中国古典建筑构件BIM参数化建模方法研究

高 岱，王宏扬，杜嘉赫，蔡子昂，洛桑次仁



中国古典建筑构件BIM参数化建模方法研究

高 岱1，王宏扬2，杜嘉赫2，蔡子昂2，洛桑次仁2

(1. 哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150080))

从建筑信息建模(BIM)技术角度出发，对中国古典建筑(CCA)构件的结构特点进行了研究与系统化归类整理，利用BIM技术中的参数建模方法，进行了适合CCA构件的信息化方法研究。提出了适用于BIM建模的CCA构件的分类方案和建模过程，并以斗栱中的正心瓜栱为例，对建模过程进行了详细的描述。该方法适用于CCA木制结构构件及其他材质构件，对于CCA构件体系的形成和族库的完善有着重要的意义。

建筑信息建模；中国古典建筑；建筑构件；参数化建模

关于中国古典建筑的修复与保护一直以来是我国建筑学领域研究关注的焦点。我国古典建筑历经千年洗礼，其中蕴含着丰厚的历史文化积淀和至高的人文智慧，将功能、结构、力学、美学、文化、自然等要素有机地统一起来，实现了建筑与自然的完美统一，是建筑学、工程学等诸多学科的集大成之作。前人所留下来的大量图纸、表格及文字说明之类不便于进行科学研究及相关工作开展，对于古建筑修复及保护的相关研究遇到很多现实的问题。中国古典建筑通常采用木质主体构架，其耐久度受制于木材本身的特质，随着旅游业的发展和城市的改造、扩张，随之而来的是对于古建筑修缮、保护、复原、重建等多方面的技术需求，虽然照片和影像可以直观逼真地反映出古建筑原貌，但是无法得到精确的几何尺寸和结构关系，测绘所得的大量图纸数目过于庞大，准确率不高，古人留下的图纸、表格、文字说明等资料亦不便于科学研究与施工，缺乏系统化归类整理和精确的施工指示，使得对于古建筑的修缮、保护、复原、重建出现了技术上的瓶颈，急需新的思路与方法作为深层次研究的基础。

在历代工匠与建筑设计师的共同努力下，至清朝时期，各古典建筑构件的各型参数与大小规范已经形成了一套复杂、庞大、严密的体系，对于各类构件均有明确的尺寸约束，同一构件也严格遵循着一定的比例与函数关系，各类构件的接合也已经形成统一的规则，这为古建筑构件的参数化建模提供了数据支持，并使之具有了可行性。得益于我国古建筑清晰稳定的建筑体系，各构件具有明确的尺寸、比例和计算关系，同时建筑大师梁思成先生与林徽因先生以及其他致力于古建筑研究与数据记录的前辈们为我们保留了大量的相关资料，使得古建筑构件参数化计算机建模具有了可行性[1-2]。

建筑信息建模(building information modeling，BIM)具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等5大特点，因此以BIM应用为载体的项目管理信息化可以进行“三维渲染、宣传展示”，“快速算量、精度提升”，“精确计划、减少浪费”，“多算对比、有效管控”，“虚拟施工、有效协同”，“冲突调用、决策支持”，从而提升项目生产效率、提高建筑质量、缩短工期、降低建造成本[3]。BIM技术诞生至今不过十几年，已经对建筑行业带来了革命性的变化，现在世界各国均已明确从政策法规上对BIM的发展和应用给予背书，其准确性、科学性与优良的数据模拟性已得到公认。

BIM不但将建筑师、结构工程师、设备工程师等设计工种组织在同一个三维信息模型下工作，实现设计技术自身的协同，减少工种图纸间的“错、漏、缺”现象；而且实现了设计各阶段的集成。运用BIM对参数化构件组成的模型进行修改，可防止建筑方案设计与后续设计(如初步设计、施工图设计)之间繁重的重绘工作，避免设计各环节脱节，便于根据实际工程要求对原方案的梳理及修改工作[4]。BIM提供的是一种更接近现实世界的设计思维模式，采用模拟真实物体的方式，以三维设计思维为基础将传统的二维图纸完全转化为计算机的工作，让设计师不再苦于用二维施工图来表达空间的三维复杂形态，拓展了设计师对于建筑形态探索的可实施性，让设计从二维到三维，进而走向数字化建造。

