民族傳統(tǒng)建筑元素提煉與BIM參數(shù)化建模方法研究
——以廣西壯族干欄式民居建筑的獸頭銜象鼻形挑手為例

文_黃 雷（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授、高級(jí)工程師，碩士）

李立寧（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，工程師，碩士）

郭 楊（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，碩士）

中華民族歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)、文化豐富多彩，在各民族傳統(tǒng)建筑中所包含的民族傳統(tǒng)元素不僅形式多樣、結(jié)構(gòu)合理、造型美觀、功能齊全，且特色鮮明、內(nèi)涵豐富、自然和諧，凝聚了各民族勞動(dòng)人民的勤勞智慧和進(jìn)取精神。提煉廣西壯族干欄式民居建筑構(gòu)件挑手中的民族傳統(tǒng)建筑元素，再與符合現(xiàn)代審美觀念的元素融合，利用BIM建模技術(shù)，可方便工廠化大規(guī)模加工制造的模塊化、裝配化理念對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)建模。民族建筑的優(yōu)良傳統(tǒng)和藝術(shù)風(fēng)格不但因此得以繼承，還能通過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)和建造技術(shù)得以弘揚(yáng)和發(fā)展。

一、廣西民族建筑中的挑手特征元素提煉

廣西民族建筑中的挑手是指支撐建筑物挑出屋檐的一種木制組合構(gòu)件，如圖1所示，它具有使屋檐向前延伸，使檐下形成一個(gè)可遮陽(yáng)避雨的檐廊，既可保護(hù)檐下外墻不受日曬雨淋，又使檐下形成一個(gè)可遮陽(yáng)避雨的空間。

圖1 ??靖西某壯居象鼻蓮花頭挑手

木制組合構(gòu)件主要由梁或枋在檐下的挑出部分及下方的插栱共同構(gòu)成，如圖2所示。挑手以挑出梁（枋）的數(shù)量來(lái)分類，只有一條挑出的梁（枋），沒(méi)有下部裝飾用插栱，稱為單挑；一條挑出的梁（枋）加上下部插栱，稱為雙挑；兩條挑出的梁（枋）加上下部插栱，稱為三挑。

圖2 ??雙挑象鼻形蓮花頭挑手大樣圖

梁（枋）的挑出部分是挑手主要受力構(gòu)件，承受通過(guò)檁傳遞來(lái)的建筑屋頂荷載，因此其外形簡(jiǎn)單實(shí)用、無(wú)過(guò)多裝飾。挑手下部的插栱承擔(dān)了主要的裝飾功能，因此其外觀通常形式多樣、造型美觀、寓意深刻。而挑手往往以下部插栱的外形特征來(lái)命名，如象鼻蓮花頭挑手。由此，以挑手下部插栱作為提煉民族傳統(tǒng)建筑元素的主要對(duì)象。

廣西南部壯族干欄式民居建筑的挑手下部插栱，多為獸頭銜象鼻的形式，如圖3、4所示。插 栱后部與柱或墻相連的部位多以魚頭、龍頭等形狀出現(xiàn)，寓意生活富足、人丁興旺、健康長(zhǎng)壽；中部為象鼻形狀，寓意吉祥如意、招財(cái)納福；前端托梁（枋）的部位多為蓮花形狀，寓意清廉、純潔。這樣的組合反映了古代廣西壯族人民對(duì)龍、魚、象和蓮花等動(dòng)植物的崇拜，以及對(duì)美好生活、崇高品格的追求。

圖3 ??魚頭銜象鼻蓮花頭挑手

根據(jù)模塊化理念，獸頭銜象鼻形插栱可分為三個(gè)模塊，即托梁（枋）的蓮花頭、象鼻和連柱或墻的獸頭。每個(gè)模塊之間根據(jù)裝配化理念，并參考傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的榫卯連接方式，設(shè)計(jì)參數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化的凹（榫眼）凸（榫頭）式連接接頭。

（一）蓮花頭特征提煉

蓮花頭常見(jiàn)外形為倒扣的正四棱臺(tái)，有單層（如圖3、圖4），也有雙層（如圖1）。雙層的兩個(gè)正四棱臺(tái)往往相對(duì)旋轉(zhuǎn)45°。正四棱臺(tái)四個(gè)側(cè)面表面常有對(duì)稱布置的從頂?shù)降椎臏喜?，如圖5所示。四棱臺(tái)頂、底面邊長(zhǎng)和高度等均設(shè)計(jì)成可通過(guò)參數(shù)調(diào)整。

