基于SketchUP的中國木構古建筑三維重建研究

趙彥軍,尹四清

(1.中北大學電子與計算機科學技術學院,山西 太原 030051;2.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100)

0 前 言

中國古建筑是東方建筑體系的始祖,是世界四大建筑體系之一。其獨特的建筑風格,對木構的應用、加工、防護都有悠久而深入的影響,在世界建筑文化中獨樹一幟[1]。古建筑作為古代文明的載體,被稱為“凝固的史詩”,為今天研究封建社會的政治、文化、軍事、科技、民風等各方面提供了彌足珍貴的資料。

在古建筑的保護、修繕和復原性設計中,為了將古建筑及其構件記錄下來,文物保護單位都會對古建筑進行存檔保護。傳統(tǒng)的存檔方法主要是通過圖表、文字、照片等對古建筑進行記錄,由于古建筑及其構件形狀復雜、裝配困難,故傳統(tǒng)方法直觀性很差且數(shù)據(jù)量大,不利于保存。隨著CAD技術的發(fā)展,運用CAD技術對古建筑進行記錄、建模和復原性設計已成為古建筑存檔的數(shù)字化發(fā)展趨勢。通過建模不僅可以直觀的表現(xiàn)出古建筑及構件,而且也保存了相應的尺寸數(shù)據(jù)。

目前,用于建筑建模的主流軟件有AutoCAD、3DMAX、SketchUP等。在這些CAD軟件中,AutoCAD二維繪圖功能強大但三維建模功能不足;3DMAX三維功能強大但操作復雜、計算機資源消耗太大,動則幾萬、十余萬構件的古建筑很難在目前的計算機硬件水平上建模;而由@Last Software公司開發(fā)、2006年由Google公司收購的SketchUp軟件具有簡便的操作、強大的功能,可以迅速容易地建構、顯示、編輯3D模型,而且可以利用SketchUp建造古建筑模型并放入GoogleEarth中,使得Google Earth所呈現(xiàn)的地圖更具立體感、更接近真實世界,更符合建筑模型全球數(shù)字化的發(fā)展趨勢。故本文選用SketchUp軟件作為古建筑三維重建軟件。

1 木構古建筑重建步驟分析

完整的木構古建筑骨架是由柱、木梁、枋、斗 、木共、椽、望板、斗木共等多種構件按一定的原則組裝而成[2]。要建立古建筑的三維模型,在古建筑木作技術知識方面應具備三個基本條件:熟悉古建筑構造;熟悉各構件的權衡尺度;熟悉榫卯構造。

在創(chuàng)建古建筑模型時,首先應獲取古建筑及其構件的尺寸數(shù)據(jù),其次創(chuàng)建木構件的模型,然后將構件進行組裝。在構件組裝中,檢查構件和與其連接的構件是否合適,如不合適,對構件進行調整或重新創(chuàng)建并再次進行組裝,直至組裝合適;如組裝合適,則繼續(xù)下一構件的組裝。最后,完成古建筑模型的創(chuàng)建。建模步驟如圖1所示。

圖1 木構古建筑重建步驟示意圖

需要注意的是,木構件的種類和數(shù)量是十分驚人的,一幢古建筑物一般都有成千上萬個構件,另外這些構件的形狀千變萬化,除方形、圓形、柱形等幾何形體外,也有像耍頭、駝峰、異型木共、寶瓶等異形體。因此,在實際工作中,一定要考慮獲取數(shù)據(jù)的精度和效率[3]。

2 建模的數(shù)據(jù)獲取

目前古建筑數(shù)據(jù)獲取的途徑主要有四種:文獻資料法、直接測量法、攝影測量法和工程測量法。對于形狀怪異,很難用SketchUP進行建模的木構件,一般采用近景攝影測量的方法。工程測量方法主要是采用全站儀實地測量,獲取建筑物的特定位置的三維空間數(shù)據(jù)。本文主要采用文獻資料法,即開始建模前,在宋《營造法式》、清工部《工程做法則例》、《中國古建筑木作營造技術》等文獻資料中搜集擬建類型的古建筑及其構件的尺寸數(shù)據(jù),經(jīng)過歸納、整理,形成基本的數(shù)據(jù)資料。

3 創(chuàng)建模型

掌握了精確、豐富的古建筑及其構件尺寸數(shù)據(jù)資料后,就可以進行建模了。目前,創(chuàng)建模型的方法主要有兩種:第一種是先在AutoCAD中繪制構件的平、立面圖,然后將圖導入SketchUP中進行建筑模型的創(chuàng)建、組裝;第二種是直接在SketchUP中進行建筑模型的創(chuàng)建、組裝。

