基于Revit的清代古建筑三维木构件族库研究

2019-07-10朱海珍徐东升王丽玫

安徽建筑 2019年6期

朱海珍，徐东升，王丽玫

（廊坊师范学院，河北廊坊 065000）

1 引言

中国古建筑在漫长的历史发展中，形成了以木结构为主体、风格统一的建筑体系[1]。清代官式古建筑大木构架分为大式及小式，清工部颁发的《工程做法则例》，对其权衡制度作了明确规定，大式建筑以“斗口”为模数，小式建筑以檐柱径为模数。官式大木作的设计尺度，选用”斗口”（斗科用材的断面）或柱径为基本模数，如梁枋断面、柱、檩、椽、开间、进深等皆以斗口或柱径为则，使得清代古建筑的木构架遵循着模数化极强的营造法则，使得通过建立清代古建筑木构件的三维模型族库，从而可以进一步实现清代古建筑精确模型的快速建立。

古建筑相比现代建筑，其构件与构件之间的关系较为复杂，且木构件的外形多样，榫卯连接复杂，建模的难度较大。Revit具有很强的空间表达与编辑能力，族（Family）是一个包含通用属性（称作参数）集和相关图形表示的图元组，可以被用来高效地创建异形构件[2]。因此，利用Revit对古建筑进行建模较为适用。

2 清代古建筑参数化三维木构件族库的实现

根据功能和需求的不同，清代古建筑大体上可分为宫殿建筑、宗教建筑、陵墓建筑、园囿建筑、祭祀建筑、民居建筑等。本文仅针对具有代表性的清代木构架单体建筑的构成进行研究，并以参数化建模的形式来实现其三维木构件族库的建立。

2.1 清代古建筑木构件信息的分类

根据古建筑屋顶形式的不同，其内部木构架可分硬山、悬山、庑殿、歇山和攒尖五种基本木构架形式。经过对清代木构架单体建筑的深入研究发现，无论何种形式屋顶，其构架均是由柱类、梁类、枋类、桁檩类、椽望类等基本木构件组成，并通过燕尾榫、馒头榫、管脚榫、半榫、透榫等不同的榫卯形式连接，从而构成其木结构体系。

古建筑木构件是组成古建筑木构架的基本单位，且本身具有可装配属性。木构件的整体尺寸（长、宽、高或径）取决于古建筑的面阔、进深、模数等尺寸，大体上遵循模数制及定型化的规则。木构件的细部尺寸是指依附于构件整体尺寸，表现构件细部特点的尺寸，如木构件的滚楞等。细部尺寸的确定较简单，跟整体尺寸之间有一个比例关系，如梁的滚楞尺寸为其总尺寸的1/10，其木构件的榫卯尺寸与构件本身的尺寸之间存在较明确的比例关系。古建筑木构件除椽子、望板这类屋面木基层构件外，其余均是凭榫卯结构结合在一起的。古建筑的榫卯结构取决于古建筑的细部特征，是进行木构件装配的关键。为了保证每个木构件具有唯一的名称，本文在建立族库时对采用编码制对古建筑的木构件进行编码[3]，如下表所示（以柱、梁为例）。

一级编码二级编码三级编码柱类Z 檐柱Y 正身檐柱01角檐柱02梁类L 三架梁S 正身三架梁01山面三架梁02五架梁W 正身五架梁01山面五架梁02

2.2 建筑木构件的参数化

实现古建筑木构件参数化，首先应选择合适的建模平台。目前应用BIM技术建模的软件主要包括Revit、ArchiCAD、Bentley、CATIA、Xsteel等。本文主要从功能需求、市场占有率、操作的便捷性及稳定性等方面考虑，选择以Revit Architecture作为参数化信息模型创建平台。

