中国古建筑数字化设计研究——以斗栱为例

吴佳波 张露芳 刘肖健 （浙江工业大学 设计艺术学院 310023）

古建筑是我国特色的文化载体之一，中华文化上下五千年，古建筑成为中华文明的艺术瑰宝。但是，随着时间的流逝与人为的损坏，现存的古建筑收到了或多或少的破坏，文化遗产收到严峻的挑战。因此，必须采取适当的措施与艺术手法对古建筑进行保护。随着计算机技术的快速进步，通过数字化的方式将古建筑进行数字重建，对中国古建筑的保护、修复、展示等方面有着极其重要的意义。

一、古建筑数字化研究现状

国内对古建筑数字化的研究从20世纪80年代末便开始了。王春生、沈惠身等人于1992年开发完成了初步的古典园林CAD软件包。东南大学的陈薇教授利用数字技术对唐宋建筑进行研究，利用动画演示的方式将古建筑的内部构造与细节表现出来。西安建筑科技大学王茹教授通过ObjectARX的CAD二次开发技术，对明清古建筑实现了数字化建模，并对古建筑构件的信息进行分类与标准化处理。重庆大学的艾及熙教授与其团队通过参数化的方式对清代的古建筑进行了全面的研究，将古建筑分为台基、墙身、屋顶三个部分，并详细阐述了古建筑各个部分的构造。

中国周边的国家也或多或少地受到了中国古建筑风格的影响，例如新加坡、日本等国家也从事过关于古建筑数字化的研究。新加坡的王才强教授对唐代风格古建筑的参数化设计与建模的研究，为唐代风格建筑的复原作出的重要贡献。日本凸版印刷株式会社通过数字化技术重现了一个可以实时交互的寺庙三维模型，使得观者可以沉浸在整个虚拟建筑之中。

综上所述，目前针对古建筑数字化的研究主要存在以下3个问题：（1）古建筑数字研究中，多是以技术层面实现数字化，针对古建筑数字化软件方面的研究较少。（2）现有的古建筑研究侧重点是仿照还原古建筑原有设计，或是以娱乐为目的，还不能很好地达到古建筑信息化保护的目的。（3）目前研究中侧重数字还原古建筑的整体性，而容易忽视古建筑的细节特征例如：结构特征，装饰细节等。

二、古建筑数字化的意义

古建筑数字化就是将现存古建筑的基本数据，包括尺寸、结构、组合方式等数据资料，通过计算机完成数字模型的搭建。目前古建筑数字化的方式主要为两种：（1）通过激光三维扫描技术获取目标的精确数据，再通过数据生成三维模型，这种方法目前在国内外比较普遍，但其缺点也十分明显，通过扫描获得的数据量非常大，后期处理相对复杂且耗时，同时无法对数据进行修改。（2）古建筑参数化设计技术，将古建筑的数据进行分析整理，然后建立三维模型，模型中的每个构件相互关联、相互制约，从而可以通过修改数据达到模型变化的目的。该技术可以大大的提升模型的生成与修改速度，但缺点是目标建筑需要存在“有序”的章法。

古建筑数字化的意义主要存在以下几个方面：

1）对古建筑数据的保护。数字化对信息的收集、保存相对于传统的信息保存方式优秀得多，传统通过纸质、图片等形式对数据的保存难免发生意外情况导致信息的丢失。同时数字化记录的信息也十分全面，通过访谈调查，或者借助现代测绘设备，将古建筑的数据资料完整记录下来，然后进行整理分析，并结合古籍文献等资料，获得全面系统的数据。并且数字化对信息有着强大的计算方式，以及高效的管理模式，这样保证了古建筑数据的全面性并可以永久保存。随后对古建筑进行三维建模，通过数字化的方式让古建筑真实再现，这样便可以更直接地了解古建筑中的复杂结构关系，又能将古建筑神韵通过更为生动的形式展现出来，这对古建筑的修缮与复原起着重要的作用。

2）古建筑的展示与传播。数字化展示的方式为古建筑提供了简单、高效的传播方式，原本难以展示的内容通过三维展示、虚拟现实等更好的体验方式，使得古建筑的展示更直观、全面、且具有趣味性，观者可以根据需求，对古建筑进行从局部到整体的浏览。对与局部构件或者小型建筑可以进行反复的观摩，并可以通过分析技术对古建筑进行分析，例如动力学系统测试古建筑承重能力，光源模拟系统模拟古建筑采光分析等；对于大场景的展示可以使用虚拟现实的方式营造出身临其境的感觉，使得人们更直观的了解认识古建筑，并加深印象，从而体会中国文化的独特魅力。

3）建立古建筑数字化档案。古建筑数字化在拥有一定数据量之后会形成特定的数据库，可以针对某一特定的风格建筑，利用统计手段对建筑风格做数量化分析，如考证风格随年代的演化轨迹等。也可以形成数字图书馆，在数字模型中记录相关构件的史料信息，如原物地点、年代、实物测绘尺寸等，并整理成为标准的数据格式，便于自动化手段进行数据分析。同时由于数字化的几何信息十分准确，不仅可以呈现三维数字模型，还可以自动生成准确可靠的工程图纸，或是对模型进行任意角度剖析，形成剖面图或者立面图。

三、古建筑数字化的一般流程

笔者根据将斗栱数字化的过程总结出一般的古建筑数字化的流程如图1所示。古建筑数字化的流程可以分为4个主要的步骤，包括对古建筑数据的获取；将主要构件进行数字化建模；结构自动组合搭建；为数字化模型添加必要信息。

