基于Revit的清代古建筑三維木構件族庫研究

朱海珍，徐東升，王麗玫

（廊坊師范學院，河北 廊坊 065000）

1 引言

中國古建筑在漫長的歷史發展中，形成了以木結構為主體、風格統一的建筑體系[1]。清代官式古建筑大木構架分為大式及小式，清工部頒發的《工程做法則例》，對其權衡制度作了明確規定，大式建筑以“斗口”為模數，小式建筑以檐柱徑為模數。官式大木作的設計尺度，選用”斗口”（斗科用材的斷面）或柱徑為基本模數，如梁枋斷面、柱、檁、椽、開間、進深等皆以斗口或柱徑為則，使得清代古建筑的木構架遵循著模數化極強的營造法則，使得通過建立清代古建筑木構件的三維模型族庫，從而可以進一步實現清代古建筑精確模型的快速建立。

古建筑相比現代建筑，其構件與構件之間的關系較為復雜，且木構件的外形多樣，榫卯連接復雜，建模的難度較大。Revit具有很強的空間表達與編輯能力，族（Family）是一個包含通用屬性（稱作參數）集和相關圖形表示的圖元組，可以被用來高效地創建異形構件[2]。因此，利用Revit對古建筑進行建模較為適用。

2 清代古建筑參數化三維木構件族庫的實現

根據功能和需求的不同，清代古建筑大體上可分為宮殿建筑、宗教建筑、陵墓建筑、園囿建筑、祭祀建筑、民居建筑等。本文僅針對具有代表性的清代木構架單體建筑的構成進行研究，并以參數化建模的形式來實現其三維木構件族庫的建立。

2.1 清代古建筑木構件信息的分類

根據古建筑屋頂形式的不同，其內部木構架可分硬山、懸山、廡殿、歇山和攢尖五種基本木構架形式。經過對清代木構架單體建筑的深入研究發現，無論何種形式屋頂，其構架均是由柱類、梁類、枋類、桁檁類、椽望類等基本木構件組成，并通過燕尾榫、饅頭榫、管腳榫、半榫、透榫等不同的榫卯形式連接，從而構成其木結構體系。

古建筑木構件是組成古建筑木構架的基本單位，且本身具有可裝配屬性。木構件的整體尺寸（長、寬、高或徑）取決于古建筑的面闊、進深、模數等尺寸，大體上遵循模數制及定型化的規則。木構件的細部尺寸是指依附于構件整體尺寸，表現構件細部特點的尺寸，如木構件的滾楞等。細部尺寸的確定較簡單，跟整體尺寸之間有一個比例關系，如梁的滾楞尺寸為其總尺寸的1/10，其木構件的榫卯尺寸與構件本身的尺寸之間存在較明確的比例關系。古建筑木構件除椽子、望板這類屋面木基層構件外，其余均是憑榫卯結構結合在一起的。古建筑的榫卯結構取決于古建筑的細部特征，是進行木構件裝配的關鍵。為了保證每個木構件具有唯一的名稱，本文在建立族庫時對采用編碼制對古建筑的木構件進行編碼[3]，如下表所示（以柱、梁為例）。

一級編碼 二級編碼 三級編碼柱類Z 檐柱Y 正身檐柱01角檐柱02梁類L 三架梁S 正身三架梁01山面三架梁02五架梁W 正身五架梁01山面五架梁02

2.2 建筑木構件的參數化

實現古建筑木構件參數化，首先應選擇合適的建模平臺。目前應用BIM技術建模的軟件主要包括Revit、ArchiCAD、Bentley、CATIA、Xsteel等。本文主要從功能需求、市場占有率、操作的便捷性及穩定性等方面考慮，選擇以Revit Architecture作為參數化信息模型創建平臺。

Revit軟件是專門為建筑信息模型構件的平臺，現已廣泛應用于現代建筑的三維設計工作。針對現代建筑，Revit的族庫豐富，其常規構件可利用項目樣板直接繪制，非常規構件則以族的形式建立，然后導入項目完成其組裝。而清代古建筑中的木構件不能應用Revit軟件提供的構件樣板直接繪制，只能為族的形立建立，然后載入項目進行裝配。因此古建筑構件族庫的參數化建立是實現參數化信息模型的基礎和關鍵[4]，具體步驟如下。

