基于BIM的大木作模型参数化生成方法与应用探索

吉海涛（山西建投云数智科技有限公司，山西太原 030032）

与传统三维建筑建模平台不同，BIM模型能够整合多项动态信息在同一模型内，并将各类资料嵌入其中，这能够很好地解决模型、资料之间的割裂性。此外，通过BIM技术构建大木作模型能够基于轴线关系对构件库形成灵活调动进而组建全模，因此在研究不同构件对象时就能够建立起资料共享。在这样的背景下，技术人员不仅能够将模型中某一部分分离出来单独研究其细部构造，同时也可探究不同构件之间的相互作用关系，基于轴线模型及构件库来进一步探讨整体关系、细部构件之间的共通性[1]。

在当前古建筑的参数化研究中所涉及的软件平台比较繁杂，且其各自具有不同的优势、特点，但目前仍缺乏能够有效整合、管理模型信息的平台，且不同平台间也存在兼容性不足的问题。此外，当前已有的许多研究也未能对模型运营阶段的适用性建立起有效认识。因此，当前我国BIM参数化对于古建筑保护领域的应用大多局限在以Revit族参数关联为主的基础功能范围内，且还存在效率低下等问题。

1 中国古建筑大木作结构

1.1 整体、细部间的可分离性

从我国已有的古建筑工程实例可以看出，大木作具有较为突出的结构特性，即其整体、细部间的可分离性。基于我国宋代《营造法式》的具体要求，在确定大木作整体、细部尺寸时，大多以“材”作为基本模数来进行计量。但在这一计量模数之下，不同规模、类型及等级古建筑的构件形制、样式可以保持不变，而仅对各类构件的“材”进行调整得到不同的构件比例。

古建筑大木作的这一结构特点也就使得其建造逻辑可被拆解为两个主要部分，其一为大木作的整体关系，其主要为不同类型构件之间的相互搭接、组合；其二为构件自身的特性，相同样式的构件用于不同类型的建筑中，其所发挥作用的差异主要表现为数量比例、长度尺寸等方面[2]。在借助计算机建立大木作模型时，应当对大木作整体关系、构件细部所表现出的可分离性做出全面的考量，进而选择适当的工具来对模型做出拆分、组合，以期能够最大化提升建模效率。

1.2 构件定位的强逻辑性

中国古建筑大木作的第二个结构特点，即为确定内部构件空间位置时，应当遵照相应的规律法则进行，表现出较强的逻辑性。仍以我国宋代《营造法式》为例，其中殿堂式大木作的布置首先应基于等级、体量、形式初步确定柱网分布，并在柱之间适当穿插阑额，在柱上还应排布普拍枋并以柱心为参照布置各铺作。而辅作的类型又直接决定着撩檐枋的空间布置，由此屋架层的形态也就基本确定。综合考虑建筑的进深及撩檐枋的位置，借助举折做法即可进行榑的空间布置。在下平榑、撩檐枋的角点位置放置角梁，榑下即为楸。不同层的楸之间采用蜀柱、驼峰进行支承[3]。通过上述关键大木作的布置即可构成整体形态。由此也可发现，大木作中关键构件的类型、位置都可由上一步骤的构件选择来确定，这一构建逻辑的发展具有明确的单向性，由此也就形成了一套系统完备、标准规范的工作流程。

1.3 形制、规模的标准化

从宋代《营造法式》来看，其提出了“以材为祖”的要求，将大木作的尺寸划分为八个不同的等级，其中各等级又对构件的标准长宽提出了限制，而各等级又可按照十五分之一的进制换算为更小一级的单位，由此也就建立了一套完备的“材分制”[4]。“材分制”对木建筑中大至整体规模、小至细部构件都给定了具体的量化要求。对于大作木的形制、尺寸给定量化要求，相较于定性的文字描述，更有助于实现计算参数化设计、转译，能够显著提高大作木设计的效率。

2 Dynamo大木作轴线模型的参数化建构

中国传统古建筑大多遵照严谨的构建逻辑而展开，在《营造法式》中明确指出了“凡构屋之制，皆以材为祖”这一核心思想，也表明在大木作构建中“材”这一理念发挥着至关重要的意义。这主要是由于“材”规定了大木作的尺寸、比例等，甚至在构件的细部形制中也采用“材”作为基本模数单位，并将其高与梨广作为衡量单位“分”的辅助单位。对于大木作而言，殿堂建筑的建构逻辑、思路最为清晰，所以下面主要以殿堂大木作为范例，遵照《营造法式》的基本理论，依次总结、归纳大木作中不同构件间存在的相对关系以及内在逻辑。

2.1 大木作生成的基本逻辑

根据自上而下的顺序作为划分依据，大木作的内容可以大致分为三个不同的层次，分别有柱网层、铺作层以及屋架层。而在实际工程中，大木作的施工也大多遵照这一流程，首先基于柱网层来确定铺作层，随后在此基础上确定屋架层。实践表明，大木作参数化建构与建造具有较为一致的逻辑。具体而言，参数化建构遵照由底层开始，逐步向上的顺序进行。首先需要按照建筑设计开间、进深来大致确定建筑体的规模，并基于分槽形式的要求来进一步布置柱网，综合兼顾进深、开间等参数确定柱网排布，随后即可将其作为基础，依次推演、分析后续的铺作层与屋架层。

