朱海珍，徐東升，王麗玫

（廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000）

1 引言

中國古建筑在漫長的歷史發(fā)展中，形成了以木結(jié)構(gòu)為主體、風(fēng)格統(tǒng)一的建筑體系[1]。清代官式古建筑大木構(gòu)架分為大式及小式，清工部頒發(fā)的《工程做法則例》，對其權(quán)衡制度作了明確規(guī)定，大式建筑以“斗口”為模數(shù)，小式建筑以檐柱徑為模數(shù)。官式大木作的設(shè)計尺度，選用”斗口”（斗科用材的斷面）或柱徑為基本模數(shù)，如梁枋斷面、柱、檁、椽、開間、進(jìn)深等皆以斗口或柱徑為則，使得清代古建筑的木構(gòu)架遵循著模數(shù)化極強(qiáng)的營造法則，使得通過建立清代古建筑木構(gòu)件的三維模型族庫，從而可以進(jìn)一步實現(xiàn)清代古建筑精確模型的快速建立。

古建筑相比現(xiàn)代建筑，其構(gòu)件與構(gòu)件之間的關(guān)系較為復(fù)雜，且木構(gòu)件的外形多樣，榫卯連接復(fù)雜，建模的難度較大。Revit具有很強(qiáng)的空間表達(dá)與編輯能力，族（Family）是一個包含通用屬性（稱作參數(shù)）集和相關(guān)圖形表示的圖元組，可以被用來高效地創(chuàng)建異形構(gòu)件[2]。因此，利用Revit對古建筑進(jìn)行建模較為適用。

2 清代古建筑參數(shù)化三維木構(gòu)件族庫的實現(xiàn)

根據(jù)功能和需求的不同，清代古建筑大體上可分為宮殿建筑、宗教建筑、陵墓建筑、園囿建筑、祭祀建筑、民居建筑等。本文僅針對具有代表性的清代木構(gòu)架單體建筑的構(gòu)成進(jìn)行研究，并以參數(shù)化建模的形式來實現(xiàn)其三維木構(gòu)件族庫的建立。

2.1 清代古建筑木構(gòu)件信息的分類

根據(jù)古建筑屋頂形式的不同，其內(nèi)部木構(gòu)架可分硬山、懸山、廡殿、歇山和攢尖五種基本木構(gòu)架形式。經(jīng)過對清代木構(gòu)架單體建筑的深入研究發(fā)現(xiàn)，無論何種形式屋頂，其構(gòu)架均是由柱類、梁類、枋類、桁檁類、椽望類等基本木構(gòu)件組成，并通過燕尾榫、饅頭榫、管腳榫、半榫、透榫等不同的榫卯形式連接，從而構(gòu)成其木結(jié)構(gòu)體系。

古建筑木構(gòu)件是組成古建筑木構(gòu)架的基本單位，且本身具有可裝配屬性。木構(gòu)件的整體尺寸（長、寬、高或徑）取決于古建筑的面闊、進(jìn)深、模數(shù)等尺寸，大體上遵循模數(shù)制及定型化的規(guī)則。木構(gòu)件的細(xì)部尺寸是指依附于構(gòu)件整體尺寸，表現(xiàn)構(gòu)件細(xì)部特點(diǎn)的尺寸，如木構(gòu)件的滾楞等。細(xì)部尺寸的確定較簡單，跟整體尺寸之間有一個比例關(guān)系，如梁的滾楞尺寸為其總尺寸的1/10，其木構(gòu)件的榫卯尺寸與構(gòu)件本身的尺寸之間存在較明確的比例關(guān)系。古建筑木構(gòu)件除椽子、望板這類屋面木基層構(gòu)件外，其余均是憑榫卯結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的。古建筑的榫卯結(jié)構(gòu)取決于古建筑的細(xì)部特征，是進(jìn)行木構(gòu)件裝配的關(guān)鍵。為了保證每個木構(gòu)件具有唯一的名稱，本文在建立族庫時對采用編碼制對古建筑的木構(gòu)件進(jìn)行編碼[3]，如下表所示（以柱、梁為例）。

一級編碼 二級編碼 三級編碼柱類Z 檐柱Y 正身檐柱01角檐柱02梁類L 三架梁S 正身三架梁01山面三架梁02五架梁W 正身五架梁01山面五架梁02

2.2 建筑木構(gòu)件的參數(shù)化

實現(xiàn)古建筑木構(gòu)件參數(shù)化，首先應(yīng)選擇合適的建模平臺。目前應(yīng)用BIM技術(shù)建模的軟件主要包括Revit、ArchiCAD、Bentley、CATIA、Xsteel等。本文主要從功能需求、市場占有率、操作的便捷性及穩(wěn)定性等方面考慮，選擇以Revit Architecture作為參數(shù)化信息模型創(chuàng)建平臺。

Revit軟件是專門為建筑信息模型構(gòu)件的平臺，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑的三維設(shè)計工作。針對現(xiàn)代建筑，Revit的族庫豐富，其常規(guī)構(gòu)件可利用項目樣板直接繪制，非常規(guī)構(gòu)件則以族的形式建立，然后導(dǎo)入項目完成其組裝。而清代古建筑中的木構(gòu)件不能應(yīng)用Revit軟件提供的構(gòu)件樣板直接繪制，只能為族的形立建立，然后載入項目進(jìn)行裝配。因此古建筑構(gòu)件族庫的參數(shù)化建立是實現(xiàn)參數(shù)化信息模型的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[4]，具體步驟如下。

