中國古建的三維設(shè)計方法研究

韓睿

摘 要：中國古建是我國的珍貴文化遺產(chǎn)，保護(hù)與研究古建是現(xiàn)時代的重要任務(wù)。利用三維設(shè)計再現(xiàn)古建筑的形態(tài)，是目前解讀與研究古建的重要方法。中國古建絕大多數(shù)采用木結(jié)構(gòu)，先制作構(gòu)件，再進(jìn)行組裝；因此，利用三維設(shè)計來表現(xiàn)古建，是一個值得研究的課題。本文應(yīng)用MAYA的建模技術(shù)對中國古建進(jìn)行三維設(shè)計提出了較為可行的方法，從“MAYA”的三維技術(shù)手段對古建的設(shè)計研究的影響以及建構(gòu)方法和實例建模（塔、殿、橋、坊）等方面進(jìn)行了較好的研究。

關(guān)鍵詞：中國古建； 三維設(shè)計； 方法

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中圖分類號：TU 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1008-2832（2014）07-0071-03

3D Design Study of Ancient Chinese Architecture

HAN？rui

（School？of？Art？&？Design，？Beijing？Institute？of？Fashion？Technology，？Beijing，？100029，？China）

Abstract ：Ancient Chinese architecture is a precious cultural heritage of our country， so its protection and research are the todays vital tasks. It is an important way to interpret and study of the ancient Chinese architecture that using three-dimensional（3d） design reproduces the form of ancient buildings. The vast majority of ancient Chinese buildings use timber structure to make components and assemble them. An application of 3d design for expression of the ancient architecture is a topic worth studying. In this study， MAYA modeling technology is applied and a feasible method for 3d design of ancient buildings is put forward. The influence of ancient Chinese architecture design， their construction methods and their instances such as tower， bridge， temple and memorial archway by MAYA been fully discussed in the paper.

Key words ：ancient Chinese architecture； three-dimensional design； methods

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一、“MAYA”的三維技術(shù)手段對古建的設(shè)計研究的影響

MAYA軟件是一款功能強大的軟件，而通過不斷地開發(fā)，MAYA已經(jīng)不再單純的運用于動畫的制作了，它也運用于多個領(lǐng)域中，其中利用MAYA進(jìn)行古建的設(shè)計研究已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)極為關(guān)注的問題。這是因為MAYA的建模多樣性以及豐富性決定了它所具有的潛質(zhì)。在古建三維設(shè)計中，MAYA常用的建模方法包括：NURBS建模、多邊形建模、Subdivision建模等。

多邊形建模是古建三維造型中接觸最多的建模方式。它通過控制三維空間中的物體的點、線和面來建造模型。多邊形的建模方式是把古建看成是有一個或者是多個立體幾何模型，在建模過程中，可以通過對一些物體的分析將物體人為的拆分成由多個多邊形的組合形態(tài)。這樣對于在古建建模過程中遇到的一些難以一次建成的模型，通過多邊形拼組的方法將其完整的塑造出來。這樣的建模手法，其一，加大了三維建模的工作效率；其二，通過多邊形的組件模式可以很容易的將模型的外形進(jìn)行扭曲和拉伸處理等，使得模型的細(xì)節(jié)的塑造精確，形態(tài)更加的生動形象。

NURBS建模方式是解決古建形態(tài)中曲面建構(gòu)的一種建模方式，它的獨到之處就在于能夠更好的將復(fù)雜的曲面模型建造出來。而且模型的調(diào)整和修改簡單方便，在對古建形態(tài)的塑造中，NURBS建模最適合表現(xiàn)有光滑外表的曲面造型。它不僅對于光滑表面的物體有很好的塑造表現(xiàn)，對于一些尖銳的形態(tài)也可以表現(xiàn)出很好的效果。這是因為NURBS表面是由一系列曲線和控制點確定的，因此常常需要兩種途徑創(chuàng)建NURBS。其一，可以通過修改軟件的基本模型來完成建模；其二，可以在三維空間中構(gòu)建形成物體的基本曲線，并通過曲線的精度的調(diào)節(jié)，將古建的復(fù)雜的形態(tài)表現(xiàn)出來。