3.1 模型度量單位設置

在古代官式建筑及其構件中,常以柱徑(D)為度量單位;而在殿式建筑中,以斗木共有平身科坐斗的斗口寬度為度量單位。這兩種度量單位和現(xiàn)在的度量單位有較大差異。在AutoCAD中繪圖、在SketchUP中建模時,為了解決古今建筑度量單位的差異問題,提高建模效率(建筑和每個構件的尺寸都要進行古今度量單位的換算),一般將度量單位設置為1 m,即以1 m代表1個柱徑或1斗口。待整個建筑模型創(chuàng)建完成后,再按照相應的古今度量單位比例關系縮放至正常大小。如殿式建筑中先根據(jù)用材等級確定1斗口合多少尺寸,然后按清代1尺=0.310 m換算出建筑及各構件尺寸[4]。

3.2 創(chuàng)建構件模型

創(chuàng)建構件模型的主要方法有兩種。第一種是先在AutoCAD中繪制構件的平、立面圖,再導入SketchUP中運用推/拉(Push)等命令創(chuàng)建構件模型(如圖2所示);第二種是直接在SketchUP創(chuàng)建構件模型(如圖3所示)。當構件的形狀較規(guī)則或已有AutoCAD平立面圖文件時適用于第一種方法,當構件形狀非常規(guī)則或復雜時,第二種方法適用。

圖2 單翹單昂五踩平身科翹構件圖及模型圖

圖3 單翹單昂五踩平身科昴構件模型

構件模型創(chuàng)建完成后應運用制作組件(Component)命令創(chuàng)建構件組件,并以構件名稱為組件命名(如平身科坐斗組件)。其目的是將組成構件模型的各元素組織為一個獨立、完整的操作對象,以避免在構件組裝時因誤操作而破壞構件模型。

4 古建筑的組裝

4.1 創(chuàng)建圖層

標準的抬木梁式木構建筑可分為:柱礎層、斗木共層、木梁架層、屋面層、裝修層。在SketchUP中創(chuàng)建以上各層和基線層并以相應名稱命名各層。創(chuàng)建圖層的目的是通過打開、關閉顯示各層控制處于相應層上構件的顯示與否,進而降低古建筑組裝的復雜程度。

4.2 構件模型的組裝

在完成以上工作的基礎上,就可以在SketchUP中進行構件的組裝。

首先,將Auto CAD平面圖導入SketchUP中,并將其置于基線層,以便于確定柱礎層柱礎、柱、墻、門窗等構件的位置。

然后將各構件按照其所處位置分類,分別以組件的形式插入到相應圖層內,并將各圖層上的構件創(chuàng)建為群組,使每個圖層上的構件形成獨立的整體,便于修改和編輯。一般情況下將柱礎、柱、欄額、墻等構件置于柱礎層;將斗木共置于斗木共層;將木梁、枋等構件置于梁架層;將望板、灰背組成的基層及瓦面層等構件置于屋面層;將門、窗、抱柱木次、地木伏等構件置于裝修層。

在構件模型的組裝過程中,一定要注重圖層的操作。在某個層插入構件時,只打開該層和與其組裝有關系的圖層顯示選項,其它圖層關閉顯示選項,即隱藏其它圖層。這樣可以大大降低古建筑構件組裝的復雜程度,提高構件模型的組裝效率,降低計算機資源的消耗。如不進行圖層的打開、關閉顯示操作,少則幾千,多則數(shù)萬個建筑構件使構件組裝極為復雜,而且會大大增加計算機資源的消耗,甚至因過度消耗計算機資源使系統(tǒng)崩潰,導致整個古建筑重建失敗。在柱礎層、斗木共層 、木梁架層、屋面層、裝修層中,斗木共層、木梁架層的構件數(shù)量很多,構件也很復雜,要特別注意圖層的操作。

在組裝完所有的古建筑構件后,打開所有層的顯示選項,顯示完整的古建筑木構模型。完成古建筑木構模型重建,如圖4所示。

圖4 古建筑大木作組裝效果

5 結 語

中國古代建筑與中國的文明同樣古老。這種土生土長、高度“有機”結構和構造體系的建筑在廣袤的地域和長達四千余年時間中常存不敗,且至今還在應用而不易其基本特征,成為中華文明不可分離的組成部分[5]。本文從木構古建筑數(shù)字化重建的角度,探討了在SketchUP中進行古建筑重建的技術,提出了一個粗略的實現(xiàn)框架和實現(xiàn)途徑。它可以在一定程度上提高古建筑保護、修繕、復原性設計的效率。同時,在宣傳中華古代文明,培植文化產(chǎn)業(yè),使其走向世界方面具有廣闊的應用前景,具有較大的研究和應用價值。

[1]譚潔.基于GDL技術的清代官式建筑大木作的三維參數(shù)化設計[D].重慶:重慶大學,2006:33-35.

[2]馬炳堅.中國古建筑木作營造技術[M].北京:科學出版社,1995:133.

[3]許妙忠,涂辛茹.木構古建筑工藝計算機再現(xiàn)技術的研究[J].華中建筑,2008,(6):60-61,90.

[4]劉敦楨.中國古代建筑史[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1986:421.

[5]梁思成.圖像中國建筑史[J].天津:百花文藝出版社,2001:61-78.