傳統(tǒng)建筑三維景觀基因庫的 “智” 構建
——以石鼓書院為例

劉媛，顏金彪，彭聰，胡穎莉

（1.古村古鎮(zhèn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽 421002；2.衡陽師范學院 城市與旅游學院，湖南 衡陽 421002）

隨著時代的進步，傳統(tǒng)的古建筑已經(jīng)不再局限于文字與圖片的表達，越來越多的人傾向于三維的表達?？焖?、準確且高效地構建三維模型是三維表達的基礎。三維建模目前主要有三類方式：第一類，手動直接還原三維古建筑模型，借助測量數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)古建筑實現(xiàn)1:1 還原三維模型，優(yōu)勢是精細美觀，但是耗時耗力，且專業(yè)性較強，由于個體化繪制差異，模型構件的重復利用率不高[1-3]；第二類，利用現(xiàn)存的點云數(shù)據(jù)快速且高效生成傳統(tǒng)古建筑三維模型，但三維模型整體為一層三角面片構建的表面模型，無法區(qū)分不同的建筑構件與單體建筑，模型的重復利用率不高，且對于表面相對平滑的對象，數(shù)據(jù)冗余較為嚴重，如沒有現(xiàn)存數(shù)據(jù)，將無法搭建三維模型[4-7]；第三類，借助數(shù)據(jù)驅動構建傳統(tǒng)古建筑三維模型，在已知一定數(shù)量的不同建筑構件數(shù)據(jù)庫的基礎上來構建三維模型，這類核心依賴于建筑構件的數(shù)據(jù)庫足夠強大，才能實現(xiàn)傳統(tǒng)古建筑的三維準確還原。此建筑構件的數(shù)據(jù)庫可以來源于不同的數(shù)據(jù)源，如第三方靜態(tài)三維模型，但是內(nèi)容無法調整；使用靈活的CityEngine規(guī)則類建筑構件數(shù)據(jù)庫，雖然含豐富的語義，但是無法囊括其所有類型[8-12]；結合《營造法式》相關理論生成客家建筑構件庫，能夠減少重復建筑構件的重編輯，提高整體的使用效率，建筑構件本身也可以再次利用[13]。雖然《營造法式》已經(jīng)比較詳盡地闡述了傳統(tǒng)古建筑的建造工藝，但是如何適用于多類古建筑構模，需要進一步深究與解析出古建筑語義密碼——三維景觀基因庫。該文以衡陽市石鼓書院為例，借助CityEngine建筑語義規(guī)則建模技術，構建一套強大的三維建筑景觀基因庫，利用該規(guī)則庫實現(xiàn)三維模型的自動化拼接組合。

1 研究案例

石鼓書院是宋代四大書院之首，其三面環(huán)水，坐落在湖南省衡陽市石鼓區(qū)石鼓山上，歷經(jīng)唐、宋、元、明、清五朝的歷史變遷。如今的石鼓書院是基于清代重建修復而成，功能涵蓋豐富，既有書舍也有祠堂，同時還包含觀景的亭，具有一定的典型性。建筑整體布局（圖1）呈明顯的中軸對稱的狹長型帶狀分布，地勢從山腳經(jīng)長橋至懸山壁有升有降、沿中軸左右層層遞進、高低起伏，具有典型的縱深多進的院落形式。規(guī)整的布局體現(xiàn)了我國儒家思想文化中尊卑有序、主次鮮明的社會倫理關系。

該研究主要針對房屋的建筑結構，構建一個通用的三維建筑景觀基因數(shù)據(jù)庫。該三維建筑景觀基因數(shù)據(jù)庫可以靈活地調整各類構件的數(shù)據(jù)，同時便于滿足用戶其他實際三維構模的需求。石鼓書院的古建筑是以木質結構為主、青瓦白墻為輔。建筑要素主要劃分為：屋頂、屋身、臺基、廊、疊澀、建筑材質和其他，并且解析出對應空間位置、布局、樣式等細節(jié)（表1）。核心在搭建建筑空間三維景觀語法的語義——三維建筑景觀基因元數(shù)據(jù)，目的是區(qū)分出不同的三維建筑語義結構。

表1 建筑要素特征分析

2 三維建筑景觀基因庫的構建

該文主要區(qū)分出不同的古建筑單體，開展較為友好且智能化的快速構建書院模型。該三維建筑景觀基因庫內(nèi)部其每一個建筑基因單元可獨立、變化多樣地提取或拼接，支持無縫空間拓撲關聯(lián)，精準角度等參數(shù)控制，且脫離專業(yè)人士精細建模的需求，建模過程高效實用。三維建筑景觀基因庫主要有屋頂、屋身、臺基、建筑材料4 類。其中前三者是形成結構骨架的關鍵，區(qū)分該3類為三維建筑景觀造型庫，且不同基因庫存儲的類別與子類別不一，構建的造型也會參差不同（圖2），且每一層對象關系是可以獨立生成并有效無縫關聯(lián)組合，為后續(xù)建筑構件單元的智能解析、重組替換提供便利。最后的建筑材料，主要存儲不同造型對象的紋理材質信息，便于外觀紋理貼圖。