Subdivision建模是解決與簡化古建復(fù)雜物體的制作過程，他吸取了Polygon和NURBS兩種建模方法的技術(shù)優(yōu)勢，不但擁有多邊形建模的靈活多變的強大功能，而且還能像NURBS模型一樣保持模型的光滑。對多邊形進(jìn)行多次細(xì)分，并能通過控制模型的渲染精度，是多邊形建模的強有力的升級。Subdivision建模最大的優(yōu)點在于它的細(xì)分性，可以通過在局部不斷地提高模型的細(xì)節(jié)層次，并能在高低兩種細(xì)節(jié)顯示級別之間切換。

二、古建的三維形態(tài)的建構(gòu)方法

（一）形態(tài)的分析

在古建的建模之前，需要分析一下你所要建造的形態(tài)模型。所以在建模之前可以先繪制一個三視圖，這樣可以更加主觀的了解自己所要制作的場景，以及比較容易地做出比較真實的形態(tài)來。首先，利用古建的圖片以及相關(guān)的圖紙確定一個大體的制作方向，而對于建筑物內(nèi)部的一些結(jié)構(gòu)和一些小的形態(tài)需是通過認(rèn)知和想象去添加的。endprint

其次，需要表達(dá)其基本平面位置及高度信息，以及其色彩紋理與幾何外形特征，這些幾何外形特征往往體現(xiàn)三維對象特別是建筑物對象的獨特風(fēng)格。其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括平面位置和高程的三維空間數(shù)據(jù)，以及包括建筑物的真實影像數(shù)據(jù)。具體包括地形數(shù)據(jù)、數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)、建筑物高度數(shù)據(jù)、航攝相片、地面近景照片以及紋理圖片等。

（二）形態(tài)的梳理

古建筑形式多樣，但各部位都有較為固定的比例關(guān)系，也是使各種不同形式的建筑保持統(tǒng)一風(fēng)格的重要原則。因此，對于古建筑的三維建構(gòu)過程，形態(tài)的梳理是十分重要的。古建的每個單體建筑都是按照一定制式，由基本構(gòu)件組裝而成。而古建營造時也是先制作相應(yīng)的構(gòu)件，再進(jìn)行組裝。

以明、清代官式古建筑為例，古建的構(gòu)件在明、清已經(jīng)形成了建筑營造規(guī)范；木材以九材制，即按受力的大小分為九類木材，建筑模數(shù)以斗拱計算，即斗拱的大斗的斗口尺寸作為建筑模數(shù)（斗口尺寸為2.5寸），建筑的開間和進(jìn)深都以斗口計算。受到建筑模數(shù)影響的構(gòu)件還有梁、枋、柱和桁等。因此，在建構(gòu)過程中需要預(yù)先建立古建筑構(gòu)件的三維構(gòu)件庫。

在形態(tài)的梳理中，有些古建的構(gòu)件如臺基、柱礎(chǔ)、欄桿、欄板、梁等表面幾何形狀簡單，適合于用表面模型方法來進(jìn)行形態(tài)梳理。這是因為表面模型從三維點形成直線，圓弧，多段線和其他二維對象，再由二維對象形成三維構(gòu)件的表面。構(gòu)件圖形存儲空間小，顯示速度快以及效果表現(xiàn)突出；有些古建的構(gòu)件如柱子、抱頭梁等，大體形狀規(guī)則，但是面多，用表面模型方法梳理非常復(fù)雜。如不同位置的柱子，有不同的構(gòu)件與其相接。而柱子端部的榫卯連接形狀適合于用實體模型方法來進(jìn)行形態(tài)梳理；有些古建構(gòu)件如抱頭粱等需要和檐檁、檐墊板、檐枋等連接，繪制時需將其按兩個部分處理，抱頭粱內(nèi)部，直接用面繪制，端部采用體繪制的方法。

