以佛光寺大殿为例研究古建筑模型制作

吴昊天，徐振华，黄 冠

(北京城市学院，北京 101399)

中国古建筑文化博大精深，随着时代的发展，古建筑文化重新被世人传承与发扬，而与其紧密联系的古建筑模型制作文化也有着不可替代的价值。古建筑模型制作工艺也应该结合时代的发展，积极与新技术融合。在传承传统技艺的基础上，不断推陈出新，从而真正达到传承与弘扬中国古建筑文化及其相关文化的目的。本文从古建筑模型制作入手，以佛光寺东大殿为研究对象，重点探究古建筑模型制作与3D打印技术、激光雕刻技术的结合，探寻新型科技技术与古建筑模型制作的融合。

1 研究中国古建筑模型制作的目的与意义

1.1 中国古建筑模型的历史渊源

古老的中国最早在西汉时期就出现了利用陶、铜、石、木等材料在小型器物上以模型的形式反映当下的建筑，此时的模型大多作为古代人们下葬时带入地下的随葬器物，即为明器。汉代的建筑明器出土范围较广，类型大多一致，多为房屋、楼阁、院落等。例如1993年出土于河南焦作白庄6号东汉墓中的七层连阁式陶楼为仿中国传统的木构高楼建筑。最早明确记载把古建筑模型制作用于建筑设计的是隋朝的宇文恺((唐)魏征：“列传三十三·宇文恺”，《隋书》)。据史书记载，宇文恺专门制作了明堂的木模型，以供皇帝审查方案，“其样以木为之，下为方堂，堂有五室，上为园观，观有四门”。而在宋代文莹撰写的《玉壶清话卷二》当中记载：“将开建宝寺塔，浙匠喻皓料一十三层，郭(郭忠恕)以所造小样末底一级折而计之，至上层余一尺五寸，杀收不得。谓皓曰：‘宜审之。’皓因数夕不寐，以尺较之，果如其言。” 根据建筑师喻皓设计制作的建筑模型小样，发现了其中存在的错误，避免了一场建筑工程事故。在《带经堂集蚕尾续文》卷七《梁九传》当中记载，康熙三十四年(1695)，建筑师梁九主持重新修建因火而焚烧的太和殿，在动工之前，他亲自制作了1∶10的太和殿模型，而正是根据建筑师梁九所制作的模型，太和殿才得以顺利完工。刘敦祯老先生在《中国古代建筑史》中写到：中国古代用建筑模型的方式直观表现建筑一直持续到清末。而随着时代的发展，封建社会逐步沦为半殖民地半封建社会，中西方文化的大融合等时代背景下，古建筑模型制作也产生了深刻的变化[1]。1925年朱启钤开始筹办营造学社，多次开展中国古建筑学术研究。1930年营造学社正式成立，先后吸引了梁思成、林徽因等学者加入，并在全国范围内收集“样式雷”家族制作的模型、烫样、图纸。新中国成立后，一些政府部门、民间组织、高校等积极开展古建筑模型制作相关活动，保护并发展了中国古建筑模型的制作技艺。而时至今日，随着广大学者对于中国古建筑文化研究的深入，对于中国古建筑文化的认同与自信，越来越多的力量、资源投入到了古建筑模型制作领域当中。

1.2 中国古建筑模型传统制作工艺

当代社会由于文化的发展、环境的变革、材料的升级迭代、科学技术的普及等原因，已经不再适合大规模建造中国传统古建筑了，现在新建的古建筑经常是徒有其表，内部多为钢筋混凝土结构，外部采用砖瓦等材料装饰，已经失去中国传统古建筑的精髓。而如果没有古建筑模型，我们就无法对古建筑进行保护性研究、相关学科领域上的教学以及对古建筑文化的普及与观赏等[2]。正是因为制作古建筑模型的必要性，古建筑模型制作工艺也成为了不可缺少的环节。传承传统的古建筑模型制作工艺，对于古建筑模型的发展具有促进意义，也能更好的弘扬中国传统古建筑文化。

而传统的古建筑模型制作工艺是根据中国传统古建筑营造法式的发展而产生变化的一种以木材料为主要原料，以陶、石、铜、染料等为辅助性材料，并且以柱网结构、榫卯方式进行搭建，经过了画草图、选材料、材料加工等多道工序而形成的传统手工技艺。因其工序复杂，又均为手工制作，所以需要匠人极高的制作手艺。制作的工序分以下步骤：首先是画草图，先定外形尺寸，再定内部结构[3]，画出需要进行制作的模型；其次是选取材料，传统古建筑模型多选择核桃木、梨木和楸木等柔性较好的材料，方便后期的加工制作；选材完成后对所选材料进行入窑烘干，防止后期木材产生变形；烤干完成后，需要进行制作台基、树立柱、成柱网；柱网层完成后，需要制作铺作层，建梁架、造屋顶。以上工作完成后，就是增加门窗装饰，进行油饰彩绘，丰富古建筑模型。传统的古建筑模型制作工艺全面传承了中国古建筑采用的多种复杂结构及升起、侧脚、榫卯等独特技艺。