BIM为古建筑修缮、保护、复原、重建提供了参数化建模的技术手段，可以精确地还原古建筑局部以至整体，也随之完整地还原其表面复杂结构下蕴含的古代建筑师精湛的建造技艺与古建筑的精髓。真实世界中的古建筑，其材料特质所具有的不永久性带来一定程度的缺憾，但可以被精确地记录于BIM模型之中，这为研究和挖掘中国建筑结构制度的价值引入了新的技术手段[5]。

本文将通过对古典建筑构件研究，进行系统化分类，结合以BIM建模软件Autodesk Revit进行参数化建模，探索出一套相对完备的、易于操作的、适用于中国古典建筑构件的参数化建模方法，为我国古典建筑信息化、古建筑保护研究等方面做出有益的探索和尝试。

1 基于BIM角度的中国古典建筑构件分析

我国所有古建筑，由民舍以至宫殿，均由若干单个独立的建筑物集合而成，而对于单个建筑物，由最古代简陋的胎型到最近代穷奢极巧的殿宇，均始终保留着3个基本要素：台基、柱梁(木造)、屋顶。外形以屋顶最为庄严美丽、迥然殊异于它系建筑，在技艺上，经过最艰巨努力、最繁复的演变，登峰造极，在科学和美学条件下最成功的却是柱梁部分，也就是全部木造的骨架。对于全部木造的结构法，也是研究中国古典建筑核心所在，而用斗栱的构架，实是中国古典建筑真髓所在。

本文致力于探索一种便捷可行且终于原貌的系统化构件的建模方式，以统一的规则为其他构件提供建模技术参考，因此主要以木造部分为建模对象。木造结构包括：斗栱、柱、枋、梁、檩(桁)、椽子、檐、望板、瓦口、燕窝、飞子等类，其中又以斗栱部分为重，本文以斗栱为例。

1.1 古典建筑构件中斗栱分类

对于最为复杂的斗栱部分，有多种不同分法。梁思成先生在《清式营造则例》中结合斗栱在建筑物上的位置(图1~2)及其造型特征而分为、、等3种，即柱头科、角科和平身科[1]。另外一种分类方法是按照斗栱在建筑物上所处的部分而分为外檐斗栱和內檐斗栱，之下再分为7个小类，因为此分类方式更适合于BIM建模分类，因此在BIM建模时采用此分类方式。

外檐斗栱主要包括：①柱头斗栱，直接座于柱头上。宋代叫做“柱头铺作”，清代称“柱头科”。②柱间斗栱，位于两柱之间的额枋或平板枋上。宋代叫做“补间铺作”，清代称“平身科”。③转角斗栱，位于角柱上。宋代叫做“角铺作”，清代称“角科”。

图1 斗栱位置说明1

图2 斗栱位置说明2

内檐斗栱主要包括品字科斗栱和隔架斗栱。

斗栱的结构上有4种重要的分件，除栱外，分别叫做：翘、昂、升、斗。略似弓形，位置与建筑物表面平行的叫做栱。形式与栱相同，而方向与栱成正角(即与建筑物表面成正角)的叫做翘。翘之向外一端特别加长，斜向下下垂的叫做昂。在栱与翘(或者昂)的相交处，在栱的两端，介于上下两层的栱间，有斗形立方块叫做升。在翘(或者昂)的两端，介于上下两层翘(或者昂)之间的斗形方块叫做斗。升于斗的区别在于其位置和上面开的卯口，升内只承受一面的栱或者枋，所以只开一面口，称顺身口；斗则承受相交的栱与昂翘，上面开十字口[1]。

