中國古建筑數(shù)字化設計研究
——以斗栱為例

吳佳波 張露芳 劉肖健 （浙江工業(yè)大學 設計藝術學院 310023）

古建筑是我國特色的文化載體之一，中華文化上下五千年，古建筑成為中華文明的藝術瑰寶。但是，隨著時間的流逝與人為的損壞，現(xiàn)存的古建筑收到了或多或少的破壞，文化遺產(chǎn)收到嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，必須采取適當?shù)拇胧┡c藝術手法對古建筑進行保護。隨著計算機技術的快速進步，通過數(shù)字化的方式將古建筑進行數(shù)字重建，對中國古建筑的保護、修復、展示等方面有著極其重要的意義。

一、古建筑數(shù)字化研究現(xiàn)狀

國內對古建筑數(shù)字化的研究從20世紀80年代末便開始了。王春生、沈惠身等人于1992年開發(fā)完成了初步的古典園林CAD軟件包。東南大學的陳薇教授利用數(shù)字技術對唐宋建筑進行研究，利用動畫演示的方式將古建筑的內部構造與細節(jié)表現(xiàn)出來。西安建筑科技大學王茹教授通過ObjectARX的CAD二次開發(fā)技術，對明清古建筑實現(xiàn)了數(shù)字化建模，并對古建筑構件的信息進行分類與標準化處理。重慶大學的艾及熙教授與其團隊通過參數(shù)化的方式對清代的古建筑進行了全面的研究，將古建筑分為臺基、墻身、屋頂三個部分，并詳細闡述了古建筑各個部分的構造。

中國周邊的國家也或多或少地受到了中國古建筑風格的影響，例如新加坡、日本等國家也從事過關于古建筑數(shù)字化的研究。新加坡的王才強教授對唐代風格古建筑的參數(shù)化設計與建模的研究，為唐代風格建筑的復原作出的重要貢獻。日本凸版印刷株式會社通過數(shù)字化技術重現(xiàn)了一個可以實時交互的寺廟三維模型，使得觀者可以沉浸在整個虛擬建筑之中。

綜上所述，目前針對古建筑數(shù)字化的研究主要存在以下3個問題：（1）古建筑數(shù)字研究中，多是以技術層面實現(xiàn)數(shù)字化，針對古建筑數(shù)字化軟件方面的研究較少。（2）現(xiàn)有的古建筑研究側重點是仿照還原古建筑原有設計，或是以娛樂為目的，還不能很好地達到古建筑信息化保護的目的。（3）目前研究中側重數(shù)字還原古建筑的整體性，而容易忽視古建筑的細節(jié)特征例如：結構特征，裝飾細節(jié)等。

二、古建筑數(shù)字化的意義

古建筑數(shù)字化就是將現(xiàn)存古建筑的基本數(shù)據(jù)，包括尺寸、結構、組合方式等數(shù)據(jù)資料，通過計算機完成數(shù)字模型的搭建。目前古建筑數(shù)字化的方式主要為兩種：（1）通過激光三維掃描技術獲取目標的精確數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)生成三維模型，這種方法目前在國內外比較普遍，但其缺點也十分明顯，通過掃描獲得的數(shù)據(jù)量非常大，后期處理相對復雜且耗時，同時無法對數(shù)據(jù)進行修改。（2）古建筑參數(shù)化設計技術，將古建筑的數(shù)據(jù)進行分析整理，然后建立三維模型，模型中的每個構件相互關聯(lián)、相互制約，從而可以通過修改數(shù)據(jù)達到模型變化的目的。該技術可以大大的提升模型的生成與修改速度，但缺點是目標建筑需要存在“有序”的章法。

古建筑數(shù)字化的意義主要存在以下幾個方面：

1）對古建筑數(shù)據(jù)的保護。數(shù)字化對信息的收集、保存相對于傳統(tǒng)的信息保存方式優(yōu)秀得多，傳統(tǒng)通過紙質、圖片等形式對數(shù)據(jù)的保存難免發(fā)生意外情況導致信息的丟失。同時數(shù)字化記錄的信息也十分全面，通過訪談調查，或者借助現(xiàn)代測繪設備，將古建筑的數(shù)據(jù)資料完整記錄下來，然后進行整理分析，并結合古籍文獻等資料，獲得全面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。并且數(shù)字化對信息有著強大的計算方式，以及高效的管理模式，這樣保證了古建筑數(shù)據(jù)的全面性并可以永久保存。隨后對古建筑進行三維建模，通過數(shù)字化的方式讓古建筑真實再現(xiàn)，這樣便可以更直接地了解古建筑中的復雜結構關系，又能將古建筑神韻通過更為生動的形式展現(xiàn)出來，這對古建筑的修繕與復原起著重要的作用。

