古建筑的參數化設計解析

本文探討了參數化設計技術的概念、模數化的中國古建筑構造、特征化的中國古建筑細部以及古建筑設計參數化的意義等方面的內容。

    一、參數化設計技術的概念

    參數化設計技術是 CAD 技術在實際應用中提出的課題，它不僅可使CAD 系統具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。通過參數驅動機制，可以對圖形的幾何數據進行參數化修改。但是，在修改的同時，還要滿足圖形的約束條件，需要約束間關聯性的驅動手段棗的約束聯動，約束聯動是通過約束間的關系實現的驅動方法。目前它是 CAD 技術應用領域內的一個重要的，且待進一步研究的課題。實現參數化繪圖是現階段 CAD 軟件開發的核心任務之一。

    由于上述應用背景，國內外對參數化設計做了大量的研究。目前參數化技術大致可分為如下三種方法：1、基于幾何約束的數學方法；2、基于幾何原理的人工智能方法；3、基于特征模型的造型方法。其中數學方法又分為初等方法（PrimaryApproach）和代數方法（Algebraic Approach）。初等方法利用預先設定的算法，求解一些特定的幾何約束。這種方法簡單，易于實現，但僅適用于只有水平和垂直方向約束的場合；代數法則將幾何約束轉換成代數方程，形成一個非線性方程組。該方程組求解較困難，因此實際應用受到限制。人工智能方法是利用專家系統，對圖形中的幾何關系和約束進行理解。運用幾何原理推導出新的約束，這種方法的速度較慢，交互性不好，特征造型方法是三維實體造型技術的發展，目前正在探討之中。

    二、模數化的中國古建筑構造

    中國古代建筑的設計一般是從建筑細部作起，然后再逐漸擴展至建筑構架，再到建筑物本體。在這個過程中結合考慮建筑群體的總體布局要求，是從小到大的設計方法。在宋朝《營造法式》中，李明仲提出“構屋之制，以‘材’為祖，材分八等，度屋之大小，因而用之”。第一次明確提出“材”作為模數，并且機動地視建筑的規模、大小、體量選用不同規格的“材”反映了古人的建造能力和建筑經驗已經達到相當高的水平。宋朝時的‘材’分為八個等級，“材”的基本尺寸即斷面的高和寬。在“營造法式”中稱為“廣”和“厚”。

    模數是選定的標準尺寸單位，是建筑物、建筑構件、配件或者建筑制品及有關設備等相互協調尺寸的基礎。以模數為基礎，可以擴大為系統數值，組成模數數列。

    模數的出現反映了建筑發展的歷史進步，這是因為：

    a 模數適用于大規模建筑，在建筑工程中各個工種都以模數為依據，分工預制構件是實現大規模營建的必須手段。

    b 模數便于經濟理財，取得最佳經濟效益。

    c 模數便于合理使用原材料，增進構件，配件的通用性和互換性，這是建筑規模日漸擴大的必然結果。

    到清朝，以斗口作為設計的基本模數，而斗口又稱為“口份“”是指斗拱中平身科斗拱的座斗上用以承托昂或者翹的卯口。卯口的寬度就是所用昂、拱的用料寬度。清朝《工程作法》中規定建筑及各構件尺寸以“口份“”計算。凡是有斗拱的建筑，其基本模數就是斗口。清斗口分為 11 個等級。但是，在我國現存的古建筑實物中，斗口尺寸往往根據具體情況進行調整和變化，而非死板硬套。以北京太和殿一組建筑為例，太和殿斗口為 3 寸 是七等材 而太和門斗口則是 2.8 寸，貞度門、昭德門斗口則為 2.6 寸。既不是七等材的尺寸，也不是八等材的尺寸。太和殿南廡和周圍廊用的是 2.5 寸的斗口，為八等材。從這一組建造可以看出，在實際應用過程中斗口的尺寸是可以依據建筑的規模、主次等級等關系進行適當的調整的。在無斗拱的古建筑中，由于不使用斗拱，它們用的基本模數是柱徑（是指檐柱的柱徑），此時，古建筑的開間、構件的規格以及門窗等裝飾都以柱徑為參數。所以無論什么形式的古建筑都有其基本模數。

