基于Dynamo 的廣西壯侗民族傳統(tǒng)建筑柱頭裝飾構(gòu)件建模研究

李立寧 黃雷 郭楊 劉萍

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，南寧 530008）

引言

近年來，隨著對中國傳統(tǒng)建筑、少數(shù)民族傳統(tǒng)建筑的保護(hù)研究不斷深入，不少學(xué)者開始利用BIM 技術(shù)將過去大多依靠民間工匠師徒相傳、不著文字的傳統(tǒng)建筑記錄保存下來，與文字、圖片和視頻等形成了多形態(tài)的傳統(tǒng)建筑信息數(shù)據(jù)庫。如陳璐銘[1]等探討了點(diǎn)云技術(shù)結(jié)合BIM 在云南少數(shù)民族建筑數(shù)字化建模的應(yīng)用；張?zhí)煊頪2]嘗試了采用BIM 技術(shù)對湖南傳統(tǒng)村落門窗的進(jìn)行數(shù)字化建模；王鐘箐等[3]總結(jié)了攢尖亭的構(gòu)造特點(diǎn)，并采用Dynamo 可視化編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同形式攢尖亭的快速建模；彭永鵬等[4]采用“融合”的方法創(chuàng)建了吊腳樓花柱的構(gòu)件模型等。學(xué)者們的研究表明，合理運(yùn)用BIM 技術(shù)對更好的傳承和創(chuàng)新利用少數(shù)民族傳統(tǒng)建筑文化元素具有重大意義。

總的來看，目前對中國傳統(tǒng)建筑，特別是少數(shù)民族傳統(tǒng)建筑裝飾構(gòu)件的建模，實(shí)踐中多采用點(diǎn)云、三維掃描的方式進(jìn)行記錄，對其參數(shù)化建模的研究仍不充分。本文通過研究此類裝飾構(gòu)件的主要形式，通過添加第三方Dynamo 節(jié)點(diǎn)和少數(shù)參數(shù)編寫了針對部分廣西傳統(tǒng)壯侗民族建筑柱頭裝飾構(gòu)件的Dynamo 腳本，達(dá)到僅通過輸入或修改少量建模參數(shù)即可生成多種類別和形狀柱頭族文件的目的，對其他類似構(gòu)件的參數(shù)化建模提出了可供參考的新思路。

1 廣西傳統(tǒng)壯侗民族建筑柱頭裝飾構(gòu)件的特點(diǎn)

廣西壯族自治區(qū)是壯、侗及其同源的仫佬族、毛南族、水族等原住民族聚居區(qū)，在漫長的歷史發(fā)展中，壯侗語諸民族及其先民因地制宜，就地取材，創(chuàng)造了風(fēng)格別具、功能優(yōu)良、世代傳承，以干欄建筑為代表的建筑文化[5]。在部分干欄建筑營造過程中，工匠為節(jié)約用地，擴(kuò)展空間，合理運(yùn)用力學(xué)原理在建筑前檐柱外鉚入枋木，枋木末端再接短柱，使樓面或屋面向外伸展，在檐下形成了檐廊；形成一個(gè)既能保護(hù)下部構(gòu)件，又能遮陽避雨的空間。為使建筑美觀，營造工匠還往往在短柱上雕刻各式蘊(yùn)涵吉祥含義的花紋、圖樣等作為裝飾，形成富有壯侗民族特色的柱頭裝飾，既體現(xiàn)了壯侗民族的審美情趣，又表達(dá)了吉祥、平安和富裕等對美好生活的愿望。

此類柱頭樣式有燈籠形、南瓜形、寶瓶形、繡球形等，形似中國傳統(tǒng)建筑中的垂蓮柱，但一般不施彩畫，造型別致古樸，體現(xiàn)了壯侗民族特有的文化傳統(tǒng)，圖1（a）列舉了廣西壯侗民族傳統(tǒng)柱頭裝飾的常見典型樣式[6]，包括圓燈籠形、南瓜形、長燈籠型、流蘇燈籠形、收腰燈籠形、扁底燈籠形等。

圖1 廣西壯侗民族傳統(tǒng)柱頭裝飾的常見典型樣式

工匠在雕刻此類柱頭裝飾構(gòu)件時(shí)的營造方法大致為：

（1）利用原木制作短柱，在短柱端頭附近豎向鑿刻出變徑的連續(xù)輪廓，如圖1（b）的輪廓所示；

（2）在雕刻出輪廓的柱頭上繼續(xù)雕刻多道平行的凸起棱線，如圖2（b）所示。

圖2 柱頭豎向輪廓的參數(shù)化實(shí)現(xiàn)

