摘要: BIM (建筑信息模型)技术作为古桥保护与传承的数字化工具，通过构建三维可视化模型，整合古桥的时空信息、结构构造信息及历史文献，实现对古桥的精准记录、科学修缮与传承管理。将传统古桥保护的“经验依赖”转化为“数据驱动”，提升保护效率与准确性，为长期传承提供数字化支撑。本文通过对现有文献和实践案例的分析，总结了BIM技术在古桥数字化存档、结构监测、修缮设计、灾害模拟等保护领域的实施方法，并探讨了其在文化传播、教育体验和旅游创新等活态传承方面的应用价值。研究表明，BIM技术与三维激光扫描、无人机航测、物联网等数字技术结合，可构建古桥的高精度数字孪生模型，实现病害精准识别、结构健康评估和虚拟修复展示，为古桥预防性保护和文化传承提供数据支持。
Abstract: BIM (Building Information Modeling) technology, as a digital tool for the protection and inheritance of ancient bridges, integrates the spatiotemporal information, structural construction information, and historical documents of ancient bridges by constructing three-dimensional visualization models, achieving accurate recording, scientific repair, and inheritance management of ancient bridges. Transforming the “experience dependence” of traditional ancient bridge protection into “data-driven”, improving protection efficiency and accuracy, and providing digital support for long-term inheritance. This article summarizes the implementation methods of BIM technology in the protection fields of digital archiving, structural monitoring, repair design, disaster simulation, etc. of ancient bridges through the analysis of existing literature and practical cases, and explores its application value in cultural dissemination, educational experience, tourism innovation and other dynamic inheritance aspects. Research has shown that the combination of BIM technology with digital technologies such as 3D laser scanning, unmanned aerial vehicle surveying, and the Internet of Things can construct high-precision digital twin models of ancient bridges, enabling precise identification of defects, structural health assessment, and virtual restoration display, providing data support for preventive protection and cultural inheritance of ancient bridges.
1. 引言
古桥作为历史文化遗产的重要组成部分，不仅是古代工程技术的杰出代表，更是地域文化、艺术和社会发展的见证者。但随着时间推移和环境变化，古桥面临着结构老化、自然灾害、人为破坏等多重威胁，其保护与传承工作刻不容缓[1] [2]。传统的古桥保护方法主要依赖人工测量和纸质档案记录，存在效率低、精度差、信息不全等问题，难以满足现代文化遗产保护的需求[3]。
