中國古建筑蘊(yùn)含的現(xiàn)代設(shè)計(jì)特征及三維CAD方法研究

張士杰， 相炳哲， 張?jiān)辞澹?楊 諄

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

三維CAD軟件因其強(qiáng)大功能所具備的先進(jìn)性和實(shí)用性，正在取代二維CAD手段而廣泛應(yīng)用于機(jī)械等領(lǐng)域工業(yè)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。其功能不僅包括從三維建模入手進(jìn)而可以轉(zhuǎn)化為二維工程圖，而且，也包括了先進(jìn)的系列化設(shè)計(jì)理念和方法。而目前進(jìn)行的中國古代建筑復(fù)建、修繕、仿古建筑等設(shè)計(jì)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(rèn)為，古代建筑與現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)手段之間存在著很多可利用的“設(shè)計(jì)信息接口”，很適于利用三維CAD方法表達(dá)古代建筑。中國古代木構(gòu)建筑，尤其是梁架結(jié)構(gòu)，包含著許多與機(jī)械產(chǎn)品類似的結(jié)構(gòu)特征，甚至蘊(yùn)含著大量類似于現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品先進(jìn)的系列化成組設(shè)計(jì)特征。如果采用三維CAD先進(jìn)手段，可望與以往方法相比，既具有優(yōu)越性，又具有實(shí)用性。這既對(duì)于國家大力支持的古代文物建筑保護(hù)、復(fù)建、修繕和仿古建筑設(shè)計(jì)具有積極意義，又對(duì)在圖學(xué)教育中拓展知識(shí)面和專業(yè)深度有益。

中國古代木構(gòu)建筑中包含的類似工業(yè)產(chǎn)品特征包括：零件—裝配體特征，模數(shù)化設(shè)計(jì)特征，以及蘊(yùn)含著類似先進(jìn)的系列化成組設(shè)計(jì)特征。

1 中國古代木構(gòu)建筑梁架結(jié)構(gòu)中的“零件----裝配體”特征

中國古代木構(gòu)建筑（以下簡稱古代建筑或古建）梁架結(jié)構(gòu)具有類似于機(jī)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(gòu)件（零件），然后以特有的榫卯結(jié)構(gòu)“裝配”在一起，形成整體梁架結(jié)構(gòu)（裝配體），如圖1、圖2所示。

圖1 硬山建筑木構(gòu)架三維模型裝配體及構(gòu)件名稱

圖2 梁架構(gòu)件及榫卯裝配局部

其中各類榫卯結(jié)構(gòu)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(jī)械設(shè)計(jì)的零件—裝配體建模方法建立古建模型（包括榫卯結(jié)構(gòu)），然后可再轉(zhuǎn)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(gòu)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(jié)構(gòu)中的模數(shù)化設(shè)計(jì)

中國古代建筑經(jīng)歷幾千年發(fā)展，為我們留下了豐富而寶貴的文化遺產(chǎn)。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(xiàn)，包括宋代《營造法式》、清工部《工程做法則例》[3]等。后經(jīng)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(xiàn)給我們留下了極為寶貴的古代建筑模數(shù)化設(shè)計(jì)思想和方法[4]。這與后來從國外傳入的機(jī)械模數(shù)化設(shè)計(jì)（例如齒輪設(shè)計(jì)）方法既有類似之處，又有更大的使用范圍。

即古建模數(shù)設(shè)計(jì)不僅體現(xiàn)于構(gòu)件（零件）設(shè)計(jì)，而且還體現(xiàn)于房屋整體結(jié)構(gòu)（裝配體）設(shè)計(jì)中。不僅一個(gè)構(gòu)件的尺寸是基本模數(shù)的函數(shù)，而且整個(gè)梁架結(jié)構(gòu)也是基本模數(shù)的函數(shù)。古代建筑物構(gòu)件和整體各部分之間形成的和諧比例（美學(xué)功能及使用功能方面）、合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)（即使強(qiáng)烈地震也只是墻倒屋不塌，震后可自動(dòng)復(fù)原）既源于榫卯結(jié)構(gòu)，又與模數(shù)化設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

