基于數字化技術的古橋生成方法研究
——以柳州三江風雨橋為例

文/內蒙古工業(yè)大學建筑學院 內蒙古自治區(qū)綠色建筑重點實驗室 覃萬祥

江西理工大學土木與測繪工程學院 譚 亮

0 引言

程陽八寨位于柳州市三江縣東北部，由馬鞍、平坦、平寨、巖寨、東寨、大寨、平鋪、吉昌8個侗寨組成，俗稱“程陽八寨”。以程陽八寨為代表的廣西侗族鼓樓、吊腳樓和風雨橋具有濃郁的地域性和民族性的文化特色，在世界民族建筑科學和藝術中占有一席之地。三江風雨橋位于程陽八寨，既是侗族人民精神和物質家園的載體，又是民俗文化空間與實體的體現。三江風雨橋是三江縣侗族人民的共同記憶，承載著三江縣城的文化積淀。一旦損毀，風雨橋本身及其承載的歷史文化將不復存在?，F存的風雨橋是木質結構，易遭受不可控的自然災害破壞如洪水、臺風、雪災等，以及人為因素的影響如火災、人為破壞等，導致象征侗族傳統(tǒng)文化的風雨橋逐漸消亡。在信息化時代，加強對古橋的研究，利用數字化的手段保護與傳承文化遺產，可更好地實現對上述文化的傳承和保護。

1 數字化技術概述

數字化的算法生形方法能有效避免重復性勞動，使設計者快速解決復雜性設計難題，算法生形需要預先設定好程序，將可能存在的變化及導致這種變化產生的因素用算法進行描述。傳統(tǒng)的紙上繪圖轉變?yōu)橛蓢栏竦臄祵W公式指導進行的理性生成，事物的本質首先被描述，進而被表達出來。復雜建筑問題多有深層次的復雜聯系，上述聯系可轉化為參數關系，以描述建筑設計的邏輯演化過程，一旦建立就可被復制，未來若有類似問題可直接拷貝并進行運算，稍加修改就能適應千變萬化的需求。

Grasshopper是可視化編程平臺，基于Rhino平臺運行，是數字化技術的主流軟件之一。相較于其他數字化技術方法，Grasshopper的最大優(yōu)勢體現在2個方面：①輸入指令后采用小電池式的工具并利用擬定的程序算法自動生成結果，通過一定的邏輯順序輸入參數后形成可視化模型；②設計師建模時會有大量的重復性操作和批量化修改，此過程耗費較多時間，而Grasshopper僅通過改變輸入端的參數便可得出修改后的模型。在建立古橋模型時，運用數字化技術將古橋中的規(guī)則、模數等信息置入參數化模型，故將Grasshopper技術運用于古建保護具有一定的開創(chuàng)性。

2 風雨橋數字化生成分析

2.1 特征分析

筆者通過對柳州市三江縣程陽八寨的風雨橋進行實地調研，利用全站儀、塔尺、卷尺等測量工具對其進行測量，統(tǒng)計整理測量出的數據，對風雨橋的用料進行嚴格規(guī)定，金柱的柱徑作為風雨橋最重要的模數。筆者按照支撐結構系統(tǒng)、柱或橋身系統(tǒng)、梁系統(tǒng)及屋面系統(tǒng)4種結構系統(tǒng)，采用SketchUp制圖軟件建立每座橋的立體模型。

2.1.1 支撐結構系統(tǒng)

支撐結構采用伸臂梁結構，在橋墩上使用多層原木構成伸臂從而形成大梁，使風雨橋跨度增大。對于跨度較大的風雨橋如普濟橋等，采用多級橋墩，橋墩部分采用石料壘砌的六邊形柱體，順流和逆流方向為銳角，起到分水作用，以減輕水流對橋墩的沖擊力；對于跨度較小的風雨橋如萬壽橋等，不設中間橋墩，在岸邊建造石質基坑，再用多層原木構成伸臂梁。

2.1.2 柱或橋身結構

柱系統(tǒng)為整個橋身系統(tǒng)的結構基礎，支撐上部梁、屋面系統(tǒng)，橋面為風雨橋的核心功能區(qū)域，由出入口空間、橋廊空間、橋亭空間構成，豐富的空間形式使橋面成為多功能的公共場所，風雨橋常建造于較為重要的交通節(jié)點，許多當地居民在橋上銷售特產或農作物，為交通、商業(yè)、宗教儀式等活動提供空間。

2.1.3 梁系統(tǒng)

程陽風雨橋的結構與我國傳統(tǒng)穿斗式構架大致相似又略有不同，梁系統(tǒng)主要包括桁、枋、墊板、檁等構件，梁系統(tǒng)建構于柱系統(tǒng)之上，起到支撐屋面系統(tǒng)、串聯柱系統(tǒng)的作用，與柱系統(tǒng)共同構成橋身框架，是我國傳統(tǒng)木框架建筑的完整體現。

2.1.4 屋面系統(tǒng)

