宋制五铺作斗栱的参数化模型创建研究

宋制五铺作斗栱的参数化模型创建研究

夏旺1，王世玉1，牛梦娇1，林爽1，范江凌1，任玥1，江建亚1

（1 武汉学院   管理学院   武汉   430079）

摘要：参数化建模是古建筑数字化保护的一种全新的技术解决手段，可以为任何族类型创建新实例参数或类型参数。通过添加新参数，族文件可以对包含于每个族实例或类型中的信息进行更多的控制，有利于创建动态的族类型，并增加模型的灵活性。

本文分析Revit参数化建模在国内外的应用研究现状和软件优势，结合宋朝《营造法式》对工料、材分等的模数制的规定，建立斗栱参数化族文件，完成斗栱的三维模型创建；基于此，探讨中国古建筑斗栱的三维建模难点，并推测其未来发展前景。

关键词:Revit，斗栱，参数化族

 一、前言

族是Revit中重要的构成要素。不同族的某些参数可以在模型中进行调整，通过变量来实现结构形状的变化。参数化建模（Parametric Modeling）是指对构件组成分析以及参数化模型建立这一整体过程，能对已经建好的构件（称为族）设置相应的参数，且参数可以调节，进而驱动构件形体发生改变，满足设计要求[1]。

实践表明，实现BIM模型的参数化建模可减少因模型重建浪费的时间成本，提高建模准确率；但是参数族的创建比内建族（内建模型）的程序要更为复杂，对模型的理解也更深入，对建模技术的要求也较高。以古建筑中常见构件斗栱为例，斗栱在横梁和立柱之间挑出，起到装饰、承重和抗震的多重作用，若想创建其参数化模型，设置每个单独构件的基础参数，寻找基础参数之间的数学联系都是重点[2-3]。

二、Revit参数化建模的基本方法与程序

在Revit平台创建的模型中，参数化建模可以为任何族类型创建新实例参数或类型参数，通过添加新参数，可以更好地控制每个族实例或族类型中包含的信息，继而创建动态族类型以增加模型的灵活性。其基本方法和流程如下：

1．打开Revit，创建新族，选择合适的族样板文件，一般根据构件特征选择“公制常规模型”或“自适应公制常规模型”样板。

2．进入族编辑器，根据项目需要设置参照线或参照平面，然后开始标注和定义。

3．双击尺寸线，点击标注，选择左上方的标签，再点击“添加参数”，在参数名称下输入名称。参数化建模是在确定的尺寸约束条件和几何约束的条件下，根据设计者给出的参数值生成新的模型，使用几何约束和数学表达式来描述不同尺寸之间的依存关系，从而使整个参数化模型通过修改参数而具有唯一确定解。

4．在“族属性”面板上，单击“类型”。点击“族类型”对话框中的“公式”列，输入参数的公式。Revit软件具有一套相对完整的内置数学语法，通过这些语法可以在不同的族参数之间可以形成特定的联系，编辑公式这一功能使参数化设计更智能。此外，Revit软件还为变化不连续的参数设置提供了条件语句，通过定义族类型，修改族类型参数，就可以得到任意尺寸要求的模型。

三、斗栱构建的参数化族绘制

斗栱由斗、升、拱、翘、昂等单元构件组成，每个单元构件，在《营造法式》中，都有对其工料、材分等的模数制的规定，都可以建立其参数化模型[4]。

以下昂为例：在“公制常规模型”界面，首先依据营造法式中下昂的相关尺寸建立相应的参照平面；然后定义需要的参照平面，尺寸标注并定义分、六分头、下昂尖等尺寸参数。最后为这些尺寸参数添加公式，让彼此相互独立的尺寸相互关联减少参数修改的复杂性。

栌斗、正心瓜栱和下昂的参数化族文件如图所示。

图1 栌科坐斗三维模型           图2 正心瓜栱三维模型 图3下昂三维模型

四、宋五铺作斗栱的参数化模型创建

华拱或昂每向内或向外出挑一层，宋代叫一跳，其铺作数的计算方法是出跳数＋3。此处结合《营造法式》，采用参数化构件族，完成宋制五铺作斗栱的模型创建[5]。

在建立好构件族文件的基础上，首先启动Revit，新建项目，­­­选择建筑样板。

然后新建轴网，在参考平面内，横向、纵向各绘制一条定位轴线。此轴线即为斗栱定位的中心线，及标高，并载入斗栱构件族文件。遵循：放置栌斗—放置正心瓜栱—修改参数—放置二层栌斗—放置二层正心瓜栱—放置下昂的顺序，逐步按照《营造法式》宋五铺作图样，完成宋五铺作斗栱建模，如图4所示。

图4 宋代五铺作斗栱三维模型

五、结论与展望

中国古建筑中的绝大部分建筑是以木材为主要原料，在建筑过程中有着较为统一的建筑方式且存在规律，这与参数化模型的建立的观点非常契合。基于《营造法式》中“材”为核心思想的斗拱参数化族库建立的完成，只需修改基本的参数，便可满足不同的尺寸、形状、材质等各种方面的需求[6]。

本文在吸取《营造法式》中模式化的思想将其与现代建模软件Revit相融合，并以斗拱为主要研究对象，且在对国内外该方面的成果的总结下，本文对其斗拱建模方面存在的参数化族库研究缺口进行了补充，进而建立了栌斗、正心瓜栱、下昂的参数化族文件建立，并采用该族文件完成了宋代五铺作斗栱的模型创建。

此方法为今后古建筑中斗拱的修缮和保护中提供了参考，可以大大节省反复建模所浪费的成本。以“材”为核心的思想使实际古建筑保护和修缮项目能更方便实现建筑的规模化、快速化的营建并且方便确定工程费的定额。落实本文所研究的斗拱模型参数化族库建立后，也可以在今后古建筑中其他的构件中推广[7]。

六、参考文献

[1]郭正可. 基于BIM的唐代建筑大木作参数化建模研究[D]. 山西. 太原理工大学, 2018.

[2]石力文. 基于点云的宋式斗栱典型构件多层级BIM模型构建研究[D]. 北京. 北京建筑大学, 2019.

[3]孙卫新. 基于BIM的明清古建筑构件参数化信息模型实现技术研究[D]. 西安. 西安建筑科技大学, 2013.

[4]高岱, 王宏扬, 杜嘉赫等. 中国古典建筑构件BIM参数化建模方法研究[J]. 图学学报, 2018, 39(02): 333-338.

[5]朱永春. 《营造法式》中的“骑枓栱”辨析[J]. 中国建筑史论汇刊, 2013(02): 280-285.

[6]吴越, 乔曼曼, 洪泉. 基于Revit的杭州传统园林石作族库构建初探[C]. 中国风景园林学会. 中国风景园林学会2021年会论文集. 中国建筑工业出版社, 2021: 7.

[7]杨振威, 任克彬, 刘晨辉等. 基于BIM技术的歇山古建筑信息模型的创建[J]. 山东建筑大学学报, 2020, 35(04): 25-30.