栱有正心栱和单材栱之别，按位置而定。凡在檐柱中心线上，与建筑物表面平行的，都叫做正心栱，正心栱一面向外，一面向里，在栱的纵中线上，要加上一道槽，以安栱垫板，所以正心栱要比单材栱多这垫板之厚。其余不在正心线上的都叫单材栱，在檐柱中心线以外者叫外拽栱，在以里者叫里拽栱。

栱以长短分三等：瓜栱、万栱、厢栱。瓜栱最短，厢栱次之，万栱最长。瓜栱和万栱常相叠并用，瓜栱在下，万栱在上，瓜栱托着万栱。位于正心栱位置上的瓜栱叫做“正心瓜栱”(宋代称泥道栱)；位于正心栱位置上万栱叫做“正心万栱”。位于单材栱位置上的瓜栱和万栱，分别叫做“单材瓜栱”、“单材万栱”。又可以分为“外拽瓜栱”、“外拽万栱”和“里拽瓜栱”、“里拽万栱”。厢栱总是安放在最上层翘或昂两端，外拽厢栱承托挑檐枋，里拽厢栱承托天花枋。在正心栱位置不会出现厢栱，所以厢栱没有正心和单材之别。

在栱的中间部位有与翘、昂或要头相交的卯口。栱的两端有承托升的分位。在升与卯口之间，栱向下弯曲的位置叫做“栱眼”。栱的两端下面曲卷处叫“栱弯”[1]。弯栱的曲度在清代《工程做法则例》里有“瓜四”、“万三”、“厢五”的规定，使栱弯分成几小段直线，以便制作。

与栱成正角形的横木叫做翘或昂，翘昂的长短以支出之远近而定；在下层的支出最少，越往上支出越远。每支出一层，在里外两面各加一排栱，叫做踩。踩与踩中心线间的平距离叫做一拽架；翘昂的长短就以拽架之多少而定。在最上层的翘或昂之上更有两层与翘昂平行而大小亦与之相同的分件，其中在下的叫耍头，在上的叫撑头；耍头前后两端露在外面，都有雕饰，撑头外端不露在外面，只摆在里面，将外面的挑檐枋和里面的井口枋撑住，但后尾却露出刻作麻叶头。昂功用与翘相同，而在向外一端特别加长，向下伸出，伸出的部分叫做昂嘴。

在全攒斗栱之最下一层，在正心瓜栱与头翘或头昂之下的叫座斗，也叫大斗，是全攒重量集中点。在里外拽栱两端，托着上一层的栱或枋子的叫三才升；在正心栱两端，托着上一层的栱或枋子的叫槽升子；在翘或昂之两端，托着上一层栱与翘昂相交点的叫十八斗。图3为单翘重昂斗栱[2]。

图3 斗栱

1.2 斗栱类构件造型分析

因斗栱部分为整座古建筑最为复杂之处，构件数目最多，搭接最为繁琐，其造型与结构同时关联着柱类、枋类、梁架、屋面，因此针对于斗栱所探究出来的建模方式方法足以适用于其他部分，斗栱的单类构件的负责程度也是最大，因此全套木作中对于体块的最简拆分也最为多元化，在对于构件的造型结构分析中仅以斗栱的三科构件为例。将斗栱三科：平身科、柱头科、角科在造型结构的分析中再次划分为两组，平身科与柱头科一组，角科自成一组。

平身科构件较为规整，榫卯相接处都是正角，且体块相接处都是正角体块，没有斜向的沟槽或接口，因此对于构件的结构分析也多为大体块之间的关系。

(1) 所有的斗、升类构件均采用由下而上的分层创建方式。图4(a)为平身科中的座斗模型。

(2) 所有的正心栱都因其中间部分的望板槽与两侧复杂的栱眼而由中间向两侧进行分层搭建，最后再创建栱眼两侧的两个榫，虽然正心栱是一个在全攒斗栱中较为基础的构件，但是其体块的分析确实最为复杂，就体块数量而言也相当之多，图4(b)为平身科中的正心瓜栱模型。

