基于三維數(shù)字化的揚(yáng)州疊山技法研究

賈星星

張青萍*

殷新茗

宋鵬昊

張曉東

清代是中國古代園林史上最后的創(chuàng)作高峰，經(jīng)前代造園技藝的長(zhǎng)期實(shí)踐積累，至此愈發(fā)成熟[1]。植物、疊山等造園要素的形式不僅更加精細(xì)，而且不斷創(chuàng)新[2]，這些新形制有的是當(dāng)時(shí)普遍的潮流，有的則是基于地方特殊的自然人文條件做出的因地制宜之轉(zhuǎn)變，帶有濃厚的地域性色彩。

清代揚(yáng)州以漕鹽而興，康乾二朝南巡駐蹕于此，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人煙阜盛，大量精美的園林如雨后春筍般涌現(xiàn)，勢(shì)頭一度凌駕于蘇州園林之上。揚(yáng)州園林的地域特色在于疊石，《揚(yáng)州畫舫錄》記載：“揚(yáng)州以名園盛，名園以疊石勝”[3]。現(xiàn)存清代營(yíng)建的揚(yáng)州園林中也常見大面積假山作主景布置，形成了異于“北派”和“蘇派”的“揚(yáng)派”疊石風(fēng)格。清末至今，仍有工匠傳承，如余繼之、王氏、方惠等[4]。對(duì)揚(yáng)派疊石藝術(shù)特征、堆疊技法的整理與研究，是揚(yáng)州園林研究中的重要一環(huán)。

1 研究背景與意義

揚(yáng)州私家園林作為中國古典園林的重要組成部分，其疊石技藝體現(xiàn)了中國高超的造園藝術(shù)。近代童寯先生在《江南園林志》中說：“吾國園林，無論大小，幾莫不有石”[5]9；清代李漁在《閑情偶寄》中形容疊山“然能變城市為山林……不得以小技目之”[6]195。可見，疊山是中國造園不可或缺的造景元素，也是一門不可輕視的技術(shù)。

對(duì)于當(dāng)前揚(yáng)州疊山的研究，江凸筆總結(jié)了其“皺漏透瘦”和“挑飄掛空”的技法特征[7]；蘇暢、朱靈茜、包廣龍、朱丹輝等分別對(duì)個(gè)園、何園、小盤谷、逸圃等園林的疊山進(jìn)行了分析和鑒賞[8-11]；顧凱等則對(duì)當(dāng)代揚(yáng)州疊山匠人方惠的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)[12]。此外，還有大量文獻(xiàn)研究了揚(yáng)州的疊山匠人和疊山歷史等。整體看來，當(dāng)前有關(guān)揚(yáng)州疊山的研究中，多是藝術(shù)賞析層面的論述，鮮少提及山石間具體的結(jié)構(gòu)和堆疊技法。中國造園中“重賞輕技”的現(xiàn)象一定程度上限制了造園技藝的傳承，已有諸多學(xué)者表述過類似觀點(diǎn)[1][5]7[13-15]。

研究方法上，當(dāng)前主要是手稿繪制、文字描述等二維方式，缺少對(duì)實(shí)際疊山樣本的研究，因此無法直觀準(zhǔn)確地表達(dá)其中技法。疊山作為形態(tài)構(gòu)造較為復(fù)雜的造園要素，傳統(tǒng)的二維資料已無法滿足當(dāng)前精細(xì)化的遺產(chǎn)保護(hù)要求，而三維數(shù)字化技術(shù)則為疊山技法研究提供了新的視角。張勃首次提出了三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)疊山研究的可行性[16]；白雪峰使用激光掃描技術(shù)對(duì)單個(gè)置石的表達(dá)建模進(jìn)行探索，從二維CAD繪制，到三維建模軟件，再到三維激光掃描建模，探索和比較了多種山石數(shù)字化表達(dá)的方式[17]；梁慧琳利用三維數(shù)字化模型對(duì)環(huán)秀山莊假山的堆法、信息系統(tǒng)構(gòu)建與管理進(jìn)行了研究[18]，同時(shí)對(duì)三維數(shù)字化與古典園林遺產(chǎn)保護(hù)進(jìn)行了探索[19]；陳婉鈺基于ANSYS對(duì)北京皇家園林青石假山疊山技藝進(jìn)行了力學(xué)研究[20]；楊晨等則利用三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)上海豫園黃石大假山空間特征進(jìn)行了研究[21]。