2.2 大木作生成的具体逻辑

首先应当充分考虑建筑物对于开间、进深的规划，并密切联系具体的分槽形式来完成柱网设计，常见的分槽形式有单槽、双槽、分心斗底槽、机金箱斗底槽四种。值得注意的是，分槽形式的选择确定了柱头位置，但这与实际空间分布上的大木作柱脚有所不同。导致这一现象的主要原因在于大木作建造时常常采用侧脚做法，导致柱子的走向并非严格垂直，而是向建筑内存在一定的倾斜，以此来强化房屋整体的稳定性。而柱子向建筑内倾斜的角度与柱高的比值并非定值，因此在构建大木作轴线模型时应当将柱头位置当作分槽形式的起点，这样才能够保证“材”模式对柱之上构件空间位置、尺寸规模的控制。由此，柱网的分布也就为阑额空间位置的确定提供了可靠的参考。柱头之上即为铺作，根据空间位置的不同一般可大致分为柱头、转角以及补间三类。对于铺作而言，其各跳的最上层应当与承椽方搭接处理来建立起横向的联系，此外承椽方同时还具有找平的作用，便于其上铺梁。在此之上的部分即为屋架层。

屋架层的建构自下而上进行，从最下层的檐楸开始逐步叠加直至脊榑位置结束。将前、后排除角柱外所有檐柱的柱头定位点连接，以此为檐楸定位提供参考线，将其向上平移至最高承椽方顶部即为檐楸位置。除脚柱外左右两列的檐柱柱头在与檐栿连接时一般可采用丁栿搭接。至此，即完成屋架层首层的构建，按照这一思路继续向上构建即可形成其余楸。而栿的数量、位置则需要基于举折做法所得到的屋面曲线来进一步确定。

在角柱位置之上布置阳马，也即角梁。同时，四个大角梁的下端应当布置于转角撩檐枋的交接位置上，且上端应当布置于下平榑的端头位置。若建筑方案采用庑殿顶设计，那么角梁应当在每两层榑间顺次相连持续至脊榑处。若建筑方案采用歇山顶设计，那么在定位大角梁上端水平位置时，应当按照两稍间内侧的檐柱定位线向外侧延展两椽的位置来确定。而榑则一般需要基于举折来具体确定，且其长度应当按照屋架形式进一步定量设计。对于每两层榑应在其上布置椽，其中最下一列应当放置于撩檐枋之上且按照均匀分布的原则上下交互错落进行布置，但应当满足“令一间当心”的要求，也即确保正立面的垂直中线应处于两列椽的间隙位置。

3 Dyanmo大木作轴线模型的参数化驱动

3.1 Dyanmo大木作轴线模型的参数设置

遵照上述大木作建构的基本逻辑，参数化模型的搭建方法也就基本明确。通过Dynamo工具，能够在可视化的基础上将大木作构件逻辑在BIM平台上进行实现，如图1所示。

图1 Dynamo工具生成的轴线模型

通过Dynamo工具即可生成得到相应模型，模型主要受到两个层面的共同控制：一方面是大木作建构的基本逻辑，反映到程序中即为不同命令块之间的函数关系及指令要求，以及在相邻命令块之间的数据流动方向，当这一逻辑在计算机命令块中的执行程度足够高时，逻辑语言与计算机命令即可保持高度一致，避免在实际应用中的二次调整。另一方面来看则是可变参量，其控制着大木作中各个构件的形制、规模、尺寸等的变化，决定开间、进深、步架数等，这一类参数应当保证足够全面，能够覆盖大木作建构所需的各项内容。同时，可变参量还应足够灵活，对于《营造法式》未给定明确严格限值的尺寸能够做出适当的约束，确保模型与研究对象之间的拟合性，譬如柱高、当心间间距、榑出际量等。在完善程序的过程中，应当将这些参数写入固定计算机命令内，确保在拟合度满足要求的同时，尽可能减少对这些参数的调动、赋值，提升模型建立及运转的效率。

在参数化模型建立的全过程中，技术人员需要对程序内的可变参量做出适当的调整，以此来满足不同形制、规模的大木作结构要求，使得轴线模型、研究对象能够在形态关系上达成契合，为后续BIM模型的应用奠定良好的基础[6]。

3.2 Dyanmo大木作轴线模型的有效性验证

为了检验Dynamo轴线模型建立的有效性，下面选用我国部分传统古建筑，按照上述建模流程分别建立相应的轴线模型。考虑到这些古建筑的详细测绘数据比较难以获取且目前没有相关大木作轴线模型，因此基于建筑案例正立面图对已调整后的Dynamo轴线模型进行比对Fenix，以此来判断Dynamo工具建模的有效性，如图2所示。

图2 Dynamo轴线模型

4 结语

本文从整体上分析了大木作结构形成的基本逻辑，并以Dynamo工具为例论述了模型建立的主要步骤。首先以《营造法式》为基础，从整体上梳理了大木作的生成过程，探究了不同构件之间的关联性。并借助Dynamo工具将这一过程的逻辑转译为可视化语言。最后对程序中的可变参量进行调整与定义，并结合两个我国古代建筑案例验证了Dyanmo工具建立大木作轴线模型的有效性。