(3) 单才栱相比于正心栱而言，没有两侧的望板槽，因此省去了正心栱中间单独留槽的一层体块，也因栱眼的结构较为简单，不必单独将栱眼划分出一层体块进行建模，所以主体仅需一个大的体块即可完成，图4(c)为平身科中的单材瓜栱模型。

(4) 翘和昂类构件也属于平身科。翘整体结构与正心栱类似。撑头、耍头等构件与昂类似，均为大体块的创建方法，二昂与头昂的差距仅在于多出一处卯口，体块的拆分并无差异。

柱头科构件所涉及的体块拆分方式与构件平身科构件并无差异，柱头科各构件仅在平身科基础之上增加了一定的宽度(厚度)，属于一类的结构。

角科自成一组在于其处于房屋角部的特殊位置，构件之间的穿插搭接、重叠与咬合便复杂了许多，此部分内容将另行撰文描述。

图4 斗栱的平身科示例

2 正心瓜栱的BIM建模方法

2.1 正心瓜栱构件介绍

正心瓜栱(图5)的纵中线与建筑物表面平行，在檐柱中心线上，长度属于“瓜厢万”体系中最短的瓜，即全名为正心瓜栱。正心瓜栱位于全攒斗栱偏底层，下方与坐斗中心对齐相接，上方左右两端各接一槽升子榫卯中心对齐相接，中间通常与翘或昂中心对齐相接，在最简的斗栱体系中接一个槽升子，上部和两个槽升子共同承托正心万栱[6]。梁思成先生在清式营造法则里提到正心瓜栱上的槽升子可以与栱合做，但需加贴耳升。

2.2 建模思路

正心瓜栱在整套斗栱中中心对齐接坐斗，榫与卯口中心对齐被两个槽升子相连，因此应将其主动中心对齐连接坐斗的位置设在基点(原点)上，全构件由弓形主体和2个榫、4个结构较为复杂的栱眼组成，因栱眼结构复杂，不能采用空心挖去的方法，故主体被分为5层：带望板槽的1层、带2个栱眼的2层和中间夹带的不带榫不带栱眼的2层，其中5层主体弓形均采用在立面拉伸的做法，注意每搭建1层选取相应的工作平面。虽然正心瓜栱整体并不复杂，但是其建模方式中对于整体构件的拆分较多，也因其结构特性无法采用较为简单的挖去等操作，较为繁琐。

图5 正心瓜栱详图

2.3 难点说明

每一类建筑构建都有其结构特点与难点，在建模时对需要特殊处理的结构，特别是接口结构要进行慎重处理。

正心瓜栱的难点在于栱眼的做法。栱眼属于外层的拉伸，因该复杂的栱眼包含了斜线段和相切圆弧、端点不相切圆弧，建模过程较为复杂，在根据设定好的参考平面画出该层轮廓的时候，靠近槽升子的圆弧是完整的四分之一圆弧，而靠近卯口的圆弧则是圆弧两端点分别于两条直线段相接，接点均于卯口边界距离0.4斗口，接点间轴方向距离0.6斗口，圆弧距离卯口边界最近点距离卯口边界0.2斗口，因此该段圆弧不是完整的二分之一弧，在创建轮廓的工作界面下执行锁定，其中斜边的两个端点各自锁定至两个相交的参考平面上即可，另外两段圆弧采用同样的锁定方式，锁定过程中尽量采取对同一元素锁定，即尽量全部对“点”或“线”锁定，如即锁定点又锁定线，可能因软件自身原因出现“超出草图”的错误，其原因是对于“点”和“轮廓线”的锁定发生了冲突，忽略即可，完成锁定，改变斗口尺寸观察构件的变化是否正确即可。

2.4 建模过程

经过对正心瓜栱的造型结构分析，采取分5层体块的建模方法，其中只需创建3个体块即可，另外2个体块通过对称指令即可得到，体块的创作步骤如下：

步骤1.基于正心瓜栱由中心向两侧进行建模的结构特性，选择适合的工作界面创建参照平面。根据对于构件的数据测算，按照命名规则的标准，将所测数据以参数的形式在软件内添加，并完成基于“dk”(斗口)自变量的参数关联，以“X”(斗口尺寸)将参数以“寸”的单位提取。

