中国古建的三维设计方法研究

韩睿

摘 要：中国古建是我国的珍贵文化遗产，保护与研究古建是现时代的重要任务。利用三维设计再现古建筑的形态，是目前解读与研究古建的重要方法。中国古建绝大多数采用木结构，先制作构件，再进行组装；因此，利用三维设计来表现古建，是一个值得研究的课题。本文应用MAYA的建模技术对中国古建进行三维设计提出了较为可行的方法，从“MAYA”的三维技术手段对古建的设计研究的影响以及建构方法和实例建模（塔、殿、桥、坊）等方面进行了较好的研究。

关键词：中国古建； 三维设计； 方法

检 索：www.artdesign.org.cn

中图分类号：TU 文献标志码： A 文章编号：1008-2832（2014）07-0071-03

3D Design Study of Ancient Chinese Architecture

HAN？rui

（School？of？Art？&？Design，？Beijing？Institute？of？Fashion？Technology，？Beijing，？100029，？China）

Abstract ：Ancient Chinese architecture is a precious cultural heritage of our country， so its protection and research are the todays vital tasks. It is an important way to interpret and study of the ancient Chinese architecture that using three-dimensional（3d） design reproduces the form of ancient buildings. The vast majority of ancient Chinese buildings use timber structure to make components and assemble them. An application of 3d design for expression of the ancient architecture is a topic worth studying. In this study， MAYA modeling technology is applied and a feasible method for 3d design of ancient buildings is put forward. The influence of ancient Chinese architecture design， their construction methods and their instances such as tower， bridge， temple and memorial archway by MAYA been fully discussed in the paper.

Key words ：ancient Chinese architecture； three-dimensional design； methods

Internet ：www.artdesign.org.cn

一、“MAYA”的三维技术手段对古建的设计研究的影响

MAYA软件是一款功能强大的软件，而通过不断地开发，MAYA已经不再单纯的运用于动画的制作了，它也运用于多个领域中，其中利用MAYA进行古建的设计研究已经成为业内极为关注的问题。这是因为MAYA的建模多样性以及丰富性决定了它所具有的潜质。在古建三维设计中，MAYA常用的建模方法包括：NURBS建模、多边形建模、Subdivision建模等。

多边形建模是古建三维造型中接触最多的建模方式。它通过控制三维空间中的物体的点、线和面来建造模型。多边形的建模方式是把古建看成是有一个或者是多个立体几何模型，在建模过程中，可以通过对一些物体的分析将物体人为的拆分成由多个多边形的组合形态。这样对于在古建建模过程中遇到的一些难以一次建成的模型，通过多边形拼组的方法将其完整的塑造出来。这样的建模手法，其一，加大了三维建模的工作效率；其二，通过多边形的组件模式可以很容易的将模型的外形进行扭曲和拉伸处理等，使得模型的细节的塑造精确，形态更加的生动形象。

NURBS建模方式是解决古建形态中曲面建构的一种建模方式，它的独到之处就在于能够更好的将复杂的曲面模型建造出来。而且模型的调整和修改简单方便，在对古建形态的塑造中，NURBS建模最适合表现有光滑外表的曲面造型。它不仅对于光滑表面的物体有很好的塑造表现，对于一些尖锐的形态也可以表现出很好的效果。这是因为NURBS表面是由一系列曲线和控制点确定的，因此常常需要两种途径创建NURBS。其一，可以通过修改软件的基本模型来完成建模；其二，可以在三维空间中构建形成物体的基本曲线，并通过曲线的精度的调节，将古建的复杂的形态表现出来。

Subdivision建模是解决与简化古建复杂物体的制作过程，他吸取了Polygon和NURBS两种建模方法的技术优势，不但拥有多边形建模的灵活多变的强大功能，而且还能像NURBS模型一样保持模型的光滑。对多边形进行多次细分，并能通过控制模型的渲染精度，是多边形建模的强有力的升级。Subdivision建模最大的优点在于它的细分性，可以通过在局部不断地提高模型的细节层次，并能在高低两种细节显示级别之间切换。