屋面系統(tǒng)為歇山式或懸山式，部分風雨橋還結合侗族鼓樓重檐的特色，三間的三重檐歇山頂層層出挑，富有韻律感。

2.2 參數化模型構建流程

針對典型的風雨橋，通過分析其結構形式，對其進行數字化描述，并將其集成于Grasshopper程序中，對于結構形式相似的古橋可通過修改有關參數后再次生成三維模型。風雨橋的構件參數盡量為能夠控制所有構件生形的全局參數，利用最少的參數生成盡量多的目標構件以減少人工操作的步驟，同時降低涉及大量人工操作時不可避免的錯誤率。在此程序中，用戶可根據輸入或選擇設定好的參數，如模數（柱徑）布置、柱網布置、舉架設置、步架設置等關鍵參數，確定風雨橋的基本規(guī)模形態(tài)，根據程序中設定好的風雨橋建構規(guī)則，程序根據用戶輸入的參數整體協調，最后生成模型（見圖1）。

1參數化模型構建流程（圖片來源：作者自繪）

3 風雨橋數字化模型建構

3.1 模型生成步驟

古橋的生成邏輯主要包括3個層次，與我國古建大木作相似，分別是柱網層、屋架層和其他構件，其生成邏輯和建造邏輯基本統(tǒng)一。根據面寬和步架推算出柱網位置，以柱網位置為基準點，逐步向上生成鋪作層、屋架層。風雨橋形態(tài)的生成從柱網開始，柱網的定位由面寬和步架確定，首先建立運算器，儲存開間數量和數值，步架寬度則由柱徑與相應的系數相乘而得。根據位置不同柱可分為檐柱和金柱，檐柱和金柱的高度可根據舉架確定，舉架則由步架寬度乘以相應系數而得，檁條數量影響舉架高度，古橋為七檁，舉架系數為0.5，0.7，0.9，得到柱的高度之后，由柱網平面生成柱徑為半徑的圓，沿Z軸生成相應的柱高度，最終得到完整的檐柱和金柱。古橋的屋架結構主要由桁和檁兩部分組成，桁直接由柱支撐，貫穿于古橋的進深方向，檁則貫穿于古橋的開間方向，兩金柱之間放置桁，桁的命名取決于梁上方的檁條數，如有5根檁條時被稱為五架桁。檐柱與金柱之間一般用穿插枋固定，當檐柱的穿插枋上置檁條時，穿插枋的長度為2倍步架寬度。金柱之間的梁下方設置隨桁枋以穩(wěn)定結構，梁上方放置瓜柱，最上方支撐屋脊的柱為脊柱，瓜柱上方為支撐桁，桁上放置墊板與檁條，最后確定所有檁條位置。檁條上方則是椽子，其密布于檁條之上，與檁條呈正交。上述所有數據均記錄于Grasshopper程序中，修改相應的數據后，模型即時更新。

3.2 技術成果展示

通過對柳州市三江風雨橋進行現場調研測繪并對風雨橋的各個構件關系進行梳理后，編寫Grasshopper程序，當所有數據均被記錄后，便形成風雨橋的Grasshopper數字化模型，通過此程序可快速生成各種不同類型的風雨橋模型。不同類型風雨橋的長度和開間難以確定，在Grasshopper程序中可根據面寬組件調整開間寬度及開間數量得到不同類型的風雨橋模型，如圖2所示。同時，在Grasshopper程序中也可通過改變檐柱高度及步架寬度得到不同類型的風雨橋模型，如圖3所示。

2不同開間參數生成的風雨橋模型（圖片來源：作者自繪）

3不同檐柱高度及步架寬度生成的風雨橋模型（圖片來源：作者自繪）

4 結語

目前，極少有人將Grasshopper數字化技術應用于古建保護及風雨橋構建之中。通過研究發(fā)現兩者結合通過“以材為祖”的概念原則可建立和分析風雨橋模型信息，相較于傳統(tǒng)的三維建模，Grasshopper提高了風雨橋模型信息建立的速度與準確度，并可記錄、分析風雨橋模型的多個構件信息，為受損的風雨橋修復提供參數支持，形成一套完整的風雨橋信息的數字化模型，為風雨橋文化遺產的數字化修復提供支撐，彌補目前受損風雨橋修復困難、無從參考等方面的不足。

綜上所述，通過Grasshopper數字化技術為柳州三江程陽八寨的風雨橋建立完整的數字化模型，基于“一處更改，處處更新”的思路，提供保護與修復的技術方法，使柳州三江程陽八寨的風雨橋文化遺產有效傳承。本文所建立的數字化模型能夠被應用于多數受資金限制、無法準確修復的風雨橋中，為未來古橋的保護修復、搬遷重建等提供一定的數據參考，但研究僅對風雨橋建立數據庫的文化遺產進行數字化虛擬修復，未在調研后進行實際的古橋修復，且數字化模型無法覆蓋到破損嚴重、缺少史料參考的古橋，故未來需對此進行深入研究。