圖2 三維建筑景觀造型庫的規(guī)則類的邏輯關系

2.1 屋頂三維建筑景觀基因庫

石鼓書院的屋頂三維建筑景觀基因庫，主要劃分成方位類、樣式類、角度類、檐邊類、面細化類以及脊線類6 個對象。每個對象還有對應的子對象精準參數(shù)關聯(lián)，尤其是樣式類，主要包括歇山頂、攢尖頂、硬山頂3 種類別，結合重檐類可以組裝出更多的類別信息。對于面細化類而言主要考慮對斜面和直立面三維單體表達依賴復雜結構來組件，因此也需要單獨區(qū)分。為了讓用戶直觀辨識，CityEngine 軟件還提供了對應的樣式管理規(guī)則style，可以有效的靈活查看每個類別的形態(tài)關系，結合建筑材質庫形成不同的建模屋頂樣式（圖3），結合其他對象，該屋頂三維建筑景觀基因庫將可以任意調節(jié)方向、屋檐長度、角度、脊線參數(shù)等，使得屋頂可以從簡單到復雜的一體化管理，基因鏈關系更加明了，有利于參數(shù)化重復利用和精細化表達。

圖3 屋頂樣式管理

2.2 屋身三維建筑景觀基因庫

石鼓書院的屋身三維建筑景觀基因庫，主要劃分為方位類、屋臉類、樓層類3 個對象。每個對象也有對應的子對象精準參數(shù)關聯(lián)。其中核心主要是屋臉類，涉及到屋臉的方位、布局、柱子樣式、門種類、窗種類、護欄等子對象，這些子對象之間的自由組合形成符合石鼓書院屋身基礎造型，再根據(jù)細節(jié)的高度、寬度等參數(shù)化控制，可以調整細節(jié)變化信息。每一個屋臉都會存在差異，需要逐一討論。最終，石鼓書院組合樣式就有五種：大觀樓樣式、合江亭樣式、武侯祠樣式、山門樣式和普通樣式（圖4）。再者，由于樓層不同，可能對應的屋臉也會有差異，比如合江亭是主要用于觀光遠眺的古建筑，其一、二樓主要有護欄外圍，四面門窗造型，三樓則僅四面窗戶，三層樣式根據(jù)實用性而不同。內(nèi)部不同樓層是支持便攜控制與參數(shù)化調整表面，并配備相關樣式庫供用戶參考。

圖4 屋臉綜合樣式的管理

2.3 臺基三維建筑景觀基因庫

臺基作為承托建筑物的必要條件，主要由臺階、基身和護欄構成。為了襯托古建筑的審美與等級性，臺階和護欄會構建出不同的造型特征。禹碑亭、書舍、宗祠、大觀樓的臺基都存在不同的形態(tài)，核心是臺階開口方向主要有四周型、前后兩面型和單面型的差別。根據(jù)CGA 參數(shù)化的優(yōu)勢，可以獲取不同的側面替換臺階樣式模型，且臺階的層數(shù)、高度以及寬度可控（圖5）。

圖5 臺基樣式管理

2.4 建筑材質庫

由于所有的造型都需要依賴材質紋理才能更加直觀的表達，因此三維建筑景觀基因庫必然存在紋理數(shù)據(jù)庫。主要涉及的材質有磚、瓦、木頭等。構建一個較為龐大的建筑材質數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫主要由不同屋頂、屋身、臺基性質來分配。如，屋頂和匾聯(lián)就會存在不同的樣式紋理圖層（圖6-7）。

圖6 屋頂Style 管理界面

圖7 匾聯(lián)Style 管理界面

3 三維建筑模型的半自動化或自動化生成

該文基于構件的三維建筑景觀基因庫，結合建筑結構語法規(guī)則積木式搭建三維古建筑模型，支持整體樣式半自動或自動化生成。由于不同的三維建筑景觀基因庫主要由不同的規(guī)則文件管理，且規(guī)則文件可以配合對應的二維屬性參數(shù)管理，因此一次性快速構建想要生成三維模型成為可能。其核心思路：基于想繪制三維的底層數(shù)據(jù)，結合其屬性字段或者指定的參數(shù)表格，利用不同的三維建筑景觀基因庫文件，將共享的參數(shù)對應從總規(guī)則傳遞到子規(guī)則，利用帶參規(guī)則傳遞參數(shù)的變量信息，實現(xiàn)必要建筑構件或整體模型的生成。半自動化與自動化生成核心差別在于自動化需要結合Python 自動更新屬性參數(shù)，屬性參數(shù)是預先設定的類，一鍵既可以實現(xiàn)人工調整參數(shù)，為后續(xù)圖形識別自定語義參數(shù)提供必要的參數(shù)化接口。以石鼓書院為例設計86 個相關類型參數(shù)，通過統(tǒng)籌設置與布局，可以較為快捷地實現(xiàn)模型的智能生成（表2）。由于模型智能化程度相對較高，因此中間錯誤面片不會出現(xiàn)，從而避免人工干預導致的不一致性、不完整性、錯誤拼接等一系列問題的出現(xiàn)。

表2 建筑半自動化成果

4 結論

三維建筑景觀基因庫，可以適用于任意一種類型的三維古建筑模型，無論是簡單的民居類型還是復雜的宮殿、寺廟類型都能逐一調整參數(shù)輕松實現(xiàn)，并且支持半自動化與自動化建模，但是局限在于如果出現(xiàn)不規(guī)則基礎二維地塊，有待更新對于每一個立面的管理。該方法為后續(xù)開展非專業(yè)人士收集古村古鎮(zhèn)三維資料以及圖像識別自動化古建的還原，提供前期的底層核心建?？蚣堋Ｄ壳罢淼娜S建筑景觀基因庫存儲的數(shù)據(jù)量為800 多兆，可以調整的參數(shù)（含樣式、數(shù)值等要素）高達108 種類型，可以涵蓋不同類型的古建筑基礎造型79200 種造型，細節(jié)變異差別可以高達45619200 種。古建筑群無論構建有多復雜，大都能比較便捷地生成與更新。