基于SketchUP的中國(guó)木構(gòu)古建筑三維重建研究

趙彥軍,尹四清

(1.中北大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030051;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

0 前 言

中國(guó)古建筑是東方建筑體系的始祖,是世界四大建筑體系之一。其獨(dú)特的建筑風(fēng)格,對(duì)木構(gòu)的應(yīng)用、加工、防護(hù)都有悠久而深入的影響,在世界建筑文化中獨(dú)樹一幟[1]。古建筑作為古代文明的載體,被稱為“凝固的史詩(shī)”,為今天研究封建社會(huì)的政治、文化、軍事、科技、民風(fēng)等各方面提供了彌足珍貴的資料。

在古建筑的保護(hù)、修繕和復(fù)原性設(shè)計(jì)中,為了將古建筑及其構(gòu)件記錄下來(lái),文物保護(hù)單位都會(huì)對(duì)古建筑進(jìn)行存檔保護(hù)。傳統(tǒng)的存檔方法主要是通過(guò)圖表、文字、照片等對(duì)古建筑進(jìn)行記錄,由于古建筑及其構(gòu)件形狀復(fù)雜、裝配困難,故傳統(tǒng)方法直觀性很差且數(shù)據(jù)量大,不利于保存。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展,運(yùn)用CAD技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行記錄、建模和復(fù)原性設(shè)計(jì)已成為古建筑存檔的數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)建模不僅可以直觀的表現(xiàn)出古建筑及構(gòu)件,而且也保存了相應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)。

目前,用于建筑建模的主流軟件有AutoCAD、3DMAX、SketchUP等。在這些CAD軟件中,AutoCAD二維繪圖功能強(qiáng)大但三維建模功能不足;3DMAX三維功能強(qiáng)大但操作復(fù)雜、計(jì)算機(jī)資源消耗太大,動(dòng)則幾萬(wàn)、十余萬(wàn)構(gòu)件的古建筑很難在目前的計(jì)算機(jī)硬件水平上建模;而由@Last Software公司開發(fā)、2006年由Google公司收購(gòu)的SketchUp軟件具有簡(jiǎn)便的操作、強(qiáng)大的功能,可以迅速容易地建構(gòu)、顯示、編輯3D模型,而且可以利用SketchUp建造古建筑模型并放入GoogleEarth中,使得Google Earth所呈現(xiàn)的地圖更具立體感、更接近真實(shí)世界,更符合建筑模型全球數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)。故本文選用SketchUp軟件作為古建筑三維重建軟件。

1 木構(gòu)古建筑重建步驟分析

完整的木構(gòu)古建筑骨架是由柱、木梁、枋、斗 、木共、椽、望板、斗木共等多種構(gòu)件按一定的原則組裝而成[2]。要建立古建筑的三維模型,在古建筑木作技術(shù)知識(shí)方面應(yīng)具備三個(gè)基本條件:熟悉古建筑構(gòu)造;熟悉各構(gòu)件的權(quán)衡尺度;熟悉榫卯構(gòu)造。

在創(chuàng)建古建筑模型時(shí),首先應(yīng)獲取古建筑及其構(gòu)件的尺寸數(shù)據(jù),其次創(chuàng)建木構(gòu)件的模型,然后將構(gòu)件進(jìn)行組裝。在構(gòu)件組裝中,檢查構(gòu)件和與其連接的構(gòu)件是否合適,如不合適,對(duì)構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整或重新創(chuàng)建并再次進(jìn)行組裝,直至組裝合適;如組裝合適,則繼續(xù)下一構(gòu)件的組裝。最后,完成古建筑模型的創(chuàng)建。建模步驟如圖1所示。

圖1 木構(gòu)古建筑重建步驟示意圖

需要注意的是,木構(gòu)件的種類和數(shù)量是十分驚人的,一幢古建筑物一般都有成千上萬(wàn)個(gè)構(gòu)件,另外這些構(gòu)件的形狀千變?nèi)f化,除方形、圓形、柱形等幾何形體外,也有像耍頭、駝峰、異型木共、寶瓶等異形體。因此,在實(shí)際工作中,一定要考慮獲取數(shù)據(jù)的精度和效率[3]。

