營(yíng)造法原下傳統(tǒng)建筑測(cè)繪技術(shù)探究

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摘要：傳統(tǒng)民居建筑的拆遷和異地重建經(jīng)常面臨著測(cè)繪圖紙粗糙、建筑構(gòu)件缺失、重組困難等問題，給重建和再設(shè)計(jì)帶來(lái)額外的工作量。文章基于《營(yíng)造法原》中對(duì)南方傳統(tǒng)建筑的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的特征描述，建立了傳統(tǒng)建筑的參數(shù)化模型，可以基于粗略的測(cè)繪圖和尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行快速3D虛擬重建，完成包括斗拱、翼角、軒法、提棧、貼式等木結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確復(fù)原，從而指導(dǎo)建筑的重組、增補(bǔ)和裝修設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：南方古建筑；測(cè)繪；虛擬重建；參數(shù)化

引言

傳統(tǒng)建筑的拆遷與異地重建已成為一種園林或新中式商業(yè)建筑的常見模式。許多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的老舊建筑年代久遠(yuǎn)損毀嚴(yán)重，修繕成本高，但又達(dá)不到文物保護(hù)級(jí)別，即將面臨消失。因此一些建筑項(xiàng)目對(duì)這些老舊建筑進(jìn)行重新利用，將其富有文化特色的斗拱、梁柱等構(gòu)件拆除并進(jìn)行異地重建，對(duì)缺損構(gòu)件仿原樣補(bǔ)做后搭建完整的新舊參半的建筑，保留了老舊建筑的歷史原貌，同時(shí)又經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，增加了現(xiàn)代建筑的功能，不失為一種文化存留和延續(xù)建筑生命力的合理方式。這種異地重建需要在拆遷之前進(jìn)行測(cè)繪，作為重建的依據(jù)。但是對(duì)于此種目標(biāo)的老舊建筑，很難像對(duì)待文物建筑那樣進(jìn)行規(guī)范精確的測(cè)繪，因?yàn)檫@種測(cè)繪的作用不是展示，而只是對(duì)重建工作進(jìn)行指導(dǎo)。因此測(cè)繪工作通常是交給拆遷工人去做，所繪制的圖紙多為示意性的，比較粗糙。重建除了保持建筑的外觀原貌外，還需要根據(jù)建筑的實(shí)際用途（如商業(yè)目的）進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此重建之前需要繪制較為精確的房屋基本架構(gòu)，作為再設(shè)計(jì)的工作基礎(chǔ)。這種繪制與存檔性質(zhì)的歷史建筑測(cè)繪不同，對(duì)裝飾性細(xì)節(jié)不太關(guān)心，只要求結(jié)構(gòu)和尺寸的精確性。本文面向上述需求開展工作，試圖在歷史文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上通過3D參數(shù)化技術(shù)為設(shè)計(jì)師的后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開展提供輔助。

1《營(yíng)造法原》的參數(shù)化研究

中國(guó)傳統(tǒng)建筑風(fēng)格根據(jù)地域和年代的不同有很大差異。本文的工作面向江浙一帶的南方傳統(tǒng)建筑，其結(jié)構(gòu)特征主要記錄在《營(yíng)造法原》一書中。《營(yíng)造法原》成書于清代，作者為姚承祖，書中記載了蘇州香山幫建筑的形制、結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)[1]，是對(duì)江蘇、浙江、江西等地的傳統(tǒng)建筑的一種概括性描述，以之為參數(shù)化原本構(gòu)建3D參數(shù)化模型庫(kù)可以輔助多數(shù)江浙地區(qū)傳統(tǒng)建筑的快速重建。記述中國(guó)古代建筑的另外兩部典籍《營(yíng)造法式》和《工程做法則例》已作過較多的數(shù)字化工作，而《營(yíng)造法原》的數(shù)字化做得還比較少。張至剛依據(jù)現(xiàn)代建筑圖的繪制方法重新編校了《營(yíng)造法原》[2]；祝紀(jì)楠對(duì)《營(yíng)造法原》一書進(jìn)行了全面的詮釋研究[3]；過漢泉對(duì)《營(yíng)造法原》中的構(gòu)件尺寸參數(shù)取值和大木做法給出了敘述[4]；田永復(fù)針對(duì)南方特征的仿古園林建筑的做法，依據(jù)《營(yíng)造法原》給出了詳細(xì)的尺寸參數(shù)計(jì)算方法[5]；吳佳波針對(duì)中國(guó)古建筑的斗拱進(jìn)行過參數(shù)化建模研究[6]；劉肖健對(duì)南方古建筑的翼角結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化建模研究[7]，并針對(duì)《營(yíng)造法原》中的瓦花墻洞圖案開發(fā)了參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件[8]。上述研究都比較偏學(xué)術(shù)，傾向于對(duì)《營(yíng)造法原》原書的數(shù)字化再現(xiàn)，而在應(yīng)用層面的拓展還有待深入。本文面向《營(yíng)造法原》中的做法和規(guī)則在拆遷重建中的應(yīng)用開展工作，對(duì)建筑師的設(shè)計(jì)活動(dòng)形成實(shí)際的輔助。

