營造法原下傳統(tǒng)建筑測繪技術探究

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摘要：傳統(tǒng)民居建筑的拆遷和異地重建經(jīng)常面臨著測繪圖紙粗糙、建筑構件缺失、重組困難等問題，給重建和再設計帶來額外的工作量。文章基于《營造法原》中對南方傳統(tǒng)建筑的結構和構件的特征描述，建立了傳統(tǒng)建筑的參數(shù)化模型，可以基于粗略的測繪圖和尺寸數(shù)據(jù)進行快速3D虛擬重建，完成包括斗拱、翼角、軒法、提棧、貼式等木結構的準確復原，從而指導建筑的重組、增補和裝修設計。

關鍵詞：南方古建筑；測繪；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。許多位于偏遠地區(qū)的老舊建筑年代久遠損毀嚴重，修繕成本高，但又達不到文物保護級別，即將面臨消失。因此一些建筑項目對這些老舊建筑進行重新利用，將其富有文化特色的斗拱、梁柱等構件拆除并進行異地重建，對缺損構件仿原樣補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，同時又經(jīng)過重新設計，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行測繪，作為重建的依據(jù)。但是對于此種目標的老舊建筑，很難像對待文物建筑那樣進行規(guī)范精確的測繪，因為這種測繪的作用不是展示，而只是對重建工作進行指導。因此測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)建筑的實際用途（如商業(yè)目的）進行設計，因此重建之前需要繪制較為精確的房屋基本架構，作為再設計的工作基礎。這種繪制與存檔性質的歷史建筑測繪不同，對裝飾性細節(jié)不太關心，只要求結構和尺寸的精確性。本文面向上述需求開展工作，試圖在歷史文獻的基礎上通過3D參數(shù)化技術為設計師的后續(xù)設計工作的開展提供輔助。

1《營造法原》的參數(shù)化研究

中國傳統(tǒng)建筑風格根據(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，其結構特征主要記錄在《營造法原》一書中?！稜I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、結構和尺寸參數(shù)[1]，是對江蘇、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)化原本構建3D參數(shù)化模型庫可以輔助多數(shù)江浙地區(qū)傳統(tǒng)建筑的快速重建。記述中國古代建筑的另外兩部典籍《營造法式》和《工程做法則例》已作過較多的數(shù)字化工作，而《營造法原》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《營造法原》[2]；祝紀楠對《營造法原》一書進行了全面的詮釋研究[3]；過漢泉對《營造法原》中的構件尺寸參數(shù)取值和大木做法給出了敘述[4]；田永復針對南方特征的仿古園林建筑的做法，依據(jù)《營造法原》給出了詳細的尺寸參數(shù)計算方法[5]；吳佳波針對中國古建筑的斗拱進行過參數(shù)化建模研究[6]；劉肖健對南方古建筑的翼角結構進行了參數(shù)化建模研究[7]，并針對《營造法原》中的瓦花墻洞圖案開發(fā)了參數(shù)化設計軟件[8]。上述研究都比較偏學術，傾向于對《營造法原》原書的數(shù)字化再現(xiàn)，而在應用層面的拓展還有待深入。本文面向《營造法原》中的做法和規(guī)則在拆遷重建中的應用開展工作，對建筑師的設計活動形成實際的輔助。

2面向虛擬重建的參數(shù)化內容

本文選擇Solidworks為開發(fā)平臺。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，用戶測繪或設計的參數(shù)可以存儲在Excel表格中被程序自動讀入，用于對設計參數(shù)賦值并驅動建立3D模型。Solidworks支持VisualBasicforApplication（簡稱VBA）二次開發(fā)工具，可以開發(fā)用戶界面，使建筑建模過程簡單易用?！稜I造法原》的內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、貼式五類內容。以下對五類內容的參數(shù)化過程進行簡要闡述。

2.1斗拱

斗拱是中國古建筑中最復雜，也是最有特色的部件?！稜I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、結構、部件，以及裝配關系?！稜I造法原》中所記述了若干江南古建筑中常用的斗拱（在《營造法原》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件和局部形態(tài)特征。本文實現(xiàn)了《營造法原》中的典型南方古建筑斗拱的參數(shù)化生成，包括單體構件與組裝件。具體方式是將斗拱構件定義為一個參數(shù)序列，通過輸入Excel表格數(shù)據(jù)驅動斗拱構件的生成與裝配，獲得相應尺寸的斗拱模型。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、拱厚、斗口、鏟邊弧高五個尺寸為主要尺寸，是《營造法原》圖版中有標注的尺寸，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，所有相關尺寸都已根據(jù)a值進行了正確的計算并重新生成模型。斗三升拱的3D模型如圖2所示。圖1（b）為改變橫向長度的斗三升拱模型，拱長度由17*a改為25*a。這種修改由參數(shù)驅動完成。項目組曾從事過《營造法式》和《工程做法則例》中的斗拱參數(shù)化建模[6]?！稜I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)化構件庫基礎上增補了21種斗拱單體構件，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雜的部分之一，作者在先前文章[7]中對翼角的參數(shù)序列定義以及參數(shù)化建模方法做了詳細介紹，本文不再贅述。