當(dāng)前的研究主要集中在測(cè)繪技術(shù)探索、遺產(chǎn)信息收集與整體空間量化等層面，而利用三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)疊山中山石間堆疊技法的研究較為匱乏。因此本文對(duì)此進(jìn)行探索，試圖用新技術(shù)揭開疊山技法的更多奧秘。三維數(shù)字化方式對(duì)于本研究具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)于以往研究中人眼視線難以涉及、人身難以到達(dá)的區(qū)域，該技術(shù)提供了更大的便利，一定程度上能夠彌補(bǔ)當(dāng)前研究的不足，使疊山技法研究更加科學(xué)、直觀，以期為遺產(chǎn)保護(hù)與修復(fù)及當(dāng)代疊山建設(shè)等提供借鑒與參考。

2 三維數(shù)字化方法

2.1 三維數(shù)字化測(cè)繪

測(cè)繪所使用的儀器為手持激光掃描儀GEOSLAM ZEB-HORIZON(圖1-1)和Trimble-TX8型三維激光掃描儀(圖1-2)。測(cè)量作業(yè)前，除了提前在圖紙上劃分掃描區(qū)域、設(shè)置掃描路線、安排掃描站點(diǎn)外，還需要在現(xiàn)場(chǎng)大致游走假山，對(duì)場(chǎng)地的復(fù)雜情況進(jìn)行評(píng)估，并及時(shí)調(diào)整疊山掃描作業(yè)的安排，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)完整和人員及儀器的安全。

圖1 測(cè)繪儀器圖1-1 GEOSLAM ZEB-HORIZON手持激光掃描儀(引自https://geoslam.com)圖1-2 Trimble-TX8型三維激光掃描儀(引自https://geospatial.trimble.com)

三維點(diǎn)云配準(zhǔn)處理是在Trimble RealWorks軟件的“配準(zhǔn)”模式下操作的。數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)處理需要“全自動(dòng)配準(zhǔn)”與“單點(diǎn)配準(zhǔn)”相結(jié)合。將各站點(diǎn)點(diǎn)云進(jìn)行融合與拼接后，即可得到揚(yáng)州疊山的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

根據(jù)需求，可以對(duì)掃描測(cè)繪對(duì)象的平面圖、剖面圖、立面圖等進(jìn)行生成和輸出。Trimble RealWorks軟件具有便捷的點(diǎn)云旋轉(zhuǎn)、剖切及不同顯示模式等功能，對(duì)于疊山環(huán)境的布局、山洞的頂部結(jié)構(gòu)與部分堆疊順序的推導(dǎo)研究具有很大幫助。該三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)是后續(xù)疊山技法分析的基礎(chǔ)。

2.2 三維信息模型構(gòu)建

疊山三維信息模型構(gòu)建相當(dāng)于一種逆向工程，將現(xiàn)有疊山遺產(chǎn)的點(diǎn)云作為參照，對(duì)疊山工程進(jìn)行簡(jiǎn)化推導(dǎo)與視覺還原。該過程是以點(diǎn)云為基礎(chǔ)，結(jié)合BIM系統(tǒng)平臺(tái)，創(chuàng)建信息模型。模型的建立步驟包括：數(shù)據(jù)采集處理與分析、建立與設(shè)置項(xiàng)目文件、導(dǎo)入鏈接參考點(diǎn)云、建立軸網(wǎng)標(biāo)高、創(chuàng)建疊山石頭族，以及搭建與展示疊山模型(圖2)。

圖2 疊山信息模型建立的技術(shù)路線

BIM平臺(tái)Revit支持導(dǎo)入的點(diǎn)云格式為＊.rcp(.rcp是多個(gè).rcs點(diǎn)云文件的集合)，以往需要通過第三方軟件Recap將其轉(zhuǎn)化為＊.rcp格式，而Trimble RealWorks軟件可以直接導(dǎo)出＊.rcp格式的點(diǎn)云，省去了煩瑣的點(diǎn)云格式中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。導(dǎo)入的點(diǎn)云是后續(xù)三維信息模型建立的參照。

依據(jù)山體的實(shí)際情況將山體進(jìn)行分層標(biāo)高。一般根據(jù)較為明顯的空間層次進(jìn)行劃分，如地坪面、水池面、山洞洞頂面、二層山洞洞頂面和分層山體面等。

搭建過程中，根據(jù)需求編輯石頭族，添加必要的結(jié)構(gòu)技法等參數(shù)信息。但往往一塊山石的參數(shù)難以準(zhǔn)確表達(dá)疊山技法的信息，因此可以選中需要組合的石塊構(gòu)件，進(jìn)行“創(chuàng)建組”操作，將組命名為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)或技法，如“洞柱”“挑飄”等。

