3D打印技術支持下的西直門城樓建筑復原

（北京建筑大學建筑與城市規劃學院，北京，100044）

1 西直門的歷史沿革

西直門是明清北京城內城九門之一，其前身為元大都的和義門。元至元四年（1267年），元世祖忽必烈在原金中都城東北太液池沿岸新建都城，按照《周禮.考工記》“匠人營國”制度的要求，在東、西、南3面城墻各開3門。和義門即為西城墻的中央城門。元初，大都武備實力雄厚，無外來威脅，因此大都城門均未構筑甕城。元至正十九年（1359年），農民起義激烈，為加強都城防衛能力，元順帝詔建大都11座城門的甕城。

明洪武元年（1368年）九月，明軍攻破大都，改名為北平。明將徐達遂廢大都北墻及東、西城墻北側城門，于城中新筑城墻。和義門遂成為北平西城墻最北的城門。明永樂十七年（1419年），改和義門為西直門，同時將和義門甕城城臺包砌在箭樓城臺之下。明正統元年（1436年），開始修建九門城樓，4年完工。

清光緒二十年（1894年）修繕西直門城樓。1912年清帝遜位后，城樓及箭樓曾被多次拆、改，只有西直門城樓、箭樓、閘樓、甕城保存完好，未有大的改動。

1969年，因修建環線地鐵（今地鐵2號線），西直門城樓、箭樓、閘樓、甕城被全部拆除。在拆除箭樓過程中發現了元和義門甕城遺址，可惜未予保留。

2 城門復原的度量依據

作為北京內城九門之一，西直門的基礎資料較為豐富，包括老照片、文字記載、測繪數據等。與西直門有關的歷史資料，主要參考喜仁龍所著《北京的城墻和城門》[1]及孔慶普先生《北京的城樓與牌樓結構考察》[2]中的西直門測繪數據。在清代建筑制度方面，主要依照清工部《工程做法》[3]以及梁思成先生編著的《清式營造則例》[4]，同時結合清代城墻的其他建筑資料，要求最大限度地滿足法式要求、接近歷史照片的形象。

在營造尺與公制尺的換算上，清代一營造尺約合320 mm，但此次復原并未直接采用這一數據。西直門始建于明代，在清代從未進行大規模重修，故而其平面尺寸應仍為明代營造尺核算所得。《明代官式建筑大木作》[5]將明代營造尺范圍確定在317～320 mm之間，在對西直門城樓的平面尺寸研究中，從317 mm開始以0.1 mm為單位進行核算，最終發現在一營造尺合318.2 mm時所得尺寸最為齊整。因此，在建筑復原中全部按照一營造尺等于318.2 mm進行計算。表1紅色數字即為此次建筑復原采用的尺寸。

表1 西直門城樓復原尺寸數據

3 復原難點

3.1 上檐進深的確定

現有的西直門文字資料與實測數據中未見有上檐桐柱柱間距的記錄，通過對歷史照片進行分析與計算，根據照片得出上檐山面次間與明間的比值約為1:2.2～1:2.3。已知山面明間闊13尺，故而其次間闊應為5尺6寸至6尺之間。若按梁思成《清工部〈工程做法則例〉圖解》做法，山面稍間以半攢角科與半攢平身科定寬，按1攢間寬11斗口核算（實際的上檐斗栱寬度達不到11斗口），則次間寬小于4尺9寸5分，遠小于照片中實際寬度（圖1）。若在上檐轉角部位使用連瓣斗的做法，則角科寬度增加3斗口（1尺3寸5分），次間寬小于6尺3寸，與歷史照片上的尺度相當。最終的方案，將次間尺寸確定為了5尺7寸，與歷史照片的形象相互吻合（圖2）。

3.2 步架與舉架的確定

由于歷史照片中西直門上檐用4柱，結合每柱之間的距離，可知西直門城樓的步架數應為4或6。由于次間尺寸與斗栱尺寸確定，故知檐步寬8尺4寸。若步架數為4，則脊步寬6尺5寸；若步架數為6，則脊步寬3尺，金步寬3尺5分（圖3）。這兩種情況都不完美，若取4步，則屋頂轉折太過生硬；若取6部，則金、脊步太短。由于無法考證古代工匠在建造城樓之時的具體方法，只能在分析理解的基礎上取用最合理的數據。兩相對比，此處將步架數取為6，用7檁更為恰當（圖4）。因為明代建筑檐步寬度遠大于金步和脊步，符合做法制度；而且7檁建筑的屋面曲線更加柔和，也更符合老照片的面貌。

3.3 檁的做法

清代，檁常與墊板、枋木組成“檁三件”。此次復原中脊檁即用這種做法。而上金檁的位置，由于柁墩過矮，故而取消了檁墊板下枋木的設置（圖5）。此種做法在先農壇拜殿與太歲殿都有實例。下金檁的位置，在墊板與枋木之間設置了一排襻間斗栱（圖6）。襻間斗栱為明代建筑所常見，此后便逐漸消失。這些特殊做法主要出自對實際情況的考量，也是對于明代建筑細節做法的一些探索和嘗試。