在此背景下，历史建筑信息模型(HBIM)作为BIM技术在文化遗产领域的深化应用，逐渐成为研究热点。HBIM概念由Murphy等人[4]系统提出，其核心在于通过语义化建模整合历史建筑的几何信息、材料特征、结构性能与干预历史，构建“可推理的数字遗产模型”。欧盟在《欧洲文化遗产绿色化协议》中进一步明确了BIM/HBIM在遗产可持续管理中的关键作用[5]。此外，Oreni等人[6]将HBIM发展为包括非几何信息(如病害数据、修缮记录)的管理框架，为遗产的预防性保护提供了方法论支持。这些国际共识标志着古桥保护已从“经验依赖”和“抢救性修复”向“数据驱动”和“预防性保护”的范式转变。
建筑信息模型(BIM)技术作为一种多维信息集成工具，通过数字化手段构建物理实体的虚拟模型，实现了建筑全生命周期的信息管理[7]。近年来，BIM技术逐渐应用于古桥保护领域，其可视化、参数化、信息共享等特点，为解决古桥保护中的复杂问题提供了新思路。例如，在黄山市镇海桥的修缮工程中，BIM技术被用于部分构件的参数化建模和三维虚拟模拟，有效提高了施工效率与质量，为国家级文物提供了可持续发展道路[8]。
本文将BIM技术在古桥保护中的应用置于HBIM这一更精确的学术框架下进行审视。通过系统分析国内实践案例，并与国际核心理论对话，旨在探讨：在中国古桥(特别是具有鲜明地域特色的木拱廊桥、石拱桥等)的语境下，HBIM的实施路径有何特殊性？其技术方法如何在实现精准保护的同时，有效支撑古桥作为活态遗产的文化与社会价值传承？本文的研究是对现有HBIM理论在中国的木石结构遗产领域的一次重要补充和实践验证。
2. BIM技术与古桥数字化保护
古桥数字化保护是利用现代信息技术对古桥进行全方位记录、分析和保存的过程。BIM技术在这一过程中发挥着核心作用，通过与多种数字技术相结合，构建古桥的数字孪生体，实现全生命周期的保护与管理[9]。
2.1. BIM与三维激光扫描技术结合
三维激光扫描技术是获取古桥高精度点云数据的主要手段。该技术是通过发射激光束并接收反射信号，记录古桥表面数百万乃至数千万个点的三维坐标，形成密集的点云模型[10]。相较于传统测量方法，三维激光扫描具有效率高、细节丰富、非接触等优点，特别适用于结构复杂的古桥测绘[11]。
在云南省开远市长虹大桥的保护项目中，研究团队采用徕卡BLK360迷你激光扫描仪进行数据采集，通过39个观测站点，全面获取了这座被誉为世界最长的独拱石桥之一的几何数据[12]。点云数据经过Cyclone Register 360软件配准、拼接和降噪处理后，导入Autodesk Recap进行格式转换，最终在Revit环境中实现了古桥的参数化建模和图纸复原[13]。这一过程不仅解决了历史图纸缺失带来的保护难题，还为后续修缮工作提供了精确的可视化参考[14]。
三维激光扫描技术在古桥保护中的主要应用特点归纳如下(见表1)。
Table 1. Application characteristics of 3D laser scanning technology in the protection of ancient bridges
表1. 三维激光扫描技术在古桥保护中的应用特点
应用特点 |
技术优势 |
保护价值 |
应用案例 |
高精度数据采集 |
毫米级精度，细节丰富 |
精准记录结构现状 |
开远市长虹桥 |
非接触测量 |
不接触文物本体 |
避免二次伤害 |
屏南木拱廊桥 |
快速数据获取 |
大幅减少外业时间 |
提高保护效率 |
宁波望春桥 |
全面信息记录 |
多站点全覆盖 |
完整记录结构信息 |
武汉北洋桥 |
2.2. BIM与无人机倾斜摄影技术融合
无人机倾斜摄影测量技术通过从不同角度采集古桥及周边环境的影像数据，生成三维实景模型[15]。该技术能够快速覆盖大范围区域，特别适用于高空构件和复杂地形的数据采集。与三维激光扫描技术相比，倾斜摄影在纹理获取方面更具有优势，能够更好地还原古桥的真实材质和外观[16]。
在宁波望春桥的数字化项目中，研究团队采用无人机倾斜摄影技术获取桥梁及周边场景的高分辨率影像数据，通过空中三角测量和三维重建，生成了具有真实纹理的实景模型[17]。通过将模型与BIM平台集成，实现古桥建筑全生命周期的数字化管理。类似地，在安化风雨桥保护项目中，技术团队也借助无人机获取了风雨桥及周边地区的高分辨率影像数据，为了解桥梁周围的环境变化和潜在风险提供了全面、准确的数据支持[18]。
2.3. 点云数据与BIM的集成处理
点云数据与BIM的集成是古桥数字化保护的关键技术环节。这一过程主要包括数据配准、降噪处理、格式转换和模型重构四个步骤[19]。首先，将不同测站获取的点云数据进行配准拼接，形成完整的古桥点云模型；然后，剔除无关的噪声点，提高数据质量；接着，通过专业软件将点云数据转换为BIM软件可识别的格式；最后在BIM平台中依据点云模型进行参数化建模[20] [21]。