3 揚(yáng)州疊山技法分析

從“挑飄”技法、獨(dú)立洞柱和條石蓋頂3個(gè)方面對(duì)揚(yáng)州典型疊山技法進(jìn)行分析研究。將上述方法中的三維點(diǎn)云和三維信息模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、剖切，截取重要的部分，以不同層次的三維點(diǎn)云剖切圖和三維信息模型剖切圖為圖示，直觀地分析和展現(xiàn)疊山的搭接過程與堆疊順序。

3.1 “挑飄”技法

“挑飄”技法主要見于揚(yáng)州園林的疊山作品中，“挑飄掛空”是揚(yáng)州疊石的一大特色[7]。計(jì)成在《園冶》中指出疊山的原則為“有真為假，做假成真”[22]197；童寯也認(rèn)為疊山“雖天然之物而賴于人巧，是半人工、半天然之物”[5]9。“挑飄”技法能夠在表現(xiàn)天然真山的同時(shí)，凸顯人工技藝。該技法使得疊山造型有了飄動(dòng)之勢(shì)，在揚(yáng)州的眾多園林中皆有體現(xiàn)。

當(dāng)前研究大都片面地理解該技法就是一塊出挑石搭一塊飄石的單一形式。但是作為一種重要的疊山技法，理應(yīng)有更加深入的探索。本文將該技法分為“單組式挑飄技法”和“組合式挑飄技法”兩部分，使用三維技術(shù)，通過剖切等工具，解析和還原具體的疊山“挑飄”案例。

從山體中伸挑出一條狀山石為“挑”，在挑石的頂部再橫放一塊山石為“飄”[23]。“挑飄”這一技法，實(shí)則分為3個(gè)部分：出挑山石部分、上飄山石部分、后壓山石部分，三者共同作用形成了一個(gè)力學(xué)穩(wěn)定的技法形式。

“單組式挑飄技法”形式多樣。20世紀(jì)60年代，王至誠教授在其著作《中國山石藝術(shù)與施工》中對(duì)該技法進(jìn)行了手稿示意，但未論述其在園林遺產(chǎn)中具體是如何呈現(xiàn)的?！疤簟笨煞譃椤皢翁簟薄爸靥簟薄皳?dān)挑”等；“飄”又可分為“單飄”“雙飄”等[24]。通過對(duì)三維數(shù)據(jù)不同角度的觀察分析，皆能找到對(duì)應(yīng)的技法應(yīng)用，如在何園西部的黃石疊山中，這些技法皆有體現(xiàn)(圖3)。

圖3 何園黃石疊山中的“單組式挑飄技法”圖解(3-1 單挑；3-2 重挑；3-3 單飄；3-4 雙飄)

“挑飄”技法除了單獨(dú)幾塊山石的形式外，還有“組合式挑飄技法”形式，即一處疊山有多個(gè)“單組式挑飄”旋轉(zhuǎn)相連，體現(xiàn)在三維空間中的不同方向，使不同視角都能讓人體驗(yàn)到疊山的飄動(dòng)之勢(shì)。揚(yáng)州何園讀書樓東側(cè)、個(gè)園透風(fēng)漏月軒西側(cè)及抱山樓南側(cè)，都可以看到這種“組合式挑飄技法”(圖4)。

圖4 揚(yáng)州疊山的“組合式挑飄技法”(4-1 何園湖石；4-2 個(gè)園湖石；4-3 個(gè)園黃石)

以揚(yáng)州個(gè)園抱山樓前的一組黃石疊山為例，對(duì)“組合式挑飄技法”進(jìn)行推導(dǎo)、解析與還原。該處“組合式挑飄技法”動(dòng)勢(shì)明顯，凸顯了黃石主山的山勢(shì)。從山下仰視，上部分“挑飄”疊山與下部分洞體渾然天成，融為一體。經(jīng)過多角度觀察，共有6組明顯的“挑飄”組合，并包含多種“挑飄”的組合形式，富有變化，其中就包括不多見的“擔(dān)挑”與“雙飄”技法形式(圖5)。

圖5 個(gè)園抱山樓前“組合式挑飄技法”圖解圖5-1 個(gè)園抱山樓前“組合式挑飄技法”推導(dǎo)過程圖5-2 個(gè)園抱山樓前“組合式挑飄技法”的6處組合

