3D打印技術(shù)支持下的西直門(mén)城樓建筑復(fù)原

（北京建筑大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，北京，100044）

1 西直門(mén)的歷史沿革

西直門(mén)是明清北京城內(nèi)城九門(mén)之一，其前身為元大都的和義門(mén)。元至元四年（1267年），元世祖忽必烈在原金中都城東北太液池沿岸新建都城，按照《周禮.考工記》“匠人營(yíng)國(guó)”制度的要求，在東、西、南3面城墻各開(kāi)3門(mén)。和義門(mén)即為西城墻的中央城門(mén)。元初，大都武備實(shí)力雄厚，無(wú)外來(lái)威脅，因此大都城門(mén)均未構(gòu)筑甕城。元至正十九年（1359年），農(nóng)民起義激烈，為加強(qiáng)都城防衛(wèi)能力，元順帝詔建大都11座城門(mén)的甕城。

明洪武元年（1368年）九月，明軍攻破大都，改名為北平。明將徐達(dá)遂廢大都北墻及東、西城墻北側(cè)城門(mén)，于城中新筑城墻。和義門(mén)遂成為北平西城墻最北的城門(mén)。明永樂(lè)十七年（1419年），改和義門(mén)為西直門(mén)，同時(shí)將和義門(mén)甕城城臺(tái)包砌在箭樓城臺(tái)之下。明正統(tǒng)元年（1436年），開(kāi)始修建九門(mén)城樓，4年完工。

清光緒二十年（1894年）修繕西直門(mén)城樓。1912年清帝遜位后，城樓及箭樓曾被多次拆、改，只有西直門(mén)城樓、箭樓、閘樓、甕城保存完好，未有大的改動(dòng)。

1969年，因修建環(huán)線地鐵（今地鐵2號(hào)線），西直門(mén)城樓、箭樓、閘樓、甕城被全部拆除。在拆除箭樓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了元和義門(mén)甕城遺址，可惜未予保留。

2 城門(mén)復(fù)原的度量依據(jù)

作為北京內(nèi)城九門(mén)之一，西直門(mén)的基礎(chǔ)資料較為豐富，包括老照片、文字記載、測(cè)繪數(shù)據(jù)等。與西直門(mén)有關(guān)的歷史資料，主要參考喜仁龍所著《北京的城墻和城門(mén)》[1]及孔慶普先生《北京的城樓與牌樓結(jié)構(gòu)考察》[2]中的西直門(mén)測(cè)繪數(shù)據(jù)。在清代建筑制度方面，主要依照清工部《工程做法》[3]以及梁思成先生編著的《清式營(yíng)造則例》[4]，同時(shí)結(jié)合清代城墻的其他建筑資料，要求最大限度地滿足法式要求、接近歷史照片的形象。

在營(yíng)造尺與公制尺的換算上，清代一營(yíng)造尺約合320 mm，但此次復(fù)原并未直接采用這一數(shù)據(jù)。西直門(mén)始建于明代，在清代從未進(jìn)行大規(guī)模重修，故而其平面尺寸應(yīng)仍為明代營(yíng)造尺核算所得?！睹鞔偈浇ㄖ竽咀鳌穂5]將明代營(yíng)造尺范圍確定在317～320 mm之間，在對(duì)西直門(mén)城樓的平面尺寸研究中，從317 mm開(kāi)始以0.1 mm為單位進(jìn)行核算，最終發(fā)現(xiàn)在一營(yíng)造尺合318.2 mm時(shí)所得尺寸最為齊整。因此，在建筑復(fù)原中全部按照一營(yíng)造尺等于318.2 mm進(jìn)行計(jì)算。表1紅色數(shù)字即為此次建筑復(fù)原采用的尺寸。

表1 西直門(mén)城樓復(fù)原尺寸數(shù)據(jù)

3 復(fù)原難點(diǎn)

