基于BIM的大木作模型參數化生成方法與應用探索

吉海濤（山西建投云數智科技有限公司，山西太原 030032）

與傳統三維建筑建模平臺不同，BIM模型能夠整合多項動態信息在同一模型內，并將各類資料嵌入其中，這能夠很好地解決模型、資料之間的割裂性。此外，通過BIM技術構建大木作模型能夠基于軸線關系對構件庫形成靈活調動進而組建全模，因此在研究不同構件對象時就能夠建立起資料共享。在這樣的背景下，技術人員不僅能夠將模型中某一部分分離出來單獨研究其細部構造，同時也可探究不同構件之間的相互作用關系，基于軸線模型及構件庫來進一步探討整體關系、細部構件之間的共通性[1]。

在當前古建筑的參數化研究中所涉及的軟件平臺比較繁雜，且其各自具有不同的優勢、特點，但目前仍缺乏能夠有效整合、管理模型信息的平臺，且不同平臺間也存在兼容性不足的問題。此外，當前已有的許多研究也未能對模型運營階段的適用性建立起有效認識。因此，當前我國BIM參數化對于古建筑保護領域的應用大多局限在以Revit族參數關聯為主的基礎功能范圍內，且還存在效率低下等問題。

1 中國古建筑大木作結構

1.1 整體、細部間的可分離性

從我國已有的古建筑工程實例可以看出，大木作具有較為突出的結構特性，即其整體、細部間的可分離性?；谖覈未稜I造法式》的具體要求，在確定大木作整體、細部尺寸時，大多以“材”作為基本模數來進行計量。但在這一計量模數之下，不同規模、類型及等級古建筑的構件形制、樣式可以保持不變，而僅對各類構件的“材”進行調整得到不同的構件比例。

古建筑大木作的這一結構特點也就使得其建造邏輯可被拆解為兩個主要部分，其一為大木作的整體關系，其主要為不同類型構件之間的相互搭接、組合；其二為構件自身的特性，相同樣式的構件用于不同類型的建筑中，其所發揮作用的差異主要表現為數量比例、長度尺寸等方面[2]。在借助計算機建立大木作模型時，應當對大木作整體關系、構件細部所表現出的可分離性做出全面的考量，進而選擇適當的工具來對模型做出拆分、組合，以期能夠最大化提升建模效率。

1.2 構件定位的強邏輯性

中國古建筑大木作的第二個結構特點，即為確定內部構件空間位置時，應當遵照相應的規律法則進行，表現出較強的邏輯性。仍以我國宋代《營造法式》為例，其中殿堂式大木作的布置首先應基于等級、體量、形式初步確定柱網分布，并在柱之間適當穿插闌額，在柱上還應排布普拍枋并以柱心為參照布置各鋪作。而輔作的類型又直接決定著撩檐枋的空間布置，由此屋架層的形態也就基本確定。綜合考慮建筑的進深及撩檐枋的位置，借助舉折做法即可進行榑的空間布置。在下平榑、撩檐枋的角點位置放置角梁，榑下即為楸。不同層的楸之間采用蜀柱、駝峰進行支承[3]。通過上述關鍵大木作的布置即可構成整體形態。由此也可發現，大木作中關鍵構件的類型、位置都可由上一步驟的構件選擇來確定，這一構建邏輯的發展具有明確的單向性，由此也就形成了一套系統完備、標準規范的工作流程。

1.3 形制、規模的標準化

從宋代《營造法式》來看，其提出了“以材為祖”的要求，將大木作的尺寸劃分為八個不同的等級，其中各等級又對構件的標準長寬提出了限制，而各等級又可按照十五分之一的進制換算為更小一級的單位，由此也就建立了一套完備的“材分制”[4]?！安姆种啤睂δ窘ㄖ写笾琳w規模、小至細部構件都給定了具體的量化要求。對于大作木的形制、尺寸給定量化要求，相較于定性的文字描述，更有助于實現計算參數化設計、轉譯，能夠顯著提高大作木設計的效率。

2 Dynamo大木作軸線模型的參數化建構

中國傳統古建筑大多遵照嚴謹的構建邏輯而展開，在《營造法式》中明確指出了“凡構屋之制，皆以材為祖”這一核心思想，也表明在大木作構建中“材”這一理念發揮著至關重要的意義。這主要是由于“材”規定了大木作的尺寸、比例等，甚至在構件的細部形制中也采用“材”作為基本模數單位，并將其高與梨廣作為衡量單位“分”的輔助單位。對于大木作而言，殿堂建筑的建構邏輯、思路最為清晰，所以下面主要以殿堂大木作為范例，遵照《營造法式》的基本理論，依次總結、歸納大木作中不同構件間存在的相對關系以及內在邏輯。

2.1 大木作生成的基本邏輯

根據自上而下的順序作為劃分依據，大木作的內容可以大致分為三個不同的層次，分別有柱網層、鋪作層以及屋架層。而在實際工程中，大木作的施工也大多遵照這一流程，首先基于柱網層來確定鋪作層，隨后在此基礎上確定屋架層。實踐表明，大木作參數化建構與建造具有較為一致的邏輯。具體而言，參數化建構遵照由底層開始，逐步向上的順序進行。首先需要按照建筑設計開間、進深來大致確定建筑體的規模，并基于分槽形式的要求來進一步布置柱網，綜合兼顧進深、開間等參數確定柱網排布，隨后即可將其作為基礎，依次推演、分析后續的鋪作層與屋架層。