這種規(guī)范成為設(shè)計(jì)和施工的固定法則，被古代建筑師們千百年來嚴(yán)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(shè)計(jì)模數(shù)關(guān)系稱為“權(quán)衡”。其中大式建筑以“斗口”為基本模數(shù)，見圖6[6]；小式建筑以“檐柱徑”為基本模數(shù)，見表1[6]。

此權(quán)衡關(guān)系非常適合利用三維CAD的零件系列化設(shè)計(jì)功能進(jìn)行模數(shù)化建模設(shè)計(jì)，并在古建領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的推廣意義。本文插圖（圖6除外）所示模型，均按清式權(quán)衡制作[6]。

圖6 清式斗口的等級(jí)節(jié)選（基本模數(shù)）

表1 清代小式（或無斗拱大式）建筑木構(gòu)件權(quán)衡表（節(jié)選）（單位：柱徑D）

3 古建中蘊(yùn)含的類似現(xiàn)代系列化設(shè)計(jì)特征

3.1 古代建筑類似系列化的外部特征

工業(yè)系列化產(chǎn)品的外部特征是，既具有鮮明而統(tǒng)一的風(fēng)格，又具有形態(tài)各異的品種個(gè)體形態(tài)，例如許多著名品牌汽車。

古代的建筑匠師們嚴(yán)格遵循上述法則建造了無數(shù)風(fēng)格鮮明統(tǒng)一、形態(tài)各異的建筑。例如在統(tǒng)一的風(fēng)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(fēng)格統(tǒng)一性和其中不同個(gè)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(shè)計(jì)特征。

3.2 機(jī)械工業(yè)系列化設(shè)計(jì)發(fā)展簡介

較早的機(jī)械系列化設(shè)計(jì)方法是，根據(jù)已有的基本機(jī)型派生設(shè)計(jì)后續(xù)的第二、第三……機(jī)型。由于設(shè)計(jì)前一機(jī)型時(shí)未能考慮后一機(jī)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(shù)量很少。

更先進(jìn)的系列化設(shè)計(jì)可見于20世紀(jì)80～90年代，國家引進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目中包含的“設(shè)計(jì)、工藝一體化的成組設(shè)計(jì)”技術(shù)[7]。其主要特點(diǎn)是“同時(shí)設(shè)計(jì)系列中的多種產(chǎn)品（幾十種機(jī)型）”。由于不再是“派生”設(shè)計(jì)新品種，因而沒有“基本機(jī)型”，各機(jī)型彼此“平等”。

此方法是將系列中多種機(jī)型的同名零件，按“功能相似、形狀相似”分組，同時(shí)進(jìn)行同組設(shè)計(jì)，盡量采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)甚至統(tǒng)一尺寸。其目的是為采用統(tǒng)一專業(yè)化加工設(shè)備（例如昂貴的沖壓模具）、提高成組加工程度創(chuàng)造條件，以提高生產(chǎn)的專業(yè)化程度。其效果是在大幅度增加系列中機(jī)型數(shù)量的同時(shí)，顯著節(jié)省加工設(shè)備成本、顯著節(jié)省生產(chǎn)時(shí)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(tǒng)一設(shè)計(jì)專用加工設(shè)備創(chuàng)造條件、提供依據(jù)。此法可謂設(shè)計(jì)與工藝一體化的橋梁。

三維CAD軟件已經(jīng)吸收了上述先進(jìn)的“同時(shí)進(jìn)行同組設(shè)計(jì)”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(shí)設(shè)計(jì)形狀相似的多種（多配置）零件，多配置零件亦可表達(dá)于同一個(gè)工程圖文件中。

3.3 古代建筑中蘊(yùn)含的類似系列化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息

我國古代建筑中蘊(yùn)含著類似于“同時(shí)設(shè)計(jì)全系列多種產(chǎn)品”的“設(shè)計(jì)、工藝一體化”的系列化設(shè)計(jì)方法，而且是經(jīng)千百年考驗(yàn)的成熟思想和方法。這為我們今天利用現(xiàn)代三維CAD手段進(jìn)行古代建筑設(shè)計(jì)提供了“信息接口”。