3.1 上檐進(jìn)深的確定

現(xiàn)有的西直門(mén)文字資料與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中未見(jiàn)有上檐桐柱柱間距的記錄，通過(guò)對(duì)歷史照片進(jìn)行分析與計(jì)算，根據(jù)照片得出上檐山面次間與明間的比值約為1:2.2～1:2.3。已知山面明間闊13尺，故而其次間闊應(yīng)為5尺6寸至6尺之間。若按梁思成《清工部〈工程做法則例〉圖解》做法，山面稍間以半攢角科與半攢平身科定寬，按1攢間寬11斗口核算（實(shí)際的上檐斗栱寬度達(dá)不到11斗口），則次間寬小于4尺9寸5分，遠(yuǎn)小于照片中實(shí)際寬度（圖1）。若在上檐轉(zhuǎn)角部位使用連瓣斗的做法，則角科寬度增加3斗口（1尺3寸5分），次間寬小于6尺3寸，與歷史照片上的尺度相當(dāng)。最終的方案，將次間尺寸確定為了5尺7寸，與歷史照片的形象相互吻合（圖2）。

3.2 步架與舉架的確定

由于歷史照片中西直門(mén)上檐用4柱，結(jié)合每柱之間的距離，可知西直門(mén)城樓的步架數(shù)應(yīng)為4或6。由于次間尺寸與斗栱尺寸確定，故知檐步寬8尺4寸。若步架數(shù)為4，則脊步寬6尺5寸；若步架數(shù)為6，則脊步寬3尺，金步寬3尺5分（圖3）。這兩種情況都不完美，若取4步，則屋頂轉(zhuǎn)折太過(guò)生硬；若取6部，則金、脊步太短。由于無(wú)法考證古代工匠在建造城樓之時(shí)的具體方法，只能在分析理解的基礎(chǔ)上取用最合理的數(shù)據(jù)。兩相對(duì)比，此處將步架數(shù)取為6，用7檁更為恰當(dāng)（圖4）。因?yàn)槊鞔ㄖ懿綄挾冗h(yuǎn)大于金步和脊步，符合做法制度；而且7檁建筑的屋面曲線更加柔和，也更符合老照片的面貌。

3.3 檁的做法

清代，檁常與墊板、枋木組成“檁三件”。此次復(fù)原中脊檁即用這種做法。而上金檁的位置，由于柁墩過(guò)矮，故而取消了檁墊板下枋木的設(shè)置（圖5）。此種做法在先農(nóng)壇拜殿與太歲殿都有實(shí)例。下金檁的位置，在墊板與枋木之間設(shè)置了一排襻間斗栱（圖6）。襻間斗栱為明代建筑所常見(jiàn)，此后便逐漸消失。這些特殊做法主要出自對(duì)實(shí)際情況的考量，也是對(duì)于明代建筑細(xì)節(jié)做法的一些探索和嘗試。

3.4 踩步金

踩步金是歇山建筑特有的做法，用來(lái)承接山面椽子的后尾。清代，踩步金梁頭為檁，中央為梁，造型獨(dú)特[6-7]。而明代，普遍做法是踩步金檁，即山面檐椽直接擱置在這根檁上。其做法較清式踩步金梁更為簡(jiǎn)潔（圖7）。此次復(fù)原中，依照先農(nóng)壇拜殿與太歲殿的踩步金檁制作了城樓的踩步金，用來(lái)說(shuō)明明代建筑與清代建筑的一些差別（圖8）。

此次復(fù)原的最終成果，除了傳統(tǒng)的平面圖紙及數(shù)字模型之外，還包括了3D打印復(fù)原模型（圖9）及木質(zhì)斗拱模型制作。對(duì)于中國(guó)古代建筑模型的制作，國(guó)內(nèi)仍一貫堅(jiān)持以傳統(tǒng)的木制工藝為主，且這種觀念早已深入人心，故而對(duì)于新興的3D打印技術(shù)難免會(huì)有所排斥。此次嘗試也是將3D打印技術(shù)運(yùn)用于建筑復(fù)原領(lǐng)域的一次實(shí)踐，希望借此可以將3D打印技術(shù)融入建筑復(fù)原領(lǐng)域，并為復(fù)原設(shè)計(jì)提供更多的幫助。

4 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代中期。3D打印技術(shù)在學(xué)術(shù)界一般被稱為増材制造、堆積制造、增量制造或快速原型制造。由于這種制造的成果是真實(shí)的三維模型，與“3 Dimensions”概念相契合，所以人們就為它起了一個(gè)通俗形象的名字——“3D打印”。