在福建省屏南县木拱廊桥的数字化项目中，福州大学博士实践队利用三维激光扫描技术和无人机航测技术，对万安桥、千乘桥等9座廊桥进行了全面测绘，获取了428万个点云数据。这些数据经过处理后，将在Revit软件中建立了精细的BIM模型，不仅精准记录了木拱廊桥精巧的榫卯结构，还为后续的保护和修复建立了详实的“数字档案”[22]。
2.4. 参数化建模与信息管理
参数化建模是BIM技术的核心，它允许通过参数调整快速生成和修改模型组件[23]。对于古桥而言，参数化建模能够准确再现其独特的结构形式和构造细节，如拱券的曲线、石砌体的排列等[24]。在Revit软件中，可以通过“族”功能创建古桥的各个构件，并为其添加尺寸、材质、年代、破损程度等多维信息[25]。
更重要的是BIM模型可以集成多源信息，包括材料属性、历史资料、修缮记录等，形成完整的古桥信息数据库。在宁波望春桥的案例中，研究团队将古桥的建造年代、结构特点、修缮历史等信息与BIM模型关联，实现了属性信息的同步更新和查询，为文物保护提供了全面、准确的数据支持。
BIM技术在古桥保护中的主要应用特点总结如下(见表2)。
Table 2. The main application characteristics of BIM technology in the protection of ancient bridges
表2. BIM技术在古桥保护中的主要应用特点
应用功能 |
技术内容 |
应用价值 |
案例表现 |
参数化建模 |
构件族库创建，参数驱动 |
快速生成修改模型 |
望春桥信息管理 |
信息集成 |
多源数据关联，信息关联 |
全面记录古桥信息 |
望春桥信息管理 |
可视化展示 |
三维模型渲染，虚拟展示 |
直观呈现古桥状态 |
屏南廊桥模型 |
分析模拟 |
结构分析，灾害模拟 |
预测性能，评估风险 |
廊桥火灾模拟 |
3. BIM在古桥活态传承中的应用
3.1. 文化教育与社会传播
BIM技术的可视化特性使其成为古桥文化教育的有效工具[26]。通过BIM模型，学生和公众可以直观了解古桥的结构特点、建造工艺和历史演变，增强对传统建筑文化的认知和兴趣[27]。例如，浙江建设职业技术学院团队通过对古桥的BIM建模研究，让更多人了解了古桥的历史背景和结构特点，促进了古桥文化的传承普及[28]。
福州大学博士实践团队则将党性教育融入屏南廊桥的保护实践中，通过深入挖掘屏南地方精神富矿，前往陈祥榕烈士故乡、甘国宝故居等地开展爱国主义教育主题实践活动[29]。这种将技术保护与人文教育相结合的模式，不仅丰富了古桥保护的内涵，更使其成为传承民族精神和文化记忆的载体[30]。
3.2. 旅游体验与创新利用
BIM技术可以为古桥的旅游开发提供创新手段。通过BIM模型开发的虚拟旅游平台，让游客可以在线上浏览古桥的三维模型，了解其历史文化与建筑特色。对于不便近距离参观的珍贵文物，这种虚拟体验显得尤为重要。在线下，通过增强现实(AR)技术，游客可以通过手机或眼镜看到叠加在实景上的虚拟信息，增强游览的趣味性和知识性。
在安化风雨桥的保护中，研究团队为6座风雨桥办理了“电子身份证”，这种数字化标识不仅可以用于专业保护，也可以为游客提供更加便捷的信息获取渠道。扫描桥旁的二维码，游客即可获得桥梁的详细资料、三维模型和历史故事，大大提升了旅游体验的文化深度和互动性。
3.3. 数字化传承与跨界融合
BIM技术为古桥建造技艺的传承与创新提供了新途径。传统的古桥建造技艺多依赖师傅带徒弟的口传心授，这种传承可能面临失传的风险。而通过BIM技术可以将古桥的建造过程进行数字化解析和记录，形成标准的工艺数据库，为传统技艺的保存和学习提供便利[31]。
2025年黄山市举办的徽派古建产业智能建造专题培训，聚焦BIM、AI等前沿技术在工程建设领域的应用，为徽派古建产业数字化发展搭建了专业交流平台。这种培训活动促进了传统建筑文化与现代技术的跨界融合，使古建工匠能够掌握数字化工具，同时也让技术人员了解传统工艺价值，形成双向的知识流动和创新互动[32]。
4. 讨论
4.1. 技术路径的比较分析：从“单一建模”到“多维集成”
当前古桥HBIM实践主要存在两类技术路径：其一是以三维激光扫描为核心的高精度几何重建，如屏南木拱廊桥与开远市长虹桥项目，优势在于毫米级精度与复杂构造记录能力，劣势是纹理还原弱、成本高；其二是以无人机倾斜摄影为核心的实景建模，如宁波望春桥与安化风雨桥项目，优势在于高效率与真实纹理，适于大范围环境建模，但几何精度较低。未来需发展“点云+影像”融合建模，以平衡精度与真实性。
值得注意的是，维戈大学研究团队在砌体拱桥HBIM模型中，进一步整合了结构健康监测(SHM)数据，实现了从“几何信息管理”到“结构性能预测”的跨越[33]。而埃德蒙·佩特斯桥项目则通过TLS + BIM整合，在保留历史叙述的同时生成了符合HAER标准的归档图纸，为古桥的“数字档案”标准化提供了范本[34]。