2 建模的數(shù)據(jù)獲取

目前古建筑數(shù)據(jù)獲取的途徑主要有四種:文獻(xiàn)資料法、直接測(cè)量法、攝影測(cè)量法和工程測(cè)量法。對(duì)于形狀怪異,很難用SketchUP進(jìn)行建模的木構(gòu)件,一般采用近景攝影測(cè)量的方法。工程測(cè)量方法主要是采用全站儀實(shí)地測(cè)量,獲取建筑物的特定位置的三維空間數(shù)據(jù)。本文主要采用文獻(xiàn)資料法,即開始建模前,在宋《營(yíng)造法式》、清工部《工程做法則例》、《中國(guó)古建筑木作營(yíng)造技術(shù)》等文獻(xiàn)資料中搜集擬建類型的古建筑及其構(gòu)件的尺寸數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)歸納、整理,形成基本的數(shù)據(jù)資料。

3 創(chuàng)建模型

掌握了精確、豐富的古建筑及其構(gòu)件尺寸數(shù)據(jù)資料后,就可以進(jìn)行建模了。目前,創(chuàng)建模型的方法主要有兩種:第一種是先在AutoCAD中繪制構(gòu)件的平、立面圖,然后將圖導(dǎo)入SketchUP中進(jìn)行建筑模型的創(chuàng)建、組裝;第二種是直接在SketchUP中進(jìn)行建筑模型的創(chuàng)建、組裝。

3.1 模型度量單位設(shè)置

在古代官式建筑及其構(gòu)件中,常以柱徑(D)為度量單位;而在殿式建筑中,以斗木共有平身科坐斗的斗口寬度為度量單位。這兩種度量單位和現(xiàn)在的度量單位有較大差異。在AutoCAD中繪圖、在SketchUP中建模時(shí),為了解決古今建筑度量單位的差異問(wèn)題,提高建模效率(建筑和每個(gè)構(gòu)件的尺寸都要進(jìn)行古今度量單位的換算),一般將度量單位設(shè)置為1 m,即以1 m代表1個(gè)柱徑或1斗口。待整個(gè)建筑模型創(chuàng)建完成后,再按照相應(yīng)的古今度量單位比例關(guān)系縮放至正常大小。如殿式建筑中先根據(jù)用材等級(jí)確定1斗口合多少尺寸,然后按清代1尺=0.310 m換算出建筑及各構(gòu)件尺寸[4]。

3.2 創(chuàng)建構(gòu)件模型

創(chuàng)建構(gòu)件模型的主要方法有兩種。第一種是先在AutoCAD中繪制構(gòu)件的平、立面圖,再導(dǎo)入SketchUP中運(yùn)用推/拉(Push)等命令創(chuàng)建構(gòu)件模型(如圖2所示);第二種是直接在SketchUP創(chuàng)建構(gòu)件模型(如圖3所示)。當(dāng)構(gòu)件的形狀較規(guī)則或已有AutoCAD平立面圖文件時(shí)適用于第一種方法,當(dāng)構(gòu)件形狀非常規(guī)則或復(fù)雜時(shí),第二種方法適用。

圖2 單翹單昂五踩平身科翹構(gòu)件圖及模型圖

圖3 單翹單昂五踩平身科昴構(gòu)件模型

構(gòu)件模型創(chuàng)建完成后應(yīng)運(yùn)用制作組件(Component)命令創(chuàng)建構(gòu)件組件,并以構(gòu)件名稱為組件命名(如平身科坐斗組件)。其目的是將組成構(gòu)件模型的各元素組織為一個(gè)獨(dú)立、完整的操作對(duì)象,以避免在構(gòu)件組裝時(shí)因誤操作而破壞構(gòu)件模型。

4 古建筑的組裝

4.1 創(chuàng)建圖層

標(biāo)準(zhǔn)的抬木梁式木構(gòu)建筑可分為:柱礎(chǔ)層、斗木共層、木梁架層、屋面層、裝修層。在SketchUP中創(chuàng)建以上各層和基線層并以相應(yīng)名稱命名各層。創(chuàng)建圖層的目的是通過(guò)打開、關(guān)閉顯示各層控制處于相應(yīng)層上構(gòu)件的顯示與否,進(jìn)而降低古建筑組裝的復(fù)雜程度。

