人工智能与虚拟现实：保护建筑文化遗产的新利器

洛桑圣母大教堂建于1170年至1235年，是瑞士最大的哥特式教堂。随着时间的推移，这座宏伟的建筑经历了多次改建、扩建和修复。

例如，近80米高的灯塔多年来经历了几次重新设计，最近一次是在19世纪末进行的一次大规模修复中。

用于建造这座大教堂以及瑞士高原上许多其他纪念碑的石材，特别容易受到多种降解机制的影响，这些机制都与水的存在有关（如冰冻、膨胀和大气污染）。这表明，保护措施，包括水管理，始终是一个关注点。

在几篇科学出版物中，苏黎世联邦理工学院的研究人员已经展示了数字工具如何帮助保护工作。其背景是ETH建筑材料研究所的“Heritage++”研究项目。

该项目由建筑材料物理化学教授罗伯特·弗拉特（Robert Flatt）领导，并与ETH设计中心Design++合作，该中心探索计算机辅助方法在建筑、工程和施工中的应用方式。目前的核心重点是扩展现实（XR）和人工智能（AI）在历史建筑修复中的应用。

这项研究的主要成果是一个沉浸式的副驾驶——本质上是一个虚拟助手，旨在帮助保护工作。这个副驾驶基于空间计算技术，分析物理空间并将其与数字信息或全息图叠加，这些信息可以通过平板电脑或XR头戴设备查看。

“XR技术在促进建筑、材料科学、历史和建筑遗产保护专家之间的跨学科合作方面具有巨大潜力，”罗伯特·弗拉特说。

在他们最新发表的文章中，《国际建筑遗产杂志》，研究人员展示了如何通过XR整合和增强关于纪念碑结构分析的信息，以支持决策并传播遗产知识。

“我们的文章提出了一种新的方式来展示和互动建筑的结构原理。来自不同学科的专家以及公众可以探索这些见解，帮助确保未来的干预中，结构安全和完整性能够得到妥善考虑，”曾在苏黎世联邦理工学院完成历史建筑结构分析博士学位的Design++博士后研究员里卡多·迈亚·阿维利诺解释道。

洛桑大教堂的数字双胞胎

洛桑的圣母大教堂作为数字双胞胎开发的案例研究，分两个阶段进行。首先，研究人员基于激光扫描和摄影测量获得的数据创建了大教堂的3D模型。

然后，他们用大教堂石材的详细信息来增强模型——每个石材元素都被赋予了一个年龄、矿物成分和一种劣化类型。这些信息可以用来确定石块的首次安装时间、来源及其损坏程度。

相关数据来自多个来源，包括洛桑大学的地质学家。目前，它涵盖了大教堂的特定部分，研究人员希望在未来几年内完成这种多模态的映射。

现在，任何使用平板电脑或XR头戴设备的人都可以查看大教堂的这些部分，并看到关于任何他们选择的元素的年龄、材料成分和损坏情况的信息叠加。

“在现场检查期间，我们的数字助手为保护者们提供了纪念碑的状况概述以及其他相关信息。然后，基于识别出的任何薄弱点，他们可以确定适当的应对措施，”参与该项目的博士生Yamini Patankar解释道，并受益于瑞士政府优秀奖学金。

气候适应性修复策略

在修复历史建筑时，目前的指导原则是尽可能保留更多的原始结构。为了实现这一目标，苏黎世联邦理工学院的研究人员正在研究砂岩是如何受损的。水在所有降解机制中起着关键作用，而大部分水分是通过降雨渗入的。

虽然垂直降雨可以通过建筑干预来管理，但风驱动的降雨则无法。暴露在这种降雨中，尤其是快速和极端湿润的天气事件，似乎是降解的关键因素，并且与具体位置密切相关。

在这种情况下，湿气渗透到用于建造大教堂的含粘土砂岩里，并通过膨胀、盐结晶和冻结等过程造成损害。

为了研究损害是如何发生的并检查空气污染的影响，苏黎世联邦理工学院的研究人员已经使用围绕大教堂的传感器网络，测量风驱动的降雨、当地微气候以及石材内部的湿度剖面，进行了多年的研究。

与此同时，苏黎世联邦理工学院的研究人员还在开发一个模型，以将局部暴露情况，特别是风驱雨，与观察到的损坏形式和程度相关联。

专家可以将其作为工具预测未来损坏的变化，不仅是由于时间的推移，还与气候变化有关，特别是大教堂周围极端事件的性质、强度和频率。然后，他们可以利用这些信息作为基础，制定量身打造的修复策略，并提高修复措施的耐久性，以预见气候变化的后果，这对从业者来说是一个真正的挑战。

适用于其他建筑

在建筑遗产中，使用数字工具如3D模型或遗产建筑信息建模并不是什么新鲜事。然而，“Heritage++”项目更进一步，整合了来自各个学科的信息，重点关注保护，使其可以互动使用，并且还可以纳入保护者的实践知识和专业技能。

未来，在洛桑大教堂应用的数字副驾驶，也可以用于其他砂岩纪念碑，如桥梁、城堡或修道院，并且在中期内，可以用于其他建筑材料建造的建筑。

负责洛桑大教堂的建筑师Christophe Amsler认为，数字技术将成为保护工作不可或缺的一部分。“保护历史遗迹需要持续的关心和关注。技术的进步可以帮助我们修复和保持这些建筑的活力，但同时，我们需要忠于遗迹的原始精神和遗产。”

庆祝750周年的应用程序

在十月份，洛桑庆祝了圣母大教堂750周年纪念。为此，ETH研究人员开发了一个应用程序，作为“Heritage++”的一部分，向公众介绍大教堂周围的保护工作。关于Heritage++的更多细节已在RILEM技术信函中发布。

“大教堂的游客可以使用这款应用程序，该程序结合了扩展现实技术，帮助游客获取建筑历史信息，并了解正在进行的保护工作及其实施方式和原因，”ETH博士生Camilla Tennenini解释道，她是Robert Flatt小组的成员。

该应用程序结合了广泛的专业文献和视频录制，专家们在视频中提供了对修复工作的深入见解。这些信息还通过前面提到的3D模型和增强现实在大教堂内部和外部可视化。游客可以通过智能手机或平板电脑在大教堂内外访问这些信息。

更多信息： Ricardo Maia Avelino等，增强现实技术在历史遗迹结构检查中的应用：以洛桑大教堂为例，国际建筑遗产杂志（2025）。 DOI: 10.1080/15583058.2025.2578318

Yamini Patankar等，用于遗产保护的空间计算方法，RILEM技术信函（2025）。 DOI: 10.21809/rilemtechlett.2024.202