明清古建筑构件参数化信息模型实现技术研究.pdf

第 卷第期 年月 西安建筑科技大学学报 自然科学版 明清古建筑构件参数化信息模型实现技术研究 王茹 孙卫新 张祥 西安建筑科技大学土木工程学院 陕西 西安 广联达软件股份有限公司 北京 摘要 相对于我国古代先进的建筑技术成就 我国在古建信息化方面还比较落后 急需利用现代信息技术对 古建筑保护和开发进行探索和研究 技术的引入为古建筑的保护研究提供了新的途径 在深入研究古建 筑构件构造特点 建造规律 装饰彩绘以及历史文化等的基础上 研发了古建筑信息模型设计平台该平台不 仅为古建筑构件信息模型库的建立和管理提供了基础平台 而且还可以为古建筑的修缮和复原 古建筑的研 究以及古建筑虚拟现实系统等提供精确的信息 关键词 中国古建筑 古建筑信息模型 构件库 中图分类号 文献标志码文章编号 古建筑不仅有很高的历史价值 艺术价值 也有很高的科学价值 是研究历史科学的实物例证 也是 新建筑设计和新艺术创作的重要借鉴但是随着时间的流逝 现存的古建筑受到不同程度的损坏因此 通过对古建筑建模重现古建筑原貌成为研究的热点之一参数化设计方法是一种采用尺寸驱动的方式 改变几何约束构成的几何模型在求解几何约束模型时顺序求解的设计方法 文献 分析和阐述了 我国古建筑各个部分的分解方法和参数设置文献 提出了一种古建筑参数化建模方法文献 以清 代官式建筑为例 采用 语言编程实现了古建筑参数化三维模型的生成随着 技术的不断发 展 古建筑领域也慢慢开始应用 技术文献 中介绍了 技术应用于古建筑研究文献 介 绍了 软件 在古建筑参数化建模中的应用文献 将 应用于鸡足山佛塔寺 图明清古建筑信息模型设计平台主界面 项目 给设计和施工带来了很大的方便以上 研究较好的实现了古建筑的工程模型或表面 模型的三维重建 但是信息技术的快速发展 为古建筑模型及构件添加必要的信息 对古建 筑的信息化保护 修复有很重要的意义 本文基于国家自然科学基金项目 基于 的明清古建筑数字化保护与修复方法研 究 为背景开发了明清古建筑信息模型设计平 台 主界面如图所示本系统为古建筑构件 参数化信息模型库的建立和管理提供了基础 平台 以信息模型的方式存储现场测量的数 据 支持信息的扩展功能理论上可以包含有 关古建筑的所有信息 既可以为古建筑的修缮 和复原提供准确的信息 又可以为古建筑的研 究提供历史资料利用该古建构件信息模型建 立的古建筑虚拟现实系统 可以展示更多的关 收稿日期 修改稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目 陕西省教育厅自然科学研究专项项目 教育部虚拟现实开放实验室项目 作者简介 王茹 女 江苏丰县人 教授 博士 主要从事 古建筑保护 图形图像处理与 技术等方面研究 于古建筑的历史人文信息 古建筑构件信息模型设计平台的系统框架 典型明清古建筑构件参数化信息模型的生成过程如图所示古建筑构件参数化信息模型包含了 古建筑构件的几何信息 构造信息 材质信息 物理信息 油漆彩绘和说明备注等方面的信息 它可以实 现信息的扩展功能 并将古建筑的所有信息都囊括到一个三维模型中 不仅包括模型的几何信息 还包 括古建筑的建造规律 维修管理等信息本系统的特点如下 图古建筑构件信息模型设计平台的系统框架 研究了典型明清古建筑的组成体系和构成方式我国明清古建筑具有模数制和定型化的特点 建筑形制分大小式 大式以斗口为模数 小式以檐柱径为模数从各构件的尺寸到各部位的尺寸取值都 与模数有着比例和计算关系 从构件到局部造型再到整体 相互间都有着构成的层次性 有着密切的内 在关系古建筑构件数量巨大 为了便于对古建筑构件进行有效的管理 本研究将典型明清古建筑构件 按基座类 柱类 围护类 斗縅类 梁架类 屋面类六类进行归类 从而方便了系统菜单的建立 对部分主要古建筑构件进行了参数化建模研究古建筑构件是最基本的古建筑元素 对各特定 构件的基本几何参数 装配参数 特定形式参数等进行详细分析 总结归纳各个构件的关键参数 并与其 他参数建立尺寸约束关系在此基础上 建立古建筑构件约束关系数据库和结构规律数据库 建模函数 调用构件约束关系和结构规律两个数据库中的数据建立古建筑构件三维模型 研究了向古建筑构件三维模型中添加附加信息的方法古建筑构件的附加信息直接存储在图形 数据库中 信息作为模型的一部分进行存储信息的生命周期等于模型的生命周期 任何时候打开模型 都能读取其上存储的信息本研究利用扩展数据存储信息的字段信息 利用扩展字典存储信息值 从而 实现信息存储的扩展性和可设定性 