由此，工匠在不另外增加材料耗用的情況下，利用原木直徑范圍內(nèi)的材料營造很好的裝飾效果。

2 基于Dynamo 的柱頭裝飾構(gòu)件參數(shù)化建模思路

從對柱頭裝飾構(gòu)件的營造方式和幾何構(gòu)成分析可發(fā)現(xiàn)，此類包含棱線的復(fù)雜幾何構(gòu)件難以采用傳統(tǒng)BIM 建模軟件的簡單方法進(jìn)行建模的，主要難點(diǎn)為：

（1）旋轉(zhuǎn)、放樣、掃略等命令可以形成復(fù)雜的豎向輪廓，但難以在構(gòu)件上附著或扣減形成凸起棱線；

（2）復(fù)雜的豎向輪廓和橫截面需要大量的參數(shù)、參照線和參照面等進(jìn)行約束，不同約束容易造成沖突，增加了建模、調(diào)試和使用的難度；

（3）每種形式的柱頭需要單獨(dú)的族文件進(jìn)行參數(shù)化建模，建模工作量大；不同的族文件間參數(shù)難以統(tǒng)一，增加了建模和使用的難度。

為此，本文利用Dynamo 可視化編程支持按需定義圖元構(gòu)成方式、可進(jìn)行復(fù)雜幾何建模的特點(diǎn)[7]，通過添加若干第三方節(jié)點(diǎn)和基本參數(shù)，根據(jù)柱頭構(gòu)件營造方法和幾何構(gòu)成特點(diǎn)編寫了柱頭裝飾構(gòu)件參數(shù)化建模腳本，實(shí)現(xiàn)了通過選擇豎向輪廓，輸入柱頭直徑、柱頭高度等簡單參數(shù)即可完成圓燈籠形、南瓜形、長燈籠型、流蘇燈籠形建模的功能。

針對以上柱頭裝飾構(gòu)件的參數(shù)化建模方法思路如下：

（1）柱頭豎向輪廓定義：定義與柱頭豎向基本輪廓有關(guān)的基本參數(shù)（如：柱頭高、柱頭直徑等）和基本輪廓，并通過基本參數(shù)控制柱頭豎向輪廓的形狀；

（2）定義柱頭橫截面：由于柱頭橫截面為多道平行凸起棱線構(gòu)成，不同高度處的橫截面可視為同一橫截面按豎向輪廓線進(jìn)行縮放并放樣的結(jié)果；因此，可通過定義柱頭橫截面的基本參數(shù)（如棱高、棱數(shù)），并采用多段線（Poly Curve）或樣條曲線（Nurbs Curve）擬合創(chuàng)建柱頭橫截面輪廓；

（3）生成實(shí)體：為生成柱頭三維實(shí)體，需要根據(jù)不同高度處的豎向輪廓直徑縮放橫截面，并平移到相應(yīng)高度作為放樣的依據(jù)；隨后利用Dynamo多截面放樣、擬合以形成帶有棱線的柱頭三維實(shí)體（Solid）；

（4）生成短柱：根據(jù)建模需要?jiǎng)?chuàng)建柱頭上的原木短柱部分；

（5）實(shí)體合并、簡化：采用多截面放樣擬合方法形成的三維實(shí)體在族文件、項(xiàng)目文件中占用大量內(nèi)存和計(jì)算資源，因此需要將含有大量曲面的三維實(shí)體進(jìn)行簡化；

（6）實(shí)體導(dǎo)入文件：將三維實(shí)體導(dǎo)入族文件或項(xiàng)目文件中供建模使用。

3 參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)上述參數(shù)化建模的思路，本文在參數(shù)化建模過程中所用方法和Dynamo 節(jié)點(diǎn)略述如下。

3.1 柱頭豎向輪廓定義

柱頭豎向輪廓的建模采用了專用輪廓族的方法解決，后期只需修改輪廓族少數(shù)參數(shù)即可快速生成不同形狀的三維模型[8]。實(shí)現(xiàn)方法為：

（1）新建常規(guī)模型族；為使專用輪廓族易于被Dynamo 識(shí)別，使用“公制常規(guī)模型”族樣板創(chuàng)制，并在立面視圖中使用“模型線”創(chuàng)建柱頭輪廓族；

（2）創(chuàng)建多個(gè)參照平面，并用參數(shù)綁定；通過對參數(shù)的定義達(dá)到參數(shù)化修改輪廓的目的。圖2（a）展示了根據(jù)長燈籠型輪廓?jiǎng)?chuàng)建的參數(shù)化柱頭輪廓族，族文件中分別使用了D1、D2、D3 參數(shù)控制不同高度處輪廓直徑，使用H1、H2、H3、H4 參數(shù)控制柱頭各段高度尺寸；