3D打印技術(shù)大大降低了工件制造的復(fù)雜程度，為制造行業(yè)的發(fā)展提供無(wú)限的空間。在全球范圍內(nèi)，越來(lái)越多的科技人士提出了利用3D打印快速成型的工藝來(lái)替代傳統(tǒng)的手工加工或控制工藝。

4.1 3D打印技術(shù)在建筑復(fù)原中的應(yīng)用

歐美等國(guó)已嘗試過(guò)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于著名歷史建筑復(fù)原（圖10）。2015年，極端組織炸毀了敘利亞巴爾米拉古城中具有2 000多年歷史的貝爾神廟，神廟入口15 m高的勝利拱門(mén)幸存。由美國(guó)哈佛大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)和阿聯(lián)酋迪拜博物館合作建立的數(shù)字考古學(xué)研究人員根據(jù)數(shù)千張勝利拱門(mén)的照片，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)字化模型構(gòu)建，最后運(yùn)用3D打印技術(shù)成功將勝利拱門(mén)異地復(fù)原重建，并在倫敦特拉法加廣場(chǎng)上公開(kāi)展出①數(shù)據(jù)來(lái)源于娘熱民間藝術(shù)團(tuán)副團(tuán)長(zhǎng)。。

除此之外，3D打印技術(shù)還被應(yīng)用在建筑修復(fù)領(lǐng)域。2014年，美國(guó)就嘗試使用3D打印技術(shù)修復(fù)由建筑大師賴特設(shè)計(jì)的南佛羅里達(dá)學(xué)院。這座建筑群于1938年至1941年間由賴特親自設(shè)計(jì)建造，運(yùn)用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于長(zhǎng)年風(fēng)化侵襲，建筑表面已經(jīng)損壞嚴(yán)重。修復(fù)團(tuán)隊(duì)使用了3D打印技術(shù)復(fù)制了賴特的水泥磚結(jié)構(gòu)，省去了原來(lái)繁瑣的人工砌筑過(guò)程，降低了修復(fù)的成本，加快了修復(fù)的進(jìn)度②筆者根據(jù)蘇州博物館大事記及官網(wǎng)展覽信息統(tǒng)計(jì)。。

對(duì)于已經(jīng)消失的重要?dú)v史建筑來(lái)說(shuō)，原址重建幾乎不可能，國(guó)際憲章也從原則上反對(duì)任何形式上的重建。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化建筑復(fù)原可以在一定程度上給予接受者一種獨(dú)特的視覺(jué)體驗(yàn)。但這種建筑復(fù)原展示終究還是通過(guò)一個(gè)平面來(lái)展示三維空間，未能形成可觸摸的實(shí)體，無(wú)法給予接受者直觀感受，最終還是需要通過(guò)縮微建筑模型的制作，給予接受者可觸碰的真實(shí)體驗(yàn)。中國(guó)古代建筑模型一直以傳統(tǒng)的木制工藝為主，只有這樣才能更好地反映中國(guó)古代建筑的特性與氣質(zhì)。但是傳統(tǒng)的木制工藝，無(wú)論是手工操作還是機(jī)器切割雕刻，都無(wú)法把建筑模型的比例做的太小，木材的紋理特性也限制了更加精細(xì)地加工處理構(gòu)件的細(xì)節(jié)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，在建筑遺產(chǎn)數(shù)字化復(fù)原的基礎(chǔ)上，為古代建筑的復(fù)原研究提供了一個(gè)新的平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上可以開(kāi)展科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膹?fù)原研究，可以重現(xiàn)古代建筑形象，還可以多方案開(kāi)展古代建筑復(fù)原的實(shí)驗(yàn)?？梢哉f(shuō)，將中國(guó)傳統(tǒng)建筑模型復(fù)原制作與3D打印技術(shù)相結(jié)合是一次大膽的嘗試，既有利于建筑歷史的研究，也有利于建筑遺產(chǎn)的保護(hù)[8]。

