中國古建筑蘊含的現代設計特征及三維CAD方法研究

張士杰， 相炳哲， 張源清， 楊 諄

（北京建筑大學，北京 100044）

三維CAD軟件因其強大功能所具備的先進性和實用性，正在取代二維CAD手段而廣泛應用于機械等領域工業化產品設計。其功能不僅包括從三維建模入手進而可以轉化為二維工程圖，而且，也包括了先進的系列化設計理念和方法。而目前進行的中國古代建筑復建、修繕、仿古建筑等設計工作，通常仍主要采用二維CAD（AutoCAD等）輔以三維效果圖的方法。

筆者認為，古代建筑與現代先進設計手段之間存在著很多可利用的“設計信息接口”，很適于利用三維CAD方法表達古代建筑。中國古代木構建筑，尤其是梁架結構，包含著許多與機械產品類似的結構特征，甚至蘊含著大量類似于現代工業產品先進的系列化成組設計特征。如果采用三維CAD先進手段，可望與以往方法相比，既具有優越性，又具有實用性。這既對于國家大力支持的古代文物建筑保護、復建、修繕和仿古建筑設計具有積極意義，又對在圖學教育中拓展知識面和專業深度有益。

中國古代木構建筑中包含的類似工業產品特征包括：零件—裝配體特征，模數化設計特征，以及蘊含著類似先進的系列化成組設計特征。

1 中國古代木構建筑梁架結構中的“零件----裝配體”特征

中國古代木構建筑（以下簡稱古代建筑或古建）梁架結構具有類似于機械裝置的零件—裝配體特征。首先由木料制作成各種柱、梁、檁、枋等構件（零件），然后以特有的榫卯結構“裝配”在一起，形成整體梁架結構（裝配體），如圖1、圖2所示。

圖1 硬山建筑木構架三維模型裝配體及構件名稱

圖2 梁架構件及榫卯裝配局部

其中各類榫卯結構兼有連接件、“配合面”、“定位銷”等不同的功能特性。

所以，可使用三維CAD軟件，采用機械設計的零件—裝配體建模方法建立古建模型（包括榫卯結構），然后可再轉化為工程圖（見圖3與圖4[1]、圖5[2]（單位：1/10斗口））。

圖3 斗拱構件

圖4 斗拱裝配體

圖5 斗拱立面圖與仰視平面圖

2 古建梁架結構中的模數化設計

中國古代建筑經歷幾千年發展，為我們留下了豐富而寶貴的文化遺產。不僅包括大量建筑物，而且也給后人留下了極其珍貴的文獻，包括宋代《營造法式》、清工部《工程做法則例》[3]等。后經梁思成大師等幾代人的不斷研究整理，為我們今天的研究提供了方便。

文獻給我們留下了極為寶貴的古代建筑模數化設計思想和方法[4]。這與后來從國外傳入的機械模數化設計（例如齒輪設計）方法既有類似之處，又有更大的使用范圍。

即古建模數設計不僅體現于構件（零件）設計，而且還體現于房屋整體結構（裝配體）設計中。不僅一個構件的尺寸是基本模數的函數，而且整個梁架結構也是基本模數的函數。古代建筑物構件和整體各部分之間形成的和諧比例（美學功能及使用功能方面）、合理的力學結構（即使強烈地震也只是墻倒屋不塌，震后可自動復原）既源于榫卯結構，又與模數化設計密切相關。

這種規范成為設計和施工的固定法則，被古代建筑師們千百年來嚴格遵循。如梁思成大師所說：“清代于雍正12年欽定公布《工程做法則例》，凡在北平的一切公私建筑，在京師以外的‘敕建’建筑，都崇奉則例，不敢稍異。”[5]

