中国古建筑蕴含的现代设计特征及三维CAD方法研究

2013-03-21张士杰相炳哲张源清

图学学报 2013年3期

张士杰，相炳哲，张源清，杨谆

（北京建筑大学，北京 100044）

三维CAD软件因其强大功能所具备的先进性和实用性，正在取代二维CAD手段而广泛应用于机械等领域工业化产品设计。其功能不仅包括从三维建模入手进而可以转化为二维工程图，而且，也包括了先进的系列化设计理念和方法。而目前进行的中国古代建筑复建、修缮、仿古建筑等设计工作，通常仍主要采用二维CAD（AutoCAD等）辅以三维效果图的方法。

笔者认为，古代建筑与现代先进设计手段之间存在着很多可利用的“设计信息接口”，很适于利用三维CAD方法表达古代建筑。中国古代木构建筑，尤其是梁架结构，包含着许多与机械产品类似的结构特征，甚至蕴含着大量类似于现代工业产品先进的系列化成组设计特征。如果采用三维CAD先进手段，可望与以往方法相比，既具有优越性，又具有实用性。这既对于国家大力支持的古代文物建筑保护、复建、修缮和仿古建筑设计具有积极意义，又对在图学教育中拓展知识面和专业深度有益。

中国古代木构建筑中包含的类似工业产品特征包括：零件—装配体特征，模数化设计特征，以及蕴含着类似先进的系列化成组设计特征。

1 中国古代木构建筑梁架结构中的“零件----装配体”特征

中国古代木构建筑（以下简称古代建筑或古建）梁架结构具有类似于机械装置的零件—装配体特征。首先由木料制作成各种柱、梁、檩、枋等构件（零件），然后以特有的榫卯结构“装配”在一起，形成整体梁架结构（装配体），如图1、图2所示。

图1 硬山建筑木构架三维模型装配体及构件名称

图2 梁架构件及榫卯装配局部

其中各类榫卯结构兼有连接件、“配合面”、“定位销”等不同的功能特性。

所以，可使用三维CAD软件，采用机械设计的零件—装配体建模方法建立古建模型（包括榫卯结构），然后可再转化为工程图（见图3与图4[1]、图5[2]（单位：1/10斗口））。

图3 斗拱构件

图4 斗拱装配体

图5 斗拱立面图与仰视平面图

2 古建梁架结构中的模数化设计

中国古代建筑经历几千年发展，为我们留下了丰富而宝贵的文化遗产。不仅包括大量建筑物，而且也给后人留下了极其珍贵的文献，包括宋代《营造法式》、清工部《工程做法则例》[3]等。后经梁思成大师等几代人的不断研究整理，为我们今天的研究提供了方便。

文献给我们留下了极为宝贵的古代建筑模数化设计思想和方法[4]。这与后来从国外传入的机械模数化设计（例如齿轮设计）方法既有类似之处，又有更大的使用范围。

即古建模数设计不仅体现于构件（零件）设计，而且还体现于房屋整体结构（装配体）设计中。不仅一个构件的尺寸是基本模数的函数，而且整个梁架结构也是基本模数的函数。古代建筑物构件和整体各部分之间形成的和谐比例（美学功能及使用功能方面）、合理的力学结构（即使强烈地震也只是墙倒屋不塌，震后可自动复原）既源于榫卯结构，又与模数化设计密切相关。

这种规范成为设计和施工的固定法则，被古代建筑师们千百年来严格遵循。如梁思成大师所说：“清代于雍正12年钦定公布《工程做法则例》，凡在北平的一切公私建筑，在京师以外的‘敕建’建筑，都崇奉则例，不敢稍异。”[5]

