古建筑的参数化设计解析

本文探讨了参数化设计技术的概念、模数化的中国古建筑构造、特征化的中国古建筑细部以及古建筑设计参数化的意义等方面的内容。

    一、参数化设计技术的概念

    参数化设计技术是 CAD 技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD 系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。通过参数驱动机制，可以对图形的几何数据进行参数化修改。但是，在修改的同时，还要满足图形的约束条件，需要约束间关联性的驱动手段棗的约束联动，约束联动是通过约束间的关系实现的驱动方法。目前它是 CAD 技术应用领域内的一个重要的，且待进一步研究的课题。实现参数化绘图是现阶段 CAD 软件开发的核心任务之一。

    由于上述应用背景，国内外对参数化设计做了大量的研究。目前参数化技术大致可分为如下三种方法：1、基于几何约束的数学方法；2、基于几何原理的人工智能方法；3、基于特征模型的造型方法。其中数学方法又分为初等方法（PrimaryApproach）和代数方法（Algebraic Approach）。初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。这种方法简单，易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束的场合；代数法则将几何约束转换成代数方程，形成一个非线性方程组。该方程组求解较困难，因此实际应用受到限制。人工智能方法是利用专家系统，对图形中的几何关系和约束进行理解。运用几何原理推导出新的约束，这种方法的速度较慢，交互性不好，特征造型方法是三维实体造型技术的发展，目前正在探讨之中。

    二、模数化的中国古建筑构造

    中国古代建筑的设计一般是从建筑细部作起，然后再逐渐扩展至建筑构架，再到建筑物本体。在这个过程中结合考虑建筑群体的总体布局要求，是从小到大的设计方法。在宋朝《营造法式》中，李明仲提出“构屋之制，以‘材’为祖，材分八等，度屋之大小，因而用之”。第一次明确提出“材”作为模数，并且机动地视建筑的规模、大小、体量选用不同规格的“材”反映了古人的建造能力和建筑经验已经达到相当高的水平。宋朝时的‘材’分为八个等级，“材”的基本尺寸即断面的高和宽。在“营造法式”中称为“广”和“厚”。

    模数是选定的标准尺寸单位，是建筑物、建筑构件、配件或者建筑制品及有关设备等相互协调尺寸的基础。以模数为基础，可以扩大为系统数值，组成模数数列。

    模数的出现反映了建筑发展的历史进步，这是因为：

    a 模数适用于大规模建筑，在建筑工程中各个工种都以模数为依据，分工预制构件是实现大规模营建的必须手段。

    b 模数便于经济理财，取得最佳经济效益。

    c 模数便于合理使用原材料，增进构件，配件的通用性和互换性，这是建筑规模日渐扩大的必然结果。

    到清朝，以斗口作为设计的基本模数，而斗口又称为“口份“”是指斗拱中平身科斗拱的座斗上用以承托昂或者翘的卯口。卯口的宽度就是所用昂、拱的用料宽度。清朝《工程作法》中规定建筑及各构件尺寸以“口份“”计算。凡是有斗拱的建筑，其基本模数就是斗口。清斗口分为 11 个等级。但是，在我国现存的古建筑实物中，斗口尺寸往往根据具体情况进行调整和变化，而非死板硬套。以北京太和殿一组建筑为例，太和殿斗口为 3 寸 是七等材 而太和门斗口则是 2.8 寸，贞度门、昭德门斗口则为 2.6 寸。既不是七等材的尺寸，也不是八等材的尺寸。太和殿南庑和周围廊用的是 2.5 寸的斗口，为八等材。从这一组建造可以看出，在实际应用过程中斗口的尺寸是可以依据建筑的规模、主次等级等关系进行适当的调整的。在无斗拱的古建筑中，由于不使用斗拱，它们用的基本模数是柱径（是指檐柱的柱径），此时，古建筑的开间、构件的规格以及门窗等装饰都以柱径为参数。所以无论什么形式的古建筑都有其基本模数。