2.2 大木作生成的具體邏輯

首先應當充分考慮建筑物對于開間、進深的規劃，并密切聯系具體的分槽形式來完成柱網設計，常見的分槽形式有單槽、雙槽、分心斗底槽、機金箱斗底槽四種。值得注意的是，分槽形式的選擇確定了柱頭位置，但這與實際空間分布上的大木作柱腳有所不同。導致這一現象的主要原因在于大木作建造時常常采用側腳做法，導致柱子的走向并非嚴格垂直，而是向建筑內存在一定的傾斜，以此來強化房屋整體的穩定性。而柱子向建筑內傾斜的角度與柱高的比值并非定值，因此在構建大木作軸線模型時應當將柱頭位置當作分槽形式的起點，這樣才能夠保證“材”模式對柱之上構件空間位置、尺寸規模的控制。由此，柱網的分布也就為闌額空間位置的確定提供了可靠的參考。柱頭之上即為鋪作，根據空間位置的不同一般可大致分為柱頭、轉角以及補間三類。對于鋪作而言，其各跳的最上層應當與承椽方搭接處理來建立起橫向的聯系，此外承椽方同時還具有找平的作用，便于其上鋪梁。在此之上的部分即為屋架層。

屋架層的建構自下而上進行，從最下層的檐楸開始逐步疊加直至脊榑位置結束。將前、后排除角柱外所有檐柱的柱頭定位點連接，以此為檐楸定位提供參考線，將其向上平移至最高承椽方頂部即為檐楸位置。除腳柱外左右兩列的檐柱柱頭在與檐栿連接時一般可采用丁栿搭接。至此，即完成屋架層首層的構建，按照這一思路繼續向上構建即可形成其余楸。而栿的數量、位置則需要基于舉折做法所得到的屋面曲線來進一步確定。

在角柱位置之上布置陽馬，也即角梁。同時，四個大角梁的下端應當布置于轉角撩檐枋的交接位置上，且上端應當布置于下平榑的端頭位置。若建筑方案采用廡殿頂設計，那么角梁應當在每兩層榑間順次相連持續至脊榑處。若建筑方案采用歇山頂設計，那么在定位大角梁上端水平位置時，應當按照兩稍間內側的檐柱定位線向外側延展兩椽的位置來確定。而榑則一般需要基于舉折來具體確定，且其長度應當按照屋架形式進一步定量設計。對于每兩層榑應在其上布置椽，其中最下一列應當放置于撩檐枋之上且按照均勻分布的原則上下交互錯落進行布置，但應當滿足“令一間當心”的要求，也即確保正立面的垂直中線應處于兩列椽的間隙位置。

3 Dyanmo大木作軸線模型的參數化驅動

3.1 Dyanmo大木作軸線模型的參數設置

遵照上述大木作建構的基本邏輯，參數化模型的搭建方法也就基本明確。通過Dynamo工具，能夠在可視化的基礎上將大木作構件邏輯在BIM平臺上進行實現，如圖1所示。

圖1 Dynamo工具生成的軸線模型

通過Dynamo工具即可生成得到相應模型，模型主要受到兩個層面的共同控制：一方面是大木作建構的基本邏輯，反映到程序中即為不同命令塊之間的函數關系及指令要求，以及在相鄰命令塊之間的數據流動方向，當這一邏輯在計算機命令塊中的執行程度足夠高時，邏輯語言與計算機命令即可保持高度一致，避免在實際應用中的二次調整。另一方面來看則是可變參量，其控制著大木作中各個構件的形制、規模、尺寸等的變化，決定開間、進深、步架數等，這一類參數應當保證足夠全面，能夠覆蓋大木作建構所需的各項內容。同時，可變參量還應足夠靈活，對于《營造法式》未給定明確嚴格限值的尺寸能夠做出適當的約束，確保模型與研究對象之間的擬合性，譬如柱高、當心間間距、榑出際量等。在完善程序的過程中，應當將這些參數寫入固定計算機命令內，確保在擬合度滿足要求的同時，盡可能減少對這些參數的調動、賦值，提升模型建立及運轉的效率。

在參數化模型建立的全過程中，技術人員需要對程序內的可變參量做出適當的調整，以此來滿足不同形制、規模的大木作結構要求，使得軸線模型、研究對象能夠在形態關系上達成契合，為后續BIM模型的應用奠定良好的基礎[6]。

3.2 Dyanmo大木作軸線模型的有效性驗證

為了檢驗Dynamo軸線模型建立的有效性，下面選用我國部分傳統古建筑，按照上述建模流程分別建立相應的軸線模型?？紤]到這些古建筑的詳細測繪數據比較難以獲取且目前沒有相關大木作軸線模型，因此基于建筑案例正立面圖對已調整后的Dynamo軸線模型進行比對Fenix，以此來判斷Dynamo工具建模的有效性，如圖2所示。

圖2 Dynamo軸線模型

4 結語

本文從整體上分析了大木作結構形成的基本邏輯，并以Dynamo工具為例論述了模型建立的主要步驟。首先以《營造法式》為基礎，從整體上梳理了大木作的生成過程，探究了不同構件之間的關聯性。并借助Dynamo工具將這一過程的邏輯轉譯為可視化語言。最后對程序中的可變參量進行調整與定義，并結合兩個我國古代建筑案例驗證了Dyanmo工具建立大木作軸線模型的有效性。