个以空间图形信息为基础的初级数字孪生体，再利用BIM、GIS等技术将调查的各类信息植入相应的建筑构件或地理坐标，从而完成虚拟建筑遗产的重建与本地管理；接下来借助不断发展的互联网、算力、大数据、云计算等技术，实现在线数据库的搭建，这意味着管理端的多端点同步管理和客户端的信息共享。管理端利用物联传感技术实现对建筑遗产本体及环境的实时监测，利用仿真和AI等技术实现不同环境下的建筑行为预测；客户端利用VR/AR/MR、云计算等多种技术手段，随时随地获取沉浸式体验与多元信息。最终让建筑遗产的全生命周期管理与遗产价值传播得到真正的实现。

图14 基于数字孪生的建筑遗产保护路径（作者自绘）

建筑遗产保护领域的数字孪生技术，按照难易程度和应用顺序大体可以分为六个等级[25]，逐步实现从“虚拟镜像”“遗产活化”到“虚实共生”的跃升，从数字化、信息化到智能化的演进（图15）。

图15 建筑遗产数字孪生的技术应用等级示意（作者自绘）

激光扫描、摄影测量、全景摄影是目前在建筑遗产保护领域使用最为广泛的数字孪生技术，辅助的3S技术也很成熟。VR技术的应用已经较为普遍，AR技术的应用案例也在增多，MR技术在逐步探索与实现中，美国苹果公司（Apple Inc.）近期发布的MR头显让MR技术距离人们的生活更近一步。BIM与GIS技术在20世纪末、21世纪初就已经开始推广，至今已有完善的使用流程，相关引擎也在持续开发与增加中。HBIM自2007年被提出以来，其研究主要集中在对建筑遗产特殊构件库的建设，以及与GIS的融合。传感器与物联网技术也有大量成果且在持续研究开发中。数字孪生对海量信息处理与运算的高要求有赖于计算机和通信技术的进步，就目前情况而言，计算技术呈指数级增长，存储和带宽也在增长，云平台、物联网和分析技术领域都进行了大量投资。AI技术的发展速度持续加快，各种AI工具不断涌现，但是实现自主迭代、自主决策依然需要进一步的研究与发明创造。

四、总结与展望

我国对建筑遗产数字化工作的重视程度日渐提高，但也存在后续工作乏力，信息化建设和智能化程度有待进一步提升等问题。本文试图用数字孪生为建筑遗产数字化提供整体视角，探讨回答了“数字孪生对建筑遗产有什么意义”“如何将数字孪生理论与技术应用到建筑遗产保护”几个问题。讨论了建筑遗产保护领域的数字孪生逻辑与理想的建筑遗产数字孪生的阶段及其技术，提出了建筑遗产数字孪生的实现路径与技术应用等级。

目前已经有相当数量的建筑遗产保护实践蕴含着数字孪生内涵。但是要实现真正的数字孪生，在基于数字孪生的建筑遗产保护路径下，仍然要对共享与整合加以重视。

文化遗产是人类的共同遗产，其历史、艺术、科学、文化等价值需要通过传播才能够实现，保护的最终目的是确保其始终都可以为公众所用。然而现在有很多建筑遗产调研成果都仅限于被研究者与管理者使用，没有在网络开放平台上与公众共享，或者成果更新发布的速度太慢，开放性与共享性有待增强。

建筑遗产保护的管理信息是多方面多学科的，而目前大部分的管理系统是孤立的，缺乏成熟的集成平台。为了打破信息孤岛、提升数据时效性、增强交互协作，如何协同HBIM与GIS构建起建筑遗产内外空间数据关系体系，制定出针对建筑遗产保护的专业化软件融合开发方案，高效实现数据转换、融合、组织、操纵、分析和表现，以及开发统一的数据管理平台，这些都是未来需要攻克的技术障碍。

数字孪生最终要实现对建筑遗产的全生命周期管理与价值传播，最大程度让公众从中受益，是其应用于建筑遗产领域的核心要义。未来，拥有一个融合建筑、地理、监测、文物、环境、行政、人事等系统的跨生命周期的集成性管理平台，并最大程度实现建筑遗产资源共享是其数字化转型的发展目标。作为一种充分利用模型、信息、智能并集成多学科的技术平台，一个完全的“数字孪生”的建筑遗产的实现，需要相关行业长期的共同努力。

作者简介

刘宛钦，河海大学土木与交通学院硕士研究生，研究方向为建筑遗产数字化，建筑考古学，建筑与景观设计。

卢漫，河海大学土木与交通学院副教授，建筑与景观研究所所长，中国民族建筑研究会会员，中国民族建筑学会建筑迁移保护专委会委员，水利部文协理事。

党新元，比利时荷语鲁汶大学土木工程学院博士研究生，研究方向为建筑物理与可持续性设计，建筑遗产保护与建成环境控制。

（文章参考文献和注释略）