营造法原下传统建筑测绘技术探究
摘要：传统民居建筑的拆迁和异地重建经常面临着测绘图纸粗糙、建筑构件缺失、重组困难等问题，给重建和再设计带来额外的工作量。文章基于《营造法原》中对南方传统建筑的结构和构件的特征描述，建立了传统建筑的参数化模型，可以基于粗略的测绘图和尺寸数据进行快速3D虚拟重建，完成包括斗拱、翼角、轩法、提栈、贴式等木结构的准确复原，从而指导建筑的重组、增补和装修设计。
关键词：南方古建筑；测绘；虚拟重建；参数化
引言
传统建筑的拆迁与异地重建已成为一种园林或新中式商业建筑的常见模式。许多位于偏远地区的老旧建筑年代久远损毁严重，修缮成本高，但又达不到文物保护级别，即将面临消失。因此一些建筑项目对这些老旧建筑进行重新利用，将其富有文化特色的斗拱、梁柱等构件拆除并进行异地重建，对缺损构件仿原样补做后搭建完整的新旧参半的建筑，保留了老旧建筑的历史原貌，同时又经过重新设计，增加了现代建筑的功能，不失为一种文化存留和延续建筑生命力的合理方式。这种异地重建需要在拆迁之前进行测绘，作为重建的依据。但是对于此种目标的老旧建筑，很难像对待文物建筑那样进行规范精确的测绘，因为这种测绘的作用不是展示，而只是对重建工作进行指导。因此测绘工作通常是交给拆迁工人去做，所绘制的图纸多为示意性的，比较粗糙。重建除了保持建筑的外观原貌外，还需要根据建筑的实际用途（如商业目的）进行设计，因此重建之前需要绘制较为精确的房屋基本架构，作为再设计的工作基础。这种绘制与存档性质的历史建筑测绘不同，对装饰性细节不太关心，只要求结构和尺寸的精确性。本文面向上述需求开展工作，试图在历史文献的基础上通过3D参数化技术为设计师的后续设计工作的开展提供辅助。
1《营造法原》的参数化研究
中国传统建筑风格根据地域和年代的不同有很大差异。本文的工作面向江浙一带的南方传统建筑，其结构特征主要记录在《营造法原》一书中。《营造法原》成书于清代，作者为姚承祖，书中记载了苏州香山帮建筑的形制、结构和尺寸参数[1]，是对江苏、浙江、江西等地的传统建筑的一种概括性描述，以之为参数化原本构建3D参数化模型库可以辅助多数江浙地区传统建筑的快速重建。记述中国古代建筑的另外两部典籍《营造法式》和《工程做法则例》已作过较多的数字化工作，而《营造法原》的数字化做得还比较少。张至刚依据现代建筑图的绘制方法重新编校了《营造法原》[2]；祝纪楠对《营造法原》一书进行了全面的诠释研究[3]；过汉泉对《营造法原》中的构件尺寸参数取值和大木做法给出了叙述[4]；田永复针对南方特征的仿古园林建筑的做法，依据《营造法原》给出了详细的尺寸参数计算方法[5]；吴佳波针对中国古建筑的斗拱进行过参数化建模研究[6]；刘肖健对南方古建筑的翼角结构进行了参数化建模研究[7]，并针对《营造法原》中的瓦花墙洞图案开发了参数化设计软件[8]。上述研究都比较偏学术，倾向于对《营造法原》原书的数字化再现，而在应用层面的拓展还有待深入。本文面向《营造法原》中的做法和规则在拆迁重建中的应用开展工作，对建筑师的设计活动形成实际的辅助。
2面向虚拟重建的参数化内容
本文选择Solidworks为开发平台。Solidworks具有完善的参数化功能，在Solidworks中可以从外部读入Excel表格，用户测绘或设计的参数可以存储在Excel表格中被程序自动读入，用于对设计参数赋值并驱动建立3D模型。Solidworks支持VisualBasicforApplication（简称VBA）二次开发工具，可以开发用户界面，使建筑建模过程简单易用。《营造法原》的内容涵盖了南方古建筑的地面、木作、装折、石作、墙垣、屋面以及工限、园林、杂俎等营造作法，并附有丰富的图释。本文的工作主要涉及木作部分，包括斗拱、翼角、轩法、提栈、贴式五类内容。以下对五类内容的参数化过程进行简要阐述。