第一層，用山石堆砌3個(gè)支撐起腳點(diǎn)，作為此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)支撐。第二層，在其中2個(gè)起腳石組上架條石，形成出挑。第三層，在第二層挑石上放置飄石，同時(shí)在另外2個(gè)方向設(shè)置長(zhǎng)條石，形成出挑。第四層，在第三層挑石上放置飄石，同時(shí)繼續(xù)設(shè)置另外方向的長(zhǎng)條石，再次形成出挑。第五層，在第四層挑石上放置飄石，同時(shí)繼續(xù)設(shè)置一塊較長(zhǎng)的條石，使其兩端都出挑，形成“擔(dān)挑”形式。第六層，在第五層“擔(dān)挑”挑石的出挑兩端放置飄石，形成“雙飄”。最后，在頂部中間設(shè)置較為穩(wěn)固的山石結(jié)頂。此處疊山組合，無論是出挑石的出挑長(zhǎng)度、方向，還是飄石的高度、體量、形態(tài)都富有變化，避免單調(diào)乏味。

可以發(fā)現(xiàn)，“組合式挑飄技法”一般是從最低處的3個(gè)或多個(gè)山石支撐起腳點(diǎn)開始，用“單組式挑飄”進(jìn)行旋轉(zhuǎn)堆疊，使得疊山在不同方位都能體現(xiàn)出“挑飄”技法?！敖M合式挑飄技法”既能讓疊山體現(xiàn)出飛動(dòng)之勢(shì)，又能層層疊加以保穩(wěn)固。該技法特色鮮明，在江南私家園林疊山技法中獨(dú)樹一幟。

揚(yáng)州疊山常使用條石實(shí)現(xiàn)“挑飄”技法，外部拼鑲自然石，以求渾然一體。本研究?jī)H分析了“挑飄”技法的大體結(jié)構(gòu)，而對(duì)于條石外的自然石拼鑲技法，目前未發(fā)現(xiàn)三維技術(shù)的相關(guān)研究?jī)?yōu)勢(shì)，故對(duì)此未做討論，其仍是目前研究的難點(diǎn)。

3.2 獨(dú)立洞柱

計(jì)成《園冶》中“理洞法，起腳如造屋，立幾柱著實(shí)，掇玲瓏如窗門透亮”[22]210是在闡述墻柱式的洞壁做法。由于洞柱是主要承受荷載的結(jié)構(gòu)，因此墻體可以根據(jù)需求做凸凹變化，或留出透光的洞窗孔洞。對(duì)于洞、柱、墻三者的關(guān)系，汪星伯先生曾指出：“在平面布置上，柱就是點(diǎn)，墻就是線，洞就是面”[25]。

揚(yáng)州疊山常使用獨(dú)立洞柱，結(jié)構(gòu)較為明顯。這種獨(dú)立式洞柱更易營(yíng)造出較大的山洞空間，使山體更加空靈輕巧。揚(yáng)州疊山洞體空間往往占據(jù)整個(gè)山體的絕大部分，如揚(yáng)州個(gè)園中湖石和黃石疊山中就常見獨(dú)立洞柱結(jié)構(gòu)，使得山洞空間更寬敞；小盤谷中也是在洞內(nèi)的中心區(qū)域設(shè)置了一個(gè)獨(dú)立洞柱。

獨(dú)立洞柱主要呈現(xiàn)為“上大下小”的結(jié)構(gòu)形態(tài)。層疊式洞柱較為常見，即用自然山石層層堆砌形成洞柱。洞柱常由墊腳石座、柱身、壓頂石等部分組成，其上可以搭接條石以便蓋梁式結(jié)頂。

個(gè)園黃石假山中靠洞窗位置的洞柱主要由5塊較為方正的自然山石層疊而成，下層大小石塊間隔層疊，最上面壓頂石為扁平狀，保證平穩(wěn)，最后在壓頂石之上搭接用以結(jié)頂?shù)臈l石(圖6)。個(gè)園湖石大假山洞口的獨(dú)立洞柱主要由7層自然湖石疊成，以方形湖石為主，扁平狀湖石為輔，二者相配以達(dá)到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)因湖石形態(tài)變化較大，大石的縫隙處設(shè)置有更多的剎石和墊石(圖7)。

圖6 個(gè)園黃石山洞獨(dú)立洞柱圖解(6-1 圖解；6-2 洞柱立面；6-3 洞柱頂部條石的搭接關(guān)系)

圖7 個(gè)園湖石山洞獨(dú)立洞柱圖解(7-1 圖解；7-2 洞柱立面)

3.3 條石蓋頂

山洞是揚(yáng)州私家園林疊山中重要的山體部件。清代李漁言：“假山無論大小，其中皆可作洞”[6]200。山洞的結(jié)頂方式與結(jié)構(gòu)對(duì)于整座疊山尤為重要，其中蓋梁式是揚(yáng)州疊山山洞最常見的結(jié)頂方式。