2）古建筑的展示與傳播。數(shù)字化展示的方式為古建筑提供了簡單、高效的傳播方式，原本難以展示的內容通過三維展示、虛擬現(xiàn)實等更好的體驗方式，使得古建筑的展示更直觀、全面、且具有趣味性，觀者可以根據(jù)需求，對古建筑進行從局部到整體的瀏覽。對與局部構件或者小型建筑可以進行反復的觀摩，并可以通過分析技術對古建筑進行分析，例如動力學系統(tǒng)測試古建筑承重能力，光源模擬系統(tǒng)模擬古建筑采光分析等；對于大場景的展示可以使用虛擬現(xiàn)實的方式營造出身臨其境的感覺，使得人們更直觀的了解認識古建筑，并加深印象，從而體會中國文化的獨特魅力。

3）建立古建筑數(shù)字化檔案。古建筑數(shù)字化在擁有一定數(shù)據(jù)量之后會形成特定的數(shù)據(jù)庫，可以針對某一特定的風格建筑，利用統(tǒng)計手段對建筑風格做數(shù)量化分析，如考證風格隨年代的演化軌跡等。也可以形成數(shù)字圖書館，在數(shù)字模型中記錄相關構件的史料信息，如原物地點、年代、實物測繪尺寸等，并整理成為標準的數(shù)據(jù)格式，便于自動化手段進行數(shù)據(jù)分析。同時由于數(shù)字化的幾何信息十分準確，不僅可以呈現(xiàn)三維數(shù)字模型，還可以自動生成準確可靠的工程圖紙，或是對模型進行任意角度剖析，形成剖面圖或者立面圖。

三、古建筑數(shù)字化的一般流程

筆者根據(jù)將斗栱數(shù)字化的過程總結出一般的古建筑數(shù)字化的流程如圖1所示。古建筑數(shù)字化的流程可以分為4個主要的步驟，包括對古建筑數(shù)據(jù)的獲??；將主要構件進行數(shù)字化建模；結構自動組合搭建；為數(shù)字化模型添加必要信息。

圖1 古建筑數(shù)字化流程

1.數(shù)據(jù)獲取

獲取有效的古建筑基礎信息是古建筑數(shù)字化的第一步，這里的數(shù)據(jù)不僅僅是尺寸數(shù)據(jù)，還包括古建筑的形態(tài)特征和構件組合方式特征。數(shù)據(jù)獲取的途徑有兩種：一種是通過測繪方法獲取；另一種是獲取文獻記載的數(shù)據(jù)。關于測繪方法，傳統(tǒng)的測繪方式是通過尺、水平儀等工具來獲取現(xiàn)存的古建筑的實際數(shù)據(jù)，并將測量所得數(shù)據(jù)進行整理、制圖與存檔等工作。采用傳統(tǒng)方式不僅數(shù)據(jù)精度低，效率低，而且很難獲得古建筑結構的尺寸、裝配關系等數(shù)據(jù)。而現(xiàn)代的技術手段可以容易的解決這些問題，例如利用GPS、全站儀等測量儀器，結合三維激光技術能夠深入探測到復雜的環(huán)境中，同時能獲取更精細的數(shù)據(jù)。關于文獻獲取，不少建筑經(jīng)典著作中系統(tǒng)地記錄很多中國古建筑的相關數(shù)據(jù)，《營造法原》中詳細介紹了南方古建筑中常見的斗栱類型，并詳細的記載斗栱的詳細尺寸數(shù)據(jù)、裝配關系、藝術形式等，并以圖例的形式加以注釋說明。同類著作還有《清式營造則例》和《營造法式》等，都是中國傳統(tǒng)建筑文化的重要遺產(chǎn)。