圖4 ??龍頭銜象鼻蓮花頭挑手

圖5 ??蓮花頭側(cè)面溝槽示意

（二）象鼻特征提煉

象鼻的特征可提煉為兩個(gè)相切圓弧組成的S形曲線，如圖6所示。象鼻斷面可以是矩形也可以是圓形。由于古代受限于落后的工具和技術(shù)，圓形斷面的象鼻加工難度較大，因此多為矩形斷面?，F(xiàn)在的木材加工技術(shù)先進(jìn)，所以可選擇更符合現(xiàn)代審美觀念的圓形斷面。半徑為R1的這段圓弧象鼻，左端連接蓮花頭，右端與另一段圓弧象鼻相連。為了增加一些變化，此段象鼻設(shè)計(jì)成斷面為兩端粗中間細(xì)的光滑過(guò)度圓弧。半徑為R2的這段圓弧象鼻，右端與柱或墻連接。此段象鼻斷面設(shè)計(jì)成與柱或墻連接端粗、另一端細(xì)的光滑過(guò)度圓弧，如圖7所示。

圖6 ??兩個(gè)相切圓弧組成的S形曲線

??圖7??S形象鼻

（三）獸頭特征提煉

由于獸頭往往造型復(fù)雜，可提煉抽象的特征較少，參數(shù)化建模的難度較大。為了便于加工制造，采取兩側(cè)用薄木板剪紙風(fēng)格雕刻的獸頭，中間夾實(shí)木的形式來(lái)營(yíng)造立體精美的獸頭，以龍頭造型為例，如圖8所示。

圖8 ??龍頭造型

二、挑手BIM參數(shù)化建模

BIM建模軟件采用Autodesk Revit（2017版）進(jìn)行。建模思路為：先將挑手插栱拆分為蓮花頭、象鼻和獸頭三個(gè)部件分別參數(shù)化建模，再將三個(gè)部件組裝成完整插栱模型，最后將插栱模型和挑梁、檐柱等組裝成完整的挑手模型。

（一）蓮花頭BIM參數(shù)化建模

根據(jù)民族傳統(tǒng)建筑中蓮花頭造型特點(diǎn)，將蓮花頭提煉為通過(guò)高度、底面邊長(zhǎng)、頂面邊長(zhǎng)等參數(shù)控制的正四棱臺(tái)。先利用Revit構(gòu)建單個(gè)蓮花頭BIM模型。單個(gè)蓮花頭樣式及控制參數(shù)詳見(jiàn)圖9和表1，頂和底面正方形邊長(zhǎng)、高度、側(cè)面溝槽間距、榫卯接頭等均設(shè)計(jì)成可參數(shù)調(diào)整。

圖9 ??單個(gè)蓮花頭樣式

表1 ??單個(gè)蓮花頭控制參數(shù)

（接上表）

雙層蓮花頭由兩個(gè)蓮花頭疊加而成。雙層蓮花頭樣式及控制參數(shù)詳見(jiàn)圖10和表2，上層蓮花頭可通過(guò)參數(shù)選擇是否旋轉(zhuǎn)45°。

圖1 0??雙層蓮花頭樣式

表2 ??雙層蓮花頭控制參數(shù)

（二）象鼻BIM參數(shù)化建模

象鼻雖是提煉為兩個(gè)相切圓弧組成的S形曲線，但是連接蓮花頭的這段象鼻斷面為兩端粗中間細(xì)，因此在Revit建模時(shí)，使用放樣融合的實(shí)體創(chuàng)建工具，這段象鼻實(shí)際應(yīng)分成兩段分別創(chuàng)建。放樣路徑為相互連接的等角度的兩段同圓心同半徑的圓弧。組成S形曲線的兩段象鼻圓弧連接處應(yīng)相切。象鼻樣式及控制參數(shù)詳見(jiàn)圖11和表3。

圖11 ??象鼻樣式

表3 ??象鼻控制參數(shù)

由于幾何關(guān)系比較復(fù)雜，象鼻建模經(jīng)過(guò)多次嘗試才確定了一個(gè)比較好的建模順序和參數(shù)關(guān)聯(lián)邏輯。

