裝配式少數(shù)民族建筑的參數(shù)化建造研究

張姍，孫建剛，張慶高

（大連民族大學(xué)，貴州 銅仁16650）

1 引言

本文提出的參數(shù)化少數(shù)民族建筑構(gòu)件，像搭積木一樣“由局部到整體”，由構(gòu)件到結(jié)構(gòu)再到整體建筑，首先確定房屋整體模數(shù)下各個(gè)構(gòu)件的具體尺寸和數(shù)量，然后按照苗族建筑的營造特點(diǎn)進(jìn)行裝配，最終形成模型與信息的結(jié)合體。此方式使模型與信息擁有了強(qiáng)大的結(jié)合能力，滿足了少數(shù)民族建筑高效率保護(hù)及信息保護(hù)的需求，對(duì)文化遺產(chǎn)的還原保護(hù)和傳承起到一定的促進(jìn)作用。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理

在數(shù)據(jù)采集之前，須分析最具有參考價(jià)值的單體進(jìn)行高精度掃描，并且對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行勘察，設(shè)計(jì)出最優(yōu)掃描方案。采集完成后，得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)還要經(jīng)過預(yù)處理、數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)去噪和紋理映射等過程，才可以得到清晰且完整的民居建筑構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 桿欄式木建筑工藝

3.1 平面結(jié)構(gòu)

苗族建筑的平面結(jié)構(gòu)一般可分為四排柱三開間，也有六排柱五開間，廂房以正堂為中線對(duì)稱分布。中柱選材的要求特別嚴(yán)格，并且必須通直落地，不能用2 根柱拼接，且它的直徑一般相對(duì)于側(cè)柱稍大?？蚣芙Y(jié)構(gòu)一般為五柱四瓜。每榀框架的前側(cè)第一根不落地的柱叫瓜[1]。

3.2 立面結(jié)構(gòu)

一般建筑的高度有一丈八尺八寸、二丈一尺八寸或一丈五尺八寸（1 丈=10 尺，1 尺=10 寸，1 尺=33.33cm），這些高度的尾數(shù)都以八結(jié)尾[2]。苗居吊腳樓按功能可分為3 層：第一層為牲畜雜物層；第二層為起居活動(dòng)層；第三層谷物儲(chǔ)存層。

房屋分前后坡，屋面坡度為55%或70%（55%坡度的水平面與地面夾角約為20°、70%坡度的夾角約為25°）。屋面上每根柱和瓜的頂端都放有和枕一樣的木條叫檁條[3]。檁條上順屋面釘有10cm 寬的椽皮，2 塊椽皮間距一般約為13.3cm。

3.3 苗族民居建造設(shè)計(jì)

苗族建筑的基本建造過程分為以下8 點(diǎn)：

1）地基選擇；

2）準(zhǔn)備材料和工具；

3）建房時(shí)令與工期；

4）地基的處理和筑臺(tái)；

5）制作木構(gòu)件：工人們通過師傅畫的墨線拆枋鑿眼，并將所有構(gòu)件都準(zhǔn)備好，最終形成構(gòu)件表；

6）木構(gòu)架的搭接和豎立：苗族人民采用了巧妙合理的節(jié)點(diǎn)連接法，分為以下3 種：（1）梢連接，有較高的緊密性和韌性；（2）齒連接，通過構(gòu)件與構(gòu)件直接抵承穿力，分為單齒連接和雙齒連接；（3）榫連接，枋頭做成燕尾榫，嵌入柱內(nèi)，如圖1 所示。

7）上瓦；

8）安裝樓板和樓壁。

圖1 梢連接、齒連接、榫連接

4 參數(shù)化構(gòu)件圖庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

少數(shù)民族構(gòu)件結(jié)構(gòu)形態(tài)各異，通過幾何空間計(jì)算準(zhǔn)確地分析出對(duì)應(yīng)構(gòu)件，設(shè)定參數(shù)，制訂構(gòu)件描述方案，把構(gòu)件分解成簡單的單一模塊，從組成對(duì)象的所有幾何單位做起，才能把這些建筑構(gòu)件轉(zhuǎn)化成GDL 語言的指令集，再把這些指令通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換放到合適的位置形成完整構(gòu)件。最終集成所有GDL 構(gòu)件形成完整的少數(shù)民族構(gòu)件圖庫。

4.1 ArchiCAD 與GDL

ArchiCAD 支持Windows 和Mac 系統(tǒng)，這就是ArchiCAD所擁有的多平臺(tái)共享功能管理。而GDL 的處理流程是收集數(shù)據(jù)到ArchiCAD，然后提交到GDL 編譯器，編譯器就會(huì)讀取對(duì)象的空間定位、實(shí)際尺度、自定義參數(shù)值等。根據(jù)編譯器信息創(chuàng)建幾何體，內(nèi)存里的幾何體通過3D 渲染引擎表達(dá)出來。