2.主要構件進行數(shù)字化建模

古建筑主要構件是組成古建筑的基本元素，所以將主要構件進行數(shù)字化建模是重要的一步。需要對特定的構件進行數(shù)據(jù)的獲取，對其基本的幾何特征、裝配關系、藝術形式等進行分類分析，然后實現(xiàn)構件的數(shù)字化建模，同時對各個構件之間的關鍵參數(shù)進行規(guī)整，并與其他參數(shù)建立相互的關系，方便接下來結構組合工作。例如對斗栱進行分析，從類別上斗栱分為柱頭斗栱、柱間斗栱、轉角斗栱三大類，結構上稍微復雜，為斗上置栱，栱上置斗，變化方式多樣，其主要的構件包括櫨斗、泥道栱、散斗、交互斗、令栱、耍頭、柱頭枋、齊心斗、遮椽板等，如圖2所示。

圖2 斗栱結構圖

3.結構的自動組合搭建

在完成主要構件數(shù)字化工作之后，需要將單體組合成為建筑整體，這里主要分為2步：（1）單體構件按照一定的組合規(guī)律合成組合結構，合成規(guī)律來源于古籍資料和實地勘測。例如圖2中的斗栱的構件存在相互的組合順序以及制約關系，根據(jù)斗栱結構的組合規(guī)律創(chuàng)建相應的函數(shù)，實現(xiàn)斗栱的自動組合搭建功能。（2）將獲得的組合結構按照合成規(guī)律組合起來，并與建筑主體部分結合，形成建筑整體。

4.為模型添加信息

古建筑數(shù)字化不僅僅是將建筑還原成數(shù)字模型，還需要將古建筑的相關信息進行分類規(guī)整，然后可以為數(shù)字模型添加附加信息，如名稱、年代、實例地點、用途、組合位置、所屬結構名稱等，幾乎可以包含古建筑的所有信息，可以為古建筑的修復與復原提供有效的數(shù)據(jù)，幫助人們了解更多有關古建筑的歷史人文信息，同時方便查詢、檢索等庫功能的實現(xiàn)。

四、古建筑數(shù)字化難點分析

1.關聯(lián)結構設計的軟件實現(xiàn)方法

中國古建筑體現(xiàn)了勞動人民的智慧，古建筑結構復雜的而神奇，結構與結構之間存在明顯的關聯(lián)關系。例如斗栱，單體構件不僅僅是一對一的關聯(lián)，往往同時很七八個分件存在關聯(lián)關系。為了實現(xiàn)參數(shù)化模型，需要將各個構件聯(lián)系在一起，方便模型的修改，也減少人力操作，解決方案有2種方式：（1）選擇有裝配功能的平臺搭建裝配關系，從而實現(xiàn)構件與構件之間的聯(lián)動。（2）通過利用參數(shù)文件進行約束，讓構件的參數(shù)都參考同一個文件，從而使所獲的模型保持整體性。

2.復雜的修飾細節(jié)處理

古建筑的魅力不僅僅在于整個造型，修飾細節(jié)也是古建筑被人喜愛的原因之一，因此在古建筑數(shù)字化的過程中將原有的修飾細節(jié)保留下來是需要考慮的。對于簡單的修飾可以使用三維浮雕將這些細節(jié)保留下來；對于相對復雜的修飾細節(jié)，難于通過建模的方式實現(xiàn)，可以使用貼圖的方式將這些細節(jié)保留，盡可能保留古建筑的原汁原味。

五、結語

古建筑是中國文明的象征之一，極具歷史、藝術、科技、人文價值，具有極高原創(chuàng)性和不可再生性，因此如何保護古建筑，如何展示古建筑成為一個重要的課題。本文以古建筑經(jīng)典結構斗栱為例，探討了古建筑數(shù)字化研究的通用方法，這種方法也適用于其他古建筑數(shù)字化中。同時古建筑數(shù)字化也為其將來數(shù)據(jù)庫的搭建打下了基礎，方便人們對古建筑的信息、組件等進行有效的管理，也為古建筑數(shù)字化展示這一拓展功能提供了可能?？偟膩碚f，以數(shù)字化的手段將古建筑重構是對我國古建筑的保護，教育，宣傳等方面提供了一個有效方法，使得古建筑可以真實全面地保存下去，并延續(xù)其全部的價值。

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