確定象鼻連接獸頭這一段圓弧的位置和長(zhǎng)度。首先固定此段圓弧連接獸頭端點(diǎn)與圓心的連線豎直，再根據(jù)幾何關(guān)系，通過(guò)兩個(gè)圓弧圓心連線水平投影間距參數(shù)XBX2和兩個(gè)圓弧半徑參數(shù)XBR1、XBR2控制此段圓弧角度參數(shù)XBAngl1，最后通過(guò)參數(shù)XBR1和XBAngl1控制此段圓弧另一端點(diǎn)位置和圓弧的長(zhǎng)度與角度。

確定象鼻連接蓮花頭這一段圓弧的位置和長(zhǎng)度。首先固定此段圓弧連接蓮花頭端點(diǎn)與圓心的連線水平；接著通過(guò)兩圓弧相切的幾何關(guān)系確定連接蓮花頭此段圓弧圓心的相對(duì)豎向坐標(biāo)參數(shù)XBY（兩個(gè)圓心豎向投影間距）；然后通過(guò)象鼻水平投影長(zhǎng)度參數(shù)XBX1和參數(shù)XBR2控制參數(shù)XBX2；再根據(jù)幾何關(guān)系，通過(guò)參數(shù)XBAngl1控制此段圓弧角度參數(shù)XBAngl2；最后通過(guò)參數(shù)XBR2和XBAngl2控制此段圓弧長(zhǎng)度與角度。

象鼻兩端的榫頭尺寸與蓮花頭、獸頭對(duì)應(yīng)的榫眼尺寸應(yīng)該匹配。因此，參數(shù)命名時(shí)不同模塊模型中相同位置尺寸參數(shù)應(yīng)采用同樣的名稱；組裝成完整插栱模型時(shí)，再設(shè)置同名的嵌套關(guān)聯(lián)參數(shù)，以避免混淆。

（三）獸頭BIM參數(shù)化建模

為了便于工廠化加工制作，采取兩側(cè)用薄木板剪紙風(fēng)格雕刻獸頭，中間夾實(shí)木的形式。以龍頭為例，其構(gòu)造形式和控制參數(shù)詳見(jiàn)圖12和表4。獸頭兩側(cè)剪紙風(fēng)格板材厚度、中間實(shí)木層厚度等均設(shè)計(jì)成可通過(guò)參數(shù)調(diào)整。

表4 ??獸頭控制參數(shù)

圖12 ??獸頭構(gòu)成形式

（四）獸頭銜象鼻蓮花頭挑手的組裝

首先將蓮花頭、象鼻和獸頭三個(gè)模塊組裝成完整的插栱，以龍頭銜象鼻蓮花頭插栱為例，如圖13所示。

圖13 -2??組裝完整的龍頭銜象鼻蓮花頭插栱樣

圖13 -1??組裝完整的龍頭銜象鼻蓮花頭插栱樣

再將插栱和挑梁等組裝成完整的挑手。以三挑龍頭銜象鼻蓮花頭挑手為例，如圖14所示。

圖14 ??三挑龍頭銜象鼻蓮花頭挑手

三、結(jié)論

本文以廣西壯族干欄式民居建筑的獸頭銜象鼻形挑手為例，對(duì)其中蘊(yùn)含的民族傳統(tǒng)建筑元素加以提煉，利用BIM技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代審美觀念正向設(shè)計(jì)并創(chuàng)建出美觀且便于工廠化加工的參數(shù)化模型。該參數(shù)化BIM模型通過(guò)參數(shù)調(diào)整能方便快捷地形成不同尺寸、不同蓮花頭和獸頭樣式的獸頭銜象鼻形挑手，適配絕大多數(shù)壯族風(fēng)格的建筑。在上述設(shè)計(jì)與建模過(guò)程中，關(guān)鍵還是對(duì)民族傳統(tǒng)建筑元素的提煉，即并非原封不動(dòng)地對(duì)建筑原有裝飾形式進(jìn)行還原，而是結(jié)合現(xiàn)代審美觀念取其精華、去其糟粕。同時(shí)，提煉還要符合基于BIM模型的現(xiàn)代設(shè)計(jì)與加工制造技術(shù)的特點(diǎn)和要求，通過(guò)提高信息化和裝配化水平，才能真正繼承民族建筑優(yōu)良傳統(tǒng)和藝術(shù)風(fēng)格并弘揚(yáng)與發(fā)展。