2面向虛擬重建的參數(shù)化內(nèi)容

本文選擇Solidworks為開發(fā)平臺(tái)。Solidworks具有完善的參數(shù)化功能，在Solidworks中可以從外部讀入Excel表格，用戶測(cè)繪或設(shè)計(jì)的參數(shù)可以存儲(chǔ)在Excel表格中被程序自動(dòng)讀入，用于對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)賦值并驅(qū)動(dòng)建立3D模型。Solidworks支持VisualBasicforApplication（簡(jiǎn)稱VBA）二次開發(fā)工具，可以開發(fā)用戶界面，使建筑建模過程簡(jiǎn)單易用。《營(yíng)造法原》的內(nèi)容涵蓋了南方古建筑的地面、木作、裝折、石作、墻垣、屋面以及工限、園林、雜俎等營(yíng)造作法，并附有豐富的圖釋。本文的工作主要涉及木作部分，包括斗拱、翼角、軒法、提棧、貼式五類內(nèi)容。以下對(duì)五類內(nèi)容的參數(shù)化過程進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

2.1斗拱

斗拱是中國(guó)古建筑中最復(fù)雜，也是最有特色的部件。《營(yíng)造法式》和《工程做法則例》分別記述了宋代和清代的斗拱尺寸、結(jié)構(gòu)、部件，以及裝配關(guān)系。《營(yíng)造法原》中所記述了若干江南古建筑中常用的斗拱（在《營(yíng)造法原》中稱為“牌科”），雖與前兩部典籍所記述的斗拱在大體相似，但也有不少南方建筑的特色構(gòu)件和局部形態(tài)特征。本文實(shí)現(xiàn)了《營(yíng)造法原》中的典型南方古建筑斗拱的參數(shù)化生成，包括單體構(gòu)件與組裝件。具體方式是將斗拱構(gòu)件定義為一個(gè)參數(shù)序列，通過輸入Excel表格數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)斗拱構(gòu)件的生成與裝配，獲得相應(yīng)尺寸的斗拱模型。以“斗三升拱”為例，表1為其主要參數(shù)的方程式定義。表1中的拱高、拱長(zhǎng)、拱厚、斗口、鏟邊弧高五個(gè)尺寸為主要尺寸，是《營(yíng)造法原》圖版中有標(biāo)注的尺寸，其余尺寸為次要尺寸，依據(jù)圖版中的比例推算得到。上述方程式中，a為單位長(zhǎng)度值。圖1為兩種取不同a值的斗三升拱模型。a發(fā)生變化時(shí)，所有相關(guān)尺寸都已根據(jù)a值進(jìn)行了正確的計(jì)算并重新生成模型。斗三升拱的3D模型如圖2所示。圖1（b）為改變橫向長(zhǎng)度的斗三升拱模型，拱長(zhǎng)度由17*a改為25*a。這種修改由參數(shù)驅(qū)動(dòng)完成。項(xiàng)目組曾從事過《營(yíng)造法式》和《工程做法則例》中的斗拱參數(shù)化建模[6]。《營(yíng)造法原》中的部分斗拱與前兩者相同，因此，本文在已有的參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)基礎(chǔ)上增補(bǔ)了21種斗拱單體構(gòu)件，并新建了7種典型南方古建筑斗拱的參數(shù)化模型，包括：丁字桁間牌科、十字桁間牌科、一斗六升桁間牌科、一斗三升桁間牌科、一斗三升柱頭牌科、琵琶牌科、棋盤頂牌科。圖2為十字桁間牌科的組裝圖和爆炸圖。

2.2翼角

翼角是古建筑木作中最復(fù)雜的部分之一，作者在先前文章[7]中對(duì)翼角的參數(shù)序列定義以及參數(shù)化建模方法做了詳細(xì)介紹，本文不再贅述。