3.4 踩步金

踩步金是歇山建筑特有的做法，用來承接山面椽子的后尾。清代，踩步金梁頭為檁，中央為梁，造型獨特[6-7]。而明代，普遍做法是踩步金檁，即山面檐椽直接擱置在這根檁上。其做法較清式踩步金梁更為簡潔（圖7）。此次復原中，依照先農壇拜殿與太歲殿的踩步金檁制作了城樓的踩步金，用來說明明代建筑與清代建筑的一些差別（圖8）。

此次復原的最終成果，除了傳統的平面圖紙及數字模型之外，還包括了3D打印復原模型（圖9）及木質斗拱模型制作。對于中國古代建筑模型的制作，國內仍一貫堅持以傳統的木制工藝為主，且這種觀念早已深入人心，故而對于新興的3D打印技術難免會有所排斥。此次嘗試也是將3D打印技術運用于建筑復原領域的一次實踐，希望借此可以將3D打印技術融入建筑復原領域，并為復原設計提供更多的幫助。

4 3D打印技術

3D打印技術出現于20世紀80年代中期。3D打印技術在學術界一般被稱為増材制造、堆積制造、增量制造或快速原型制造。由于這種制造的成果是真實的三維模型，與“3 Dimensions”概念相契合，所以人們就為它起了一個通俗形象的名字——“3D打印”。

3D打印技術大大降低了工件制造的復雜程度，為制造行業的發展提供無限的空間。在全球范圍內，越來越多的科技人士提出了利用3D打印快速成型的工藝來替代傳統的手工加工或控制工藝。

4.1 3D打印技術在建筑復原中的應用

歐美等國已嘗試過將3D打印技術應用于著名歷史建筑復原（圖10）。2015年，極端組織炸毀了敘利亞巴爾米拉古城中具有2 000多年歷史的貝爾神廟，神廟入口15 m高的勝利拱門幸存。由美國哈佛大學、英國牛津大學和阿聯酋迪拜博物館合作建立的數字考古學研究人員根據數千張勝利拱門的照片，對其進行了數字化模型構建，最后運用3D打印技術成功將勝利拱門異地復原重建，并在倫敦特拉法加廣場上公開展出①數據來源于娘熱民間藝術團副團長。。

除此之外，3D打印技術還被應用在建筑修復領域。2014年，美國就嘗試使用3D打印技術修復由建筑大師賴特設計的南佛羅里達學院。這座建筑群于1938年至1941年間由賴特親自設計建造，運用了鋼筋混凝土結構，由于長年風化侵襲，建筑表面已經損壞嚴重。修復團隊使用了3D打印技術復制了賴特的水泥磚結構，省去了原來繁瑣的人工砌筑過程，降低了修復的成本，加快了修復的進度②筆者根據蘇州博物館大事記及官網展覽信息統計。。

對于已經消失的重要歷史建筑來說，原址重建幾乎不可能，國際憲章也從原則上反對任何形式上的重建。隨著虛擬仿真技術的發展，數字化建筑復原可以在一定程度上給予接受者一種獨特的視覺體驗。但這種建筑復原展示終究還是通過一個平面來展示三維空間，未能形成可觸摸的實體，無法給予接受者直觀感受，最終還是需要通過縮微建筑模型的制作，給予接受者可觸碰的真實體驗。中國古代建筑模型一直以傳統的木制工藝為主，只有這樣才能更好地反映中國古代建筑的特性與氣質。但是傳統的木制工藝，無論是手工操作還是機器切割雕刻，都無法把建筑模型的比例做的太小，木材的紋理特性也限制了更加精細地加工處理構件的細節。3D打印技術的出現，在建筑遺產數字化復原的基礎上，為古代建筑的復原研究提供了一個新的平臺。在這個平臺上可以開展科學嚴謹的復原研究，可以重現古代建筑形象，還可以多方案開展古代建筑復原的實驗。可以說，將中國傳統建筑模型復原制作與3D打印技術相結合是一次大膽的嘗試，既有利于建筑歷史的研究，也有利于建筑遺產的保護[8]。

4.2 3D打印復原建筑模型的優點

對于中國古代建筑模型制作，傳統加工方式是以對木材實施切割削刨等“減法工藝”為主，而3D打印技術則反其道而行之，通過對于材料逐層疊加的“加法工藝”得到成果。因此，3D打印技術的獨特成型方式有以下優點[9]：

(1)成型速度較快，利于批量生產。傳統工藝制作兩個相同模型，需要兩倍時間，而3D打印只需保存好一套數據就可以直接打印，不必重復勞動。打印機一旦設定程序就自行工作，無須人工監控，提高工作效率。3D打印還支持遠程數據傳輸，節省更多的工作時間。

(2)成型精度高，整體性能好。傳統工藝加工構件細部時，經常會出現戧茬劈裂的問題，對門窗格柵等細部分則要小心翼翼。3D打印技術只要達到材料最低成型厚度，無論多么復雜的細部做法，均可實現完美表現出來。3D打印出來的模型整體成型，各構件之間不會擠壓變形，整體效果非常美觀。