步骤2.对步骤1所创建的参照平面设置对称，即以“注释”指令设定“EQ”(EQ是令左右两端的参照平面距离中间的参照平面相等的指令设定，在斗栱的构件中尤为重要)，同时标注尺寸，并将该标注赋上所设定的参数。

步骤3.在完成参数化后，开始建立体块，每个体块需先创建轮廓然后进行对齐和锁定的指令，其中要注意相交参照平面的锁定(图6)。

图6 正心瓜栱体块轮廓建模

步骤4.在族类型里更改“X”(斗口尺寸)的变量，检查整体构件是否达到预期的完全参数化结果，如无误，使用“连接”指令将所创建的体块连接起来，完成建模。

表1为正心瓜栱建模的参数。

表1 正心瓜栱(构件代号：DGPGXX.11)建模参数表

3 结 论

本文研究了中国古典建筑构件的结构特点，对其进行系统化归类整理，利用BIM技术中的参数建模方法，进行了适合中国古典建筑构件的信息化方法研究。介绍了古典建筑特点，对于适用于BIM的古典建筑构件的分类方法进行了讨论，并以斗栱构件为例对建模过程进行了详细的描述。本文研究的构件将其形状体量尺度进行了真实的还原，并利用其参数化的优势，对各部分尺寸进行了相应的函数关系约束设定，对于模型使用者来说免去了查阅大量资料核对构件尺寸的繁杂过程。对于更深层次的涉及更多构件的3D参数化建模，提供了可行性的技术解决方案，而随着古建筑构件成体系族库的建立与完善，更多的关于古建筑的修复、保护、测绘、重建任务得以高效进行，与其他学科领域的结合，将对古典建筑进行力学分析、建筑建造工艺设计等研究方向，具有非常高的应用价值。

[1] 梁思成. 清式营造则例[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006: 21-25.

[2] 潘德华. 斗栱[M]. 2版. 南京: 东南大学出版社, 2011: 470-509.

[3] 江东凯, 周占学. BIM技术在古建筑保护中的应用现状[J]. 河北建筑工程学院学报, 2016, 34(1): 31-35.

[4] 王静民, 刘祥宏, 王凯, 等. 基于BIM的古建筑DNA基因保护技术在加固修缮中的应用与实践——以杭州灵隐寺为例[J]. 城市建筑, 2016(12): 224.

[5] 王津红, 丁晓博, 邹越. BIM在古建筑信息模型中的应用探究[J]. 低温建筑技术, 2016, 38(9): 31-34.

[6] 马炳坚. 中国古建筑木作营造技术[M]. 北京: 科学出版社, 2006: 251-253.

Research on BIM Parametric Modeling Method of Chinese Classical Architectures

GAO Dai1, WANG Hongyang2, DU Jiahe2, CAI Ziang2, LOBSANG Tsring2

(1. Department of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150080, China; 2. School of Architecture, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150080, China)

From the perspective of building information modeling (BIM) technology, this article studies and systematically classifies the structure features of Chinese classical architectures (CCA). Based on the parametric modeling methods of BIM, informatization method of CCA is studied. This paper proposes the CCA classification scheme and modeling procedure suitable for BIM. Then, taking Zhengxinguagong of Dougong as an example, the modeling procedure is detailed demonstrated. The presented parametric modeling method can be applied to the wooden building components and other materials used in CCA, therefore it has an important significance in forming CCA building components system and optimizing the part family libraries.

building information modeling; Chinese classical architecture; building component; parametric modeling

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018020333

A

2095-302X(2018)02-0333-06

2017-06-11；

2017-08-12

高 岱(1974-)，男，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士。主要研究方向为BIM技术、计算机图形学等。E-mail：d.gao@hit.edu.cn