民族传统建筑元素提炼与BIM参数化建模方法研究——以广西壮族干栏式民居建筑的兽头衔象鼻形挑手为例

文_黄 雷（南宁职业技术学院，副教授、高级工程师，硕士）

李立宁（南宁职业技术学院，工程师，硕士）

郭 杨（南宁职业技术学院，讲师，硕士）

中华民族历史源远流长、文化丰富多彩，在各民族传统建筑中所包含的民族传统元素不仅形式多样、结构合理、造型美观、功能齐全，且特色鲜明、内涵丰富、自然和谐，凝聚了各民族劳动人民的勤劳智慧和进取精神。提炼广西壮族干栏式民居建筑构件挑手中的民族传统建筑元素，再与符合现代审美观念的元素融合，利用BIM建模技术，可方便工厂化大规模加工制造的模块化、装配化理念对其进行参数化设计建模。民族建筑的优良传统和艺术风格不但因此得以继承，还能通过现代设计和建造技术得以弘扬和发展。

一、广西民族建筑中的挑手特征元素提炼

广西民族建筑中的挑手是指支撑建筑物挑出屋檐的一种木制组合构件，如图1所示，它具有使屋檐向前延伸，使檐下形成一个可遮阳避雨的檐廊，既可保护檐下外墙不受日晒雨淋，又使檐下形成一个可遮阳避雨的空间。

图1   靖西某壮居象鼻莲花头挑手

木制组合构件主要由梁或枋在檐下的挑出部分及下方的插栱共同构成，如图2所示。挑手以挑出梁（枋）的数量来分类，只有一条挑出的梁（枋），没有下部装饰用插栱，称为单挑；一条挑出的梁（枋）加上下部插栱，称为双挑；两条挑出的梁（枋）加上下部插栱，称为三挑。

图2   双挑象鼻形莲花头挑手大样图

梁（枋）的挑出部分是挑手主要受力构件，承受通过檩传递来的建筑屋顶荷载，因此其外形简单实用、无过多装饰。挑手下部的插栱承担了主要的装饰功能，因此其外观通常形式多样、造型美观、寓意深刻。而挑手往往以下部插栱的外形特征来命名，如象鼻莲花头挑手。由此，以挑手下部插栱作为提炼民族传统建筑元素的主要对象。

广西南部壮族干栏式民居建筑的挑手下部插栱，多为兽头衔象鼻的形式，如图3、4所示。插 栱后部与柱或墙相连的部位多以鱼头、龙头等形状出现，寓意生活富足、人丁兴旺、健康长寿；中部为象鼻形状，寓意吉祥如意、招财纳福；前端托梁（枋）的部位多为莲花形状，寓意清廉、纯洁。这样的组合反映了古代广西壮族人民对龙、鱼、象和莲花等动植物的崇拜，以及对美好生活、崇高品格的追求。

图3   鱼头衔象鼻莲花头挑手

根据模块化理念，兽头衔象鼻形插栱可分为三个模块，即托梁（枋）的莲花头、象鼻和连柱或墙的兽头。每个模块之间根据装配化理念，并参考传统木结构的榫卯连接方式，设计参数化和标准化的凹（榫眼）凸（榫头）式连接接头。

（一）莲花头特征提炼

莲花头常见外形为倒扣的正四棱台，有单层（如图3、图4），也有双层（如图1）。双层的两个正四棱台往往相对旋转45°。正四棱台四个侧面表面常有对称布置的从顶到底的沟槽，如图5所示。四棱台顶、底面边长和高度等均设计成可通过参数调整。

图4   龙头衔象鼻莲花头挑手

图5   莲花头侧面沟槽示意

（二）象鼻特征提炼

象鼻的特征可提炼为两个相切圆弧组成的S形曲线，如图6所示。象鼻断面可以是矩形也可以是圆形。由于古代受限于落后的工具和技术，圆形断面的象鼻加工难度较大，因此多为矩形断面。现在的木材加工技术先进，所以可选择更符合现代审美观念的圆形断面。半径为R1的这段圆弧象鼻，左端连接莲花头，右端与另一段圆弧象鼻相连。为了增加一些变化，此段象鼻设计成断面为两端粗中间细的光滑过度圆弧。半径为R2的这段圆弧象鼻，右端与柱或墙连接。此段象鼻断面设计成与柱或墙连接端粗、另一端细的光滑过度圆弧，如图7所示。

图6   两个相切圆弧组成的S形曲线

  图7  S形象鼻

（三）兽头特征提炼

由于兽头往往造型复杂，可提炼抽象的特征较少，参数化建模的难度较大。为了便于加工制造，采取两侧用薄木板剪纸风格雕刻的兽头，中间夹实木的形式来营造立体精美的兽头，以龙头造型为例，如图8所示。

