古建筑的參數(shù)化設(shè)計(jì)解析
本文探討了參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的概念、模數(shù)化的中國古建筑構(gòu)造、特征化的中國古建筑細(xì)部以及古建筑設(shè)計(jì)參數(shù)化的意義等方面的內(nèi)容。
一、參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的概念
參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)是 CAD 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中提出的課題，它不僅可使CAD 系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動(dòng)繪圖的功能。通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，可以對(duì)圖形的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化修改。但是，在修改的同時(shí)，還要滿足圖形的約束條件，需要約束間關(guān)聯(lián)性的驅(qū)動(dòng)手段棗的約束聯(lián)動(dòng)，約束聯(lián)動(dòng)是通過約束間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)方法。目前它是 CAD 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要的，且待進(jìn)一步研究的課題。實(shí)現(xiàn)參數(shù)化繪圖是現(xiàn)階段 CAD 軟件開發(fā)的核心任務(wù)之一。
由于上述應(yīng)用背景，國內(nèi)外對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)做了大量的研究。目前參數(shù)化技術(shù)大致可分為如下三種方法：1、基于幾何約束的數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)方法又分為初等方法（PrimaryApproach）和代數(shù)方法（Algebraic Approach）。初等方法利用預(yù)先設(shè)定的算法，求解一些特定的幾何約束。這種方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但僅適用于只有水平和垂直方向約束的場合；代數(shù)法則將幾何約束轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程，形成一個(gè)非線性方程組。該方程組求解較困難，因此實(shí)際應(yīng)用受到限制。人工智能方法是利用專家系統(tǒng)，對(duì)圖形中的幾何關(guān)系和約束進(jìn)行理解。運(yùn)用幾何原理推導(dǎo)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(shí)體造型技術(shù)的發(fā)展，目前正在探討之中。
二、模數(shù)化的中國古建筑構(gòu)造
中國古代建筑的設(shè)計(jì)一般是從建筑細(xì)部作起，然后再逐漸擴(kuò)展至建筑構(gòu)架，再到建筑物本體。在這個(gè)過程中結(jié)合考慮建筑群體的總體布局要求，是從小到大的設(shè)計(jì)方法。在宋朝《營造法式》中，李明仲提出“構(gòu)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(shù)，并且機(jī)動(dòng)地視建筑的規(guī)模、大小、體量選用不同規(guī)格的“材”反映了古人的建造能力和建筑經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平。宋朝時(shí)的‘材’分為八個(gè)等級(jí)，“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(shù)是選定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸單位，是建筑物、建筑構(gòu)件、配件或者建筑制品及有關(guān)設(shè)備等相互協(xié)調(diào)尺寸的基礎(chǔ)。以模數(shù)為基礎(chǔ)，可以擴(kuò)大為系統(tǒng)數(shù)值，組成模數(shù)數(shù)列。
模數(shù)的出現(xiàn)反映了建筑發(fā)展的歷史進(jìn)步，這是因?yàn)椋?/p>
a 模數(shù)適用于大規(guī)模建筑，在建筑工程中各個(gè)工種都以模數(shù)為依據(jù)，分工預(yù)制構(gòu)件是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模營建的必須手段。
b 模數(shù)便于經(jīng)濟(jì)理財(cái)，取得最佳經(jīng)濟(jì)效益。
c 模數(shù)便于合理使用原材料，增進(jìn)構(gòu)件，配件的通用性和互換性，這是建筑規(guī)模日漸擴(kuò)大的必然結(jié)果。