這種古建設計模數關系稱為“權衡”。其中大式建筑以“斗口”為基本模數，見圖6[6]；小式建筑以“檐柱徑”為基本模數，見表1[6]。

此權衡關系非常適合利用三維CAD的零件系列化設計功能進行模數化建模設計，并在古建領域具有深遠的推廣意義。本文插圖（圖6除外）所示模型，均按清式權衡制作[6]。

圖6 清式斗口的等級節選（基本模數）

表1 清代小式（或無斗拱大式）建筑木構件權衡表（節選）（單位：柱徑D）

3 古建中蘊含的類似現代系列化設計特征

3.1 古代建筑類似系列化的外部特征

工業系列化產品的外部特征是，既具有鮮明而統一的風格，又具有形態各異的品種個體形態，例如許多著名品牌汽車。

古代的建筑匠師們嚴格遵循上述法則建造了無數風格鮮明統一、形態各異的建筑。例如在統一的風格下，古建筑的“大屋頂”（屋面）包含了廡殿式（如太和殿）、歇山式（如天安門）、攢尖式（如中和殿）、懸山式（屋面挑出山墻外）、硬山式（如北京四合院民居），以及單檐、重檐等許許多多的式樣。從系列的風格統一性和其中不同個體的差異性（包括建筑物大小不同的體量）綜合觀察，非常符合系列化整體設計特征。

3.2 機械工業系列化設計發展簡介

較早的機械系列化設計方法是，根據已有的基本機型派生設計后續的第二、第三……機型。由于設計前一機型時未能考慮后一機型的需要，故此方法具有很大局限性，同系列中的不同品種數量很少。

更先進的系列化設計可見于20世紀80～90年代，國家引進技術項目中包含的“設計、工藝一體化的成組設計”技術[7]。其主要特點是“同時設計系列中的多種產品（幾十種機型）”。由于不再是“派生”設計新品種，因而沒有“基本機型”，各機型彼此“平等”。

此方法是將系列中多種機型的同名零件，按“功能相似、形狀相似”分組，同時進行同組設計，盡量采用統一結構甚至統一尺寸。其目的是為采用統一專業化加工設備（例如昂貴的沖壓模具）、提高成組加工程度創造條件，以提高生產的專業化程度。其效果是在大幅度增加系列中機型數量的同時，顯著節省加工設備成本、顯著節省生產時間與空間。

為此，大量采用“多件同圖”作法，即多種相似零件共用相同圖形，為統一設計專用加工設備創造條件、提供依據。此法可謂設計與工藝一體化的橋梁。

三維CAD軟件已經吸收了上述先進的“同時進行同組設計”的方法[8]，包括建模功能和工程圖功能。例如，用同一模型文件可同時設計形狀相似的多種（多配置）零件，多配置零件亦可表達于同一個工程圖文件中。

3.3 古代建筑中蘊含的類似系列化結構設計信息

我國古代建筑中蘊含著類似于“同時設計全系列多種產品”的“設計、工藝一體化”的系列化設計方法，而且是經千百年考驗的成熟思想和方法。這為我們今天利用現代三維CAD手段進行古代建筑設計提供了“信息接口”。

1）上述古建模數化設計亦可歸為系列化設計方法。因為，古建模數化設計不僅用于構件（零件），而且用于建筑整體（裝配體），單體建筑使用同一基本模數；同時，此法還用于建筑群，建筑群采用多種基本模數（見表1）。這樣，因模數（權衡）設計的更廣泛應用，使古代建筑群具有了系列化特征。

2）在單體建筑和建筑群中，大量存在著“功能相似、形狀相似”且有權衡關系的構件（見圖3）。這就為古人提高施工專業化、提高施工質量和進度創造了方便條件（故宮這樣的超大建筑群，其建造速度非?？靃9]），也為我們今天采用三維CAD軟件的系列化設計功能提供了條件，進而為大幅度提高設計效率和減少差錯提供了條件。

3）由古建技術的高度模數化和構件的形狀相似性，誕生了“丈桿”這種設計、施工一體化的特殊工具?！罢蓷U”是根據基本模數、“權衡”制作的具有度量功能且不易變形的長木桿。在木構件制作之前，先將建筑物的柱高、面闊、進深、出檐尺寸、榫卯位置等參數刻畫標記在一組丈桿上，然后以丈桿尺度為根據，既用來指導木構件制作，又用來校核大木安裝（梁架裝配）[6]。在施工現場，可用丈桿取代圖紙，這不但可謂古代的“無紙化施工”，而且丈桿亦成為古建設計與施工一體化的“橋梁”，傳承至今。