（三）形態(tài)的建模

古建形態(tài)的三維建模一般要求精細(xì)建模，其建模精度應(yīng)滿足三維量測和復(fù)原要求，精細(xì)地表現(xiàn)古建的外部特征和內(nèi)部構(gòu)造。紋理圖片盡量與實物一致，逼真表現(xiàn)古建筑的色調(diào)與材質(zhì)。在使用MAYA軟件的建模過程中，首先，通過建筑圖與圖片確定模型各部件的位置與大小。先制作建筑物的梁柱結(jié)構(gòu)，然后再制作門窗、墻、屋脊等其他結(jié)構(gòu)。建筑物構(gòu)件需要單獨制作，包括柱礎(chǔ)、柱、梁枋、門窗等，最后用合成的方式將各個部件組合成一個完整的建筑物。其次，建模過程中盡可能使用基本幾何體作為構(gòu)件。

在形態(tài)的建模技術(shù)中，我們采用了MAYA的多邊形建模技術(shù)。首先，在MAYA的工具欄上的12個基本模型中選出你所需要的一種模型，并確定了主體建筑物的形狀后，就可以開始對形態(tài)進(jìn)行建模與編輯，通過扭曲、拉伸和縮短等相應(yīng)的一些命令工具來對形態(tài)進(jìn)行處理，使它們變成所需要的形態(tài)；其次，通過選中模型以及進(jìn)入組件模式，對所選擇模型的點線面進(jìn)行操作，經(jīng)過模型的造型與變形，達(dá)到我們需要的模型外觀；其三，進(jìn)行由里向外的建模擴展，形成一個有序列關(guān)系清晰的的建模方法；其四，準(zhǔn)確的定位模型的場地、位置、方向、比例、大小、尺度等因素，形成形態(tài)的精確性。

三、古建的三維形態(tài)的實例建模研究

中國古建從類型來劃分可以分為殿（宮殿）、宇（廟宇）、樓（城樓）、閣（樓閣）；亭（亭子）、塔（古塔）、廊（走廊）、坊（牌坊）以及古橋等。其中古塔、古橋和牌坊多為石材。在古建的實例建模中我們選擇了比較典型的塔、殿、橋以及坊作為研究對象。

（一）塔的實例建構(gòu)

古建中塔的三維營造我們采用了先制作相應(yīng)的構(gòu)件，再進(jìn)行組裝的設(shè)計方法。因此，塔的建模成功與否，構(gòu)件的三維設(shè)計尤為重要。

整個塔的設(shè)計是從一個個空間區(qū)域與空間形態(tài)展開的，通過眾多的構(gòu)件組合，最后完成完整建筑場景的制作。其采取的建模方法也是循序漸進(jìn)的。首先，采取先上后下的建模方法，先將塔身的主要結(jié)構(gòu)與形態(tài)建造成功后，再去建塔基的模型；其次，先局部后整體的建模方法。由于塔的形態(tài)小部件比較多，需要把整個塔的結(jié)構(gòu)拆分成幾個部分來完成。因此，將其它分成四個大的部分，分別是塔頂、塔身、塔的各種構(gòu)件和塔的入口空間。在三維建構(gòu)時，根據(jù)MAYA軟件中Polygon命令中的一些基本命令和擴展命令：如Extrude（拉伸工具）、Combine（合并工具）、Duplicate Face（復(fù)制面命令）等形成建構(gòu)的方式；其三，利用塔體結(jié)構(gòu)以及很多的構(gòu)件的相似性，進(jìn)行重復(fù)組合。在組合過程中將構(gòu)件的大小、位置以及方向的精確度在三維的模型搭建中表現(xiàn)出來；其四，實體模型建好后，將已處理好的全部紋理粘貼到相應(yīng)的面上，生成的模型以后，對貼圖進(jìn)行渲染。（圖1）

（二）殿的實例建構(gòu)

