装配式少数民族建筑的参数化建造研究

张姗，孙建刚，张庆高

（大连民族大学，贵州 铜仁16650）

1 引言

本文提出的参数化少数民族建筑构件，像搭积木一样“由局部到整体”，由构件到结构再到整体建筑，首先确定房屋整体模数下各个构件的具体尺寸和数量，然后按照苗族建筑的营造特点进行装配，最终形成模型与信息的结合体。此方式使模型与信息拥有了强大的结合能力，满足了少数民族建筑高效率保护及信息保护的需求，对文化遗产的还原保护和传承起到一定的促进作用。

2 点云数据的采集与处理

在数据采集之前，须分析最具有参考价值的单体进行高精度扫描，并且对现场进行勘察，设计出最优扫描方案。采集完成后，得到的原始点云数据还要经过预处理、数据拼接、数据去噪和纹理映射等过程，才可以得到清晰且完整的民居建筑构件点云数据。

3 杆栏式木建筑工艺

3.1 平面结构

苗族建筑的平面结构一般可分为四排柱三开间，也有六排柱五开间，厢房以正堂为中线对称分布。中柱选材的要求特别严格，并且必须通直落地，不能用2 根柱拼接，且它的直径一般相对于侧柱稍大。框架结构一般为五柱四瓜。每榀框架的前侧第一根不落地的柱叫瓜[1]。

3.2 立面结构

一般建筑的高度有一丈八尺八寸、二丈一尺八寸或一丈五尺八寸（1 丈=10 尺，1 尺=10 寸，1 尺=33.33cm），这些高度的尾数都以八结尾[2]。苗居吊脚楼按功能可分为3 层：第一层为牲畜杂物层；第二层为起居活动层；第三层谷物储存层。

房屋分前后坡，屋面坡度为55%或70%（55%坡度的水平面与地面夹角约为20°、70%坡度的夹角约为25°）。屋面上每根柱和瓜的顶端都放有和枕一样的木条叫檩条[3]。檩条上顺屋面钉有10cm 宽的椽皮，2 块椽皮间距一般约为13.3cm。

3.3 苗族民居建造设计

苗族建筑的基本建造过程分为以下8 点：

1）地基选择；

2）准备材料和工具；

3）建房时令与工期；

4）地基的处理和筑台；

5）制作木构件：工人们通过师傅画的墨线拆枋凿眼，并将所有构件都准备好，最终形成构件表；

6）木构架的搭接和竖立：苗族人民采用了巧妙合理的节点连接法，分为以下3 种：（1）梢连接，有较高的紧密性和韧性；（2）齿连接，通过构件与构件直接抵承穿力，分为单齿连接和双齿连接；（3）榫连接，枋头做成燕尾榫，嵌入柱内，如图1 所示。

7）上瓦；

8）安装楼板和楼壁。

图1 梢连接、齿连接、榫连接

4 参数化构件图库的设计与实现

少数民族构件结构形态各异，通过几何空间计算准确地分析出对应构件，设定参数，制订构件描述方案，把构件分解成简单的单一模块，从组成对象的所有几何单位做起，才能把这些建筑构件转化成GDL 语言的指令集，再把这些指令通过坐标转换放到合适的位置形成完整构件。最终集成所有GDL 构件形成完整的少数民族构件图库。

4.1 ArchiCAD 与GDL

ArchiCAD 支持Windows 和Mac 系统，这就是ArchiCAD所拥有的多平台共享功能管理。而GDL 的处理流程是收集数据到ArchiCAD，然后提交到GDL 编译器，编译器就会读取对象的空间定位、实际尺度、自定义参数值等。根据编译器信息创建几何体，内存里的几何体通过3D 渲染引擎表达出来。

4.2 几何体创建

在创建苗族构件几何体时会通过运用GDL 语言中涉及的3D 形状生成命令，再由节点、向量、边界、主体组成的内部原始3D 数据结构来解释二进制文件，并使用切割平面的方法处理模型。本文通过对苗族构件的几何创建得出以下3 点技术解决方案。

1）对于一个复杂的几何体，描述方案会有很多种，所以在编写比较复杂的苗族建筑构件前会先拟定一个最优方案，能起到高效率、低冗余的创建效果。如在编写有规律的镂空栅格窗户时可以选择通过定位隐藏几何体上的线面来达到镂空效果，也可以通过逻辑控制语句来执行，通过比较这2种方法，后者优势更大。

2）编写的过程中虽然2D 与3D 可以相互引用特定的脚本，但如果需要定义一个全局变量，应在样板里去定义，这样改变一个参数才能同时在2D 与3D 里产生相应的改变。由于ArchiCAD 是最先执行样板脚本（主脚本），它的优先级是最高的，再去执行参数脚本、2D 脚本、3D 脚本，且两者的在定义的时候是不能公用的，因此，在写入这样的脚本时优先写入样板脚本。但在编写一些比较复杂的窗花时，也可以通过编写2D 脚本再加设投影命令等，能直接得出三维模型。

3）苗族建筑的屋顶独特，其几何算法相对复杂，研究发现可在屋顶构件里加设特定热点，即HOTSPOT，通过热点算法满足少数民族建筑的基本尺寸关系。不仅对屋顶如此，一榀框架、栏杆等也可设计热点。

5 构件调用及装配

5.1 构件图库

已经创建的GDL 构件可以整理成一个图库文件夹或者是.icf 格式的文件，而且ArchiCAD 还提供了GDL 构件保密系统，只有通过输入密码才能修改或查看原创作者编写的GDL 构件源代码。当在调用GDL 构件进行装配时，可通过ArchiCAD 的菜单文件中的图库管理器命令访问项目中的图库或添加本地新建图库。

5.2 装配房屋

通过调用创建好的GDL 构件，装配出满足设计要求的房屋单体模型，有了详细的模型，图纸只是副产品，可以任意切割出剖面、平面，以及图层显示的组合，表达出不同侧重点的内容。选择好视图后，就可排版发布成dwg、PDF 等格式。装配建筑预期成果如图2 所示。

图2 装配建筑预期成果

搭建好的模型通过导出BIMx 超级模型，可手动添加到移动端BIMx 软件，BIMx 的Hper-Model 能把模型信息和图纸用非常完美的方式结合在一起，展现给用户观看。

6 结语

本文通过研究苗族建筑的设计思路，为其开拓出基于传统建造规律下的新型设计方案。在设计建造过程中只需确定所需整体模数，然后根据整体模数匹配、调用出对应的构件，随之将对应构件以苗族建筑的装配方式组装房屋，最后得到信息与模型的结合体BIMx 模型。装配式少数民族建筑的参数化建造方法可优化传统的民居建造过程，且满足了当今社会对少数民族文化遗产的保护需求，也顺应了高效率、可持续的建造要求。