將條石的兩端搭接在洞壁之上進(jìn)行蓋頂?shù)慕Y(jié)頂方式稱為蓋梁式。計(jì)成在《園冶》中的“合湊收頂，加條石替之，斯千古不朽也”[22]210，就是對(duì)古人利用條石進(jìn)行山洞結(jié)頂?shù)拿枋?。條石較為規(guī)整，可以形成多樣的搭接方式，有單梁式、雙梁式、丁字梁式、三角梁式、井字梁式和藻井梁式等[26]。由于部分搭接方式較為相似，可以歸為一類，因此筆者將其歸納為平行梁式、井字梁式、三角梁式和藻井梁式4種常見的條石結(jié)頂方式(圖8)。

圖8 蓋梁式結(jié)構(gòu)的4種形式圖解(8-1 平行梁式-小盤谷湖石山；8-2 井字梁式-個(gè)園湖石山；8-3 三角梁式-個(gè)園黃石山；8-4 藻井梁式-片石山房湖石山)

通過對(duì)三維數(shù)據(jù)模型的橫向剖切，能夠從宏觀角度直觀地觀察到整個(gè)山洞部分的結(jié)頂形式。利用三維點(diǎn)云對(duì)揚(yáng)州的山洞結(jié)頂方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)，可以看出平行梁式占比最大，但也常與三角梁式和藻井梁式搭配結(jié)頂。

表1 揚(yáng)州私家園林中山洞結(jié)頂方式統(tǒng)計(jì)

以揚(yáng)州小盤谷的山洞為例對(duì)其結(jié)頂方式進(jìn)行推導(dǎo)解析(圖9)。蘇州的山洞常以平行梁式結(jié)頂，跨度有限，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。而揚(yáng)州山洞常利用獨(dú)立的洞柱，將復(fù)雜山洞的洞頂通過分區(qū)拆解，分組進(jìn)行平行梁式布置。小盤谷內(nèi)山洞空間較大，單個(gè)條石跨度有限，難以用簡(jiǎn)單方法進(jìn)行搭接結(jié)頂，故首先在山洞中心位置設(shè)置一個(gè)洞柱，作為分解結(jié)頂區(qū)域的紐帶，然后再通過4個(gè)主要邊界條石將洞頂劃分為4個(gè)區(qū)域，形成區(qū)域1～4，最后各區(qū)域分別用條石進(jìn)行平行梁式布置，利用洞柱將洞頂結(jié)構(gòu)化繁為簡(jiǎn)。

圖9 小盤谷“平行梁式”山洞洞頂結(jié)構(gòu)圖解

4 結(jié)語

本研究以揚(yáng)州現(xiàn)存私家園林的疊山遺產(chǎn)作為研究對(duì)象，通過三維視角對(duì)揚(yáng)州典型的疊山技法進(jìn)行觀察、分析、推導(dǎo)和還原，包括“挑飄”技法、獨(dú)立洞柱、條石蓋頂?shù)龋兄诟忧逦卣故緭P(yáng)州疊山中堆疊技法的細(xì)節(jié)。利用實(shí)際的疊山樣本和案例證實(shí)了以往研究中的部分技法內(nèi)容，同時(shí)補(bǔ)充了以往研究欠缺的內(nèi)容，如組合式挑飄技法、洞柱分界條石蓋頂技法等，豐富了揚(yáng)州疊山技法的研究成果。

將揚(yáng)州疊山遺產(chǎn)與BIM平臺(tái)結(jié)合，構(gòu)建了疊山的三維信息模型，將疊山技法進(jìn)行了三維可視化存儲(chǔ)與展示。本研究的技術(shù)路線，即“三維數(shù)字化測(cè)繪-疊山技法分析-三維信息模型構(gòu)建”三大步驟可以為疊山遺產(chǎn)保護(hù)、修復(fù)、傳承和深入研究提供參考。

三維數(shù)字化研究方法具有便利性、高效性和科學(xué)性，為揚(yáng)州疊山技法的研究注入了新的活力，但其仍然具有一定局限性。本文主要研究了便于剖切和識(shí)別的整體性搭接結(jié)構(gòu)，而精細(xì)的技法內(nèi)容依然是研究的難點(diǎn)，如條石外自然石的拼鑲技法等。由于疊山遺產(chǎn)皆是已經(jīng)完成的作品，疊山中一些看不見的內(nèi)部結(jié)構(gòu)亦是研究的難點(diǎn)，因此學(xué)者在推導(dǎo)還原疊山的過程中不可避免地會(huì)有一定的主觀性。利用三維數(shù)字化對(duì)疊山技法的研究尚處于探索階段，故而深度有限，有待相關(guān)學(xué)者的進(jìn)一步探究。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制或拍攝。