①選擇族樣板，其中梁-結(jié)構(gòu)框架族樣板；柱-結(jié)構(gòu)柱族樣板；其它選擇公制常規(guī)模型族樣板。

②參照平面，根據(jù)已選定的參數(shù)來確定參照平面，參照平面主要包括位置參照平面和模型構(gòu)造參照平面，分別確定其模型位置和模型的構(gòu)造。

③古建筑木構(gòu)件族的創(chuàng)建。首先，大式建筑以斗口、步架為主體參數(shù)，小式建筑以檁徑、步架為主體參數(shù)，各木構(gòu)件的尺寸（長、高、厚、徑）為基本參數(shù)，構(gòu)件的細(xì)部如滾楞、收分等為細(xì)部驅(qū)動參數(shù)，建立函數(shù)約束關(guān)系。其次，利用拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣等命令創(chuàng)建不同類型的木構(gòu)件族。如圖1～圖3所示。

圖1 柱、梁、枋木構(gòu)件族的外觀顯示

圖2 門窗木構(gòu)件族的外觀顯示

圖3 斗栱部分木構(gòu)件的外觀顯示

3 清代古建筑參數(shù)化三維木構(gòu)件族庫的應(yīng)用

3.1 古建筑三維模型參數(shù)化重建方法

傳統(tǒng)的古建筑測繪的記錄方式主要有CAD圖紙、數(shù)據(jù)表、影像、文字等，這些方式僅能較直觀的展示古建筑外觀及基本構(gòu)造，但是無法系統(tǒng)地記錄其構(gòu)件之間的構(gòu)造關(guān)系。而在已建立其三維木構(gòu)件族庫的基礎(chǔ)上，在信息化建模的儲運(yùn)下，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方式在構(gòu)件形體與搭接關(guān)系上的不足，成為測繪與研究古建筑的新思路。從而，依據(jù)古建筑測繪的外業(yè)數(shù)據(jù)，從中獲取柱網(wǎng)形式、步架、舉架尺寸等主要參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)，通過調(diào)用本文建立的木構(gòu)件參數(shù)化構(gòu)件庫，生成其木構(gòu)架的精確三維模型。

本文是以Revit Architecture為軟件操作平臺，在項目中新建項目樣板，利用已建立族庫通過其參數(shù)化信息的修改來完成其參數(shù)化三維模型的建立。

3.2 以山東曲阜享殿——清代大式歇山建筑為例

不同形式的古建筑木構(gòu)架，其構(gòu)造方式也不相同。山東曲阜孔林享殿，建于公元1732年，即清雍正十年，大式歇山建筑，面闊五間，進(jìn)深三間，施五踩雙昂斗栱。下面以山東曲阜享殿——大式清歇山建筑形式的木構(gòu)架為例，闡述建立其三維木構(gòu)架模型的具體步驟。

①布置平面柱網(wǎng)。應(yīng)用RevitArchitecture軟件平臺，根據(jù)享殿的面闊和進(jìn)深尺寸繪制其柱網(wǎng)布置圖。

②根據(jù)臺基的尺寸直接在項目中創(chuàng)建臺基。

③下架：柱子的排布，枋子的裝配，斗栱的布置等。柱子以族的形式載入項目中，柱礎(chǔ)的位置確定，在與柱礎(chǔ)相應(yīng)位置上放置柱構(gòu)件，完成柱子與柱項石的組裝。枋子通過燕尾榫安裝于柱頭。斗拱層的裝配，首先在立面圖上確定榫卯位置，繪制卯口底層放置高度，然后利用對齊工具使柱的榫頭與斗拱的卯口相互吻合。

④上架：三架梁、五架梁、瓜柱、桁、枋等構(gòu)件在下架上又組合成若干個水平框架，形成上架。上架中，梁是主要的承重構(gòu)件，帶斗拱的大式建筑中，位于斗拱之上。梁的裝配應(yīng)使其兩端下部的海眼與柱頭的饅頭榫吻合，同時梁的背面還要考慮與瓜柱柱腳榫吻合。桁通過桁碗安裝于梁的兩端及脊瓜柱的桁椀內(nèi)，是古建筑構(gòu)件中結(jié)構(gòu)較為簡單且易于裝配的構(gòu)件。屋面木基層位于梁架之上，包括椽子、望板、大小連檐等，需通過控制各裝配關(guān)鍵點(diǎn)的標(biāo)高及權(quán)衡各構(gòu)件間的空間布局，完成其裝配。

⑤木裝修：主要包括隔扇門窗的裝配。此實例中為金里安裝修，裝修形式明次間為隔扇，梢間為檻窗，因此，在前檐金柱間完成其隔扇和檻窗的裝配。其建成模型如圖3。

圖4 山東曲阜孔林享殿的三維模型

3 總結(jié)

本文通過研究清代古建筑木構(gòu)架的特征及裝配規(guī)則，針對其明顯的模數(shù)化、形制化的特點(diǎn)，應(yīng)用Revit軟件實現(xiàn)了其三維木構(gòu)件族庫的建立。并以山東曲阜孔林享殿——清代古建筑中的大式歇山建筑為例，通過對古建筑測繪圖紙及相關(guān)資料進(jìn)行分析，提取其相關(guān)木構(gòu)件的信息參數(shù)，在Revit平臺下實現(xiàn)了享殿三維模型的建立。