CN103266781B - 基于3d技术的历史建筑砖雕修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及历史建筑砖雕的修复方法。基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，步骤一：获取待修复砖雕的三维数据；步骤二：根据获得的三维数据，建立待修复砖雕的三维计算机模型；步骤三：对三维计算机模型进行计算机模拟修复；步骤四：将修复后的三维计算机模型进行3D打印，制得砖雕模型；步骤五：按照砖雕模型，对待修复砖雕进行修复。本发明提供了一种新的历史建筑砖雕修复方法，通过3D技术的运用，使历史建筑砖雕的修复更科学、严密和准确。同时，可通过对待修复砖雕的三维数据的保存，真实记录砖雕修复前的状态，避免修复过程因工作失误或操作不当造成的难以挽救的破坏。

Description

基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法

技术领域

本发明涉及建筑物保护修复技术，具体涉及历史建筑砖雕的修复方法。

背景技术

历史建筑中的砖雕内容丰富、手法多样、工艺精湛，是中国历史建筑的典型特征和重要价值构成。但经过长时间的自然风化及人为破坏，砖雕往往残缺不全。而现有的修复技术往往是二维的、平面式的，修复工艺则是粗放式的，最终效果全凭工人的手艺，并不能保证所有修复均是科学、严密和准确的，许多砖雕的修复过程其实是一种人为破坏过程。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，其特征在于，

步骤一：获取待修复砖雕的三维数据；

步骤二：根据获得的三维数据，建立待修复砖雕的三维计算机模型；

步骤三：对三维计算机模型进行计算机模拟修复；

步骤四：将修复后的三维计算机模型进行3D打印，制得砖雕模型；

步骤五：按照砖雕模型，对待修复砖雕进行修复。

本发明提供了一种新的历史建筑砖雕修复方法，通过3D技术的运用，使历史建筑砖雕的修复更科学、严密和准确。同时，可通过对待修复砖雕的三维数据的保存，真实记录砖雕修复前的状态，避免修复过程因工作失误或操作不当造成的难以挽救的破坏。

为了进一步对历史建筑砖雕进行保护，在步骤五后，可以增加一步，即步骤六：在修复的砖雕表面进行防护处理。可以通过在修复的砖雕表面喷涂有机硅的方式进行防护。

步骤一中，可以通过三维激光扫描的方式获取待修复砖雕的三维数据。三维数据可以包括砖雕的空间形态及细节数据。可以采用三维激光扫描仪进行三维激光扫描。三维激光扫描仪可以是基于脉冲的脉冲式三维激光扫描仪，也可以是基于相位差的三维激光扫描仪，还可以是基于三角测距原理的三维激光扫描仪。三维激光扫描仪主要包括3D扫描系统和双摄像头传感器。

步骤二中，可以将待修复砖雕的三维计算机模型保存在计算机中，以此作为后续修复的依据，并作为准确的现状资料进行保存。

步骤四中，优选按照模型尺寸：实物尺寸＝1:1的比例进行3D打印。对于大件砖雕，可采用缩小比例打印的方式。将打印模型作为工匠现场施工的依据。步骤五中，修复材料采用与原砖雕的材料相同的材料。在色彩上允许接近而略有差别，以达到“远观一致，近观协调”的要求。砖雕风化可以采用砖粉修补法进行修复。现场修复的过程如对原有砖雕造成破坏，可将待修复砖雕的三维计算机模型或砖雕模型作为重新修复的准确依据，用于补救因为工作失误或操作不当造成的砖雕破坏。

为了使修复更加准确，可以采用逐层修复的方式，通过重复步骤一到步骤五，进行逐层修复。采用该种方法后，通过比对相邻两次模拟修复后的三维计算机模型，可以获得该层修复的准确度。

也可以，步骤四中，按照模型尺寸：实物尺寸＝1:1的比例进行3D打印，制得砖雕模型，可以将修复部分按照模型尺寸：实物尺寸小于或等于98:100的比例进行3D打印，制得修复部分的修复模型；步骤五中，将修复模型粘贴在待修复的砖雕上，根据砖雕模型对修复模型进行表面处理，完成对待修复砖雕的修复。

修复部分的实物小于实际损坏部分，其间会存在空隙，空隙由粘合剂、修饰材料或者其他辅助材料填充。

砖雕模型、修复部分的修复模型，均可以采用复合层结构，所述复合层结构包括模型内层、模型外层。这样，所述内外层分开，就可以降低对内层材质的要求，模型内层就可以使用成本更低的廉价材料。从而可以降低维修成本。可以通过在打印出的模型内层粘贴模型外层的方式，制得砖雕模型、修复部分的修复模型。模型外层的材质最好与砖雕外层的材质相同。

