传统建筑三维景观基因库的 “智” 构建——以石鼓书院为例

刘媛，颜金彪，彭聪，胡颖莉

（1.古村古镇文化遗产数字化传承湖南省协同创新中心，湖南 衡阳 421002；2.衡阳师范学院 城市与旅游学院，湖南 衡阳 421002）

随着时代的进步，传统的古建筑已经不再局限于文字与图片的表达，越来越多的人倾向于三维的表达。快速、准确且高效地构建三维模型是三维表达的基础。三维建模目前主要有三类方式：第一类，手动直接还原三维古建筑模型，借助测量数据对传统古建筑实现1:1 还原三维模型，优势是精细美观，但是耗时耗力，且专业性较强，由于个体化绘制差异，模型构件的重复利用率不高[1-3]；第二类，利用现存的点云数据快速且高效生成传统古建筑三维模型，但三维模型整体为一层三角面片构建的表面模型，无法区分不同的建筑构件与单体建筑，模型的重复利用率不高，且对于表面相对平滑的对象，数据冗余较为严重，如没有现存数据，将无法搭建三维模型[4-7]；第三类，借助数据驱动构建传统古建筑三维模型，在已知一定数量的不同建筑构件数据库的基础上来构建三维模型，这类核心依赖于建筑构件的数据库足够强大，才能实现传统古建筑的三维准确还原。此建筑构件的数据库可以来源于不同的数据源，如第三方静态三维模型，但是内容无法调整；使用灵活的CityEngine规则类建筑构件数据库，虽然含丰富的语义，但是无法囊括其所有类型[8-12]；结合《营造法式》相关理论生成客家建筑构件库，能够减少重复建筑构件的重编辑，提高整体的使用效率，建筑构件本身也可以再次利用[13]。虽然《营造法式》已经比较详尽地阐述了传统古建筑的建造工艺，但是如何适用于多类古建筑构模，需要进一步深究与解析出古建筑语义密码——三维景观基因库。该文以衡阳市石鼓书院为例，借助CityEngine建筑语义规则建模技术，构建一套强大的三维建筑景观基因库，利用该规则库实现三维模型的自动化拼接组合。

1 研究案例

石鼓书院是宋代四大书院之首，其三面环水，坐落在湖南省衡阳市石鼓区石鼓山上，历经唐、宋、元、明、清五朝的历史变迁。如今的石鼓书院是基于清代重建修复而成，功能涵盖丰富，既有书舍也有祠堂，同时还包含观景的亭，具有一定的典型性。建筑整体布局（图1）呈明显的中轴对称的狭长型带状分布，地势从山脚经长桥至悬山壁有升有降、沿中轴左右层层递进、高低起伏，具有典型的纵深多进的院落形式。规整的布局体现了我国儒家思想文化中尊卑有序、主次鲜明的社会伦理关系。

该研究主要针对房屋的建筑结构，构建一个通用的三维建筑景观基因数据库。该三维建筑景观基因数据库可以灵活地调整各类构件的数据，同时便于满足用户其他实际三维构模的需求。石鼓书院的古建筑是以木质结构为主、青瓦白墙为辅。建筑要素主要划分为：屋顶、屋身、台基、廊、叠涩、建筑材质和其他，并且解析出对应空间位置、布局、样式等细节（表1）。核心在搭建建筑空间三维景观语法的语义——三维建筑景观基因元数据，目的是区分出不同的三维建筑语义结构。

表1 建筑要素特征分析

2 三维建筑景观基因库的构建

该文主要区分出不同的古建筑单体，开展较为友好且智能化的快速构建书院模型。该三维建筑景观基因库内部其每一个建筑基因单元可独立、变化多样地提取或拼接，支持无缝空间拓扑关联，精准角度等参数控制，且脱离专业人士精细建模的需求，建模过程高效实用。三维建筑景观基因库主要有屋顶、屋身、台基、建筑材料4 类。其中前三者是形成结构骨架的关键，区分该3类为三维建筑景观造型库，且不同基因库存储的类别与子类别不一，构建的造型也会参差不同（图2），且每一层对象关系是可以独立生成并有效无缝关联组合，为后续建筑构件单元的智能解析、重组替换提供便利。最后的建筑材料，主要存储不同造型对象的纹理材质信息，便于外观纹理贴图。

