3D打印技术支持下的西直门城楼建筑复原

（北京建筑大学建筑与城市规划学院，北京，100044）

1 西直门的历史沿革

西直门是明清北京城内城九门之一，其前身为元大都的和义门。元至元四年（1267年），元世祖忽必烈在原金中都城东北太液池沿岸新建都城，按照《周礼.考工记》“匠人营国”制度的要求，在东、西、南3面城墙各开3门。和义门即为西城墙的中央城门。元初，大都武备实力雄厚，无外来威胁，因此大都城门均未构筑瓮城。元至正十九年（1359年），农民起义激烈，为加强都城防卫能力，元顺帝诏建大都11座城门的瓮城。

明洪武元年（1368年）九月，明军攻破大都，改名为北平。明将徐达遂废大都北墙及东、西城墙北侧城门，于城中新筑城墙。和义门遂成为北平西城墙最北的城门。明永乐十七年（1419年），改和义门为西直门，同时将和义门瓮城城台包砌在箭楼城台之下。明正统元年（1436年），开始修建九门城楼，4年完工。

清光绪二十年（1894年）修缮西直门城楼。1912年清帝逊位后，城楼及箭楼曾被多次拆、改，只有西直门城楼、箭楼、闸楼、瓮城保存完好，未有大的改动。

1969年，因修建环线地铁（今地铁2号线），西直门城楼、箭楼、闸楼、瓮城被全部拆除。在拆除箭楼过程中发现了元和义门瓮城遗址，可惜未予保留。

2 城门复原的度量依据

作为北京内城九门之一，西直门的基础资料较为丰富，包括老照片、文字记载、测绘数据等。与西直门有关的历史资料，主要参考喜仁龙所著《北京的城墙和城门》[1]及孔庆普先生《北京的城楼与牌楼结构考察》[2]中的西直门测绘数据。在清代建筑制度方面，主要依照清工部《工程做法》[3]以及梁思成先生编著的《清式营造则例》[4]，同时结合清代城墙的其他建筑资料，要求最大限度地满足法式要求、接近历史照片的形象。

在营造尺与公制尺的换算上，清代一营造尺约合320 mm，但此次复原并未直接采用这一数据。西直门始建于明代，在清代从未进行大规模重修，故而其平面尺寸应仍为明代营造尺核算所得。《明代官式建筑大木作》[5]将明代营造尺范围确定在317～320 mm之间，在对西直门城楼的平面尺寸研究中，从317 mm开始以0.1 mm为单位进行核算，最终发现在一营造尺合318.2 mm时所得尺寸最为齐整。因此，在建筑复原中全部按照一营造尺等于318.2 mm进行计算。表1红色数字即为此次建筑复原采用的尺寸。

表1 西直门城楼复原尺寸数据

3 复原难点

3.1 上檐进深的确定

现有的西直门文字资料与实测数据中未见有上檐桐柱柱间距的记录，通过对历史照片进行分析与计算，根据照片得出上檐山面次间与明间的比值约为1:2.2～1:2.3。已知山面明间阔13尺，故而其次间阔应为5尺6寸至6尺之间。若按梁思成《清工部〈工程做法则例〉图解》做法，山面稍间以半攒角科与半攒平身科定宽，按1攒间宽11斗口核算（实际的上檐斗栱宽度达不到11斗口），则次间宽小于4尺9寸5分，远小于照片中实际宽度（图1）。若在上檐转角部位使用连瓣斗的做法，则角科宽度增加3斗口（1尺3寸5分），次间宽小于6尺3寸，与历史照片上的尺度相当。最终的方案，将次间尺寸确定为了5尺7寸，与历史照片的形象相互吻合（图2）。

3.2 步架与举架的确定

由于历史照片中西直门上檐用4柱，结合每柱之间的距离，可知西直门城楼的步架数应为4或6。由于次间尺寸与斗栱尺寸确定，故知檐步宽8尺4寸。若步架数为4，则脊步宽6尺5寸；若步架数为6，则脊步宽3尺，金步宽3尺5分（图3）。这两种情况都不完美，若取4步，则屋顶转折太过生硬；若取6部，则金、脊步太短。由于无法考证古代工匠在建造城楼之时的具体方法，只能在分析理解的基础上取用最合理的数据。两相对比，此处将步架数取为6，用7檩更为恰当（图4）。因为明代建筑檐步宽度远大于金步和脊步，符合做法制度；而且7檩建筑的屋面曲线更加柔和，也更符合老照片的面貌。

3.3 檩的做法

清代，檩常与垫板、枋木组成“檩三件”。此次复原中脊檩即用这种做法。而上金檩的位置，由于柁墩过矮，故而取消了檩垫板下枋木的设置（图5）。此种做法在先农坛拜殿与太岁殿都有实例。下金檩的位置，在垫板与枋木之间设置了一排襻间斗栱（图6）。襻间斗栱为明代建筑所常见，此后便逐渐消失。这些特殊做法主要出自对实际情况的考量，也是对于明代建筑细节做法的一些探索和尝试。