2.3軒法

軒是南方古建筑中一個(gè)特色結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了建筑內(nèi)部裝折的精美雅致。南方古建筑中軒的種類繁多，裝飾細(xì)節(jié)豐富。《營(yíng)造法原》中對(duì)軒的使用主要涉及軒的尺寸選擇以及與屋架整體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，所附圖版中給出了七種常用軒的結(jié)構(gòu)尺寸。軒的參數(shù)化內(nèi)容較簡(jiǎn)單。本文以軒的跨度（即“界深”）為主要參數(shù)，參數(shù)化設(shè)計(jì)功能的目標(biāo)是在設(shè)計(jì)師按需求給出軒跨度參數(shù)的具體數(shù)值后，能夠自動(dòng)配置軒梁的基本尺寸以及軒上各種構(gòu)件（軒桁、彎椽、月梁、荷包梁、童柱、坐斗等）合適的尺寸和位置，使軒的整體結(jié)構(gòu)比例協(xié)調(diào)，符合南方古建筑傳統(tǒng)的美感原則。《營(yíng)造法原》對(duì)部分軒的尺寸比例設(shè)置給出了明確的指示，有些則沒有。本文將軒中橫向位置尺寸設(shè)置為軒界深參數(shù)的比例值，垂直方向尺寸和其他結(jié)構(gòu)細(xì)部尺寸均參照廊桁直徑以比例值計(jì)算。圖3為《營(yíng)造法原》中記述的兩種軒的結(jié)構(gòu)。

2.4提棧

提棧即《營(yíng)造法式》中的“舉折”，在《工程做法則例》中稱為“舉架”，均指建筑屋頂?shù)那€造型法則。《營(yíng)造法原》中提棧的數(shù)值是按照每一界深兩端的桁檁在垂直高度上的距離與界深的比值來(lái)計(jì)算，即屋面傾斜角度的正切值。在《營(yíng)造法原》的術(shù)語(yǔ)體系中，用“四算”表達(dá)正切值為0.4的屋面傾斜角度，即《工程做法則例》中的“四舉”，“四算半”則是指正切值為0.45的角度，以此類推。本文對(duì)《營(yíng)造法原》中的提棧進(jìn)行參數(shù)化的目的是用來(lái)快速生成屋面的三維結(jié)構(gòu)，使之曲線符合傳統(tǒng)做法，同時(shí)在縱剖面上快速生成各桁檁的正確位置，并通過它們間接生成屋面曲線。根據(jù)《營(yíng)造法原》對(duì)提棧的記述，本文對(duì)常用的提棧結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化處理，使各界的提棧數(shù)值可以從Excel數(shù)據(jù)表中讀入，為設(shè)計(jì)和測(cè)繪重建提供了輔助。圖4為提棧值和界深值均不同的兩種六界提棧。

2.5貼式

《營(yíng)造法原》將房屋進(jìn)深方向由梁、柱、桁、檁等構(gòu)成的屋架結(jié)構(gòu)稱為“貼”，按屋內(nèi)和山墻位置的不同，分為正貼和邊貼兩個(gè)大類，并各有若干不同的形式。帖式為建筑設(shè)計(jì)師提供了構(gòu)造南方古建筑的基本模式。雖然《營(yíng)造法原》以歌訣的形式精確規(guī)定了各種帖式的構(gòu)造法則，但實(shí)際在選用帖式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師還是有很大自由度的。為了保持整體結(jié)構(gòu)的和諧一致和特征化的美感，部分貼式尺寸（如進(jìn)深）在變化時(shí)必須能夠使所有的相關(guān)尺寸能夠產(chǎn)生一個(gè)正確的解算關(guān)系。《營(yíng)造法原》圖版中列舉了若干實(shí)物建筑中的典型貼式，并附以詳細(xì)的尺寸圖，但是對(duì)尺寸間的變化方式并未有深入討論。本文借助參數(shù)化軟件的幾何關(guān)系自動(dòng)解算功能來(lái)對(duì)屋架貼式的自由設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，其中主要目標(biāo)就是根據(jù)某一尺寸的變化自動(dòng)重新調(diào)整并生成整個(gè)屋架的合理結(jié)構(gòu)。貼式尺寸的變化必須滿足一定的約束條件，根據(jù)《營(yíng)造法原》及其圖版中實(shí)物建筑的尺寸結(jié)構(gòu)，約束條件可以總結(jié)為如下兩條：（1）提棧。即從屋檐到屋脊的屋頂舉折序列。《營(yíng)造法原》的提棧有幾個(gè)固定的序列，如（3.5，4，4.5）或（3.5，4.5，5.5，6.5）等。這些提棧序列保持了屋頂曲線的特有美感。（2）歩架。即相鄰桁檁之間的水平距離。歩架的長(zhǎng)度一般情況下應(yīng)在整個(gè)房屋內(nèi)保持一致，因其長(zhǎng)度變化會(huì)影響提棧的曲線效果。但是實(shí)物建筑的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，全屋的歩架長(zhǎng)度在20%幅度以內(nèi)的變化十分常見的，對(duì)提棧曲線的影響可以忽略不計(jì)。考慮上述兩條約束，本文為建筑設(shè)計(jì)師提供貼式設(shè)計(jì)的便利工具，允許建筑師在一定限度內(nèi)自由修改進(jìn)深方向和高度方向的尺寸，并自動(dòng)計(jì)算所有其他相關(guān)尺寸，以使屋架結(jié)構(gòu)和提棧保持不變的預(yù)設(shè)值序列。