在修复工作中，为了方便操作，可以使用三维激光扫描仪获取待修复砖雕的三维数据，使用3D打印系统打印模型，三维激光扫描仪可以直接连接计算机，计算机直接连接3D打印系统。这样三维扫描仪、计算机、3D打印系统就可以共用一个CPU，降低系统的总成本。同时也方便现场办公。

可以使用3D打印系统打印模型。3D打印系统设有至少两个材料容器和对应的两个喷涂装置，至少一个所述材料容器中容纳有磷酸镁水泥作为物料容器，所述磷酸镁水泥中含有磷酸二氢钾、氧化镁；

所连接的喷涂装置作为物料喷涂装置；至少一个所述材料容器中容纳有水，作为水容器，所连接的喷涂装置作为水喷涂装置；

首先向打印平台上喷涂一层物料容器中的磷酸镁水泥，形成一物料层，然后按照需要打印物体的截面结构喷涂水，磷酸镁水泥遇水后硬化，等硬化后，将没有与水反应的磷酸镁水泥粉末除去，即可得到所需要的模型。

磷酸二氢钾溶于水显酸性，氧化镁溶于水显碱性，磷酸镁水泥的水化反应是以磷酸二氢钾和氧化镁为主的酸碱中和反应。当磷酸镁水泥与水拌合后，磷酸镁水泥中的磷酸二氢钾首先溶于水中，并将迅速电离生成H+和PO43-，使溶液呈弱酸性；在弱酸性条件下，MgO溶解产生Mg2+，溶解和扩散到液相中的Mg2+与K+、PO43-迅速反应生成无定形的镁-磷酸钾络合物水化凝胶，即磷酸盐水化产物MgKPO4.6H2O。随着反应的进行，产物逐渐结晶析出。

由于体系中氧化镁过剩，析出的产物就覆盖在氧化镁表面，形成一层水化产物膜将氧化镁粒子紧密地连结成一体。随着反应的继续，溶液中的K+和PO43-逐步透过水化产物膜渗透到MgO颗粒表面，形成较多的水化产物，结晶产生体积膨胀导致水化产物膜破裂。使MgO又暴露于酸性溶液中，水化反应速度重新加快，生成大量的水化产物。随着水化物的不断增多，相互之间接触和连生使得磷酸镁水泥浆体成为一个以MgO颗粒为框架、以磷酸盐水化物为主要粘结料的结晶结构网，从而使磷酸镁水泥硬化为有很高力学性能的硬化体。

所述磷酸镁水泥中磷酸二氢钾优选为工业级，纯度为99.8％；氧化镁纯度优选为85％。首先，将磷酸二氢钾和硼砂分别用干燥设施干燥处理12h，温度为50℃；将干燥过的磷酸二氢钾和硼砂分别过150μm方孔筛，保证筛余量不超过10％；处理过的磷酸二氢钾和硼砂于密封、干燥的条件下单独存放，各组分按适当比例配合即可制备成磷酸镁水泥。

所述磷酸镁水泥中还含有硼砂，硼砂优选为为工业级，纯度为95％。硼砂为磷酸镁水泥的常用缓凝剂，硼砂溶解生成的B4O72-迅速吸附到MgO颗粒表面，形成一层以B4O72-和Mg2+为主的水化产物层，阻碍了MgO的溶解以及K+、PO43-与MgO颗粒的接触，达到对磷酸镁水泥缓凝的目的。

为了防止磷酸镁水泥与水形成的浆体在未固化完全之前变形，打印平台为一盒状打印平台，所述盒状打印平台的开口朝喷涂装置。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，步骤一：获取待修复砖雕的三维数据。可以通过三维激光扫描的方式获取待修复砖雕的三维数据。三维数据可以包括砖雕的空间形态及细节数据。可以采用三维激光扫描仪进行三维激光扫描。三维激光扫描仪可以是基于脉冲的脉冲式三维激光扫描仪，也可以是基于相位差的三维激光扫描仪，还可以是基于三角测距原理的三维激光扫描仪。三维激光扫描仪主要包括3D扫描系统和双摄像头传感器。

步骤二：根据获得的三维数据，建立待修复砖雕的三维计算机模型。可以将待修复砖雕的三维计算机模型保存在计算机中，以此作为后续修复的依据，并作为准确的现状资料进行保存。

步骤三：对三维计算机模型进行计算机模拟修复。可以通过对待修复砖雕的三维计算机模型的细节的研究，同类型砖雕的对比，有经验的技术工匠的指导，在计算机中模拟出砖雕修复后的状态，并请文物保护专家论证，确定实施方案。对恢复依据不充分的砖雕可保持现状，不予修复。