①選擇族樣板，其中梁-結構框架族樣板；柱-結構柱族樣板；其它選擇公制常規模型族樣板。

②參照平面，根據已選定的參數來確定參照平面，參照平面主要包括位置參照平面和模型構造參照平面，分別確定其模型位置和模型的構造。

③古建筑木構件族的創建。首先，大式建筑以斗口、步架為主體參數，小式建筑以檁徑、步架為主體參數，各木構件的尺寸（長、高、厚、徑）為基本參數，構件的細部如滾楞、收分等為細部驅動參數，建立函數約束關系。其次，利用拉伸、融合、旋轉、放樣等命令創建不同類型的木構件族。如圖1～圖3所示。

圖1 柱、梁、枋木構件族的外觀顯示

圖2 門窗木構件族的外觀顯示

圖3 斗栱部分木構件的外觀顯示

3 清代古建筑參數化三維木構件族庫的應用

3.1 古建筑三維模型參數化重建方法

傳統的古建筑測繪的記錄方式主要有CAD圖紙、數據表、影像、文字等，這些方式僅能較直觀的展示古建筑外觀及基本構造，但是無法系統地記錄其構件之間的構造關系。而在已建立其三維木構件族庫的基礎上，在信息化建模的儲運下，彌補了傳統方式在構件形體與搭接關系上的不足，成為測繪與研究古建筑的新思路。從而，依據古建筑測繪的外業數據，從中獲取柱網形式、步架、舉架尺寸等主要參數，并以此為基礎，通過調用本文建立的木構件參數化構件庫，生成其木構架的精確三維模型。

本文是以Revit Architecture為軟件操作平臺，在項目中新建項目樣板，利用已建立族庫通過其參數化信息的修改來完成其參數化三維模型的建立。

3.2 以山東曲阜享殿——清代大式歇山建筑為例

不同形式的古建筑木構架，其構造方式也不相同。山東曲阜孔林享殿，建于公元1732年，即清雍正十年，大式歇山建筑，面闊五間，進深三間，施五踩雙昂斗栱。下面以山東曲阜享殿——大式清歇山建筑形式的木構架為例，闡述建立其三維木構架模型的具體步驟。

①布置平面柱網。應用RevitArchitecture軟件平臺，根據享殿的面闊和進深尺寸繪制其柱網布置圖。

②根據臺基的尺寸直接在項目中創建臺基。

③下架：柱子的排布，枋子的裝配，斗栱的布置等。柱子以族的形式載入項目中，柱礎的位置確定，在與柱礎相應位置上放置柱構件，完成柱子與柱項石的組裝。枋子通過燕尾榫安裝于柱頭。斗拱層的裝配，首先在立面圖上確定榫卯位置，繪制卯口底層放置高度，然后利用對齊工具使柱的榫頭與斗拱的卯口相互吻合。

④上架：三架梁、五架梁、瓜柱、桁、枋等構件在下架上又組合成若干個水平框架，形成上架。上架中，梁是主要的承重構件，帶斗拱的大式建筑中，位于斗拱之上。梁的裝配應使其兩端下部的海眼與柱頭的饅頭榫吻合，同時梁的背面還要考慮與瓜柱柱腳榫吻合。桁通過桁碗安裝于梁的兩端及脊瓜柱的桁椀內，是古建筑構件中結構較為簡單且易于裝配的構件。屋面木基層位于梁架之上，包括椽子、望板、大小連檐等，需通過控制各裝配關鍵點的標高及權衡各構件間的空間布局，完成其裝配。

⑤木裝修：主要包括隔扇門窗的裝配。此實例中為金里安裝修，裝修形式明次間為隔扇，梢間為檻窗，因此，在前檐金柱間完成其隔扇和檻窗的裝配。其建成模型如圖3。

圖4 山東曲阜孔林享殿的三維模型

3 總結

本文通過研究清代古建筑木構架的特征及裝配規則，針對其明顯的模數化、形制化的特點，應用Revit軟件實現了其三維木構件族庫的建立。并以山東曲阜孔林享殿——清代古建筑中的大式歇山建筑為例，通過對古建筑測繪圖紙及相關資料進行分析，提取其相關木構件的信息參數，在Revit平臺下實現了享殿三維模型的建立。