4.2. 理论挑战：参数化建模与遗产“非标性”的冲突
本研究发现，Revit等通用BIM软件在古桥参数化建模中存在“标准化”与“非标性”的固有矛盾。古桥构件多为手工打造，存在大量不规则形态，强行套用参数化“族”易导致历史信息丢失。这呼应了Brumana等人[35]提出的“HBIM柔性建模”理论，即遗产建模需兼容不规则几何与建造痕迹。未来需开发基于点云语义分割的“构件自适应生成”算法，以实现“精准几何”与“历史真实”的平衡。
4.3. 国际对话：本文研究对HBIM知识体系的补充
本文通过中国古桥案例，验证了HBIM在活态传承场景中的创新价值——将技术模型转化为文化传播与教育体验的载体，如安化风雨桥的“电子身份证”与屏南廊桥的爱国主义教育融合。这拓展了HBIM的传统应用边界，与联合国教科文组织倡导的“数字遗产活化”理念[36]相契合，为中国的木石结构遗产的数字化保护提供了本土化路径。
5. 挑战与展望
5.1. 技术挑战
古桥的非标准化特征为BIM建模带来了困难[37]。与现代桥梁的标准化结构不同，古桥往往具有独特的形制和工艺，许多构件是通过手工加工而成，存在一定的不规则性[38]。这使得参数化建模需要更多的定制化开发，增加了技术难度和成本。未来需要开发更适合古桥特点的BIM建模工具和构件库，用来提高建模效率和准确性[39]。
多源数据融合也存在技术瓶颈。古桥保护涉及多种数据类型，包括点云、影像、文本等，这些数据在格式、精度和尺度上存在一定差异，如何有效地将它们集成到统一的BIM平台中，这仍是一个待解决的问题[40]。未来需要开发更智能的数据处理算法，实现自动化的数据配准和语义提取[41]。
5.2. 人才与成本挑战
BIM技术在古桥保护中的应用需要复合型人才，既要掌握BIM技术又要了解古建筑知识和文物保护原则。目前这类人才十分稀缺，制约了技术的推广应用。另一方面，BIM技术的应用需要昂贵的硬件设备和软件许可支持，数据采集和处理也需要投入大量的人力和时间，这对于经费有限的文保单位来说是个不小的负担[42]。
针对这一挑战，需要加强人才培养，可以通过类似黄山市徽派古建产业培训的专业活动，提高文物保护从业者的数字技能。同时开发低成本、轻量化的解决方案，如基于云计算的数据处理平台可以降低技术应用的门槛[43]。
5.3. 未来发展方向
未来BIM技术在古桥保护与传承中的应用将呈现以下发展趋势：
一是与人工智能技术的深度融合。AI算法可以用于点云数据的自动分类、病害识别和风险评估，提高数据处理的效率和准确性[44]。如安徽建筑大学的研究团队分享了AI损伤检测技术在徽派古建保护中的实践案例——通过AI算法对古建木构、砖瓦构件的病害进行精准识别，不仅提升了检测效率，更实现了“最小干预”的保护目标。
二是引入区块链技术。区块链可以用于古桥保护全过程的数据存证和追溯，确保数据的真实性和完整性，同时也可用于文物数字版权的保护，促进文化创意产品的开发。
三是增强交互体验。随着虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术的发展，BIM模型将能够为公众提供更加沉浸式的古桥体验，如历史场景的重现、建造过程的模拟等，进一步增强古桥文化的传播与传承[45] [46]。
6. 结论
本文系统地梳理了BIM技术在古桥保护与活态传承中的应用现状、关键技术与发展趋势。本文研究主要得出以下结论：
1. BIM技术通过与三维激光扫描技术、无人机航测技术等数字技术相结合，能够构建生成古桥的高精度数字孪生模型，实现病害的精准识别、结构的健康评估和虚拟的修复展示，为古桥的预防性保护提供了坚实的数据支持。可视化与信息化特性有助于深度挖掘和展示古桥的文化价值，有效促进公众参与和优秀传统文化的传承。
2. BIM技术已成功在黄山市镇海桥、安化风雨桥群、屏南木拱廊桥等多个古桥保护项目中应用，显著提升了其在修缮设计、灾害模拟与数字化管理方面的价值。在活态传承方面，BIM技术为古桥文化教育、旅游体验和技艺传承开辟了创新途径，有力地推动了传统工艺与现代科技的跨界融合。
3. BIM (HBIM)技术在古桥保护中仍面临着理论与实践的诸多挑战，主要包括古桥非标准化特征与参数化建模标准之间的固有矛盾、多源数据融合与价值信息集成的技术瓶颈、复合型人才缺乏以及应用成本高昂等问题。通过对不同技术路径的讨论与反思，明确了未来研究应进一步加强技术研发和复合型人才的培养，开发更适合古桥特点的HBIM建模工具与柔性工作流程，并促进人工智能、区块链等新技术的融合应用，推动古桥保护向智能化、价值导向与可持续发展方向迈进。
基金项目
本论文研究由滁州学院大学生创新创业训练计划资助项目(S202410377087)支持及资助。