图2 三维建筑景观造型库的规则类的逻辑关系

2.1 屋顶三维建筑景观基因库

石鼓书院的屋顶三维建筑景观基因库，主要划分成方位类、样式类、角度类、檐边类、面细化类以及脊线类6 个对象。每个对象还有对应的子对象精准参数关联，尤其是样式类，主要包括歇山顶、攒尖顶、硬山顶3 种类别，结合重檐类可以组装出更多的类别信息。对于面细化类而言主要考虑对斜面和直立面三维单体表达依赖复杂结构来组件，因此也需要单独区分。为了让用户直观辨识，CityEngine 软件还提供了对应的样式管理规则style，可以有效的灵活查看每个类别的形态关系，结合建筑材质库形成不同的建模屋顶样式（图3），结合其他对象，该屋顶三维建筑景观基因库将可以任意调节方向、屋檐长度、角度、脊线参数等，使得屋顶可以从简单到复杂的一体化管理，基因链关系更加明了，有利于参数化重复利用和精细化表达。

图3 屋顶样式管理

2.2 屋身三维建筑景观基因库

石鼓书院的屋身三维建筑景观基因库，主要划分为方位类、屋脸类、楼层类3 个对象。每个对象也有对应的子对象精准参数关联。其中核心主要是屋脸类，涉及到屋脸的方位、布局、柱子样式、门种类、窗种类、护栏等子对象，这些子对象之间的自由组合形成符合石鼓书院屋身基础造型，再根据细节的高度、宽度等参数化控制，可以调整细节变化信息。每一个屋脸都会存在差异，需要逐一讨论。最终，石鼓书院组合样式就有五种：大观楼样式、合江亭样式、武侯祠样式、山门样式和普通样式（图4）。再者，由于楼层不同，可能对应的屋脸也会有差异，比如合江亭是主要用于观光远眺的古建筑，其一、二楼主要有护栏外围，四面门窗造型，三楼则仅四面窗户，三层样式根据实用性而不同。内部不同楼层是支持便携控制与参数化调整表面，并配备相关样式库供用户参考。

图4 屋脸综合样式的管理

2.3 台基三维建筑景观基因库

台基作为承托建筑物的必要条件，主要由台阶、基身和护栏构成。为了衬托古建筑的审美与等级性，台阶和护栏会构建出不同的造型特征。禹碑亭、书舍、宗祠、大观楼的台基都存在不同的形态，核心是台阶开口方向主要有四周型、前后两面型和单面型的差别。根据CGA 参数化的优势，可以获取不同的侧面替换台阶样式模型，且台阶的层数、高度以及宽度可控（图5）。

图5 台基样式管理

2.4 建筑材质库

由于所有的造型都需要依赖材质纹理才能更加直观的表达，因此三维建筑景观基因库必然存在纹理数据库。主要涉及的材质有砖、瓦、木头等。构建一个较为庞大的建筑材质数据库，该数据库主要由不同屋顶、屋身、台基性质来分配。如，屋顶和匾联就会存在不同的样式纹理图层（图6-7）。

图6 屋顶Style 管理界面

图7 匾联Style 管理界面

3 三维建筑模型的半自动化或自动化生成

该文基于构件的三维建筑景观基因库，结合建筑结构语法规则积木式搭建三维古建筑模型，支持整体样式半自动或自动化生成。由于不同的三维建筑景观基因库主要由不同的规则文件管理，且规则文件可以配合对应的二维属性参数管理，因此一次性快速构建想要生成三维模型成为可能。其核心思路：基于想绘制三维的底层数据，结合其属性字段或者指定的参数表格，利用不同的三维建筑景观基因库文件，将共享的参数对应从总规则传递到子规则，利用带参规则传递参数的变量信息，实现必要建筑构件或整体模型的生成。半自动化与自动化生成核心差别在于自动化需要结合Python 自动更新属性参数，属性参数是预先设定的类，一键既可以实现人工调整参数，为后续图形识别自定语义参数提供必要的参数化接口。以石鼓书院为例设计86 个相关类型参数，通过统筹设置与布局，可以较为快捷地实现模型的智能生成（表2）。由于模型智能化程度相对较高，因此中间错误面片不会出现，从而避免人工干预导致的不一致性、不完整性、错误拼接等一系列问题的出现。

表2 建筑半自动化成果

4 结论

三维建筑景观基因库，可以适用于任意一种类型的三维古建筑模型，无论是简单的民居类型还是复杂的宫殿、寺庙类型都能逐一调整参数轻松实现，并且支持半自动化与自动化建模，但是局限在于如果出现不规则基础二维地块，有待更新对于每一个立面的管理。该方法为后续开展非专业人士收集古村古镇三维资料以及图像识别自动化古建的还原，提供前期的底层核心建模框架。目前整理的三维建筑景观基因库存储的数据量为800 多兆，可以调整的参数（含样式、数值等要素）高达108 种类型，可以涵盖不同类型的古建筑基础造型79200 种造型，细节变异差别可以高达45619200 种。古建筑群无论构建有多复杂，大都能比较便捷地生成与更新。