在殿的建模過程中，首先從該殿的測繪圖紙出發(fā)，從中獲取古建的類型、尺寸數(shù)據(jù)、柱網(wǎng)的布置、柱徑、柱高等數(shù)據(jù)；以及屋頂?shù)脑煨秃土杭艿念愋图敖M成分件的詳細(xì)尺寸數(shù)據(jù)。并以此為基礎(chǔ)，在MAYA中調(diào)用以及建立的數(shù)字化構(gòu)件庫，從而生成各組成構(gòu)件的精確三維模型。其次按照其位置在MAYA 中進(jìn)行定位，從而分層次建立該殿精確的工作三維模型。建模的過程主要分成四個主要步驟來完成：階基的建模；木構(gòu)架的建模；屋頂?shù)慕?；圍護(hù)的建模。對每個部分的建模，既可通過獲取每個基本古建構(gòu)件數(shù)據(jù)，以及調(diào)用基本古建筑構(gòu)件來組裝，也可直接調(diào)用已有的組合古建構(gòu)件實現(xiàn)它們的快速組建。

在具體的建模過程中，可以先制作建筑物的梁柱結(jié)構(gòu)，其他建筑物構(gòu)件需要單獨制作，包括斗拱、梁枋、隔扇、門窗等，最后用組合的方式將各個部件組合成一個殿的主體形態(tài)。

其組裝三維設(shè)計的步驟，首先是由柱構(gòu)件、斗拱、梁、枋按建筑的進(jìn)深組成橫向的屋架。裝好后用拷貝的方式復(fù)制到其它的軸線上。其次，借助三維視圖的操作進(jìn)行縱向構(gòu)件的組裝，包括縱向的梁、枋、桁、檐和飛檐。組裝時一定要注意平面軸線位置和空間高度位置的準(zhǔn)確性。古建筑的房屋構(gòu)架設(shè)計完成之后，其屋面瓦、墻體、門窗、臺基和勾欄可作為建筑裝飾構(gòu)件來設(shè)計。（圖2）endprint

（三）牌坊的實例建構(gòu)

牌坊構(gòu)造簡單，主要由柱、枋、檐頂構(gòu)成，大致由基礎(chǔ)、立柱、檐頂、額枋、字板這幾部分組成，上面有些寶頂、雀替等小構(gòu)件。該案例為四柱三間式牌坊。

牌坊的三維建構(gòu)主要是先建立柱、枋、檐頂?shù)哪Ｐ汀＝?jīng)過對牌坊的構(gòu)件特征分析，我們可以看出，牌坊的柱、枋、檐頂?shù)幕咎卣魇谴_定的，其他各部分之間都與柱、枋、檐頂存在著一定的比例關(guān)系。為了實現(xiàn)各種特征構(gòu)件與柱、枋、檐頂之間的關(guān)系，建模時必須將影響構(gòu)件特征的因素全部以數(shù)據(jù)的形式考慮進(jìn)來，通過不同的數(shù)據(jù)取值來實現(xiàn)柱、枋、檐頂?shù)纳伞?/p>

在具體建模過程中，可以以表面模型的建模方法作為研究點，從點形成直線、圓弧、多段線的二維對象，再由二維對象形成三維構(gòu)件的表面。表面模型構(gòu)件在具體繪制時，根據(jù)構(gòu)件的數(shù)據(jù)，在MAYA的繪圖環(huán)境中輸入每個頂點的三維坐標(biāo)，繪制每條直線和曲線等對象。完成構(gòu)件輪廓線的繪制；也可以使用多邊形建模手段構(gòu)成所需的模型。再經(jīng)過特定的工具進(jìn)行修改和調(diào)整，形成較為準(zhǔn)確光滑的牌坊表面形態(tài)。（圖3）

（四）橋的實例建構(gòu)

該案例是一座石拱橋。其主要構(gòu)件為橋墩、橋拱、望柱、欄板、欄桿、護(hù)欄石、地口等部分組成。因此，每個構(gòu)件的制作的精確性尤為重要。

石拱橋的結(jié)構(gòu)最大的特點是結(jié)構(gòu)對稱，相同的構(gòu)成要素重復(fù)性高，這樣，針對這樣的特點，只要進(jìn)行單獨組成部件的制作，利用MAYA軟件的復(fù)制命令，就可以完成陣列復(fù)制。

第一部分是橋墩的臺基以及橋拱部分，這一部分由二個內(nèi)容組成，分別是橋墩基礎(chǔ)，以及和橋身連接的橋拱部分。這里的基本結(jié)構(gòu)是對稱的，只需要調(diào)整形態(tài)的高度和半徑的數(shù)值進(jìn)行制作。