3.4 三維CAD軟件中可用于古建的系列化設計功能

首先，最基本的“驅動尺寸”參數化功能在很大程度上成為模數化、系列化設計的必要條件。當改變尺寸參數時即驅動模型尺寸改變。此外包括以下3個方面：

1）一個模型文件中可同時設計多個形狀相似的多“配置”零件。例如不同位置的單步梁形狀相似但不相同，可在同一文件中設計成多“配置”單步梁，改變配置選項，即可改變為另一種構件，如圖7所示。

圖7 多配置單步梁（節選）

2）零件“方程式”功能。由于古建構件各部尺寸存在模數（函數）關系，其中一個尺寸可作為其他多尺寸的自變量，故可用此功能同時進行形狀相似的多種規格的構件設計。

在設計一組（同名或不同名）構件時，既可單獨應用上述一個功能，又可綜合應用。

例如斗拱中的“單才萬栱”與“廂栱”屬于雖不同名（不同裝配位置）但形狀相似的構件。可在同一模型文件中綜合利用“多配置”和“方程式”功能同時設計不同名、不同基本模數的構件，模型完成后，只需改變基本模數，其他尺寸即隨之按需改變；改變配置選項，即可改變為另一種構件，見圖8（單位1/10斗口）。

圖8 單才萬栱（1斗口）與廂栱（1.5斗口）

3）除上述功能外，須在系列化設計思想的前提下，從繪制草圖時，即開始合理運用細節技巧，隨時考慮系列因素，為方便實現多種“配置”和多種基本模數創造條件。

4 三維CAD軟件進行古建設計的其他優點

除直觀性明顯提高以外，與繪制二維工程圖方法相比，還有如下5方面優點：

1）有利于更完整地傳承古建技術。例如構件的三維模型包括榫卯結構，并以榫卯表面作為裝配配合面，使得裝配關系更準確。否則，易造成信息缺失，削弱傳承性。

2）既可表達整體又可表達單一構件，亦可演示大木安裝（梁架裝配）過程。尤其榫卯結構的裝配關系對施工（包括修繕）有更直觀指導意義。

3）裝配體的“干涉檢查”功能可檢查構件的建模錯誤或裝配錯誤。

4）工程圖文件中多視圖來自同一模型，可減少二維繪圖易出現的多視圖各部關系的差錯。

5）工程圖文件可保存為與二維CAD兼容格式，故可與二維CAD軟件配合使用。此可作為從目前常用的二維表達向三維表達的過渡做法。例如脊獸等復雜造型，實際設計時常采用示意表達，后由匠師按專業方法或特定復原依據（照片或實物）準確完成。

5 結 束 語

我們的祖先在古代農耕社會創造出類似工業產品，意味著成熟技術規范和至今仍屬先進的系列化整體設計理念和方法，且存在著古代技術與現代手段之間非常吻合的“信息接口”。我們將繼續深入研究，既為學習、教授現代設計手段，也為更好地保護祖國文化遺產。

[1]臧爾忠. 清式斗拱分件圖集[M]. 北京建工學院古建研究室, 1994: 1-16.

[2]潘德華. 斗拱(第2版)[M]. 福州: 東南大學出版社,2011: 420.

[3]梁思成. 中國建筑史[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2005: 26-32.

[4]梁思成. 為什么研究中國建筑[M]. 北京: 外語教學與研究出版社, 2011: 11.

[5]梁思成. 清式營造則例[M]. 北京: 清華大學出版社,2006: 13.

[6]馬炳堅. 中國古建筑木作營造技術(第2版). 北京:科學出版社[M]. 2003: 1-183.

[7]張士杰. 三維CAD軟件的系列化設計功能研究[J].山東理工大學學報自然科學版, 2007, 1: 102-104,110.

[8]何煜琛, 陳 涉, 陸利鋒. Solidworks2005基礎及應用教程[M]. 北京: 電子工業出版社, 2006: 291-299.

[9]陳連營. 未開放的紫禁城[M]. 北京: 九州出版社,2010: 4-9.