1.3 中国古建筑模型制作研究的目的和意义

中国古建筑在1840年鸦片战争爆发后，一度出现断代的现象，逐渐从大众视野当中散去，失去了往日的光彩。但是伴随着社会的发展、思想的进步、民族的解放，一大批建筑大家如梁思成、刘敦桢、林徽因、吴良镛等先生的笃志躬行，以及许多具有本土情怀的建筑从业者的努力，经过几代建筑师的探索与实践，渐渐唤起了广大民众对于中国古建筑和与之相关民族文化的关注，不断提高着广大群众对于中国古建筑及其相关文化的保护意识，孕育了广大群众对于中国古建筑及其相关文化的热爱，使中国古建筑和与古建筑相关的文化在新时代的背景下重新散发光芒。古建筑模型和其制作工艺作为重要的中国古建筑文化组成部分以及对中国古建筑进行研究的方式方法，其历史地位极高，并且从古至今都发挥着重要的作用和不可替代的价值。而对于学习古建筑模型制作工艺以及探索古建筑模型制作方法，其背后的意义与目的是对中国古建筑文化以及与其相关文化的弘扬与传承，可以更加彰显出文化自信，体现出中国古建筑文化的深刻内涵，吸引更多的人关注与了解中国古建筑。其次是会对现存古建筑的保护与修缮起到重要作用，也为相关学者的研究提供基础。

2 以佛光寺东大殿为研究对象的原因

梁思成认为，中国建筑发源于汉，成熟并呈豪劲之势于唐，臻于完美醇和于宋，明后出现衰老羁直之态势。而佛光寺东大殿建于唐大中十一年(公元857年)，它记载了大唐时期木结构建筑的结构体系和外观装饰，成为后世认识和研究唐代建筑极为珍贵的实物资料。它的屋顶形式、斗拱样式、独特的大叉手、“侧脚”和“生起”、梁架各部分的比例关系等等诸多细节都是唐代建筑特有的标志和符号。它传递出古人不同于东方的营造观点，它真正所代表的是古人对于建筑与艺术结合的深度思考。

而佛光寺东大殿的木结构体系正是对于唐代建筑营造手法的完美表现，木结构体系包括斗拱、内部空间、屋架。佛光寺东大殿的斗拱采用高等级的七铺作斗拱，为全球现存唐代木建筑中的孤例。虽然《营造法式》当中记载了最高铺作等级为八铺作，但是目前世界上没有发现具有八铺作的木构建筑，而佛光寺东大殿的斗拱成为现存最高等级的铺作。佛光寺东大殿的平面空间为金厢斗底槽，即内外两圈柱子围合而成的，佛坛位于内圈柱子围合而成的内槽空间，而外圈柱子围合出了一个宽阔的礼佛空间。佛光寺东大殿的结构是立柱一层、斗拱一层，斗拱上托平闇，平闇上面是屋架。而屋架与斗拱、空间相互影响，共同组成了佛光寺东大殿的木结构体系。而通过对佛光寺东大殿进行模型制作可以更好的研究与了解唐代建筑的营造手法，真正传承唐代建筑的风韵。

3 利用新型技术进行古建筑模型制作

3.1 3D打印技术与古建筑模型制作的结合

1)3D打印技术概述。

3D打印技术作为一种新型的制造技术，将新型材料、计算机科技、数控机床技术、机械制造等综合利用，将所获取的模型用3D打印机层叠形成三维结构实体，主要材料有工程塑料、光敏树脂、金属材料等。3D打印技术在建筑领域应用的主要流程是获取相关数据，创建数字三维模型，图层切片处理，图层切片路径规划，图层切片叠加。美国3D打印技术委员会按照如下方式定义3D打印技术：3D打印技术完全不同于传统材料加工方法，以 CAD模型数据为基础构建模型并且逐层增加材料，制造出和三维物理实体模型完全一致的数学模型[4]。

2)3D打印技术在古建筑模型制作当中的应用——以佛光寺东大殿为例。

3D打印古建筑模型的主要流程为:对中国古建筑营造技艺进行研究→实地勘测→利用CAD绘制基本图纸→利用草图 大师等3D设计软件建立三维模型→利用切片软件对三维模型分层切片→将处理好的三维模型导入3D打印机→最终形成古建筑模型。

第一步：充分利用身边的资料文献，对古建筑结构进行研究分析，掌握基本的古建筑营造技术。

第二步：在经过前期对古建筑的结构进行研讨与研究后，对古建筑进行实地勘测，利用地基雷达测绘技术、激光扫描技术等手段对古建筑现状进行测绘，测量记录建筑数据，拍摄大量屋顶、柱网、梁架、门窗等细部照片，方便后期模型制作。