二、古建的三维形态的建构方法

（一）形态的分析

在古建的建模之前，需要分析一下你所要建造的形态模型。所以在建模之前可以先绘制一个三视图，这样可以更加主观的了解自己所要制作的场景，以及比较容易地做出比较真实的形态来。首先，利用古建的图片以及相关的图纸确定一个大体的制作方向，而对于建筑物内部的一些结构和一些小的形态需是通过认知和想象去添加的。endprint

其次，需要表达其基本平面位置及高度信息，以及其色彩纹理与几何外形特征，这些几何外形特征往往体现三维对象特别是建筑物对象的独特风格。其基础数据包括平面位置和高程的三维空间数据，以及包括建筑物的真实影像数据。具体包括地形数据、数字化地图数据、建筑物高度数据、航摄相片、地面近景照片以及纹理图片等。

（二）形态的梳理

古建筑形式多样，但各部位都有较为固定的比例关系，也是使各种不同形式的建筑保持统一风格的重要原则。因此，对于古建筑的三维建构过程，形态的梳理是十分重要的。古建的每个单体建筑都是按照一定制式，由基本构件组装而成。而古建营造时也是先制作相应的构件，再进行组装。

以明、清代官式古建筑为例，古建的构件在明、清已经形成了建筑营造规范；木材以九材制，即按受力的大小分为九类木材，建筑模数以斗拱计算，即斗拱的大斗的斗口尺寸作为建筑模数（斗口尺寸为2.5寸），建筑的开间和进深都以斗口计算。受到建筑模数影响的构件还有梁、枋、柱和桁等。因此，在建构过程中需要预先建立古建筑构件的三维构件库。

在形态的梳理中，有些古建的构件如台基、柱础、栏杆、栏板、梁等表面几何形状简单，适合于用表面模型方法来进行形态梳理。这是因为表面模型从三维点形成直线，圆弧，多段线和其他二维对象，再由二维对象形成三维构件的表面。构件图形存储空间小，显示速度快以及效果表现突出；有些古建的构件如柱子、抱头梁等，大体形状规则，但是面多，用表面模型方法梳理非常复杂。如不同位置的柱子，有不同的构件与其相接。而柱子端部的榫卯连接形状适合于用实体模型方法来进行形态梳理；有些古建构件如抱头粱等需要和檐檩、檐垫板、檐枋等连接，绘制时需将其按两个部分处理，抱头粱内部，直接用面绘制，端部采用体绘制的方法。

（三）形态的建模

古建形态的三维建模一般要求精细建模，其建模精度应满足三维量测和复原要求，精细地表现古建的外部特征和内部构造。纹理图片尽量与实物一致，逼真表现古建筑的色调与材质。在使用MAYA软件的建模过程中，首先，通过建筑图与图片确定模型各部件的位置与大小。先制作建筑物的梁柱结构，然后再制作门窗、墙、屋脊等其他结构。建筑物构件需要单独制作，包括柱础、柱、梁枋、门窗等，最后用合成的方式将各个部件组合成一个完整的建筑物。其次，建模过程中尽可能使用基本几何体作为构件。

在形态的建模技术中，我们采用了MAYA的多边形建模技术。首先，在MAYA的工具栏上的12个基本模型中选出你所需要的一种模型，并确定了主体建筑物的形状后，就可以开始对形态进行建模与编辑，通过扭曲、拉伸和缩短等相应的一些命令工具来对形态进行处理，使它们变成所需要的形态；其次，通过选中模型以及进入组件模式，对所选择模型的点线面进行操作，经过模型的造型与变形，达到我们需要的模型外观；其三，进行由里向外的建模扩展，形成一个有序列关系清晰的的建模方法；其四，准确的定位模型的场地、位置、方向、比例、大小、尺度等因素，形成形态的精确性。

三、古建的三维形态的实例建模研究

中国古建从类型来划分可以分为殿（宫殿）、宇（庙宇）、楼（城楼）、阁（楼阁）；亭（亭子）、塔（古塔）、廊（走廊）、坊（牌坊）以及古桥等。其中古塔、古桥和牌坊多为石材。在古建的实例建模中我们选择了比较典型的塔、殿、桥以及坊作为研究对象。