    三、特征化的中国古建筑细部

    当一座古建筑的建筑等级、规模确定以后，设计者选择好适当等级的斗口，其一切相关的尺寸如柱网轴线、建筑高度、建筑开间数、建筑进深等等都决定了。建筑的体量设计也就完成了。但是，古建筑上千变万化的细部装饰又让人头痛不已，例如斗拱的具体形式、吻兽的形式、装修图案、色彩、栏杆造型的变化。每一个古建筑仿佛都有自己的个性，采用不同的装饰图案，不同的图案来源不同，其含义也就大不相同。有来自佛教故事的，也有来自民间寓言的，来自历史传说的，甚至于追求吉祥寓意的。大量的古建筑细部实物如同浩瀚的大海一样等待现代的建筑师们去探索和研究。

    但是，当我们静下心来，细细品味古建筑细部时，我们惊喜地发现许多原本看起来复杂的古建筑细部其脉络轮廓却是如此简洁清晰。例如：斗拱的形式和构造看来十分复杂，什幺五铺座、七铺座、九铺座，往往让人头晕目眩。但是其建造却是十分有规律可循的。斗拱分为偷心造和计心造两种。其具体构件如下：

    a 升、斗。为正方形构件，因其形状酷似古代量器而得名，是整攒斗拱的连接的结点。

    b 拱。实际上是横木枋，两头微微弯曲，做成卷杀，按照部位分为正心瓜拱、正心万拱、厢拱等等。

    c 斗拱中的纵向构件。按照器具体形式的不同分为翘、昂、蚂蚱头、撑头木和桁椀等。

    d 枋。是宽 1 斗口 高 2 斗口的长方形木条，安装在各层的万拱和最外层的厢拱上，将一攒攒斗拱连接成一层完整的斗拱层，其具体的尺寸也有详细的规范。

    一般来说，古建筑的栏杆一般分为两类：木栏杆和石栏杆。由于年代久远，木栏杆现在很少见到实物，所以目前现存的古建筑栏杆几乎都是石栏杆。其构造由地柎、栏板和望柱组成。台阶上的栏板柱子由地柎、栏板、望柱和抱鼓石组成，其各部位尺寸也有详尽的规范。望柱上的柱头在不同的建筑中具体的做法也差异很大，累计有云龙柱头、云凤柱头、石榴头、莲瓣柱头、狮子柱头等具体形式。但是，无论栏杆的细部作法再怎样丰富多彩，它们的构件在组成上是几乎一致的，都由地柎、栏板和望柱三大部件组合而成，而且地柎栏板和望柱的尺寸由建筑的斗口模数决定，望柱头和栏板的位置定位点和基底标高也能确立。不同的只是形状的不同或者是形式特征的不同而已，其细部特征也就建立了。同样的还有净瓶和抱鼓石部分，它们的空间定位和尺寸大小都是建立在该建筑斗口的基础上，不同的仅仅是它们的具体造型也就是面集特征。

    四、古建筑参数化设计的意义

    总的来说，现代建筑设计的思路是从大到小的进行建筑设计，先了解大的环境情况，再分析建筑的总体功能需求，最后才是建筑细部的处理。虽然现代建筑设计出的建筑造型比较复杂，形体组合也比较丰富，但是其基本的构建关系仍然比较一致。换句话说，由于建筑施工技术和材料技术的限制，现代建筑的基本构成部分是一样的。那么，我们可以将现代建筑的设计由大化小，化整为零，建立建筑基本组成部分的参数化关系，然后在设计时将它们组合起来。目前，人们为了完成古建筑设计的绘图工作和建模工作 用了各种各样的办法。图 1就是其中一种，它是将斗拱等部分做成材质进行贴图。但我们可以清楚地看出其斗拱部分没有阴影变化，而参数化设计就能解决这个问题。因为其参数化本身就是将各个组成部分的三维参数关系输入计算机，完成古建筑构件的三维全尺寸地设计和建模工作。如图2在此基础上可以直接进行后期处理。

    五、结语

    中国古建筑文化浩瀚精深，我国的古建筑物中所包含大量的地方文化内涵和民风民俗尚未得到发掘 还有许多细部构造在本文也尚未提及，有待进一步的研究。希望社会大众对古建筑文化保护能够引起重视，早日出现适用于古建筑设计和现代建筑设计的计算机辅助设计软件。