步骤四：将修复后的三维计算机模型进行3D打印，制得砖雕模型。优选按照模型尺寸：实物尺寸＝1:1的比例进行3D打印。对于大件砖雕，可采用缩小比例打印的方式。将打印模型作为工匠现场施工的依据。

步骤五：按照砖雕模型，对待修复砖雕进行修复。现场工匠的修复应严格按照砖雕模型进行，材料和工艺尽可能采用原砖雕的材料和工艺。在色彩上允许接近而略有差别，以达到“远观一致，近观协调”的要求。砖雕风化采用砖粉修补。现场修复的过程如对原有砖雕造成破坏，可将待修复砖雕的三维计算机模型或砖雕模型作为重新修复的准确依据，用于补救因为工作失误或操作不当造成的砖雕破坏。砖雕风化可以采用砖粉修补法进行修复。

为了使修复更加准确，可以采用逐层修复的方式，通过重复步骤一到步骤五，进行逐层修复。采用该种方法后，通过比对相邻两次模拟修复后的三维计算机模型，可以获得该层修复的准确度。

步骤四中将修复后的三维计算机模型进行3D打印，制得砖雕模型的同时，可以将修复部分按照模型尺寸：实物尺寸小于或等于98:100的比例进行3D打印，制得修复部分的修复模型。步骤五中，根据修复模型按1:1的比例制作修复部分的实物，将修复部分的实物黏贴在待修复的砖雕上，按照砖雕模型对修复部分进行表面处理，完成对待修复砖雕的修复。也可以直接将修复模型黏贴在待修复的砖雕上，按照砖雕模型对修复部分进行表面处理，完成对待修复砖雕的修复。修复部分的实物小于实际损坏部分，其间会存在空隙，空隙由粘合剂、修饰材料或者其他辅助材料填充。

为了进一步对历史建筑砖雕进行保护，在步骤五后，可以增加一步，即步骤六：在修复的砖雕表面进行防护处理。修复的砖雕表面喷涂无色透明、憎水透气的保护材料，如有机硅等。

砖雕模型、修复部分的修复模型，均可以采用复合层结构，复合层结构包括模型内层、模型外层。这样，内外层分开，就可以降低对内层材质的要求，模型内层就可以使用成本更低的廉价材料。从而可以降低维修成本。可以通过在打印出的模型内层粘贴模型外层的方式，制得砖雕模型、修复部分的修复模型。模型外层的材质最好与砖雕外层的材质相同。

可以使用3D打印系统打印模型内层。3D打印系统设有至少两个材料容器和对应的两个喷涂装置，至少一个材料容器中容纳有磷酸镁水泥作为物料容器，磷酸镁水泥中含有磷酸二氢钾、氧化镁；

所连接的喷涂装置作为物料喷涂装置；至少一个材料容器中容纳有水，作为水容器，所连接的喷涂装置作为水喷涂装置；

首先向打印平台上喷涂一层物料容器中的磷酸镁水泥，形成一物料层，然后按照需要打印物体的截面结构喷涂水，磷酸镁水泥遇水后硬化，等硬化后，将没有与水反应的磷酸镁水泥粉末除去，即可得到所需要的模型。

磷酸二氢钾溶于水显酸性，氧化镁溶于水显碱性，磷酸镁水泥的水化反应是以磷酸二氢钾和氧化镁为主的酸碱中和反应。当磷酸镁水泥与水拌合后，磷酸镁水泥中的磷酸二氢钾首先溶于水中，并将迅速电离生成H+和PO43-，使溶液呈弱酸性；在弱酸性条件下，MgO溶解产生Mg2+，溶解和扩散到液相中的Mg2+与K+、PO43-迅速反应生成无定形的镁-磷酸钾络合物水化凝胶，即磷酸盐水化产物MgKPO4.6H2O。随着反应的进行，产物逐渐结晶析出。

由于体系中氧化镁过剩，析出的产物就覆盖在氧化镁表面，形成一层水化产物膜将氧化镁粒子紧密地连结成一体。随着反应的继续，溶液中的K+和PO43-逐步透过水化产物膜渗透到MgO颗粒表面，形成较多的水化产物，结晶产生体积膨胀导致水化产物膜破裂。使MgO又暴露于酸性溶液中，水化反应速度重新加快，生成大量的水化产物。随着水化物的不断增多，相互之间接触和连生使得磷酸镁水泥浆体成为一个以MgO颗粒为框架、以磷酸盐水化物为主要粘结料的结晶结构网，从而使磷酸镁水泥硬化为有很高力学性能的硬化体。