3.4 踩步金

踩步金是歇山建筑特有的做法，用来承接山面椽子的后尾。清代，踩步金梁头为檩，中央为梁，造型独特[6-7]。而明代，普遍做法是踩步金檩，即山面檐椽直接搁置在这根檩上。其做法较清式踩步金梁更为简洁（图7）。此次复原中，依照先农坛拜殿与太岁殿的踩步金檩制作了城楼的踩步金，用来说明明代建筑与清代建筑的一些差别（图8）。

此次复原的最终成果，除了传统的平面图纸及数字模型之外，还包括了3D打印复原模型（图9）及木质斗拱模型制作。对于中国古代建筑模型的制作，国内仍一贯坚持以传统的木制工艺为主，且这种观念早已深入人心，故而对于新兴的3D打印技术难免会有所排斥。此次尝试也是将3D打印技术运用于建筑复原领域的一次实践，希望借此可以将3D打印技术融入建筑复原领域，并为复原设计提供更多的帮助。

4 3D打印技术

3D打印技术出现于20世纪80年代中期。3D打印技术在学术界一般被称为増材制造、堆积制造、增量制造或快速原型制造。由于这种制造的成果是真实的三维模型，与“3 Dimensions”概念相契合，所以人们就为它起了一个通俗形象的名字——“3D打印”。

3D打印技术大大降低了工件制造的复杂程度，为制造行业的发展提供无限的空间。在全球范围内，越来越多的科技人士提出了利用3D打印快速成型的工艺来替代传统的手工加工或控制工艺。

4.1 3D打印技术在建筑复原中的应用

欧美等国已尝试过将3D打印技术应用于著名历史建筑复原（图10）。2015年，极端组织炸毁了叙利亚巴尔米拉古城中具有2 000多年历史的贝尔神庙，神庙入口15 m高的胜利拱门幸存。由美国哈佛大学、英国牛津大学和阿联酋迪拜博物馆合作建立的数字考古学研究人员根据数千张胜利拱门的照片，对其进行了数字化模型构建，最后运用3D打印技术成功将胜利拱门异地复原重建，并在伦敦特拉法加广场上公开展出①数据来源于娘热民间艺术团副团长。。

除此之外，3D打印技术还被应用在建筑修复领域。2014年，美国就尝试使用3D打印技术修复由建筑大师赖特设计的南佛罗里达学院。这座建筑群于1938年至1941年间由赖特亲自设计建造，运用了钢筋混凝土结构，由于长年风化侵袭，建筑表面已经损坏严重。修复团队使用了3D打印技术复制了赖特的水泥砖结构，省去了原来繁琐的人工砌筑过程，降低了修复的成本，加快了修复的进度②笔者根据苏州博物馆大事记及官网展览信息统计。。

对于已经消失的重要历史建筑来说，原址重建几乎不可能，国际宪章也从原则上反对任何形式上的重建。随着虚拟仿真技术的发展，数字化建筑复原可以在一定程度上给予接受者一种独特的视觉体验。但这种建筑复原展示终究还是通过一个平面来展示三维空间，未能形成可触摸的实体，无法给予接受者直观感受，最终还是需要通过缩微建筑模型的制作，给予接受者可触碰的真实体验。中国古代建筑模型一直以传统的木制工艺为主，只有这样才能更好地反映中国古代建筑的特性与气质。但是传统的木制工艺，无论是手工操作还是机器切割雕刻，都无法把建筑模型的比例做的太小，木材的纹理特性也限制了更加精细地加工处理构件的细节。3D打印技术的出现，在建筑遗产数字化复原的基础上，为古代建筑的复原研究提供了一个新的平台。在这个平台上可以开展科学严谨的复原研究，可以重现古代建筑形象，还可以多方案开展古代建筑复原的实验。可以说，将中国传统建筑模型复原制作与3D打印技术相结合是一次大胆的尝试，既有利于建筑历史的研究，也有利于建筑遗产的保护[8]。

4.2 3D打印复原建筑模型的优点

对于中国古代建筑模型制作，传统加工方式是以对木材实施切割削刨等“减法工艺”为主，而3D打印技术则反其道而行之，通过对于材料逐层叠加的“加法工艺”得到成果。因此，3D打印技术的独特成型方式有以下优点[9]：

(1)成型速度较快，利于批量生产。传统工艺制作两个相同模型，需要两倍时间，而3D打印只需保存好一套数据就可以直接打印，不必重复劳动。打印机一旦设定程序就自行工作，无须人工监控，提高工作效率。3D打印还支持远程数据传输，节省更多的工作时间。

(2)成型精度高，整体性能好。传统工艺加工构件细部时，经常会出现戗茬劈裂的问题，对门窗格栅等细部分则要小心翼翼。3D打印技术只要达到材料最低成型厚度，无论多么复杂的细部做法，均可实现完美表现出来。3D打印出来的模型整体成型，各构件之间不会挤压变形，整体效果非常美观。

