以佛光寺大殿為例研究古建筑模型制作

吳昊天，徐振華，黃 冠

(北京城市學院，北京 101399)

中國古建筑文化博大精深，隨著時代的發展，古建筑文化重新被世人傳承與發揚，而與其緊密聯系的古建筑模型制作文化也有著不可替代的價值。古建筑模型制作工藝也應該結合時代的發展，積極與新技術融合。在傳承傳統技藝的基礎上，不斷推陳出新，從而真正達到傳承與弘揚中國古建筑文化及其相關文化的目的。本文從古建筑模型制作入手，以佛光寺東大殿為研究對象，重點探究古建筑模型制作與3D打印技術、激光雕刻技術的結合，探尋新型科技技術與古建筑模型制作的融合。

1 研究中國古建筑模型制作的目的與意義

1.1 中國古建筑模型的歷史淵源

古老的中國最早在西漢時期就出現了利用陶、銅、石、木等材料在小型器物上以模型的形式反映當下的建筑，此時的模型大多作為古代人們下葬時帶入地下的隨葬器物，即為明器。漢代的建筑明器出土范圍較廣，類型大多一致，多為房屋、樓閣、院落等。例如1993年出土于河南焦作白莊6號東漢墓中的七層連閣式陶樓為仿中國傳統的木構高樓建筑。最早明確記載把古建筑模型制作用于建筑設計的是隋朝的宇文愷((唐)魏征：“列傳三十三·宇文愷”，《隋書》)。據史書記載，宇文愷專門制作了明堂的木模型，以供皇帝審查方案，“其樣以木為之，下為方堂，堂有五室，上為園觀，觀有四門”。而在宋代文瑩撰寫的《玉壺清話卷二》當中記載：“將開建寶寺塔，浙匠喻皓料一十三層，郭(郭忠恕)以所造小樣末底一級折而計之，至上層余一尺五寸，殺收不得。謂皓曰：‘宜審之。’皓因數夕不寐，以尺較之，果如其言。” 根據建筑師喻皓設計制作的建筑模型小樣，發現了其中存在的錯誤，避免了一場建筑工程事故。在《帶經堂集蠶尾續文》卷七《梁九傳》當中記載，康熙三十四年(1695)，建筑師梁九主持重新修建因火而焚燒的太和殿，在動工之前，他親自制作了1∶10的太和殿模型，而正是根據建筑師梁九所制作的模型，太和殿才得以順利完工。劉敦禎老先生在《中國古代建筑史》中寫到：中國古代用建筑模型的方式直觀表現建筑一直持續到清末。而隨著時代的發展，封建社會逐步淪為半殖民地半封建社會，中西方文化的大融合等時代背景下，古建筑模型制作也產生了深刻的變化[1]。1925年朱啟鈐開始籌辦營造學社，多次開展中國古建筑學術研究。1930年營造學社正式成立，先后吸引了梁思成、林徽因等學者加入，并在全國范圍內收集“樣式雷”家族制作的模型、燙樣、圖紙。新中國成立后，一些政府部門、民間組織、高校等積極開展古建筑模型制作相關活動，保護并發展了中國古建筑模型的制作技藝。而時至今日，隨著廣大學者對于中國古建筑文化研究的深入，對于中國古建筑文化的認同與自信，越來越多的力量、資源投入到了古建筑模型制作領域當中。

1.2 中國古建筑模型傳統制作工藝

當代社會由于文化的發展、環境的變革、材料的升級迭代、科學技術的普及等原因，已經不再適合大規模建造中國傳統古建筑了，現在新建的古建筑經常是徒有其表，內部多為鋼筋混凝土結構，外部采用磚瓦等材料裝飾，已經失去中國傳統古建筑的精髓。而如果沒有古建筑模型，我們就無法對古建筑進行保護性研究、相關學科領域上的教學以及對古建筑文化的普及與觀賞等[2]。正是因為制作古建筑模型的必要性，古建筑模型制作工藝也成為了不可缺少的環節。傳承傳統的古建筑模型制作工藝，對于古建筑模型的發展具有促進意義，也能更好的弘揚中國傳統古建筑文化。

而傳統的古建筑模型制作工藝是根據中國傳統古建筑營造法式的發展而產生變化的一種以木材料為主要原料，以陶、石、銅、染料等為輔助性材料，并且以柱網結構、榫卯方式進行搭建，經過了畫草圖、選材料、材料加工等多道工序而形成的傳統手工技藝。因其工序復雜，又均為手工制作，所以需要匠人極高的制作手藝。制作的工序分以下步驟：首先是畫草圖，先定外形尺寸，再定內部結構[3]，畫出需要進行制作的模型；其次是選取材料，傳統古建筑模型多選擇核桃木、梨木和楸木等柔性較好的材料，方便后期的加工制作；選材完成后對所選材料進行入窯烘干，防止后期木材產生變形；烤干完成后，需要進行制作臺基、樹立柱、成柱網；柱網層完成后，需要制作鋪作層，建梁架、造屋頂。以上工作完成后，就是增加門窗裝飾，進行油飾彩繪，豐富古建筑模型。傳統的古建筑模型制作工藝全面傳承了中國古建筑采用的多種復雜結構及升起、側腳、榫卯等獨特技藝。