(3)節約工料、節能環保。傳統工藝加工木材產生大量的鋸末廢料。3D打印技術除了一些支撐材料對環境有污染外，主體材料沒有污染之虞。打印過程不會產生過多廢料，易于清潔，低碳環保。

(4)成型材料性能穩定。木制模型容易受潮變形，3D打印材料不易受潮變形，易于保存。而且可以通過抽殼等方式減輕模型整體重量，構件拼拆自如，便于運輸與巡回展示。

(5)操作技術門檻不高。相較于傳統的木工手藝，3D打印技術的操作方式簡單易學，便于操作，不需要多種機床協同配合，大大降低制作過程的復雜程度。

(6)時下最為先進的3D打印機可以實現全彩色打印，仿真度極高，甚至可以為古代建筑的彩畫復原提供可能性。據悉現在正在研究3D打印的復合型木粉材料，這將使得古代建筑的復原模型更加貼近原材料的質感和色彩，也更容易為人們所接受。

5 3D打印建筑復原模型的步驟

5.1 復原材料的整理

收集整理建筑相關資料文獻，明確復原依據，解讀古代建筑內部結構構造。依據不足時需要開展對于同時期、同類型建筑的調研測繪工作，進行類別比較，對建筑結構和構造進行推敲，結合文獻深入分析建筑的時代特征，從而形成建筑復原的框架依據。

5.2 復原圖紙繪制及模型構建

根據復原的框架依據，確定建筑各部件尺寸，并與歷史照片相協調，得出最終復原的設計方案。進行相關CAD圖紙（平、立、剖面圖）繪制，運用建模軟件進行數字化模型制作。

5.3 模型整理工作

為保證模型整體精度，在打印之前需對模型數據進一步進行整理（圖11）。

因復原數據不嚴密或者制作過程中不規范，模型中極易出現雜線、破面，影響打印成型效果。需要把模型各構件的圖層分理好，剔除獨立邊線和多余輔助線，閉合破面，并將所有平面翻轉至正面向外。

因3D打印機臺面尺幅的限制，需要將整個模型切分成若干體塊，并在接合處添加相應的榫卯構建，方便拼接成型。拼接榫卯口應同傳統工藝一樣留有些許公差。

因3D打印整體成型，內部完全填充，為避免最終模型過于沉重，需對墻體、柱梁等厚重實體進行抽殼處理，即在構件內部做出空腔，減小構件重量。抽殼時無需過多擔心構件承重問題，3D打印材料采用硬化樹脂進行光固化成型，結構強度足夠。

將調試好的模型傳輸至打印機軟件中進行測試，直至不見任何錯誤為止。此過程較為枯燥費力，需要反復測試。建議將構件分置于不同圖層，依次分批篩查，這樣有助于減少工作量，提高工作效率。

5.4 模型打印

將整理完畢的建筑模型轉換至相應格式，傳輸至3D打印機中，待其自動調試完畢即可自行打印。打印期間需要不定時關注打印機運行情況，保持材料充足即可。值得一提的是打印期間需要保持打印機的供電穩定，一旦斷電可能前功盡棄（圖12、圖13）。

5.5 剔除支撐料

打印完成之后，可將建筑模型沉于水中浸泡一段時間，有助于支撐料自動脫離剝落。之后再用小鏟、刷子等工具手工剔除支撐料，由于成型材料硬度較高，不必過分擔心金屬工具會對模型表面造成劃痕。需要注意的是模型中一些細部構件尺寸較小，根腳脆弱，在操作中應當悉心保護（圖14）。

5.6 最終打印成果

整個建筑模型打印清理完畢后，進行分塊模型的拼接。對于剔除支撐料過程中產生的破損進行修補。最后使用水槍將整個建筑模型沖洗干凈（圖15）。

此次西直門城樓復原，運用的connex 500機型，其分層厚度設置為0.03 mm，材料最小成型厚度1 mm。城樓模型整體被分為10塊，分塊打印，整體拼合。最終各部分之間實現無縫銜接，構造細部很是精致。整個打印時間約為300 h。

6 結束語

如今，對于消失的重要歷史建筑都可以進行基于3D打印技術基礎上的復原研究，這將極大地拓展全社會對于歷史建筑了解和認識的程度，增加全民對于歷史建筑的關注和興趣，提高他們保護建筑文化遺產的自覺性。對于那些現存的歷史建筑，可以使用三維掃描技術建模，直接運用3D打印技術完成模型的制作。

對于具有完備影像、圖片和文字資料記載的歷史建筑，利用3D打印技術可以進行數字化處理，在實現歷史建筑數字化展示的同時，對歷史建筑的保護也有著重要的現實意義。

3D打印技術對于建筑復原的研究，不僅限于模型的制作，更為重要的是建筑保護研究過程中的一個重要輔助手段，在復原研究過程中可隨時對關鍵節點進行實體打印，直觀地觀察效果，糾正錯誤，為建筑復原提供即時的重要幫助。相信3D打印技術的不斷完善，將會為歷史建筑的復原研究提供更大幫助。