4.2 3D打印復(fù)原建筑模型的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于中國(guó)古代建筑模型制作，傳統(tǒng)加工方式是以對(duì)木材實(shí)施切割削刨等“減法工藝”為主，而3D打印技術(shù)則反其道而行之，通過(guò)對(duì)于材料逐層疊加的“加法工藝”得到成果。因此，3D打印技術(shù)的獨(dú)特成型方式有以下優(yōu)點(diǎn)[9]：

(1)成型速度較快，利于批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)工藝制作兩個(gè)相同模型，需要兩倍時(shí)間，而3D打印只需保存好一套數(shù)據(jù)就可以直接打印，不必重復(fù)勞動(dòng)。打印機(jī)一旦設(shè)定程序就自行工作，無(wú)須人工監(jiān)控，提高工作效率。3D打印還支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省更多的工作時(shí)間。

(2)成型精度高，整體性能好。傳統(tǒng)工藝加工構(gòu)件細(xì)部時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)戧茬劈裂的問(wèn)題，對(duì)門(mén)窗格柵等細(xì)部分則要小心翼翼。3D打印技術(shù)只要達(dá)到材料最低成型厚度，無(wú)論多么復(fù)雜的細(xì)部做法，均可實(shí)現(xiàn)完美表現(xiàn)出來(lái)。3D打印出來(lái)的模型整體成型，各構(gòu)件之間不會(huì)擠壓變形，整體效果非常美觀。

(3)節(jié)約工料、節(jié)能環(huán)保。傳統(tǒng)工藝加工木材產(chǎn)生大量的鋸末廢料。3D打印技術(shù)除了一些支撐材料對(duì)環(huán)境有污染外，主體材料沒(méi)有污染之虞。打印過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多廢料，易于清潔，低碳環(huán)保。

(4)成型材料性能穩(wěn)定。木制模型容易受潮變形，3D打印材料不易受潮變形，易于保存。而且可以通過(guò)抽殼等方式減輕模型整體重量，構(gòu)件拼拆自如，便于運(yùn)輸與巡回展示。

(5)操作技術(shù)門(mén)檻不高。相較于傳統(tǒng)的木工手藝，3D打印技術(shù)的操作方式簡(jiǎn)單易學(xué)，便于操作，不需要多種機(jī)床協(xié)同配合，大大降低制作過(guò)程的復(fù)雜程度。

(6)時(shí)下最為先進(jìn)的3D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)全彩色打印，仿真度極高，甚至可以為古代建筑的彩畫(huà)復(fù)原提供可能性。據(jù)悉現(xiàn)在正在研究3D打印的復(fù)合型木粉材料，這將使得古代建筑的復(fù)原模型更加貼近原材料的質(zhì)感和色彩，也更容易為人們所接受。

5 3D打印建筑復(fù)原模型的步驟

5.1 復(fù)原材料的整理

收集整理建筑相關(guān)資料文獻(xiàn)，明確復(fù)原依據(jù)，解讀古代建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造。依據(jù)不足時(shí)需要開(kāi)展對(duì)于同時(shí)期、同類型建筑的調(diào)研測(cè)繪工作，進(jìn)行類別比較，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)造進(jìn)行推敲，結(jié)合文獻(xiàn)深入分析建筑的時(shí)代特征，從而形成建筑復(fù)原的框架依據(jù)。

5.2 復(fù)原圖紙繪制及模型構(gòu)建

根據(jù)復(fù)原的框架依據(jù)，確定建筑各部件尺寸，并與歷史照片相協(xié)調(diào)，得出最終復(fù)原的設(shè)計(jì)方案。進(jìn)行相關(guān)CAD圖紙（平、立、剖面圖）繪制，運(yùn)用建模軟件進(jìn)行數(shù)字化模型制作。

5.3 模型整理工作

為保證模型整體精度，在打印之前需對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行整理（圖11）。

因復(fù)原數(shù)據(jù)不嚴(yán)密或者制作過(guò)程中不規(guī)范，模型中極易出現(xiàn)雜線、破面，影響打印成型效果。需要把模型各構(gòu)件的圖層分理好，剔除獨(dú)立邊線和多余輔助線，閉合破面，并將所有平面翻轉(zhuǎn)至正面向外。