1.3 中國古建筑模型制作研究的目的和意義

中國古建筑在1840年鴉片戰爭爆發后，一度出現斷代的現象，逐漸從大眾視野當中散去，失去了往日的光彩。但是伴隨著社會的發展、思想的進步、民族的解放，一大批建筑大家如梁思成、劉敦楨、林徽因、吳良鏞等先生的篤志躬行，以及許多具有本土情懷的建筑從業者的努力，經過幾代建筑師的探索與實踐，漸漸喚起了廣大民眾對于中國古建筑和與之相關民族文化的關注，不斷提高著廣大群眾對于中國古建筑及其相關文化的保護意識，孕育了廣大群眾對于中國古建筑及其相關文化的熱愛，使中國古建筑和與古建筑相關的文化在新時代的背景下重新散發光芒。古建筑模型和其制作工藝作為重要的中國古建筑文化組成部分以及對中國古建筑進行研究的方式方法，其歷史地位極高，并且從古至今都發揮著重要的作用和不可替代的價值。而對于學習古建筑模型制作工藝以及探索古建筑模型制作方法，其背后的意義與目的是對中國古建筑文化以及與其相關文化的弘揚與傳承，可以更加彰顯出文化自信，體現出中國古建筑文化的深刻內涵，吸引更多的人關注與了解中國古建筑。其次是會對現存古建筑的保護與修繕起到重要作用，也為相關學者的研究提供基礎。

2 以佛光寺東大殿為研究對象的原因

梁思成認為，中國建筑發源于漢，成熟并呈豪勁之勢于唐，臻于完美醇和于宋，明后出現衰老羈直之態勢。而佛光寺東大殿建于唐大中十一年(公元857年)，它記載了大唐時期木結構建筑的結構體系和外觀裝飾，成為后世認識和研究唐代建筑極為珍貴的實物資料。它的屋頂形式、斗拱樣式、獨特的大叉手、“側腳”和“生起”、梁架各部分的比例關系等等諸多細節都是唐代建筑特有的標志和符號。它傳遞出古人不同于東方的營造觀點，它真正所代表的是古人對于建筑與藝術結合的深度思考。

而佛光寺東大殿的木結構體系正是對于唐代建筑營造手法的完美表現，木結構體系包括斗拱、內部空間、屋架。佛光寺東大殿的斗拱采用高等級的七鋪作斗拱，為全球現存唐代木建筑中的孤例。雖然《營造法式》當中記載了最高鋪作等級為八鋪作，但是目前世界上沒有發現具有八鋪作的木構建筑，而佛光寺東大殿的斗拱成為現存最高等級的鋪作。佛光寺東大殿的平面空間為金廂斗底槽，即內外兩圈柱子圍合而成的，佛壇位于內圈柱子圍合而成的內槽空間，而外圈柱子圍合出了一個寬闊的禮佛空間。佛光寺東大殿的結構是立柱一層、斗拱一層，斗拱上托平闇，平闇上面是屋架。而屋架與斗拱、空間相互影響，共同組成了佛光寺東大殿的木結構體系。而通過對佛光寺東大殿進行模型制作可以更好的研究與了解唐代建筑的營造手法，真正傳承唐代建筑的風韻。

3 利用新型技術進行古建筑模型制作

3.1 3D打印技術與古建筑模型制作的結合

1)3D打印技術概述。

3D打印技術作為一種新型的制造技術，將新型材料、計算機科技、數控機床技術、機械制造等綜合利用，將所獲取的模型用3D打印機層疊形成三維結構實體，主要材料有工程塑料、光敏樹脂、金屬材料等。3D打印技術在建筑領域應用的主要流程是獲取相關數據，創建數字三維模型，圖層切片處理，圖層切片路徑規劃，圖層切片疊加。美國3D打印技術委員會按照如下方式定義3D打印技術：3D打印技術完全不同于傳統材料加工方法，以 CAD模型數據為基礎構建模型并且逐層增加材料，制造出和三維物理實體模型完全一致的數學模型[4]。

2)3D打印技術在古建筑模型制作當中的應用——以佛光寺東大殿為例。

3D打印古建筑模型的主要流程為:對中國古建筑營造技藝進行研究→實地勘測→利用CAD繪制基本圖紙→利用草圖 大師等3D設計軟件建立三維模型→利用切片軟件對三維模型分層切片→將處理好的三維模型導入3D打印機→最終形成古建筑模型。

第一步：充分利用身邊的資料文獻，對古建筑結構進行研究分析，掌握基本的古建筑營造技術。

第二步：在經過前期對古建筑的結構進行研討與研究后，對古建筑進行實地勘測，利用地基雷達測繪技術、激光掃描技術等手段對古建筑現狀進行測繪，測量記錄建筑數據，拍攝大量屋頂、柱網、梁架、門窗等細部照片，方便后期模型制作。