4.2 幾何體創(chuàng)建

在創(chuàng)建苗族構(gòu)件幾何體時(shí)會(huì)通過運(yùn)用GDL 語言中涉及的3D 形狀生成命令，再由節(jié)點(diǎn)、向量、邊界、主體組成的內(nèi)部原始3D 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來解釋二進(jìn)制文件，并使用切割平面的方法處理模型。本文通過對(duì)苗族構(gòu)件的幾何創(chuàng)建得出以下3 點(diǎn)技術(shù)解決方案。

1）對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的幾何體，描述方案會(huì)有很多種，所以在編寫比較復(fù)雜的苗族建筑構(gòu)件前會(huì)先擬定一個(gè)最優(yōu)方案，能起到高效率、低冗余的創(chuàng)建效果。如在編寫有規(guī)律的鏤空柵格窗戶時(shí)可以選擇通過定位隱藏幾何體上的線面來達(dá)到鏤空效果，也可以通過邏輯控制語句來執(zhí)行，通過比較這2種方法，后者優(yōu)勢更大。

2）編寫的過程中雖然2D 與3D 可以相互引用特定的腳本，但如果需要定義一個(gè)全局變量，應(yīng)在樣板里去定義，這樣改變一個(gè)參數(shù)才能同時(shí)在2D 與3D 里產(chǎn)生相應(yīng)的改變。由于ArchiCAD 是最先執(zhí)行樣板腳本（主腳本），它的優(yōu)先級(jí)是最高的，再去執(zhí)行參數(shù)腳本、2D 腳本、3D 腳本，且兩者的在定義的時(shí)候是不能公用的，因此，在寫入這樣的腳本時(shí)優(yōu)先寫入樣板腳本。但在編寫一些比較復(fù)雜的窗花時(shí)，也可以通過編寫2D 腳本再加設(shè)投影命令等，能直接得出三維模型。

3）苗族建筑的屋頂獨(dú)特，其幾何算法相對(duì)復(fù)雜，研究發(fā)現(xiàn)可在屋頂構(gòu)件里加設(shè)特定熱點(diǎn)，即HOTSPOT，通過熱點(diǎn)算法滿足少數(shù)民族建筑的基本尺寸關(guān)系。不僅對(duì)屋頂如此，一榀框架、欄桿等也可設(shè)計(jì)熱點(diǎn)。

5 構(gòu)件調(diào)用及裝配

5.1 構(gòu)件圖庫

已經(jīng)創(chuàng)建的GDL 構(gòu)件可以整理成一個(gè)圖庫文件夾或者是.icf 格式的文件，而且ArchiCAD 還提供了GDL 構(gòu)件保密系統(tǒng)，只有通過輸入密碼才能修改或查看原創(chuàng)作者編寫的GDL 構(gòu)件源代碼。當(dāng)在調(diào)用GDL 構(gòu)件進(jìn)行裝配時(shí)，可通過ArchiCAD 的菜單文件中的圖庫管理器命令訪問項(xiàng)目中的圖庫或添加本地新建圖庫。

5.2 裝配房屋

通過調(diào)用創(chuàng)建好的GDL 構(gòu)件，裝配出滿足設(shè)計(jì)要求的房屋單體模型，有了詳細(xì)的模型，圖紙只是副產(chǎn)品，可以任意切割出剖面、平面，以及圖層顯示的組合，表達(dá)出不同側(cè)重點(diǎn)的內(nèi)容。選擇好視圖后，就可排版發(fā)布成dwg、PDF 等格式。裝配建筑預(yù)期成果如圖2 所示。

圖2 裝配建筑預(yù)期成果

搭建好的模型通過導(dǎo)出BIMx 超級(jí)模型，可手動(dòng)添加到移動(dòng)端BIMx 軟件，BIMx 的Hper-Model 能把模型信息和圖紙用非常完美的方式結(jié)合在一起，展現(xiàn)給用戶觀看。

6 結(jié)語

本文通過研究苗族建筑的設(shè)計(jì)思路，為其開拓出基于傳統(tǒng)建造規(guī)律下的新型設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)建造過程中只需確定所需整體模數(shù)，然后根據(jù)整體模數(shù)匹配、調(diào)用出對(duì)應(yīng)的構(gòu)件，隨之將對(duì)應(yīng)構(gòu)件以苗族建筑的裝配方式組裝房屋，最后得到信息與模型的結(jié)合體BIMx 模型。裝配式少數(shù)民族建筑的參數(shù)化建造方法可優(yōu)化傳統(tǒng)的民居建造過程，且滿足了當(dāng)今社會(huì)對(duì)少數(shù)民族文化遺產(chǎn)的保護(hù)需求，也順應(yīng)了高效率、可持續(xù)的建造要求。