（一）塔的实例建构

古建中塔的三维营造我们采用了先制作相应的构件，再进行组装的设计方法。因此，塔的建模成功与否，构件的三维设计尤为重要。

整个塔的设计是从一个个空间区域与空间形态展开的，通过众多的构件组合，最后完成完整建筑场景的制作。其采取的建模方法也是循序渐进的。首先，采取先上后下的建模方法，先将塔身的主要结构与形态建造成功后，再去建塔基的模型；其次，先局部后整体的建模方法。由于塔的形态小部件比较多，需要把整个塔的结构拆分成几个部分来完成。因此，将其它分成四个大的部分，分别是塔顶、塔身、塔的各种构件和塔的入口空间。在三维建构时，根据MAYA软件中Polygon命令中的一些基本命令和扩展命令：如Extrude（拉伸工具）、Combine（合并工具）、Duplicate Face（复制面命令）等形成建构的方式；其三，利用塔体结构以及很多的构件的相似性，进行重复组合。在组合过程中将构件的大小、位置以及方向的精确度在三维的模型搭建中表现出来；其四，实体模型建好后，将已处理好的全部纹理粘贴到相应的面上，生成的模型以后，对贴图进行渲染。（图1）

（二）殿的实例建构

在殿的建模过程中，首先从该殿的测绘图纸出发，从中获取古建的类型、尺寸数据、柱网的布置、柱径、柱高等数据；以及屋顶的造型和梁架的类型及组成分件的详细尺寸数据。并以此为基础，在MAYA中调用以及建立的数字化构件库，从而生成各组成构件的精确三维模型。其次按照其位置在MAYA 中进行定位，从而分层次建立该殿精确的工作三维模型。建模的过程主要分成四个主要步骤来完成：阶基的建模；木构架的建模；屋顶的建模；围护的建模。对每个部分的建模，既可通过获取每个基本古建构件数据，以及调用基本古建筑构件来组装，也可直接调用已有的组合古建构件实现它们的快速组建。

在具体的建模过程中，可以先制作建筑物的梁柱结构，其他建筑物构件需要单独制作，包括斗拱、梁枋、隔扇、门窗等，最后用组合的方式将各个部件组合成一个殿的主体形态。

其组装三维设计的步骤，首先是由柱构件、斗拱、梁、枋按建筑的进深组成横向的屋架。装好后用拷贝的方式复制到其它的轴线上。其次，借助三维视图的操作进行纵向构件的组装，包括纵向的梁、枋、桁、檐和飞檐。组装时一定要注意平面轴线位置和空间高度位置的准确性。古建筑的房屋构架设计完成之后，其屋面瓦、墙体、门窗、台基和勾栏可作为建筑装饰构件来设计。（图2）endprint

（三）牌坊的实例建构

牌坊构造简单，主要由柱、枋、檐顶构成，大致由基础、立柱、檐顶、额枋、字板这几部分组成，上面有些宝顶、雀替等小构件。该案例为四柱三间式牌坊。

牌坊的三维建构主要是先建立柱、枋、檐顶的模型。经过对牌坊的构件特征分析，我们可以看出，牌坊的柱、枋、檐顶的基本特征是确定的，其他各部分之间都与柱、枋、檐顶存在着一定的比例关系。为了实现各种特征构件与柱、枋、檐顶之间的关系，建模时必须将影响构件特征的因素全部以数据的形式考虑进来，通过不同的数据取值来实现柱、枋、檐顶的生成。

在具体建模过程中，可以以表面模型的建模方法作为研究点，从点形成直线、圆弧、多段线的二维对象，再由二维对象形成三维构件的表面。表面模型构件在具体绘制时，根据构件的数据，在MAYA的绘图环境中输入每个顶点的三维坐标，绘制每条直线和曲线等对象。完成构件轮廓线的绘制；也可以使用多边形建模手段构成所需的模型。再经过特定的工具进行修改和调整，形成较为准确光滑的牌坊表面形态。（图3）