第三步：调研测绘完成后，进行数据整理，依据所获得数据对建筑进行CAD图纸的绘制，图纸包括：平面图、立面图(见图1)、剖面图、总平面图。

第四步：通过绘制完成的CAD图纸，利用草图大师进行数字化三维模型制作，在此过程中除制作整体模型以外，对于部分主要构件，例如转角铺作、补间铺作等需要进行单独处理与制作。

第五步：把制作好的整体模型导入切片软件中进行分层切片处理(见图2)，导出STL格式文件，通过优盘或者蓝牙连接进行传输，导入3D打印机(本次研究过程中模型打印比例的设置为 1∶200)进行打印。在打印前需要完成调平、预热、进丝等工作。

3)利用3D打印技术制作古建筑模型所存在的问题。

问题1：古建筑模型内部结构复杂，进行整体模型的打印，会出现乱丝、缠丝等现象。而由于材料的原因，模型表面极其粗糙，需进行人工打磨，大大降低了模型的精度，影响模型的美观。问题2:建筑模型的比例会受到3D打印机的制约，如果进行1∶10，1∶50的模型制作，需选择尺寸更大的3D打印机。问题3：如果是单独构件进行打印，因为古建筑构件的复杂多样，极有可能出现构件错乱的情况，最后导致无法组装成为整体模型。

3.2 激光雕刻技术与古建筑模型制作的结合

1)激光雕刻技术概述。

激光雕刻是以数控为基础，激光为媒介，对材料进行切割或印刻加工的技术[5]。激光雕刻技术的特点是：与所选材料表面没有直接接触，不会受机械运动所产生错位的影响，表面不会产生变形，一般无需固定。另一方面，使用激光雕刻技术不受材料的弹性、柔韧性影响，更适合对一些较软的材质进行加工。加工过程中可以保证较高的精确度，加工速度快，也经常用来加工建筑模型的相关构件。

2)激光雕刻技术在古建筑模型制作当中的应用——以佛光寺东大殿为例。

激光雕刻技术制作古建筑模型的主要流程为：对中国古建筑营造技艺进行研究→实地勘测→ 利用CAD 绘制基本图纸→利用草图大师等3D设计软件建立三维模型→机器调试与定位→模型数据导入与机器切割→模型组装与加工修饰。第一、二、三步与3D打印流程相同，在此不过多介绍。第四步：与3D打印直接建立模型不同的是，利用激光雕刻技术需要重点关注模型的组装接口。在三维模型中进行模型构件的调整，确保构件之间可以相互拼接联系，之后对构件进行拆分，利用软件自带的剖切功能输出DWG格式文件。第五步：将输出的DWG格式文件重新整理核查后，启动激光雕刻机电源，首先进行机器调试激光打点操作，其次是利用方向键调节激光头从而确定雕刻的基点。第六步：打开激光雕刻输出、控制软件，导入文件后，设置相关参数。检查确定冷却系统、排气系统状态良好，盖上盖子后进行切割工作。第七步：切割完成后将各个构件取出，进行相应构件的编号以及利用砂纸或磨砂机进行打磨，主要去除激光切割后的碳痕，并且按照编号对构件进行组装，从而形成古建筑模型。

3)利用激光雕刻技术制作古建筑模型所存在的问题。

问题1：由于激光雕刻机的可切割材料厚度有限，其工作台面尺寸的限制，经常出现由于比例问题构件无法组装，需要反复尝试的情况。问题2：激光雕刻机是通过激光器聚焦激光作用于材料表面，切割时会产生一定宽度的切缝，切缝宽度与激光切割功率、速度、焦距和切割深度有关[6]。而切缝宽度对于模型的影响较大，切缝过宽或过窄都会影响模型的组装以及模型的精确程度。问题3:激光雕刻机对人体具有一定的危害，例如切割过程中会产生大量有害气体与粉尘，放射出的激光会灼伤眼睛、皮肤。如果操作不当或者是设备出现故障，可能使人体遭受致命电击或者是引发火灾，对使用者的生命安全构成威胁。

4 结语

在本次研究过程中，主要是采用3D打印技术、激光雕刻技术对佛光寺东大殿进行模型制作，得到了两项技术与古建筑模型制作的工作流程，发现了其中存在的问题，实现了新型技术与古建筑模型制作的融合。通过引入新型技术，提高古建筑模型制作效率，该研究成果适用于对古建筑进行保护性研究、修复等领域；适用于相关专业学科教学、课程体系建设等领域；适用于古建筑文化的普及、展览等领域。这对古建筑的保护研究，古建筑传统营造技艺的传承，古建筑传统文化的弘扬，古建筑所蕴含的思想在当代的复兴，都有着深远的影响。希望该研究在古建筑模型制作方面得到更广泛的应用。