这种古建设计模数关系称为“权衡”。其中大式建筑以“斗口”为基本模数，见图6[6]；小式建筑以“檐柱径”为基本模数，见表1[6]。

此权衡关系非常适合利用三维CAD的零件系列化设计功能进行模数化建模设计，并在古建领域具有深远的推广意义。本文插图（图6除外）所示模型，均按清式权衡制作[6]。

图6 清式斗口的等级节选（基本模数）

表1 清代小式（或无斗拱大式）建筑木构件权衡表（节选）（单位：柱径D）

3 古建中蕴含的类似现代系列化设计特征

3.1 古代建筑类似系列化的外部特征

工业系列化产品的外部特征是，既具有鲜明而统一的风格，又具有形态各异的品种个体形态，例如许多著名品牌汽车。

古代的建筑匠师们严格遵循上述法则建造了无数风格鲜明统一、形态各异的建筑。例如在统一的风格下，古建筑的“大屋顶”（屋面）包含了庑殿式（如太和殿）、歇山式（如天安门）、攒尖式（如中和殿）、悬山式（屋面挑出山墙外）、硬山式（如北京四合院民居），以及单檐、重檐等许许多多的式样。从系列的风格统一性和其中不同个体的差异性（包括建筑物大小不同的体量）综合观察，非常符合系列化整体设计特征。

3.2 机械工业系列化设计发展简介

较早的机械系列化设计方法是，根据已有的基本机型派生设计后续的第二、第三……机型。由于设计前一机型时未能考虑后一机型的需要，故此方法具有很大局限性，同系列中的不同品种数量很少。

更先进的系列化设计可见于20世纪80～90年代，国家引进技术项目中包含的“设计、工艺一体化的成组设计”技术[7]。其主要特点是“同时设计系列中的多种产品（几十种机型）”。由于不再是“派生”设计新品种，因而没有“基本机型”，各机型彼此“平等”。

此方法是将系列中多种机型的同名零件，按“功能相似、形状相似”分组，同时进行同组设计，尽量采用统一结构甚至统一尺寸。其目的是为采用统一专业化加工设备（例如昂贵的冲压模具）、提高成组加工程度创造条件，以提高生产的专业化程度。其效果是在大幅度增加系列中机型数量的同时，显著节省加工设备成本、显著节省生产时间与空间。

为此，大量采用“多件同图”作法，即多种相似零件共用相同图形，为统一设计专用加工设备创造条件、提供依据。此法可谓设计与工艺一体化的桥梁。

三维CAD软件已经吸收了上述先进的“同时进行同组设计”的方法[8]，包括建模功能和工程图功能。例如，用同一模型文件可同时设计形状相似的多种（多配置）零件，多配置零件亦可表达于同一个工程图文件中。

3.3 古代建筑中蕴含的类似系列化结构设计信息

我国古代建筑中蕴含着类似于“同时设计全系列多种产品”的“设计、工艺一体化”的系列化设计方法，而且是经千百年考验的成熟思想和方法。这为我们今天利用现代三维CAD手段进行古代建筑设计提供了“信息接口”。

1）上述古建模数化设计亦可归为系列化设计方法。因为，古建模数化设计不仅用于构件（零件），而且用于建筑整体（装配体），单体建筑使用同一基本模数；同时，此法还用于建筑群，建筑群采用多种基本模数（见表1）。这样，因模数（权衡）设计的更广泛应用，使古代建筑群具有了系列化特征。

2）在单体建筑和建筑群中，大量存在着“功能相似、形状相似”且有权衡关系的构件（见图3）。这就为古人提高施工专业化、提高施工质量和进度创造了方便条件（故宫这样的超大建筑群，其建造速度非常快[9]），也为我们今天采用三维CAD软件的系列化设计功能提供了条件，进而为大幅度提高设计效率和减少差错提供了条件。

3）由古建技术的高度模数化和构件的形状相似性，诞生了“丈杆”这种设计、施工一体化的特殊工具。“丈杆”是根据基本模数、“权衡”制作的具有度量功能且不易变形的长木杆。在木构件制作之前，先将建筑物的柱高、面阔、进深、出檐尺寸、榫卯位置等参数刻画标记在一组丈杆上，然后以丈杆尺度为根据，既用来指导木构件制作，又用来校核大木安装（梁架装配）[6]。在施工现场，可用丈杆取代图纸，这不但可谓古代的“无纸化施工”，而且丈杆亦成为古建设计与施工一体化的“桥梁”，传承至今。