图8   龙头造型

二、挑手BIM参数化建模

BIM建模软件采用Autodesk Revit（2017版）进行。建模思路为：先将挑手插栱拆分为莲花头、象鼻和兽头三个部件分别参数化建模，再将三个部件组装成完整插栱模型，最后将插栱模型和挑梁、檐柱等组装成完整的挑手模型。

（一）莲花头BIM参数化建模

根据民族传统建筑中莲花头造型特点，将莲花头提炼为通过高度、底面边长、顶面边长等参数控制的正四棱台。先利用Revit构建单个莲花头BIM模型。单个莲花头样式及控制参数详见图9和表1，顶和底面正方形边长、高度、侧面沟槽间距、榫卯接头等均设计成可参数调整。

图9   单个莲花头样式

表1   单个莲花头控制参数

（接上表）

双层莲花头由两个莲花头叠加而成。双层莲花头样式及控制参数详见图10和表2，上层莲花头可通过参数选择是否旋转45°。

图1 0  双层莲花头样式

表2   双层莲花头控制参数

（二）象鼻BIM参数化建模

象鼻虽是提炼为两个相切圆弧组成的S形曲线，但是连接莲花头的这段象鼻断面为两端粗中间细，因此在Revit建模时，使用放样融合的实体创建工具，这段象鼻实际应分成两段分别创建。放样路径为相互连接的等角度的两段同圆心同半径的圆弧。组成S形曲线的两段象鼻圆弧连接处应相切。象鼻样式及控制参数详见图11和表3。

图11   象鼻样式

表3   象鼻控制参数

由于几何关系比较复杂，象鼻建模经过多次尝试才确定了一个比较好的建模顺序和参数关联逻辑。

确定象鼻连接兽头这一段圆弧的位置和长度。首先固定此段圆弧连接兽头端点与圆心的连线竖直，再根据几何关系，通过两个圆弧圆心连线水平投影间距参数XBX2和两个圆弧半径参数XBR1、XBR2控制此段圆弧角度参数XBAngl1，最后通过参数XBR1和XBAngl1控制此段圆弧另一端点位置和圆弧的长度与角度。

确定象鼻连接莲花头这一段圆弧的位置和长度。首先固定此段圆弧连接莲花头端点与圆心的连线水平；接着通过两圆弧相切的几何关系确定连接莲花头此段圆弧圆心的相对竖向坐标参数XBY（两个圆心竖向投影间距）；然后通过象鼻水平投影长度参数XBX1和参数XBR2控制参数XBX2；再根据几何关系，通过参数XBAngl1控制此段圆弧角度参数XBAngl2；最后通过参数XBR2和XBAngl2控制此段圆弧长度与角度。

象鼻两端的榫头尺寸与莲花头、兽头对应的榫眼尺寸应该匹配。因此，参数命名时不同模块模型中相同位置尺寸参数应采用同样的名称；组装成完整插栱模型时，再设置同名的嵌套关联参数，以避免混淆。

（三）兽头BIM参数化建模

为了便于工厂化加工制作，采取两侧用薄木板剪纸风格雕刻兽头，中间夹实木的形式。以龙头为例，其构造形式和控制参数详见图12和表4。兽头两侧剪纸风格板材厚度、中间实木层厚度等均设计成可通过参数调整。

表4   兽头控制参数

图12   兽头构成形式

（四）兽头衔象鼻莲花头挑手的组装

首先将莲花头、象鼻和兽头三个模块组装成完整的插栱，以龙头衔象鼻莲花头插栱为例，如图13所示。

图13 -2  组装完整的龙头衔象鼻莲花头插栱样

图13 -1  组装完整的龙头衔象鼻莲花头插栱样

再将插栱和挑梁等组装成完整的挑手。以三挑龙头衔象鼻莲花头挑手为例，如图14所示。

图14   三挑龙头衔象鼻莲花头挑手

三、结论

本文以广西壮族干栏式民居建筑的兽头衔象鼻形挑手为例，对其中蕴含的民族传统建筑元素加以提炼，利用BIM技术结合现代审美观念正向设计并创建出美观且便于工厂化加工的参数化模型。该参数化BIM模型通过参数调整能方便快捷地形成不同尺寸、不同莲花头和兽头样式的兽头衔象鼻形挑手，适配绝大多数壮族风格的建筑。在上述设计与建模过程中，关键还是对民族传统建筑元素的提炼，即并非原封不动地对建筑原有装饰形式进行还原，而是结合现代审美观念取其精华、去其糟粕。同时，提炼还要符合基于BIM模型的现代设计与加工制造技术的特点和要求，通过提高信息化和装配化水平，才能真正继承民族建筑优良传统和艺术风格并弘扬与发展。