(3)节约工料、节能环保。传统工艺加工木材产生大量的锯末废料。3D打印技术除了一些支撑材料对环境有污染外，主体材料没有污染之虞。打印过程不会产生过多废料，易于清洁，低碳环保。

(4)成型材料性能稳定。木制模型容易受潮变形，3D打印材料不易受潮变形，易于保存。而且可以通过抽壳等方式减轻模型整体重量，构件拼拆自如，便于运输与巡回展示。

(5)操作技术门槛不高。相较于传统的木工手艺，3D打印技术的操作方式简单易学，便于操作，不需要多种机床协同配合，大大降低制作过程的复杂程度。

(6)时下最为先进的3D打印机可以实现全彩色打印，仿真度极高，甚至可以为古代建筑的彩画复原提供可能性。据悉现在正在研究3D打印的复合型木粉材料，这将使得古代建筑的复原模型更加贴近原材料的质感和色彩，也更容易为人们所接受。

5 3D打印建筑复原模型的步骤

5.1 复原材料的整理

收集整理建筑相关资料文献，明确复原依据，解读古代建筑内部结构构造。依据不足时需要开展对于同时期、同类型建筑的调研测绘工作，进行类别比较，对建筑结构和构造进行推敲，结合文献深入分析建筑的时代特征，从而形成建筑复原的框架依据。

5.2 复原图纸绘制及模型构建

根据复原的框架依据，确定建筑各部件尺寸，并与历史照片相协调，得出最终复原的设计方案。进行相关CAD图纸（平、立、剖面图）绘制，运用建模软件进行数字化模型制作。

5.3 模型整理工作

为保证模型整体精度，在打印之前需对模型数据进一步进行整理（图11）。

因复原数据不严密或者制作过程中不规范，模型中极易出现杂线、破面，影响打印成型效果。需要把模型各构件的图层分理好，剔除独立边线和多余辅助线，闭合破面，并将所有平面翻转至正面向外。

因3D打印机台面尺幅的限制，需要将整个模型切分成若干体块，并在接合处添加相应的榫卯构建，方便拼接成型。拼接榫卯口应同传统工艺一样留有些许公差。

因3D打印整体成型，内部完全填充，为避免最终模型过于沉重，需对墙体、柱梁等厚重实体进行抽壳处理，即在构件内部做出空腔，减小构件重量。抽壳时无需过多担心构件承重问题，3D打印材料采用硬化树脂进行光固化成型，结构强度足够。

将调试好的模型传输至打印机软件中进行测试，直至不见任何错误为止。此过程较为枯燥费力，需要反复测试。建议将构件分置于不同图层，依次分批筛查，这样有助于减少工作量，提高工作效率。

5.4 模型打印

将整理完毕的建筑模型转换至相应格式，传输至3D打印机中，待其自动调试完毕即可自行打印。打印期间需要不定时关注打印机运行情况，保持材料充足即可。值得一提的是打印期间需要保持打印机的供电稳定，一旦断电可能前功尽弃（图12、图13）。

5.5 剔除支撑料

打印完成之后，可将建筑模型沉于水中浸泡一段时间，有助于支撑料自动脱离剥落。之后再用小铲、刷子等工具手工剔除支撑料，由于成型材料硬度较高，不必过分担心金属工具会对模型表面造成划痕。需要注意的是模型中一些细部构件尺寸较小，根脚脆弱，在操作中应当悉心保护（图14）。

5.6 最终打印成果

整个建筑模型打印清理完毕后，进行分块模型的拼接。对于剔除支撑料过程中产生的破损进行修补。最后使用水枪将整个建筑模型冲洗干净（图15）。

此次西直门城楼复原，运用的connex 500机型，其分层厚度设置为0.03 mm，材料最小成型厚度1 mm。城楼模型整体被分为10块，分块打印，整体拼合。最终各部分之间实现无缝衔接，构造细部很是精致。整个打印时间约为300 h。

6 结束语

如今，对于消失的重要历史建筑都可以进行基于3D打印技术基础上的复原研究，这将极大地拓展全社会对于历史建筑了解和认识的程度，增加全民对于历史建筑的关注和兴趣，提高他们保护建筑文化遗产的自觉性。对于那些现存的历史建筑，可以使用三维扫描技术建模，直接运用3D打印技术完成模型的制作。

对于具有完备影像、图片和文字资料记载的历史建筑，利用3D打印技术可以进行数字化处理，在实现历史建筑数字化展示的同时，对历史建筑的保护也有着重要的现实意义。

3D打印技术对于建筑复原的研究，不仅限于模型的制作，更为重要的是建筑保护研究过程中的一个重要辅助手段，在复原研究过程中可随时对关键节点进行实体打印，直观地观察效果，纠正错误，为建筑复原提供即时的重要帮助。相信3D打印技术的不断完善，将会为历史建筑的复原研究提供更大帮助。