第三步：調研測繪完成后，進行數據整理，依據所獲得數據對建筑進行CAD圖紙的繪制，圖紙包括：平面圖、立面圖(見圖1)、剖面圖、總平面圖。

第四步：通過繪制完成的CAD圖紙，利用草圖大師進行數字化三維模型制作，在此過程中除制作整體模型以外，對于部分主要構件，例如轉角鋪作、補間鋪作等需要進行單獨處理與制作。

第五步：把制作好的整體模型導入切片軟件中進行分層切片處理(見圖2)，導出STL格式文件，通過優盤或者藍牙連接進行傳輸，導入3D打印機(本次研究過程中模型打印比例的設置為 1∶200)進行打印。在打印前需要完成調平、預熱、進絲等工作。

3)利用3D打印技術制作古建筑模型所存在的問題。

問題1：古建筑模型內部結構復雜，進行整體模型的打印，會出現亂絲、纏絲等現象。而由于材料的原因，模型表面極其粗糙，需進行人工打磨，大大降低了模型的精度，影響模型的美觀。問題2:建筑模型的比例會受到3D打印機的制約，如果進行1∶10，1∶50的模型制作，需選擇尺寸更大的3D打印機。問題3：如果是單獨構件進行打印，因為古建筑構件的復雜多樣，極有可能出現構件錯亂的情況，最后導致無法組裝成為整體模型。

3.2 激光雕刻技術與古建筑模型制作的結合

1)激光雕刻技術概述。

激光雕刻是以數控為基礎，激光為媒介，對材料進行切割或印刻加工的技術[5]。激光雕刻技術的特點是：與所選材料表面沒有直接接觸，不會受機械運動所產生錯位的影響，表面不會產生變形，一般無需固定。另一方面，使用激光雕刻技術不受材料的彈性、柔韌性影響，更適合對一些較軟的材質進行加工。加工過程中可以保證較高的精確度，加工速度快，也經常用來加工建筑模型的相關構件。

2)激光雕刻技術在古建筑模型制作當中的應用——以佛光寺東大殿為例。

激光雕刻技術制作古建筑模型的主要流程為：對中國古建筑營造技藝進行研究→實地勘測→ 利用CAD 繪制基本圖紙→利用草圖大師等3D設計軟件建立三維模型→機器調試與定位→模型數據導入與機器切割→模型組裝與加工修飾。第一、二、三步與3D打印流程相同，在此不過多介紹。第四步：與3D打印直接建立模型不同的是，利用激光雕刻技術需要重點關注模型的組裝接口。在三維模型中進行模型構件的調整，確保構件之間可以相互拼接聯系，之后對構件進行拆分，利用軟件自帶的剖切功能輸出DWG格式文件。第五步：將輸出的DWG格式文件重新整理核查后，啟動激光雕刻機電源，首先進行機器調試激光打點操作，其次是利用方向鍵調節激光頭從而確定雕刻的基點。第六步：打開激光雕刻輸出、控制軟件，導入文件后，設置相關參數。檢查確定冷卻系統、排氣系統狀態良好，蓋上蓋子后進行切割工作。第七步：切割完成后將各個構件取出，進行相應構件的編號以及利用砂紙或磨砂機進行打磨，主要去除激光切割后的碳痕，并且按照編號對構件進行組裝，從而形成古建筑模型。

3)利用激光雕刻技術制作古建筑模型所存在的問題。

問題1：由于激光雕刻機的可切割材料厚度有限，其工作臺面尺寸的限制，經常出現由于比例問題構件無法組裝，需要反復嘗試的情況。問題2：激光雕刻機是通過激光器聚焦激光作用于材料表面，切割時會產生一定寬度的切縫，切縫寬度與激光切割功率、速度、焦距和切割深度有關[6]。而切縫寬度對于模型的影響較大，切縫過寬或過窄都會影響模型的組裝以及模型的精確程度。問題3:激光雕刻機對人體具有一定的危害，例如切割過程中會產生大量有害氣體與粉塵，放射出的激光會灼傷眼睛、皮膚。如果操作不當或者是設備出現故障，可能使人體遭受致命電擊或者是引發火災，對使用者的生命安全構成威脅。

4 結語

在本次研究過程中，主要是采用3D打印技術、激光雕刻技術對佛光寺東大殿進行模型制作，得到了兩項技術與古建筑模型制作的工作流程，發現了其中存在的問題，實現了新型技術與古建筑模型制作的融合。通過引入新型技術，提高古建筑模型制作效率，該研究成果適用于對古建筑進行保護性研究、修復等領域；適用于相關專業學科教學、課程體系建設等領域；適用于古建筑文化的普及、展覽等領域。這對古建筑的保護研究，古建筑傳統營造技藝的傳承，古建筑傳統文化的弘揚，古建筑所蘊含的思想在當代的復興，都有著深遠的影響。希望該研究在古建筑模型制作方面得到更廣泛的應用。