Revit软件是专门为建筑信息模型构件的平台，现已广泛应用于现代建筑的三维设计工作。针对现代建筑，Revit的族库丰富，其常规构件可利用项目样板直接绘制，非常规构件则以族的形式建立，然后导入项目完成其组装。而清代古建筑中的木构件不能应用Revit软件提供的构件样板直接绘制，只能为族的形立建立，然后载入项目进行装配。因此古建筑构件族库的参数化建立是实现参数化信息模型的基础和关键[4]，具体步骤如下。

①选择族样板，其中梁-结构框架族样板；柱-结构柱族样板；其它选择公制常规模型族样板。

②参照平面，根据已选定的参数来确定参照平面，参照平面主要包括位置参照平面和模型构造参照平面，分别确定其模型位置和模型的构造。

③古建筑木构件族的创建。首先，大式建筑以斗口、步架为主体参数，小式建筑以檩径、步架为主体参数，各木构件的尺寸（长、高、厚、径）为基本参数，构件的细部如滚楞、收分等为细部驱动参数，建立函数约束关系。其次，利用拉伸、融合、旋转、放样等命令创建不同类型的木构件族。如图1～图3所示。

图1 柱、梁、枋木构件族的外观显示

图2 门窗木构件族的外观显示

图3 斗栱部分木构件的外观显示

3 清代古建筑参数化三维木构件族库的应用

3.1 古建筑三维模型参数化重建方法

传统的古建筑测绘的记录方式主要有CAD图纸、数据表、影像、文字等，这些方式仅能较直观的展示古建筑外观及基本构造，但是无法系统地记录其构件之间的构造关系。而在已建立其三维木构件族库的基础上，在信息化建模的储运下，弥补了传统方式在构件形体与搭接关系上的不足，成为测绘与研究古建筑的新思路。从而，依据古建筑测绘的外业数据，从中获取柱网形式、步架、举架尺寸等主要参数，并以此为基础，通过调用本文建立的木构件参数化构件库，生成其木构架的精确三维模型。

本文是以Revit Architecture为软件操作平台，在项目中新建项目样板，利用已建立族库通过其参数化信息的修改来完成其参数化三维模型的建立。

3.2 以山东曲阜享殿——清代大式歇山建筑为例

不同形式的古建筑木构架，其构造方式也不相同。山东曲阜孔林享殿，建于公元1732年，即清雍正十年，大式歇山建筑，面阔五间，进深三间，施五踩双昂斗栱。下面以山东曲阜享殿——大式清歇山建筑形式的木构架为例，阐述建立其三维木构架模型的具体步骤。

①布置平面柱网。应用RevitArchitecture软件平台，根据享殿的面阔和进深尺寸绘制其柱网布置图。

②根据台基的尺寸直接在项目中创建台基。

③下架：柱子的排布，枋子的装配，斗栱的布置等。柱子以族的形式载入项目中，柱础的位置确定，在与柱础相应位置上放置柱构件，完成柱子与柱项石的组装。枋子通过燕尾榫安装于柱头。斗拱层的装配，首先在立面图上确定榫卯位置，绘制卯口底层放置高度，然后利用对齐工具使柱的榫头与斗拱的卯口相互吻合。

④上架：三架梁、五架梁、瓜柱、桁、枋等构件在下架上又组合成若干个水平框架，形成上架。上架中，梁是主要的承重构件，带斗拱的大式建筑中，位于斗拱之上。梁的装配应使其两端下部的海眼与柱头的馒头榫吻合，同时梁的背面还要考虑与瓜柱柱脚榫吻合。桁通过桁碗安装于梁的两端及脊瓜柱的桁椀内，是古建筑构件中结构较为简单且易于装配的构件。屋面木基层位于梁架之上，包括椽子、望板、大小连檐等，需通过控制各装配关键点的标高及权衡各构件间的空间布局，完成其装配。

⑤木装修：主要包括隔扇门窗的装配。此实例中为金里安装修，装修形式明次间为隔扇，梢间为槛窗，因此，在前檐金柱间完成其隔扇和槛窗的装配。其建成模型如图3。