2.1斗拱
斗拱是中国古建筑中最复杂，也是最有特色的部件。《营造法式》和《工程做法则例》分别记述了宋代和清代的斗拱尺寸、结构、部件，以及装配关系。《营造法原》中所记述了若干江南古建筑中常用的斗拱（在《营造法原》中称为“牌科”），虽与前两部典籍所记述的斗拱在大体相似，但也有不少南方建筑的特色构件和局部形态特征。本文实现了《营造法原》中的典型南方古建筑斗拱的参数化生成，包括单体构件与组装件。具体方式是将斗拱构件定义为一个参数序列，通过输入Excel表格数据驱动斗拱构件的生成与装配，获得相应尺寸的斗拱模型。以“斗三升拱”为例，表1为其主要参数的方程式定义。表1中的拱高、拱长、拱厚、斗口、铲边弧高五个尺寸为主要尺寸，是《营造法原》图版中有标注的尺寸，其余尺寸为次要尺寸，依据图版中的比例推算得到。上述方程式中，a为单位长度值。图1为两种取不同a值的斗三升拱模型。a发生变化时，所有相关尺寸都已根据a值进行了正确的计算并重新生成模型。斗三升拱的3D模型如图2所示。图1（b）为改变横向长度的斗三升拱模型，拱长度由17*a改为25*a。这种修改由参数驱动完成。项目组曾从事过《营造法式》和《工程做法则例》中的斗拱参数化建模[6]。《营造法原》中的部分斗拱与前两者相同，因此，本文在已有的参数化构件库基础上增补了21种斗拱单体构件，并新建了7种典型南方古建筑斗拱的参数化模型，包括：丁字桁间牌科、十字桁间牌科、一斗六升桁间牌科、一斗三升桁间牌科、一斗三升柱头牌科、琵琶牌科、棋盘顶牌科。图2为十字桁间牌科的组装图和爆炸图。
2.2翼角
翼角是古建筑木作中最复杂的部分之一，作者在先前文章[7]中对翼角的参数序列定义以及参数化建模方法做了详细介绍，本文不再赘述。
2.3轩法
轩是南方古建筑中一个特色结构，体现了建筑内部装折的精美雅致。南方古建筑中轩的种类繁多，装饰细节丰富。《营造法原》中对轩的使用主要涉及轩的尺寸选择以及与屋架整体结构之间的关系，所附图版中给出了七种常用轩的结构尺寸。轩的参数化内容较简单。本文以轩的跨度（即“界深”）为主要参数，参数化设计功能的目标是在设计师按需求给出轩跨度参数的具体数值后，能够自动配置轩梁的基本尺寸以及轩上各种构件（轩桁、弯椽、月梁、荷包梁、童柱、坐斗等）合适的尺寸和位置，使轩的整体结构比例协调，符合南方古建筑传统的美感原则。《营造法原》对部分轩的尺寸比例设置给出了明确的指示，有些则没有。本文将轩中横向位置尺寸设置为轩界深参数的比例值，垂直方向尺寸和其他结构细部尺寸均参照廊桁直径以比例值计算。图3为《营造法原》中记述的两种轩的结构。
2.4提栈
提栈即《营造法式》中的“举折”，在《工程做法则例》中称为“举架”，均指建筑屋顶的曲线造型法则。《营造法原》中提栈的数值是按照每一界深两端的桁檩在垂直高度上的距离与界深的比值来计算，即屋面倾斜角度的正切值。在《营造法原》的术语体系中，用“四算”表达正切值为0.4的屋面倾斜角度，即《工程做法则例》中的“四举”，“四算半”则是指正切值为0.45的角度，以此类推。本文对《营造法原》中的提栈进行参数化的目的是用来快速生成屋面的三维结构，使之曲线符合传统做法，同时在纵剖面上快速生成各桁檩的正确位置，并通过它们间接生成屋面曲线。根据《营造法原》对提栈的记述，本文对常用的提栈结构进行了参数化处理，使各界的提栈数值可以从Excel数据表中读入，为设计和测绘重建提供了辅助。图4为提栈值和界深值均不同的两种六界提栈。
2.5贴式