2.3軒法

軒是南方古建筑中一個特色結構，體現(xiàn)了建筑內部裝折的精美雅致。南方古建筑中軒的種類繁多，裝飾細節(jié)豐富?！稜I造法原》中對軒的使用主要涉及軒的尺寸選擇以及與屋架整體結構之間的關系，所附圖版中給出了七種常用軒的結構尺寸。軒的參數(shù)化內容較簡單。本文以軒的跨度（即“界深”）為主要參數(shù)，參數(shù)化設計功能的目標是在設計師按需求給出軒跨度參數(shù)的具體數(shù)值后，能夠自動配置軒梁的基本尺寸以及軒上各種構件（軒桁、彎椽、月梁、荷包梁、童柱、坐斗等）合適的尺寸和位置，使軒的整體結構比例協(xié)調，符合南方古建筑傳統(tǒng)的美感原則?！稜I造法原》對部分軒的尺寸比例設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置為軒界深參數(shù)的比例值，垂直方向尺寸和其他結構細部尺寸均參照廊桁直徑以比例值計算。圖3為《營造法原》中記述的兩種軒的結構。

2.4提棧

提棧即《營造法式》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?！稜I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計算，即屋面傾斜角度的正切值。在《營造法原》的術語體系中，用“四算”表達正切值為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《營造法原》中的提棧進行參數(shù)化的目的是用來快速生成屋面的三維結構，使之曲線符合傳統(tǒng)做法，同時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)《營造法原》對提棧的記述，本文對常用的提棧結構進行了參數(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，為設計和測繪重建提供了輔助。圖4為提棧值和界深值均不同的兩種六界提棧。

2.5貼式

《營造法原》將房屋進深方向由梁、柱、桁、檁等構成的屋架結構稱為“貼”，按屋內和山墻位置的不同，分為正貼和邊貼兩個大類，并各有若干不同的形式。帖式為建筑設計師提供了構造南方古建筑的基本模式。雖然《營造法原》以歌訣的形式精確規(guī)定了各種帖式的構造法則，但實際在選用帖式進行設計時，設計師還是有很大自由度的。為了保持整體結構的和諧一致和特征化的美感，部分貼式尺寸（如進深）在變化時必須能夠使所有的相關尺寸能夠產(chǎn)生一個正確的解算關系?！稜I造法原》圖版中列舉了若干實物建筑中的典型貼式，并附以詳細的尺寸圖，但是對尺寸間的變化方式并未有深入討論。本文借助參數(shù)化軟件的幾何關系自動解算功能來對屋架貼式的自由設計實現(xiàn)自動化，其中主要目標就是根據(jù)某一尺寸的變化自動重新調整并生成整個屋架的合理結構。貼式尺寸的變化必須滿足一定的約束條件，根據(jù)《營造法原》及其圖版中實物建筑的尺寸結構，約束條件可以總結為如下兩條：（1）提棧。即從屋檐到屋脊的屋頂舉折序列?！稜I造法原》的提棧有幾個固定的序列，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。歩架的長度一般情況下應在整個房屋內保持一致，因其長度變化會影響提棧的曲線效果。但是實物建筑的測量發(fā)現(xiàn)，全屋的歩架長度在20%幅度以內的變化十分常見的，對提棧曲線的影響可以忽略不計?？紤]上述兩條約束，本文為建筑設計師提供貼式設計的便利工具，允許建筑師在一定限度內自由修改進深方向和高度方向的尺寸，并自動計算所有其他相關尺寸，以使屋架結構和提棧保持不變的預設值序列。

3項目應用實例

作者在一個古建筑商業(yè)化項目中對本文的參數(shù)化快速建模系統(tǒng)進行了應用驗證。該項目位于上海某商業(yè)園區(qū)，所研究的案例建筑稱為“衢州小彎鉤房”（項目組使用的臨時稱呼），是對浙江衢州偏遠山區(qū)的某老建筑的復原與再設計。該房屋拆遷時多數(shù)構件缺失或損毀，僅存大木構架。由于時間緊迫，項目組未及組建專業(yè)的測繪團隊進入拆除現(xiàn)場，建筑結構原貌由施工工人徒手繪制，如圖6所示。項目組依據(jù)上述草繪結構圖整理成Excel數(shù)據(jù)表格后生成屋面提棧。然后構建平面柱網(wǎng)的結構圖，把各部件依次裝配到位，形成最終的屋架整體結構。對拆下運抵上海的構件實物進行裝配和測量（圖7）后顯示與虛擬重建結果吻合。圖10所示的整體屋架及其平立剖圖紙是此項的輸出成果，后續(xù)工作將由建筑設計師接手，在此基礎上進行再設計。應用表明，基于《營造法原》的參數(shù)化技術可以根據(jù)簡單粗糙的測繪圖和有限的數(shù)據(jù)對原始建筑進行較為精確的虛擬復原，給二次設計提供了很好的輔助，并顯著提高了工作效率。實物裝配和測量結果與虛擬重建結果也基本吻合。

4結語

本文的研究推動了古建筑典籍在建筑設計中的應用，并對基于數(shù)字化、參數(shù)化等現(xiàn)代技術對古文獻進行“活化”保護的思路和技術方案提供了有意義的實際案例。這項工作的深入開展也有助于在現(xiàn)代新中式建筑中對傳統(tǒng)文化元素進行準確應用，避免出現(xiàn)似是而非的混亂情況。同時也為瀕臨消失但仍有文化價值的老舊建筑煥發(fā)新的價值提供了助力。工作過程中也發(fā)現(xiàn)，《營造法原》原書中的一些尺寸計算規(guī)則在數(shù)學上并非完全嚴謹?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)字化工作并非簡單的“翻譯”成現(xiàn)代設計的規(guī)則，還需要進行修正、推理、補充，并在規(guī)則之外給建筑設計師留出創(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)大學設計藝術學院 浙江工業(yè)大學設計與建筑學院 麗水學院中國青瓷學院