第二部分是望柱、欄板、欄桿等，這一部分的特點就是大小和形狀也是相同的，但是形態(tài)細(xì)節(jié)豐富，只要制作完成一個，其他的采用陣列復(fù)制的方式就可以完成。

下面具體以建立望柱、欄板建模方法為例：首先，點擊Create polygon Cylinder建立一個方柱形，方柱形中心默認(rèn)建立在世界坐標(biāo)點，設(shè)定方柱形參數(shù)；使用insert edge loop tool工具加線，以及執(zhí)行Edit Mesh Bevel命令，將柱頭制作完畢；其次，點擊Crème polygon Cube建立一個正方體，設(shè)置通道欄數(shù)值。所有的邊線執(zhí)行Edit Mesh Bevel命令，柱身的制作采用矩形為主體，形體調(diào)整好之后在豎直方向的線用倒角工具進(jìn)行制作，得到模型的倒角效果，選擇方柱體和方體執(zhí)行Mesh Combine命令，合并為一個物體；其三，點擊Create polygon Cube建立一個正方體，設(shè)置通道欄數(shù)值，然后選擇正方體，進(jìn)入Face模式，選擇左右兩個面和底面，利用加線工具Append to polygon tool工具進(jìn)行加線，設(shè)定高度與寬度數(shù)值。并在其位置制作一個洞并選擇洞的位置，點擊Mesh Fill補洞工具把漏洞進(jìn)行修補，得到欄板的模型。

第三部分是橋面與臺階以及底部斜面的制作，其制作順序按照橋面與臺階以及底部斜面進(jìn)行制作。在建模方法上，同樣需要建立正方體以及建立相關(guān)設(shè)置通道欄數(shù)值。然后通過INPUT子區(qū)域里調(diào)節(jié)立方體的寬度、高度和長度。

最后進(jìn)入組件模式，我們將以上4個部分的各個構(gòu)件進(jìn)行組合，最終形成一個完整的橋的三維模型。（圖4）

（五）古建的三維形態(tài)的后期的工作

在整個場景的建模基本已經(jīng)完成以后，需要進(jìn)行貼圖、燈光以及渲染。MAYA中的材質(zhì)和渲染是兩個不同的概念，它們是形成最終效果不可或缺的兩個部分。當(dāng)一個模型建造好后為它添加材質(zhì)用于表現(xiàn)出物體的質(zhì)感，然后再將其渲染講這種質(zhì)感呈現(xiàn)在畫面中。在為模型添加質(zhì)感時可以多結(jié)合現(xiàn)實生活中的實例去感受。

在對場景進(jìn)行添加燈光效果，首先分析下整個場景的光源的來向，燈光的效果種類。所以燈光應(yīng)該是由泛光燈和區(qū)域光組成。要創(chuàng)建一個Point Light和Area Light，然后在Shadows面板中調(diào)節(jié)光的一些基本屬性，在通過移動，旋轉(zhuǎn)和縮放工具調(diào)整好光的位置、照射方向以及范圍，并通過角度、方向和位置調(diào)節(jié)，找到合適的效果。

四、結(jié)語

MAYA的建模技術(shù)對中國古建進(jìn)行三維設(shè)計是一種較為可行的方法之一。利用“MAYA”的三維技術(shù)手段對古建進(jìn)行設(shè)計研究，可以形成一套較為完整的古建三維形態(tài)的建構(gòu)方法。針對古建的三維形態(tài)建模的特殊性和復(fù)雜性，這里采用了MAYA軟件建模技術(shù)進(jìn)行三維建模設(shè)計研究，并利用數(shù)字圖紙、航拍圖以及相關(guān)影像對塔、殿、橋以及坊的形態(tài)進(jìn)行具有一定規(guī)則的三維建模，實現(xiàn)了古建模型的三維可視化。從目前建模成果來看，利用MAYA軟件技術(shù)并結(jié)合其他的輔助手段，完全可以進(jìn)行一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模要求高的古建筑的恢復(fù)以及重建。

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