3項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例

作者在一個(gè)古建筑商業(yè)化項(xiàng)目中對(duì)本文的參數(shù)化快速建模系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。該項(xiàng)目位于上海某商業(yè)園區(qū)，所研究的案例建筑稱為“衢州小彎鉤房”（項(xiàng)目組使用的臨時(shí)稱呼），是對(duì)浙江衢州偏遠(yuǎn)山區(qū)的某老建筑的復(fù)原與再設(shè)計(jì)。該房屋拆遷時(shí)多數(shù)構(gòu)件缺失或損毀，僅存大木構(gòu)架。由于時(shí)間緊迫，項(xiàng)目組未及組建專業(yè)的測(cè)繪團(tuán)隊(duì)進(jìn)入拆除現(xiàn)場(chǎng)，建筑結(jié)構(gòu)原貌由施工工人徒手繪制，如圖6所示。項(xiàng)目組依據(jù)上述草繪結(jié)構(gòu)圖整理成Excel數(shù)據(jù)表格后生成屋面提棧。然后構(gòu)建平面柱網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖，把各部件依次裝配到位，形成最終的屋架整體結(jié)構(gòu)。對(duì)拆下運(yùn)抵上海的構(gòu)件實(shí)物進(jìn)行裝配和測(cè)量（圖7）后顯示與虛擬重建結(jié)果吻合。圖10所示的整體屋架及其平立剖圖紙是此項(xiàng)的輸出成果，后續(xù)工作將由建筑設(shè)計(jì)師接手，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)。應(yīng)用表明，基于《營(yíng)造法原》的參數(shù)化技術(shù)可以根據(jù)簡(jiǎn)單粗糙的測(cè)繪圖和有限的數(shù)據(jù)對(duì)原始建筑進(jìn)行較為精確的虛擬復(fù)原，給二次設(shè)計(jì)提供了很好的輔助，并顯著提高了工作效率。實(shí)物裝配和測(cè)量結(jié)果與虛擬重建結(jié)果也基本吻合。

4結(jié)語(yǔ)

本文的研究推動(dòng)了古建筑典籍在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并對(duì)基于數(shù)字化、參數(shù)化等現(xiàn)代技術(shù)對(duì)古文獻(xiàn)進(jìn)行“活化”保護(hù)的思路和技術(shù)方案提供了有意義的實(shí)際案例。這項(xiàng)工作的深入開展也有助于在現(xiàn)代新中式建筑中對(duì)傳統(tǒng)文化元素進(jìn)行準(zhǔn)確應(yīng)用，避免出現(xiàn)似是而非的混亂情況。同時(shí)也為瀕臨消失但仍有文化價(jià)值的老舊建筑煥發(fā)新的價(jià)值提供了助力。工作過程中也發(fā)現(xiàn)，《營(yíng)造法原》原書中的一些尺寸計(jì)算規(guī)則在數(shù)學(xué)上并非完全嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模缬行┏叽缡沁^定義的，即算法之間有沖突，在參數(shù)化過程中必須重新定義。而有些尺寸缺乏計(jì)算依據(jù)，需要給出估算值，則留給用戶去自定義。這表明古代典籍的數(shù)字化工作并非簡(jiǎn)單的“翻譯”成現(xiàn)代設(shè)計(jì)的規(guī)則，還需要進(jìn)行修正、推理、補(bǔ)充，并在規(guī)則之外給建筑設(shè)計(jì)師留出創(chuàng)意的空間。

作者:劉肖健 黃鑫宇 呂蕓蕓 季忠苑 單位:浙江工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院 浙江工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)與建筑學(xué)院 麗水學(xué)院中國(guó)青瓷學(xué)院