因3D打印機(jī)臺(tái)面尺幅的限制，需要將整個(gè)模型切分成若干體塊，并在接合處添加相應(yīng)的榫卯構(gòu)建，方便拼接成型。拼接榫卯口應(yīng)同傳統(tǒng)工藝一樣留有些許公差。

因3D打印整體成型，內(nèi)部完全填充，為避免最終模型過(guò)于沉重，需對(duì)墻體、柱梁等厚重實(shí)體進(jìn)行抽殼處理，即在構(gòu)件內(nèi)部做出空腔，減小構(gòu)件重量。抽殼時(shí)無(wú)需過(guò)多擔(dān)心構(gòu)件承重問(wèn)題，3D打印材料采用硬化樹(shù)脂進(jìn)行光固化成型，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠。

將調(diào)試好的模型傳輸至打印機(jī)軟件中進(jìn)行測(cè)試，直至不見(jiàn)任何錯(cuò)誤為止。此過(guò)程較為枯燥費(fèi)力，需要反復(fù)測(cè)試。建議將構(gòu)件分置于不同圖層，依次分批篩查，這樣有助于減少工作量，提高工作效率。

5.4 模型打印

將整理完畢的建筑模型轉(zhuǎn)換至相應(yīng)格式，傳輸至3D打印機(jī)中，待其自動(dòng)調(diào)試完畢即可自行打印。打印期間需要不定時(shí)關(guān)注打印機(jī)運(yùn)行情況，保持材料充足即可。值得一提的是打印期間需要保持打印機(jī)的供電穩(wěn)定，一旦斷電可能前功盡棄（圖12、圖13）。

5.5 剔除支撐料

打印完成之后，可將建筑模型沉于水中浸泡一段時(shí)間，有助于支撐料自動(dòng)脫離剝落。之后再用小鏟、刷子等工具手工剔除支撐料，由于成型材料硬度較高，不必過(guò)分擔(dān)心金屬工具會(huì)對(duì)模型表面造成劃痕。需要注意的是模型中一些細(xì)部構(gòu)件尺寸較小，根腳脆弱，在操作中應(yīng)當(dāng)悉心保護(hù)（圖14）。

5.6 最終打印成果

整個(gè)建筑模型打印清理完畢后，進(jìn)行分塊模型的拼接。對(duì)于剔除支撐料過(guò)程中產(chǎn)生的破損進(jìn)行修補(bǔ)。最后使用水槍將整個(gè)建筑模型沖洗干凈（圖15）。

此次西直門(mén)城樓復(fù)原，運(yùn)用的connex 500機(jī)型，其分層厚度設(shè)置為0.03 mm，材料最小成型厚度1 mm。城樓模型整體被分為10塊，分塊打印，整體拼合。最終各部分之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，構(gòu)造細(xì)部很是精致。整個(gè)打印時(shí)間約為300 h。

6 結(jié)束語(yǔ)

如今，對(duì)于消失的重要?dú)v史建筑都可以進(jìn)行基于3D打印技術(shù)基礎(chǔ)上的復(fù)原研究，這將極大地拓展全社會(huì)對(duì)于歷史建筑了解和認(rèn)識(shí)的程度，增加全民對(duì)于歷史建筑的關(guān)注和興趣，提高他們保護(hù)建筑文化遺產(chǎn)的自覺(jué)性。對(duì)于那些現(xiàn)存的歷史建筑，可以使用三維掃描技術(shù)建模，直接運(yùn)用3D打印技術(shù)完成模型的制作。

對(duì)于具有完備影像、圖片和文字資料記載的歷史建筑，利用3D打印技術(shù)可以進(jìn)行數(shù)字化處理，在實(shí)現(xiàn)歷史建筑數(shù)字化展示的同時(shí)，對(duì)歷史建筑的保護(hù)也有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3D打印技術(shù)對(duì)于建筑復(fù)原的研究，不僅限于模型的制作，更為重要的是建筑保護(hù)研究過(guò)程中的一個(gè)重要輔助手段，在復(fù)原研究過(guò)程中可隨時(shí)對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)體打印，直觀地觀察效果，糾正錯(cuò)誤，為建筑復(fù)原提供即時(shí)的重要幫助。相信3D打印技術(shù)的不斷完善，將會(huì)為歷史建筑的復(fù)原研究提供更大幫助。