（3）將參數(shù)、參照平面、輪廓進(jìn)行約束后，通過參數(shù)控制輪廓的形狀；

（4）依次創(chuàng)建不同類別的柱頭豎向輪廓，如平頭燈籠形、圓頭燈籠型、南瓜形等；

（5）將專用輪廓族導(dǎo)入項(xiàng)目文件，在Dynamo 中通過元素選擇功能即可實(shí)現(xiàn)通過選取不同的族類型、修改族參數(shù)即可改變柱頭幾何形狀的功能。

圖2（b）展示了通過控制族參數(shù)H4 修改輪廓形狀，并最終生成相應(yīng)不同長燈籠型柱頭實(shí)體的形狀對比。

3.2 定義柱頭橫截面

為使柱頭棱數(shù)、棱高參數(shù)化，此處采用多點(diǎn)連線生成Poly Curve 曲線或Nurbs Curve 曲線的方法，后期只需修改“柱頭棱數(shù)”、“柱頭相對直徑”、“柱頭相對棱高”參數(shù)即可快速生成不同截面的柱頭三維模型。具體做法為：

（1）定義“柱頭棱數(shù)”參數(shù)；計(jì)算不同棱數(shù)下橫截面的棱頂、棱底控制點(diǎn)坐標(biāo)（柱面坐標(biāo)）角度；

（2）定義“柱頭相對直徑”、“柱頭相對棱高”參數(shù)，計(jì)算棱頂、棱底控制點(diǎn)的坐標(biāo)（柱面坐標(biāo)）半徑；

（3）利用“柱頭棱數(shù)”、“柱頭相對直徑”、“柱頭相對棱高”參數(shù)輸入“通過極軸坐標(biāo)創(chuàng)建點(diǎn)”（Point.By Cylindrical Coordinates）節(jié)點(diǎn)，生成棱底、棱底控制點(diǎn)；利用“列表展平”（List.Flatten）和“列表組合”（List.Combine）等節(jié)點(diǎn)對控制點(diǎn)進(jìn)行合并和排序，并將控制點(diǎn)列表層級(jí)展開；

（4）根據(jù)排序后的橫截面輪廓的棱頂、棱底控制點(diǎn)，使用“通過點(diǎn)定義Nurb Curve”（Nurb Curve.By Points）節(jié)點(diǎn)（或Poly Curve.By Points 節(jié)點(diǎn)）按順序?qū)⒖刂泣c(diǎn)連接成橫截面輪廓，如圖3 所示。

圖3 橫截面及其Dynamo 節(jié)點(diǎn)

注意到Nurb Curve 和Poly Curve 生成的圖形樣式不同，則Poly Curve 的橫截面圖形趨于尖銳，Nurb Curve 的橫截面圖形較為圓潤。在傳統(tǒng)建筑建模和模型應(yīng)用過程中，可根據(jù)建筑裝飾的風(fēng)格有針對性的采用。

3.3 生成實(shí)體

柱頭豎向輪廓的直徑、高度是橫截面輪廓縮放、移動(dòng)的依據(jù)。為了快速獲得不同高度上輪廓直徑（x 值）和高度（z 值），較簡單的方法是將AutoCAD 中的輪廓x 值、z 值導(dǎo)出，并用List 的形式輸入Dynamo[9]。若要實(shí)現(xiàn)較高程度的參數(shù)化快速建模，則宜采用Dynamo 的數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)獲取。本文采用的方法為：

（1）使用“族實(shí)例”（FamilyInstance）節(jié)點(diǎn)在項(xiàng)目原點(diǎn)導(dǎo)入專用輪廓族，由于輪廓是基于柱頭橫截面中心創(chuàng)建的，因此專用輪廓上各控制點(diǎn)的x 坐標(biāo)和z坐標(biāo)即為建模所需的柱頭不同高度上輪廓直徑（x 值）和高度（z 值）；

（2）通過“選擇全部元素”（All Elements of Family Type）節(jié)點(diǎn)、“選擇元素曲線”（Element.Curves）節(jié)點(diǎn)獲取輪廓；可根據(jù)需要在項(xiàng)目中導(dǎo)入多種專用輪廓族（需對應(yīng)不同的族類型名稱），并使用“族類型”（Family Types）節(jié)點(diǎn)識(shí)別專用輪廓族后導(dǎo)入Dynamo 中；