（四）桥的实例建构

该案例是一座石拱桥。其主要构件为桥墩、桥拱、望柱、栏板、栏杆、护栏石、地口等部分组成。因此，每个构件的制作的精确性尤为重要。

石拱桥的结构最大的特点是结构对称，相同的构成要素重复性高，这样，针对这样的特点，只要进行单独组成部件的制作，利用MAYA软件的复制命令，就可以完成阵列复制。

第一部分是桥墩的台基以及桥拱部分，这一部分由二个内容组成，分别是桥墩基础，以及和桥身连接的桥拱部分。这里的基本结构是对称的，只需要调整形态的高度和半径的数值进行制作。

第二部分是望柱、栏板、栏杆等，这一部分的特点就是大小和形状也是相同的，但是形态细节丰富，只要制作完成一个，其他的采用阵列复制的方式就可以完成。

下面具体以建立望柱、栏板建模方法为例：首先，点击Create polygon Cylinder建立一个方柱形，方柱形中心默认建立在世界坐标点，设定方柱形参数；使用insert edge loop tool工具加线，以及执行Edit Mesh Bevel命令，将柱头制作完毕；其次，点击Crème polygon Cube建立一个正方体，设置通道栏数值。所有的边线执行Edit Mesh Bevel命令，柱身的制作采用矩形为主体，形体调整好之后在竖直方向的线用倒角工具进行制作，得到模型的倒角效果，选择方柱体和方体执行Mesh Combine命令，合并为一个物体；其三，点击Create polygon Cube建立一个正方体，设置通道栏数值，然后选择正方体，进入Face模式，选择左右两个面和底面，利用加线工具Append to polygon tool工具进行加线，设定高度与宽度数值。并在其位置制作一个洞并选择洞的位置，点击Mesh Fill补洞工具把漏洞进行修补，得到栏板的模型。

第三部分是桥面与台阶以及底部斜面的制作，其制作顺序按照桥面与台阶以及底部斜面进行制作。在建模方法上，同样需要建立正方体以及建立相关设置通道栏数值。然后通过INPUT子区域里调节立方体的宽度、高度和长度。

最后进入组件模式，我们将以上4个部分的各个构件进行组合，最终形成一个完整的桥的三维模型。（图4）

（五）古建的三维形态的后期的工作

在整个场景的建模基本已经完成以后，需要进行贴图、灯光以及渲染。MAYA中的材质和渲染是两个不同的概念，它们是形成最终效果不可或缺的两个部分。当一个模型建造好后为它添加材质用于表现出物体的质感，然后再将其渲染讲这种质感呈现在画面中。在为模型添加质感时可以多结合现实生活中的实例去感受。

在对场景进行添加灯光效果，首先分析下整个场景的光源的来向，灯光的效果种类。所以灯光应该是由泛光灯和区域光组成。要创建一个Point Light和Area Light，然后在Shadows面板中调节光的一些基本属性，在通过移动，旋转和缩放工具调整好光的位置、照射方向以及范围，并通过角度、方向和位置调节，找到合适的效果。

四、结语

MAYA的建模技术对中国古建进行三维设计是一种较为可行的方法之一。利用“MAYA”的三维技术手段对古建进行设计研究，可以形成一套较为完整的古建三维形态的建构方法。针对古建的三维形态建模的特殊性和复杂性，这里采用了MAYA软件建模技术进行三维建模设计研究，并利用数字图纸、航拍图以及相关影像对塔、殿、桥以及坊的形态进行具有一定规则的三维建模，实现了古建模型的三维可视化。从目前建模成果来看，利用MAYA软件技术并结合其他的辅助手段，完全可以进行一些结构复杂，建模要求高的古建筑的恢复以及重建。

参考文献：

[1] 宫本红，面向虚拟现实的古代与现代建筑优化建模技术[D].中国海洋大学，2006（4）.

[2] 范幸义，袁凌，陈剑松，中国古建筑真三维设计中的计算机技术[C]//.第十三届全国工程建设计算机应用学术会议论文集，2006.

[3] 李书明，基于MAYA技术的天坛三维虚拟建模设计与应用[D].天津大学，2011（4）.endprint