1）上述古建模數(shù)化設(shè)計(jì)亦可歸為系列化設(shè)計(jì)方法。因?yàn)?，古建模?shù)化設(shè)計(jì)不僅用于構(gòu)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(shù)；同時(shí)，此法還用于建筑群，建筑群采用多種基本模數(shù)（見表1）。這樣，因模數(shù)（權(quán)衡）設(shè)計(jì)的更廣泛應(yīng)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(quán)衡關(guān)系的構(gòu)件（見圖3）。這就為古人提高施工專業(yè)化、提高施工質(zhì)量和進(jìn)度創(chuàng)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(shè)計(jì)功能提供了條件，進(jìn)而為大幅度提高設(shè)計(jì)效率和減少差錯(cuò)提供了條件。

3）由古建技術(shù)的高度模數(shù)化和構(gòu)件的形狀相似性，誕生了“丈桿”這種設(shè)計(jì)、施工一體化的特殊工具?！罢蓷U”是根據(jù)基本模數(shù)、“權(quán)衡”制作的具有度量功能且不易變形的長木桿。在木構(gòu)件制作之前，先將建筑物的柱高、面闊、進(jìn)深、出檐尺寸、榫卯位置等參數(shù)刻畫標(biāo)記在一組丈桿上，然后以丈桿尺度為根據(jù)，既用來指導(dǎo)木構(gòu)件制作，又用來校核大木安裝（梁架裝配）[6]。在施工現(xiàn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)功能

首先，最基本的“驅(qū)動(dòng)尺寸”參數(shù)化功能在很大程度上成為模數(shù)化、系列化設(shè)計(jì)的必要條件。當(dāng)改變尺寸參數(shù)時(shí)即驅(qū)動(dòng)模型尺寸改變。此外包括以下3個(gè)方面：

1）一個(gè)模型文件中可同時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)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(shè)計(jì)成多“配置”單步梁，改變配置選項(xiàng)，即可改變?yōu)榱硪环N構(gòu)件，如圖7所示。

圖7 多配置單步梁（節(jié)選）

2）零件“方程式”功能。由于古建構(gòu)件各部尺寸存在模數(shù)（函數(shù)）關(guān)系，其中一個(gè)尺寸可作為其他多尺寸的自變量，故可用此功能同時(shí)進(jìn)行形狀相似的多種規(guī)格的構(gòu)件設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)一組（同名或不同名）構(gòu)件時(shí)，既可單獨(dú)應(yīng)用上述一個(gè)功能，又可綜合應(yīng)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(gòu)件?？稍谕荒Ｐ臀募芯C合利用“多配置”和“方程式”功能同時(shí)設(shè)計(jì)不同名、不同基本模數(shù)的構(gòu)件，模型完成后，只需改變基本模數(shù)，其他尺寸即隨之按需改變；改變配置選項(xiàng)，即可改變?yōu)榱硪环N構(gòu)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(shè)計(jì)思想的前提下，從繪制草圖時(shí)，即開始合理運(yùn)用細(xì)節(jié)技巧，隨時(shí)考慮系列因素，為方便實(shí)現(xiàn)多種“配置”和多種基本模數(shù)創(chuàng)造條件。

4 三維CAD軟件進(jìn)行古建設(shè)計(jì)的其他優(yōu)點(diǎn)

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(yōu)點(diǎn)：

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

2）既可表達(dá)整體又可表達(dá)單一構(gòu)件，亦可演示大木安裝（梁架裝配）過程。尤其榫卯結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)系對(duì)施工（包括修繕）有更直觀指導(dǎo)意義。

3）裝配體的“干涉檢查”功能可檢查構(gòu)件的建模錯(cuò)誤或裝配錯(cuò)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(xiàn)的多視圖各部關(guān)系的差錯(cuò)。

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(dá)向三維表達(dá)的過渡做法。例如脊獸等復(fù)雜造型，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)常采用示意表達(dá)，后由匠師按專業(yè)方法或特定復(fù)原依據(jù)（照片或?qū)嵨铮?zhǔn)確完成。

5 結(jié) 束 語

我們的祖先在古代農(nóng)耕社會(huì)創(chuàng)造出類似工業(yè)產(chǎn)品，意味著成熟技術(shù)規(guī)范和至今仍屬先進(jìn)的系列化整體設(shè)計(jì)理念和方法，且存在著古代技術(shù)與現(xiàn)代手段之間非常吻合的“信息接口”。我們將繼續(xù)深入研究，既為學(xué)習(xí)、教授現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，也為更好地保護(hù)祖國文化遺產(chǎn)。

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