（3） 利用Dynamo 的曲線等分節(jié)點(diǎn)（Curve.PointsAtEqualChordLength）拆分輪廓，隨后讀取拆分點(diǎn)的x 坐標(biāo)和z 坐標(biāo)。在拆分輪廓的過程中，可定義“曲線分段數(shù)”參數(shù)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，從而在后續(xù)Solid.ByLoft 過程中獲得不同精度的三維模型。為了使輪廓控制點(diǎn)連續(xù)，應(yīng)在List 中增加各段輪廓的起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)坐標(biāo)；隨后將x 值、z 值分別存入List 中；讀取x 值、z 值后，利用Geometry.Scale 節(jié)點(diǎn)和Geometry.Translate節(jié)點(diǎn)對橫截面進(jìn)行縮放和平移處理即可。其中，縮放的基準(zhǔn)為儲(chǔ)存x 值的List；平移的基準(zhǔn)為基于z 值生成的平移向量。

基于縮放、平移后的橫截面，采用Solid.Byloft 節(jié)點(diǎn)依次導(dǎo)入橫截面List，即可生成所需的三維實(shí)體；圖4（a）展示了根據(jù)長燈籠型豎向輪廓形成的實(shí)體形狀。

圖4 柱頭三維模型

3.4 生成短柱

根據(jù)需要，短柱可采用多種參數(shù)化方式建模，如在revit 中創(chuàng)建建筑柱、結(jié)構(gòu)柱、內(nèi)建模型等。本文擬將柱頭、短柱合成一個(gè)參數(shù)化模型使用，主要使用Cone.ByCoordinateSystemHeightRadii 節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建。其中：Height 參數(shù)引用了名為“短柱高”的參數(shù)，startRadius、endRadius 參數(shù)引用了“柱頭相對直徑”參數(shù)；后期只需修改“短柱高”參數(shù)即可控制柱頭實(shí)體形狀。生成的短柱實(shí)體如圖4（b）所示。

3.5 實(shí)體合并、簡化

由Solid.Byloft 節(jié)點(diǎn)生成的柱頭包含大量曲面計(jì)算，對模型生成、加載、使用所需的計(jì)算資源需要很大[10]。模型生成測試表明，在Intel i7 處理器、8GB 內(nèi)存、4GB 顯存配置標(biāo)準(zhǔn)的工作站和Autodesk Revit 2019 的軟件環(huán)境中，將上述生成的短柱、端頭加載入Revit 項(xiàng)目文件中時(shí)，軟件運(yùn)行速度明顯放慢，常出現(xiàn)計(jì)算機(jī)卡死、軟件崩潰的情況。因此，有必要對三維模型進(jìn)行一定程度的簡化，使之適用于Revit 建模和其他實(shí)際應(yīng)用。

本文中主要采用第三方Meshtoolkit 節(jié)點(diǎn)包對三維模型進(jìn)行Mesh 網(wǎng)格化處理，將包含大量曲面、曲線計(jì)算的模型簡化為一定數(shù)量的三角網(wǎng)格模型而實(shí)現(xiàn)。主要方法為：

（1）加載Meshtoolkit 節(jié)點(diǎn)包；

（2）向Mesh.ByGeometry 節(jié)點(diǎn)分別導(dǎo)入柱頭實(shí)體、短柱實(shí)體，生成實(shí)體的Mesh 三維網(wǎng)格。為使實(shí)體形狀變異程度較小，此處節(jié)點(diǎn)中的maxGridlines 參數(shù)設(shè)置為最大值（512）；

（3）注意到不同實(shí)體所需簡化的精度不同，采用Mesh.Reduce 節(jié)點(diǎn)對已生成的Mesh 三維網(wǎng)格進(jìn)行簡化。將網(wǎng)格數(shù)量（短柱取值約為50，柱頭取值約為 1 000~1 500，可根據(jù)生成情況調(diào)整）參數(shù)導(dǎo)入triangleCount 參數(shù)中，得到簡化后的柱頭和短柱Mesh三維網(wǎng)格；

（4）使用Solid.ByJoinedSurface 命令，導(dǎo)入簡化后的柱頭和短柱Mesh 三維網(wǎng)格，重新生成簡化后的三維實(shí)體；

（5）將簡化后的三維實(shí)體合并，得到合并后的柱頭裝飾實(shí)體；圖4（c）展示了長燈籠型實(shí)體和短柱實(shí)體合并簡化后的最終形狀。

3.6 實(shí)體導(dǎo)入族文件

得到合并后的柱頭裝飾實(shí)體后，即可導(dǎo)入項(xiàng)目文件中作為構(gòu)件或族使用[11]。為便于模型的統(tǒng)一管理、材質(zhì)賦予，本文主要利用第三方Springs 節(jié)點(diǎn)包將生成的柱頭裝飾實(shí)體處理為族文件。具體做法為：