4.2 構(gòu)件模型的組裝

在完成以上工作的基礎(chǔ)上,就可以在SketchUP中進(jìn)行構(gòu)件的組裝。

首先,將Auto CAD平面圖導(dǎo)入SketchUP中,并將其置于基線層,以便于確定柱礎(chǔ)層柱礎(chǔ)、柱、墻、門窗等構(gòu)件的位置。

然后將各構(gòu)件按照其所處位置分類,分別以組件的形式插入到相應(yīng)圖層內(nèi),并將各圖層上的構(gòu)件創(chuàng)建為群組,使每個(gè)圖層上的構(gòu)件形成獨(dú)立的整體,便于修改和編輯。一般情況下將柱礎(chǔ)、柱、欄額、墻等構(gòu)件置于柱礎(chǔ)層;將斗木共置于斗木共層;將木梁、枋等構(gòu)件置于梁架層;將望板、灰背組成的基層及瓦面層等構(gòu)件置于屋面層;將門、窗、抱柱木次、地木伏等構(gòu)件置于裝修層。

在構(gòu)件模型的組裝過(guò)程中,一定要注重圖層的操作。在某個(gè)層插入構(gòu)件時(shí),只打開該層和與其組裝有關(guān)系的圖層顯示選項(xiàng),其它圖層關(guān)閉顯示選項(xiàng),即隱藏其它圖層。這樣可以大大降低古建筑構(gòu)件組裝的復(fù)雜程度,提高構(gòu)件模型的組裝效率,降低計(jì)算機(jī)資源的消耗。如不進(jìn)行圖層的打開、關(guān)閉顯示操作,少則幾千,多則數(shù)萬(wàn)個(gè)建筑構(gòu)件使構(gòu)件組裝極為復(fù)雜,而且會(huì)大大增加計(jì)算機(jī)資源的消耗,甚至因過(guò)度消耗計(jì)算機(jī)資源使系統(tǒng)崩潰,導(dǎo)致整個(gè)古建筑重建失敗。在柱礎(chǔ)層、斗木共層 、木梁架層、屋面層、裝修層中,斗木共層、木梁架層的構(gòu)件數(shù)量很多,構(gòu)件也很復(fù)雜,要特別注意圖層的操作。

在組裝完所有的古建筑構(gòu)件后,打開所有層的顯示選項(xiàng),顯示完整的古建筑木構(gòu)模型。完成古建筑木構(gòu)模型重建,如圖4所示。

圖4 古建筑大木作組裝效果

5 結(jié) 語(yǔ)

中國(guó)古代建筑與中國(guó)的文明同樣古老。這種土生土長(zhǎng)、高度“有機(jī)”結(jié)構(gòu)和構(gòu)造體系的建筑在廣袤的地域和長(zhǎng)達(dá)四千余年時(shí)間中常存不敗,且至今還在應(yīng)用而不易其基本特征,成為中華文明不可分離的組成部分[5]。本文從木構(gòu)古建筑數(shù)字化重建的角度,探討了在SketchUP中進(jìn)行古建筑重建的技術(shù),提出了一個(gè)粗略的實(shí)現(xiàn)框架和實(shí)現(xiàn)途徑。它可以在一定程度上提高古建筑保護(hù)、修繕、復(fù)原性設(shè)計(jì)的效率。同時(shí),在宣傳中華古代文明,培植文化產(chǎn)業(yè),使其走向世界方面具有廣闊的應(yīng)用前景,具有較大的研究和應(yīng)用價(jià)值。

[1]譚潔.基于GDL技術(shù)的清代官式建筑大木作的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)[D].重慶:重慶大學(xué),2006:33-35.

[2]馬炳堅(jiān).中國(guó)古建筑木作營(yíng)造技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1995:133.

[3]許妙忠,涂辛茹.木構(gòu)古建筑工藝計(jì)算機(jī)再現(xiàn)技術(shù)的研究[J].華中建筑,2008,(6):60-61,90.

[4]劉敦楨.中國(guó)古代建筑史[M].第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1986:421.

[5]梁思成.圖像中國(guó)建筑史[J].天津:百花文藝出版社,2001:61-78.