中國古建筑數字化設計研究
——以斗栱為例

吳佳波 張露芳 劉肖健 （浙江工業大學 設計藝術學院 310023）

古建筑是我國特色的文化載體之一，中華文化上下五千年，古建筑成為中華文明的藝術瑰寶。但是，隨著時間的流逝與人為的損壞，現存的古建筑收到了或多或少的破壞，文化遺產收到嚴峻的挑戰。因此，必須采取適當的措施與藝術手法對古建筑進行保護。隨著計算機技術的快速進步，通過數字化的方式將古建筑進行數字重建，對中國古建筑的保護、修復、展示等方面有著極其重要的意義。

一、古建筑數字化研究現狀

國內對古建筑數字化的研究從20世紀80年代末便開始了。王春生、沈惠身等人于1992年開發完成了初步的古典園林CAD軟件包。東南大學的陳薇教授利用數字技術對唐宋建筑進行研究，利用動畫演示的方式將古建筑的內部構造與細節表現出來。西安建筑科技大學王茹教授通過ObjectARX的CAD二次開發技術，對明清古建筑實現了數字化建模，并對古建筑構件的信息進行分類與標準化處理。重慶大學的艾及熙教授與其團隊通過參數化的方式對清代的古建筑進行了全面的研究，將古建筑分為臺基、墻身、屋頂三個部分，并詳細闡述了古建筑各個部分的構造。

中國周邊的國家也或多或少地受到了中國古建筑風格的影響，例如新加坡、日本等國家也從事過關于古建筑數字化的研究。新加坡的王才強教授對唐代風格古建筑的參數化設計與建模的研究，為唐代風格建筑的復原作出的重要貢獻。日本凸版印刷株式會社通過數字化技術重現了一個可以實時交互的寺廟三維模型，使得觀者可以沉浸在整個虛擬建筑之中。

綜上所述，目前針對古建筑數字化的研究主要存在以下3個問題：（1）古建筑數字研究中，多是以技術層面實現數字化，針對古建筑數字化軟件方面的研究較少。（2）現有的古建筑研究側重點是仿照還原古建筑原有設計，或是以娛樂為目的，還不能很好地達到古建筑信息化保護的目的。（3）目前研究中側重數字還原古建筑的整體性，而容易忽視古建筑的細節特征例如：結構特征，裝飾細節等。

二、古建筑數字化的意義

古建筑數字化就是將現存古建筑的基本數據，包括尺寸、結構、組合方式等數據資料，通過計算機完成數字模型的搭建。目前古建筑數字化的方式主要為兩種：（1）通過激光三維掃描技術獲取目標的精確數據，再通過數據生成三維模型，這種方法目前在國內外比較普遍，但其缺點也十分明顯，通過掃描獲得的數據量非常大，后期處理相對復雜且耗時，同時無法對數據進行修改。（2）古建筑參數化設計技術，將古建筑的數據進行分析整理，然后建立三維模型，模型中的每個構件相互關聯、相互制約，從而可以通過修改數據達到模型變化的目的。該技術可以大大的提升模型的生成與修改速度，但缺點是目標建筑需要存在“有序”的章法。

古建筑數字化的意義主要存在以下幾個方面：

1）對古建筑數據的保護。數字化對信息的收集、保存相對于傳統的信息保存方式優秀得多，傳統通過紙質、圖片等形式對數據的保存難免發生意外情況導致信息的丟失。同時數字化記錄的信息也十分全面，通過訪談調查，或者借助現代測繪設備，將古建筑的數據資料完整記錄下來，然后進行整理分析，并結合古籍文獻等資料，獲得全面系統的數據。并且數字化對信息有著強大的計算方式，以及高效的管理模式，這樣保證了古建筑數據的全面性并可以永久保存。隨后對古建筑進行三維建模，通過數字化的方式讓古建筑真實再現，這樣便可以更直接地了解古建筑中的復雜結構關系，又能將古建筑神韻通過更為生動的形式展現出來，這對古建筑的修繕與復原起著重要的作用。

2）古建筑的展示與傳播。數字化展示的方式為古建筑提供了簡單、高效的傳播方式，原本難以展示的內容通過三維展示、虛擬現實等更好的體驗方式，使得古建筑的展示更直觀、全面、且具有趣味性，觀者可以根據需求，對古建筑進行從局部到整體的瀏覽。對與局部構件或者小型建筑可以進行反復的觀摩，并可以通過分析技術對古建筑進行分析，例如動力學系統測試古建筑承重能力，光源模擬系統模擬古建筑采光分析等；對于大場景的展示可以使用虛擬現實的方式營造出身臨其境的感覺，使得人們更直觀的了解認識古建筑，并加深印象，從而體會中國文化的獨特魅力。

3）建立古建筑數字化檔案。古建筑數字化在擁有一定數據量之后會形成特定的數據庫，可以針對某一特定的風格建筑，利用統計手段對建筑風格做數量化分析，如考證風格隨年代的演化軌跡等。也可以形成數字圖書館，在數字模型中記錄相關構件的史料信息，如原物地點、年代、實物測繪尺寸等，并整理成為標準的數據格式，便于自動化手段進行數據分析。同時由于數字化的幾何信息十分準確，不僅可以呈現三維數字模型，還可以自動生成準確可靠的工程圖紙，或是對模型進行任意角度剖析，形成剖面圖或者立面圖。

