裝配式少數民族建筑的參數化建造研究

張姍，孫建剛，張慶高

（大連民族大學，貴州 銅仁16650）

1 引言

本文提出的參數化少數民族建筑構件，像搭積木一樣“由局部到整體”，由構件到結構再到整體建筑，首先確定房屋整體模數下各個構件的具體尺寸和數量，然后按照苗族建筑的營造特點進行裝配，最終形成模型與信息的結合體。此方式使模型與信息擁有了強大的結合能力，滿足了少數民族建筑高效率保護及信息保護的需求，對文化遺產的還原保護和傳承起到一定的促進作用。

2 點云數據的采集與處理

在數據采集之前，須分析最具有參考價值的單體進行高精度掃描，并且對現場進行勘察，設計出最優掃描方案。采集完成后，得到的原始點云數據還要經過預處理、數據拼接、數據去噪和紋理映射等過程，才可以得到清晰且完整的民居建筑構件點云數據。

3 桿欄式木建筑工藝

3.1 平面結構

苗族建筑的平面結構一般可分為四排柱三開間，也有六排柱五開間，廂房以正堂為中線對稱分布。中柱選材的要求特別嚴格，并且必須通直落地，不能用2 根柱拼接，且它的直徑一般相對于側柱稍大?？蚣芙Y構一般為五柱四瓜。每榀框架的前側第一根不落地的柱叫瓜[1]。

3.2 立面結構

一般建筑的高度有一丈八尺八寸、二丈一尺八寸或一丈五尺八寸（1 丈=10 尺，1 尺=10 寸，1 尺=33.33cm），這些高度的尾數都以八結尾[2]。苗居吊腳樓按功能可分為3 層：第一層為牲畜雜物層；第二層為起居活動層；第三層谷物儲存層。

房屋分前后坡，屋面坡度為55%或70%（55%坡度的水平面與地面夾角約為20°、70%坡度的夾角約為25°）。屋面上每根柱和瓜的頂端都放有和枕一樣的木條叫檁條[3]。檁條上順屋面釘有10cm 寬的椽皮，2 塊椽皮間距一般約為13.3cm。

3.3 苗族民居建造設計

苗族建筑的基本建造過程分為以下8 點：

1）地基選擇；

2）準備材料和工具；

3）建房時令與工期；

4）地基的處理和筑臺；

5）制作木構件：工人們通過師傅畫的墨線拆枋鑿眼，并將所有構件都準備好，最終形成構件表；

6）木構架的搭接和豎立：苗族人民采用了巧妙合理的節點連接法，分為以下3 種：（1）梢連接，有較高的緊密性和韌性；（2）齒連接，通過構件與構件直接抵承穿力，分為單齒連接和雙齒連接；（3）榫連接，枋頭做成燕尾榫，嵌入柱內，如圖1 所示。

7）上瓦；

8）安裝樓板和樓壁。

圖1 梢連接、齒連接、榫連接

4 參數化構件圖庫的設計與實現

少數民族構件結構形態各異，通過幾何空間計算準確地分析出對應構件，設定參數，制訂構件描述方案，把構件分解成簡單的單一模塊，從組成對象的所有幾何單位做起，才能把這些建筑構件轉化成GDL 語言的指令集，再把這些指令通過坐標轉換放到合適的位置形成完整構件。最終集成所有GDL 構件形成完整的少數民族構件圖庫。

4.1 ArchiCAD 與GDL

ArchiCAD 支持Windows 和Mac 系統，這就是ArchiCAD所擁有的多平臺共享功能管理。而GDL 的處理流程是收集數據到ArchiCAD，然后提交到GDL 編譯器，編譯器就會讀取對象的空間定位、實際尺度、自定義參數值等。根據編譯器信息創建幾何體，內存里的幾何體通過3D 渲染引擎表達出來。

4.2 幾何體創建

在創建苗族構件幾何體時會通過運用GDL 語言中涉及的3D 形狀生成命令，再由節點、向量、邊界、主體組成的內部原始3D 數據結構來解釋二進制文件，并使用切割平面的方法處理模型。本文通過對苗族構件的幾何創建得出以下3 點技術解決方案。

1）對于一個復雜的幾何體，描述方案會有很多種，所以在編寫比較復雜的苗族建筑構件前會先擬定一個最優方案，能起到高效率、低冗余的創建效果。如在編寫有規律的鏤空柵格窗戶時可以選擇通過定位隱藏幾何體上的線面來達到鏤空效果，也可以通過邏輯控制語句來執行，通過比較這2種方法，后者優勢更大。

2）編寫的過程中雖然2D 與3D 可以相互引用特定的腳本，但如果需要定義一個全局變量，應在樣板里去定義，這樣改變一個參數才能同時在2D 與3D 里產生相應的改變。由于ArchiCAD 是最先執行樣板腳本（主腳本），它的優先級是最高的，再去執行參數腳本、2D 腳本、3D 腳本，且兩者的在定義的時候是不能公用的，因此，在寫入這樣的腳本時優先寫入樣板腳本。但在編寫一些比較復雜的窗花時，也可以通過編寫2D 腳本再加設投影命令等，能直接得出三維模型。

3）苗族建筑的屋頂獨特，其幾何算法相對復雜，研究發現可在屋頂構件里加設特定熱點，即HOTSPOT，通過熱點算法滿足少數民族建筑的基本尺寸關系。不僅對屋頂如此，一榀框架、欄桿等也可設計熱點。

5 構件調用及裝配

5.1 構件圖庫

已經創建的GDL 構件可以整理成一個圖庫文件夾或者是.icf 格式的文件，而且ArchiCAD 還提供了GDL 構件保密系統，只有通過輸入密碼才能修改或查看原創作者編寫的GDL 構件源代碼。當在調用GDL 構件進行裝配時，可通過ArchiCAD 的菜單文件中的圖庫管理器命令訪問項目中的圖庫或添加本地新建圖庫。

5.2 裝配房屋

通過調用創建好的GDL 構件，裝配出滿足設計要求的房屋單體模型，有了詳細的模型，圖紙只是副產品，可以任意切割出剖面、平面，以及圖層顯示的組合，表達出不同側重點的內容。選擇好視圖后，就可排版發布成dwg、PDF 等格式。裝配建筑預期成果如圖2 所示。

圖2 裝配建筑預期成果

搭建好的模型通過導出BIMx 超級模型，可手動添加到移動端BIMx 軟件，BIMx 的Hper-Model 能把模型信息和圖紙用非常完美的方式結合在一起，展現給用戶觀看。

6 結語

本文通過研究苗族建筑的設計思路，為其開拓出基于傳統建造規律下的新型設計方案。在設計建造過程中只需確定所需整體模數，然后根據整體模數匹配、調用出對應的構件，隨之將對應構件以苗族建筑的裝配方式組裝房屋，最后得到信息與模型的結合體BIMx 模型。裝配式少數民族建筑的參數化建造方法可優化傳統的民居建造過程，且滿足了當今社會對少數民族文化遺產的保護需求，也順應了高效率、可持續的建造要求。