    三、特征化的中國古建筑細部

    當一座古建筑的建筑等級、規模確定以后，設計者選擇好適當等級的斗口，其一切相關的尺寸如柱網軸線、建筑高度、建筑開間數、建筑進深等等都決定了。建筑的體量設計也就完成了。但是，古建筑上千變萬化的細部裝飾又讓人頭痛不已，例如斗拱的具體形式、吻獸的形式、裝修圖案、色彩、欄桿造型的變化。每一個古建筑仿佛都有自己的個性，采用不同的裝飾圖案，不同的圖案來源不同，其含義也就大不相同。有來自佛教故事的，也有來自民間寓言的，來自歷史傳說的，甚至于追求吉祥寓意的。大量的古建筑細部實物如同浩瀚的大海一樣等待現代的建筑師們去探索和研究。

    但是，當我們靜下心來，細細品味古建筑細部時，我們驚喜地發現許多原本看起來復雜的古建筑細部其脈絡輪廓卻是如此簡潔清晰。例如：斗拱的形式和構造看來十分復雜，什幺五鋪座、七鋪座、九鋪座，往往讓人頭暈目眩。但是其建造卻是十分有規律可循的。斗拱分為偷心造和計心造兩種。其具體構件如下：

    a 升、斗。為正方形構件，因其形狀酷似古代量器而得名，是整攢斗拱的連接的結點。

    b 拱。實際上是橫木枋，兩頭微微彎曲，做成卷殺，按照部位分為正心瓜拱、正心萬拱、廂拱等等。

    c 斗拱中的縱向構件。按照器具體形式的不同分為翹、昂、螞蚱頭、撐頭木和桁椀等。

    d 枋。是寬 1 斗口 高 2 斗口的長方形木條，安裝在各層的萬拱和最外層的廂拱上，將一攢攢斗拱連接成一層完整的斗拱層，其具體的尺寸也有詳細的規范。

    一般來說，古建筑的欄桿一般分為兩類：木欄桿和石欄桿。由于年代久遠，木欄桿現在很少見到實物，所以目前現存的古建筑欄桿幾乎都是石欄桿。其構造由地柎、欄板和望柱組成。臺階上的欄板柱子由地柎、欄板、望柱和抱鼓石組成，其各部位尺寸也有詳盡的規范。望柱上的柱頭在不同的建筑中具體的做法也差異很大，累計有云龍柱頭、云鳳柱頭、石榴頭、蓮瓣柱頭、獅子柱頭等具體形式。但是，無論欄桿的細部作法再怎樣豐富多彩，它們的構件在組成上是幾乎一致的，都由地柎、欄板和望柱三大部件組合而成，而且地柎欄板和望柱的尺寸由建筑的斗口模數決定，望柱頭和欄板的位置定位點和基底標高也能確立。不同的只是形狀的不同或者是形式特征的不同而已，其細部特征也就建立了。同樣的還有凈瓶和抱鼓石部分，它們的空間定位和尺寸大小都是建立在該建筑斗口的基礎上，不同的僅僅是它們的具體造型也就是面集特征。

    四、古建筑參數化設計的意義

    總的來說，現代建筑設計的思路是從大到小的進行建筑設計，先了解大的環境情況，再分析建筑的總體功能需求，最后才是建筑細部的處理。雖然現代建筑設計出的建筑造型比較復雜，形體組合也比較豐富，但是其基本的構建關系仍然比較一致。換句話說，由于建筑施工技術和材料技術的限制，現代建筑的基本構成部分是一樣的。那么，我們可以將現代建筑的設計由大化小，化整為零，建立建筑基本組成部分的參數化關系，然后在設計時將它們組合起來。目前，人們為了完成古建筑設計的繪圖工作和建模工作 用了各種各樣的辦法。圖 1就是其中一種，它是將斗拱等部分做成材質進行貼圖。但我們可以清楚地看出其斗拱部分沒有陰影變化，而參數化設計就能解決這個問題。因為其參數化本身就是將各個組成部分的三維參數關系輸入計算機，完成古建筑構件的三維全尺寸地設計和建模工作。如圖2在此基礎上可以直接進行后期處理。

    五、結語

    中國古建筑文化浩瀚精深，我國的古建筑物中所包含大量的地方文化內涵和民風民俗尚未得到發掘 還有許多細部構造在本文也尚未提及，有待進一步的研究。希望社會大眾對古建筑文化保護能夠引起重視，早日出現適用于古建筑設計和現代建筑設計的計算機輔助設計軟件。