《营造法原》将房屋进深方向由梁、柱、桁、檩等构成的屋架结构称为“贴”，按屋内和山墙位置的不同，分为正贴和边贴两个大类，并各有若干不同的形式。帖式为建筑设计师提供了构造南方古建筑的基本模式。虽然《营造法原》以歌诀的形式精确规定了各种帖式的构造法则，但实际在选用帖式进行设计时，设计师还是有很大自由度的。为了保持整体结构的和谐一致和特征化的美感，部分贴式尺寸（如进深）在变化时必须能够使所有的相关尺寸能够产生一个正确的解算关系。《营造法原》图版中列举了若干实物建筑中的典型贴式，并附以详细的尺寸图，但是对尺寸间的变化方式并未有深入讨论。本文借助参数化软件的几何关系自动解算功能来对屋架贴式的自由设计实现自动化，其中主要目标就是根据某一尺寸的变化自动重新调整并生成整个屋架的合理结构。贴式尺寸的变化必须满足一定的约束条件，根据《营造法原》及其图版中实物建筑的尺寸结构，约束条件可以总结为如下两条：（1）提栈。即从屋檐到屋脊的屋顶举折序列。《营造法原》的提栈有几个固定的序列，如（3.5，4，4.5）或（3.5，4.5，5.5，6.5）等。这些提栈序列保持了屋顶曲线的特有美感。（2）i架。即相邻桁檩之间的水平距离。i架的长度一般情况下应在整个房屋内保持一致，因其长度变化会影响提栈的曲线效果。但是实物建筑的测量发现，全屋的i架长度在20%幅度以内的变化十分常见的，对提栈曲线的影响可以忽略不计。考虑上述两条约束，本文为建筑设计师提供贴式设计的便利工具，允许建筑师在一定限度内自由修改进深方向和高度方向的尺寸，并自动计算所有其他相关尺寸，以使屋架结构和提栈保持不变的预设值序列。
3项目应用实例
作者在一个古建筑商业化项目中对本文的参数化快速建模系统进行了应用验证。该项目位于上海某商业园区，所研究的案例建筑称为“衢州小弯钩房”（项目组使用的临时称呼），是对浙江衢州偏远山区的某老建筑的复原与再设计。该房屋拆迁时多数构件缺失或损毁，仅存大木构架。由于时间紧迫，项目组未及组建专业的测绘团队进入拆除现场，建筑结构原貌由施工工人徒手绘制，如图6所示。项目组依据上述草绘结构图整理成Excel数据表格后生成屋面提栈。然后构建平面柱网的结构图，把各部件依次装配到位，形成最终的屋架整体结构。对拆下运抵上海的构件实物进行装配和测量（图7）后显示与虚拟重建结果吻合。图10所示的整体屋架及其平立剖图纸是此项的输出成果，后续工作将由建筑设计师接手，在此基础上进行再设计。应用表明，基于《营造法原》的参数化技术可以根据简单粗糙的测绘图和有限的数据对原始建筑进行较为精确的虚拟复原，给二次设计提供了很好的辅助，并显著提高了工作效率。实物装配和测量结果与虚拟重建结果也基本吻合。
4结语
本文的研究推动了古建筑典籍在建筑设计中的应用，并对基于数字化、参数化等现代技术对古文献进行“活化”保护的思路和技术方案提供了有意义的实际案例。这项工作的深入开展也有助于在现代新中式建筑中对传统文化元素进行准确应用，避免出现似是而非的混乱情况。同时也为濒临消失但仍有文化价值的老旧建筑焕发新的价值提供了助力。工作过程中也发现，《营造法原》原书中的一些尺寸计算规则在数学上并非完全严谨的，如有些尺寸是过定义的，即算法之间有冲突，在参数化过程中必须重新定义。而有些尺寸缺乏计算依据，需要给出估算值，则留给用户去自定义。这表明古代典籍的数字化工作并非简单的“翻译”成现代设计的规则，还需要进行修正、推理、补充，并在规则之外给建筑设计师留出创意的空间。
刘肖健 黄鑫宇 吕芸芸 季忠苑 浙江工业大学设计艺术学院 浙江工业大学设计与建筑学院 丽水学院中国青瓷学院
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