三、古建筑數字化的一般流程

筆者根據將斗栱數字化的過程總結出一般的古建筑數字化的流程如圖1所示。古建筑數字化的流程可以分為4個主要的步驟，包括對古建筑數據的獲??；將主要構件進行數字化建模；結構自動組合搭建；為數字化模型添加必要信息。

圖1 古建筑數字化流程

1.數據獲取

獲取有效的古建筑基礎信息是古建筑數字化的第一步，這里的數據不僅僅是尺寸數據，還包括古建筑的形態特征和構件組合方式特征。數據獲取的途徑有兩種：一種是通過測繪方法獲??；另一種是獲取文獻記載的數據。關于測繪方法，傳統的測繪方式是通過尺、水平儀等工具來獲取現存的古建筑的實際數據，并將測量所得數據進行整理、制圖與存檔等工作。采用傳統方式不僅數據精度低，效率低，而且很難獲得古建筑結構的尺寸、裝配關系等數據。而現代的技術手段可以容易的解決這些問題，例如利用GPS、全站儀等測量儀器，結合三維激光技術能夠深入探測到復雜的環境中，同時能獲取更精細的數據。關于文獻獲取，不少建筑經典著作中系統地記錄很多中國古建筑的相關數據，《營造法原》中詳細介紹了南方古建筑中常見的斗栱類型，并詳細的記載斗栱的詳細尺寸數據、裝配關系、藝術形式等，并以圖例的形式加以注釋說明。同類著作還有《清式營造則例》和《營造法式》等，都是中國傳統建筑文化的重要遺產。

2.主要構件進行數字化建模

古建筑主要構件是組成古建筑的基本元素，所以將主要構件進行數字化建模是重要的一步。需要對特定的構件進行數據的獲取，對其基本的幾何特征、裝配關系、藝術形式等進行分類分析，然后實現構件的數字化建模，同時對各個構件之間的關鍵參數進行規整，并與其他參數建立相互的關系，方便接下來結構組合工作。例如對斗栱進行分析，從類別上斗栱分為柱頭斗栱、柱間斗栱、轉角斗栱三大類，結構上稍微復雜，為斗上置栱，栱上置斗，變化方式多樣，其主要的構件包括櫨斗、泥道栱、散斗、交互斗、令栱、耍頭、柱頭枋、齊心斗、遮椽板等，如圖2所示。

圖2 斗栱結構圖

3.結構的自動組合搭建

在完成主要構件數字化工作之后，需要將單體組合成為建筑整體，這里主要分為2步：（1）單體構件按照一定的組合規律合成組合結構，合成規律來源于古籍資料和實地勘測。例如圖2中的斗栱的構件存在相互的組合順序以及制約關系，根據斗栱結構的組合規律創建相應的函數，實現斗栱的自動組合搭建功能。（2）將獲得的組合結構按照合成規律組合起來，并與建筑主體部分結合，形成建筑整體。

4.為模型添加信息

古建筑數字化不僅僅是將建筑還原成數字模型，還需要將古建筑的相關信息進行分類規整，然后可以為數字模型添加附加信息，如名稱、年代、實例地點、用途、組合位置、所屬結構名稱等，幾乎可以包含古建筑的所有信息，可以為古建筑的修復與復原提供有效的數據，幫助人們了解更多有關古建筑的歷史人文信息，同時方便查詢、檢索等庫功能的實現。

四、古建筑數字化難點分析

1.關聯結構設計的軟件實現方法

中國古建筑體現了勞動人民的智慧，古建筑結構復雜的而神奇，結構與結構之間存在明顯的關聯關系。例如斗栱，單體構件不僅僅是一對一的關聯，往往同時很七八個分件存在關聯關系。為了實現參數化模型，需要將各個構件聯系在一起，方便模型的修改，也減少人力操作，解決方案有2種方式：（1）選擇有裝配功能的平臺搭建裝配關系，從而實現構件與構件之間的聯動。（2）通過利用參數文件進行約束，讓構件的參數都參考同一個文件，從而使所獲的模型保持整體性。

2.復雜的修飾細節處理

古建筑的魅力不僅僅在于整個造型，修飾細節也是古建筑被人喜愛的原因之一，因此在古建筑數字化的過程中將原有的修飾細節保留下來是需要考慮的。對于簡單的修飾可以使用三維浮雕將這些細節保留下來；對于相對復雜的修飾細節，難于通過建模的方式實現，可以使用貼圖的方式將這些細節保留，盡可能保留古建筑的原汁原味。

五、結語

古建筑是中國文明的象征之一，極具歷史、藝術、科技、人文價值，具有極高原創性和不可再生性，因此如何保護古建筑，如何展示古建筑成為一個重要的課題。本文以古建筑經典結構斗栱為例，探討了古建筑數字化研究的通用方法，這種方法也適用于其他古建筑數字化中。同時古建筑數字化也為其將來數據庫的搭建打下了基礎，方便人們對古建筑的信息、組件等進行有效的管理，也為古建筑數字化展示這一拓展功能提供了可能?？偟膩碚f，以數字化的手段將古建筑重構是對我國古建筑的保護，教育，宣傳等方面提供了一個有效方法，使得古建筑可以真實全面地保存下去，并延續其全部的價值。

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