到清朝，以斗口作為設(shè)計(jì)的基本模數(shù)，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(guī)定建筑及各構(gòu)件尺寸以“口份“”計(jì)算。凡是有斗拱的建筑，其基本模數(shù)就是斗口。清斗口分為 11 個(gè)等級(jí)。但是，在我國現(xiàn)存的古建筑實(shí)物中，斗口尺寸往往根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)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(shí)際應(yīng)用過程中斗口的尺寸是可以依據(jù)建筑的規(guī)模、主次等級(jí)等關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)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(shù)是柱徑（是指檐柱的柱徑），此時(shí)，古建筑的開間、構(gòu)件的規(guī)格以及門窗等裝飾都以柱徑為參數(shù)。所以無論什么形式的古建筑都有其基本模數(shù)。
三、特征化的中國古建筑細(xì)部
當(dāng)一座古建筑的建筑等級(jí)、規(guī)模確定以后，設(shè)計(jì)者選擇好適當(dāng)?shù)燃?jí)的斗口，其一切相關(guān)的尺寸如柱網(wǎng)軸線、建筑高度、建筑開間數(shù)、建筑進(jìn)深等等都決定了。建筑的體量設(shè)計(jì)也就完成了。但是，古建筑上千變?nèi)f化的細(xì)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(gè)古建筑仿佛都有自己的個(gè)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(xì)部實(shí)物如同浩瀚的大海一樣等待現(xiàn)代的建筑師們?nèi)ヌ剿骱脱芯俊?/p>
但是，當(dāng)我們靜下心來，細(xì)細(xì)品味古建筑細(xì)部時(shí)，我們驚喜地發(fā)現(xiàn)許多原本看起來復(fù)雜的古建筑細(xì)部其脈絡(luò)輪廓卻是如此簡潔清晰。例如：斗拱的形式和構(gòu)造看來十分復(fù)雜，什幺五鋪?zhàn)⑵咪佔(zhàn)⒕配佔(zhàn)屓祟^暈?zāi)垦！５瞧浣ㄔ靺s是十分有規(guī)律可循的。斗拱分為偷心造和計(jì)心造兩種。其具體構(gòu)件如下：
a 升、斗。為正方形構(gòu)件，因其形狀酷似古代量器而得名，是整攢斗拱的連接的結(jié)點(diǎn)。
b 拱。實(shí)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(gòu)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(xì)的規(guī)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(yuǎn)，木欄桿現(xiàn)在很少見到實(shí)物，所以目前現(xiàn)存的古建筑欄桿幾乎都是石欄桿。其構(gòu)造由地柎、欄板和望柱組成。臺(tái)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(guī)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(jì)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(xì)部作法再怎樣豐富多彩，它們的構(gòu)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(shù)決定，望柱頭和欄板的位置定位點(diǎn)和基底標(biāo)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(xì)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(chǔ)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(shù)化設(shè)計(jì)的意義
總的來說，現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的思路是從大到小的進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，先了解大的環(huán)境情況，再分析建筑的總體功能需求，最后才是建筑細(xì)部的處理。雖然現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)出的建筑造型比較復(fù)雜，形體組合也比較豐富，但是其基本的構(gòu)建關(guān)系仍然比較一致。換句話說，由于建筑施工技術(shù)和材料技術(shù)的限制，現(xiàn)代建筑的基本構(gòu)成部分是一樣的。那么，我們可以將現(xiàn)代建筑的設(shè)計(jì)由大化小，化整為零，建立建筑基本組成部分的參數(shù)化關(guān)系，然后在設(shè)計(jì)時(shí)將它們組合起來。目前，人們?yōu)榱送瓿晒沤ㄖO(shè)計(jì)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(zhì)進(jìn)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(shù)化設(shè)計(jì)就能解決這個(gè)問題。因?yàn)槠鋮?shù)化本身就是將各個(gè)組成部分的三維參數(shù)關(guān)系輸入計(jì)算機(jī)，完成古建筑構(gòu)件的三維全尺寸地設(shè)計(jì)和建模工作。如圖2在此基礎(chǔ)上可以直接進(jìn)行后期處理。
五、結(jié)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(nèi)涵和民風(fēng)民俗尚未得到發(fā)掘 還有許多細(xì)部構(gòu)造在本文也尚未提及，有待進(jìn)一步的研究。希望社會(huì)大眾對(duì)古建筑文化保護(hù)能夠引起重視，早日出現(xiàn)適用于古建筑設(shè)計(jì)和現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。