（1）加載Springs 節(jié)點(diǎn)包；

（2）創(chuàng)建柱頭專用的族樣板文件。為統(tǒng)一材質(zhì)賦予和材質(zhì)管理，需在族樣板文件中定義“柱頭材質(zhì)”參數(shù)，并預(yù)先將材質(zhì)加載入文件中；

（3）定義族文件名稱。為便于管理，可以將輪廓形狀族名稱引用為族文件名稱；

（4）將柱頭裝飾實(shí)、族樣板文件、族文件名稱、族文件類型（常規(guī)模型）等導(dǎo)入Springs.FamilyInstance.ByGeometry 節(jié)點(diǎn)，在Revit 項(xiàng)目文件中生成族文件。

4 參數(shù)化建模應(yīng)用效果

本文利用上述基于Dynamo 的參數(shù)化建模方法，對廣西傳統(tǒng)壯侗民族建筑中的南瓜形、長燈籠型、流蘇燈籠形、收腰燈籠形柱頭裝飾構(gòu)件進(jìn)行了建模實(shí)踐：

（1）在Autodesk Revit 2019 環(huán)境中，編制了統(tǒng)一的柱頭建模腳本，創(chuàng)建了南瓜形、長燈籠型、流蘇燈籠形、收腰燈籠形柱頭的專用豎向輪廓族；

（2）創(chuàng)建項(xiàng)目文件，在Dynamo 面板導(dǎo)入腳本和專用豎向輪廓族，定義了柱頭直徑、棱數(shù)、棱高、材質(zhì)（松木）等參數(shù)；

（3）分別通過手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行的方式，在項(xiàng)目文件得到了根據(jù)輪廓形狀命名的柱頭族文件。

通過以上步驟創(chuàng)建的柱頭構(gòu)件，可根據(jù)建模和應(yīng)用需要自由放置、移動(dòng)，也可在族參數(shù)中對材質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行修改；可用于廣西傳統(tǒng)壯侗民族建筑的保護(hù)、記錄和創(chuàng)新應(yīng)用中。

圖5展示了基于Dynamo 腳本生成的、以族形式放置于項(xiàng)目文件中的南瓜形、長燈籠型、流蘇燈籠形、收腰燈籠形柱頭裝飾構(gòu)件。

圖5 基于Dynamo 生成的柱頭構(gòu)件（族）

5 結(jié)論

本文通過對廣西壯侗民族傳統(tǒng)建筑柱頭基于Dynamo 的參數(shù)化建模研究和實(shí)踐表明：

（1）基于Dynamo 的參數(shù)化建模方法適用于廣西壯侗民族傳統(tǒng)建筑柱頭的南瓜形、長燈籠型、流蘇燈籠形等常見樣式的BIM 建模，解決了以往此類復(fù)雜裝飾構(gòu)件只能通過點(diǎn)云等模擬方法建模的難點(diǎn)；

（2）采用基于Dynamo 的參數(shù)化建模方法時(shí)，所需的輪廓形狀、基本參數(shù)數(shù)量相對較少，可在使用階段降低建模、調(diào)整和修改的難度；

（3）不同形狀的柱頭族文件采用通用的腳本生成，便于后期統(tǒng)一管理和應(yīng)用。

此外，相對于傳統(tǒng)BIM 建模方法，基于Dynamo的參數(shù)化建模還存在以下問題：

（1）為了得到通用性較強(qiáng)的建模腳本，本文使用了較復(fù)雜的編程邏輯，并調(diào)用較多類型的Dynamo節(jié)點(diǎn)；腳本編寫的技術(shù)難度較大，時(shí)間和其他相關(guān)成本較高；

（2）腳本的使用對建模和設(shè)計(jì)人員的BIM 建模水平提出了較高的要求，可能限制了該種方法的適用范圍；

（3）基于Dynamo 的參數(shù)化建模方法尚難以處理某些具象的、缺乏幾何構(gòu)成相似性的柱頭，如動(dòng)物造型、繡球造型等高度復(fù)雜的構(gòu)件。

總之，基于Dynamo 的參數(shù)化建模方法在廣西壯侗民族傳統(tǒng)建筑的建模，特別是柱頭裝飾構(gòu)件的建模中具有可行性和一定的優(yōu)勢，可以為其他類似構(gòu)件的參數(shù)化建模提供新思路。在后續(xù)的研究中，尚需對基于Dynamo 參數(shù)化建模方法在廣西壯侗民族傳統(tǒng)建筑保護(hù)和創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行更多的系統(tǒng)性總結(jié)和歸納，以得到更多可行的方案。