磷酸镁水泥中磷酸二氢钾优选为工业级，纯度为99.8％；氧化镁纯度优选为85％。首先，将磷酸二氢钾和硼砂分别用干燥设施干燥处理12h，温度为50℃；将干燥过的磷酸二氢钾和硼砂分别过150μm方孔筛，保证筛余量不超过10％；处理过的磷酸二氢钾和硼砂于密封、干燥的条件下单独存放，各组分按适当比例配合即可制备成磷酸镁水泥。

磷酸镁水泥中还含有硼砂，硼砂优选为为工业级，纯度为95％。硼砂为磷酸镁水泥的常用缓凝剂，硼砂溶解生成的B4O72-迅速吸附到MgO颗粒表面，形成一层以B4O72-和Mg2+为主的水化产物层，阻碍了MgO的溶解以及K+、PO43-与MgO颗粒的接触，达到对磷酸镁水泥缓凝的目的。

为了防止磷酸镁水泥与水形成的浆体在未固化完全之前变形，打印平台为一盒状打印平台，盒状打印平台的开口朝喷涂装置。

在修复工作中，为了方便操作，三维激光扫描仪连接计算机，计算机连接3D打印系统。这样三维扫描仪、计算机、3D打印系统就可以共用一个CPU，降低系统的总成本。同时也方便现场办公。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，其特征在于，

步骤一：获取待修复砖雕的三维数据；

步骤二：根据获得的三维数据，建立待修复砖雕的三维计算机模型；

步骤三：对三维计算机模型进行计算机模拟修复；

步骤四：将修复后的三维计算机模型进行3D打印，制得砖雕模型；

步骤五：按照砖雕模型，对待修复砖雕进行修复；

步骤四中，按照模型尺寸：实物尺寸＝1:1的比例进行3D打印，步骤五中，砖雕风化采用砖粉修补法进行修复，修复材料采用与原砖雕的材料相同的材料；

采用逐层修复的方式，通过重复步骤一到步骤五，进行逐层修复；

通过比对相邻两次模拟修复后的三维计算机模型，获得该层修复的准确度；

使用3D打印系统打印模型；

3D打印系统设有至少两个材料容器和对应的两个喷涂装置，至少一个所述材料容器中容纳有磷酸镁水泥作为物料容器，所述磷酸镁水泥中含有磷酸二氢钾、氧化镁；

所连接的喷涂装置作为物料喷涂装置；至少一个所述材料容器中容纳有水，作为水容器，所连接的喷涂装置作为水喷涂装置；

首先向打印平台上喷涂一层物料容器中的磷酸镁水泥，形成一物料层，然后按照需要打印物体的截面结构喷涂水，磷酸镁水泥遇水后硬化，等硬化后，将没有与水反应的磷酸镁水泥粉末除去，即可得到所需要的模型。

2.根据权利要求1所述的基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，其特征在于：步骤一中，通过三维激光扫描的方式获取待修复砖雕的三维数据，采用三维激光扫描仪进行三维激光扫描。

3.根据权利要求2所述的基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，其特征在于：三维激光扫描仪是基于脉冲的脉冲式三维激光扫描仪、基于相位差的三维激光扫描仪或基于三角测距原理的三维激光扫描仪。

4.根据权利要求1所述的基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，其特征在于：步骤四中，按照模型尺寸：实物尺寸＝1:1的比例进行3D打印，制得砖雕模型，将修复部分按照模型尺寸：实物尺寸小于或等于98:100的比例进行3D打印，制得修复部分的修复模型；步骤五中，将修复模型粘贴在待修复的砖雕上，根据砖雕模型对修复模型进行表面处理，完成对待修复砖雕的修复。

5.根据权利要求4所述的基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，其特征在于：砖雕模型、修复部分的修复模型，均采用复合层结构，所述复合层结构包括模型内层、模型外层，通过在打印出的模型内层粘贴模型外层的方式，制得砖雕模型、修复部分的修复模型。

6.根据权利要求1所述的基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，其特征在于：所述磷酸镁水泥中磷酸二氢钾为工业级，纯度为99.8％；氧化镁纯度为85％，首先，将磷酸二氢钾和硼砂分别用干燥设施干燥处理12h，温度为50℃；将干燥过的磷酸二氢钾和硼砂分别过150μm方孔筛，保证筛余量不超过10％；处理过的磷酸二氢钾和硼砂于密封、干燥的条件下单独存放，各组分按比例配合即可制备成磷酸镁水泥。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的基于3D技术的历史建筑砖雕修复方法，其特征在于：步骤六：在修复的砖雕表面进行防护处理，通过在修复的砖雕表面喷涂有机硅的方式进行防护。