图1 古建筑数字化流程

1.数据获取

获取有效的古建筑基础信息是古建筑数字化的第一步，这里的数据不仅仅是尺寸数据，还包括古建筑的形态特征和构件组合方式特征。数据获取的途径有两种：一种是通过测绘方法获取；另一种是获取文献记载的数据。关于测绘方法，传统的测绘方式是通过尺、水平仪等工具来获取现存的古建筑的实际数据，并将测量所得数据进行整理、制图与存档等工作。采用传统方式不仅数据精度低，效率低，而且很难获得古建筑结构的尺寸、装配关系等数据。而现代的技术手段可以容易的解决这些问题，例如利用GPS、全站仪等测量仪器，结合三维激光技术能够深入探测到复杂的环境中，同时能获取更精细的数据。关于文献获取，不少建筑经典著作中系统地记录很多中国古建筑的相关数据，《营造法原》中详细介绍了南方古建筑中常见的斗栱类型，并详细的记载斗栱的详细尺寸数据、装配关系、艺术形式等，并以图例的形式加以注释说明。同类著作还有《清式营造则例》和《营造法式》等，都是中国传统建筑文化的重要遗产。

2.主要构件进行数字化建模

古建筑主要构件是组成古建筑的基本元素，所以将主要构件进行数字化建模是重要的一步。需要对特定的构件进行数据的获取，对其基本的几何特征、装配关系、艺术形式等进行分类分析，然后实现构件的数字化建模，同时对各个构件之间的关键参数进行规整，并与其他参数建立相互的关系，方便接下来结构组合工作。例如对斗栱进行分析，从类别上斗栱分为柱头斗栱、柱间斗栱、转角斗栱三大类，结构上稍微复杂，为斗上置栱，栱上置斗，变化方式多样，其主要的构件包括栌斗、泥道栱、散斗、交互斗、令栱、耍头、柱头枋、齐心斗、遮椽板等，如图2所示。

图2 斗栱结构图

3.结构的自动组合搭建

在完成主要构件数字化工作之后，需要将单体组合成为建筑整体，这里主要分为2步：（1）单体构件按照一定的组合规律合成组合结构，合成规律来源于古籍资料和实地勘测。例如图2中的斗栱的构件存在相互的组合顺序以及制约关系，根据斗栱结构的组合规律创建相应的函数，实现斗栱的自动组合搭建功能。（2）将获得的组合结构按照合成规律组合起来，并与建筑主体部分结合，形成建筑整体。

4.为模型添加信息

古建筑数字化不仅仅是将建筑还原成数字模型，还需要将古建筑的相关信息进行分类规整，然后可以为数字模型添加附加信息，如名称、年代、实例地点、用途、组合位置、所属结构名称等，几乎可以包含古建筑的所有信息，可以为古建筑的修复与复原提供有效的数据，帮助人们了解更多有关古建筑的历史人文信息，同时方便查询、检索等库功能的实现。

四、古建筑数字化难点分析

1.关联结构设计的软件实现方法

中国古建筑体现了劳动人民的智慧，古建筑结构复杂的而神奇，结构与结构之间存在明显的关联关系。例如斗栱，单体构件不仅仅是一对一的关联，往往同时很七八个分件存在关联关系。为了实现参数化模型，需要将各个构件联系在一起，方便模型的修改，也减少人力操作，解决方案有2种方式：（1）选择有装配功能的平台搭建装配关系，从而实现构件与构件之间的联动。（2）通过利用参数文件进行约束，让构件的参数都参考同一个文件，从而使所获的模型保持整体性。

2.复杂的修饰细节处理

古建筑的魅力不仅仅在于整个造型，修饰细节也是古建筑被人喜爱的原因之一，因此在古建筑数字化的过程中将原有的修饰细节保留下来是需要考虑的。对于简单的修饰可以使用三维浮雕将这些细节保留下来；对于相对复杂的修饰细节，难于通过建模的方式实现，可以使用贴图的方式将这些细节保留，尽可能保留古建筑的原汁原味。

五、结语

古建筑是中国文明的象征之一，极具历史、艺术、科技、人文价值，具有极高原创性和不可再生性，因此如何保护古建筑，如何展示古建筑成为一个重要的课题。本文以古建筑经典结构斗栱为例，探讨了古建筑数字化研究的通用方法，这种方法也适用于其他古建筑数字化中。同时古建筑数字化也为其将来数据库的搭建打下了基础，方便人们对古建筑的信息、组件等进行有效的管理，也为古建筑数字化展示这一拓展功能提供了可能。总的来说，以数字化的手段将古建筑重构是对我国古建筑的保护，教育，宣传等方面提供了一个有效方法，使得古建筑可以真实全面地保存下去，并延续其全部的价值。

[1]范张伟,邢昱．基于数字化技术的古建筑保护研究[J]．北京测绘,2010(03):18-21+35．

[2]王春生．CAD技术在古建园林中的应用[J]．古建园林技术，1993．2：71-75

[3]陈薇．用多媒体技术演绎唐宋建筑[J]．东南大学学报(自然科学版)．2002,32(3):1-4．

[4]王茹,张祥,韩婷婷．基于BIM的古建筑构件信息的标准化及量化提取研究[J]．土木建筑工程信息技术,2014,6(01):25-28．

[5]陈越．中国古建筑参数化设计[D]．重庆大学,2002

[6]王才强．唐长安的数码重建．北京:中国建筑工业出版社,2006

[7]徐红,郭姣姣．数字化技术在日本民族文化传承中的运用及启迪[J]．新闻大学,2014(06):47-54．