用户不仅可以向数据库中添加记录而且可以添加信息字段 古建筑构件信息模型附加信息实现的关键技术 图形数据库实现 本系统建立在 图形数据库之上 图形数据库结构如图所示根据图形数据库的结构可 知 给实体追加附加信息可以通过扩展数据和扩展字典来实现扩展数据能被添加到任何实体上 它由 一个结果缓冲区链表组成 并且随图形一起被保存但是 每个实体中附加的扩展数据不能超过 扩展字典也是隶属于特定的实体 但是 每一个实体只能包含一个扩展字典它为实体保存自定 义数据提供了一种途径扩展记录与扩展数据类似 但是其数据存储量和能够存储的数据类型都要多于 扩展数据扩展记录可以保存到实体的扩展字典中 任何一个应用程序都能将扩展数据附加到实体上 因此所有的扩展数据都需要一个唯一的应用程 序名称 该名称不能超过 个字符为了注册一个应用程序 可以使用全局函数 类的 函数用于设置一个对象的扩展数据 其定义为 类的 函数用于获取一个对象的扩展数据 其定义为 西安建筑科技大学学报 自然科学版第 卷 图图形数据库结构 要利用扩展字典保存与实体关联的数据 可以使 用 函数为实体建立扩展 字典如果实体已经包含扩展字典 该函数的调用不 会产生影响 对象的 函数可 以为字典添加一条扩展记录如果添加了扩展记录 就可以利用 函数构建一个保存数据 的结果缓冲区链表 然后使用 函 数将结果缓冲区链表添加到扩展记录中 这样就把数 据附加到实体上了如果要访问扩展字典中的扩展记 录 可以使用 函数获得实体的 扩展字典 然后通过字典的 函数得到指定的 扩展记录 使用 类的 函数得 到保存数据的结果缓冲区链表 遍历该链表可以获得 保存的数据相关函数的定义如下 扩展数据实现 本系统利用扩展数据存储古建筑构件信息选项卡和每个选项卡中的字段信息 如图所示以斗縅 为例 其信息选项卡包括 构造信息 油漆彩绘信息 材质信息 物理信息 说明备注信息构造信息选项 卡下的字段信息包括 构造层 结构名称 安装信息 数量 油漆彩绘信息 材质信息 物理信息和说明备 注信息选项卡下的信息字段都包括信息类型和信息值两个字段 图扩展数据数据结构 对扩展数据操作的两个关键函数是添加扩展数据函数 和读取扩展数据的函数 两个函数的实现如下 扩展数据内容 第期 王茹等 明清古建筑构件参数化信息模型实现技术研究 构造信息 以构造信息选项卡作为应用程序名称 构造信息 注册应用程序 创建结果缓冲区链表 应用程序名称 构造层 构造层字段 结构名称 结构名称字段 安装信息 安装信息字段 数量 数量字段 向实体中添加扩展数据 构造信息 如果已经包含名为 构造信息 的扩展数据 就不再添加新的扩展数据 打开实体对象 查看是否包含扩展数据 构造信息 数据字典的实现 本系统利用扩展字典来存储古建筑构件的所有信息 以斗縅为例 其扩展字典数据结构如图所 示对扩展字典操作函数也主要是向扩展字典中添加数据和读取扩展字典中的数据 即 函数和 函数其实现关键代码如下 创建一条扩展记录 西安建筑科技大学学报 自然科学版第 卷 以写的方式打开对象 创建扩展字典 以写的方式打开扩展字典 构造信息 向扩展字典中添加一条记录 设置扩展记录的内容 第一层 坐斗 平板坊上 由暗销固定 第六层 井口坊 里拽厢縅之上 将扩展记录添加到扩展字典中 设置其他扩展记录的内容 并将其添加到扩展字典中 打开实体对象 获得扩展字典的 打开扩展字典 获得与关键字 关联的扩展记录 获得扩展记录的数据链表并关闭扩展数据对象 第期 王茹等 明清古建筑构件参数化信息模型实现技术研究 以斗縅为例论述古建筑构件信息模型的建立 斗縅在中国古建筑木构架体系中占有非常重要的地位 是中国古典建筑体系中重要且极具特色的 建筑构件经过几千年的发展历史 斗縅的形制以及各个横纵构件的尺寸日臻完善和规格化清式斗縅 种类繁多 构造复杂 但各类构件各自的尺寸以及构件之间的组合是十分有规律的清 工程做法则例 对斗縅的的形制 比例 细部规格做法等都有着十分明细精确的记载本系统支持斗縅参数化建模的类 型分为内檐斗縅和外檐斗縅两类 内檐斗縅主要包括襻间斗縅 品字科斗縅 隔架斗縅 外檐斗縅包括平 身科斗縅 柱头科斗縅 角柱科斗縅 溜金科斗縅以及平座科斗縅用户选择需要的一种斗縅类型单击 可 弹出如图所示的对话框 本系统创建斗縅的关键参数为斗口尺寸和斗縅样式 确定了这两个参数点击创 建按钮即可创建斗縅模型如图所示 图扩展字典数据结构 图创建斗縅的关键参数 图斗縅信息模型 本系统按构造信息 材质信息 物理信息 油漆彩绘信息和说 明备注信息五个选项卡存储斗縅模型的信息如图所示在每个 选项卡下 系统预先设置了一些信息 用户还可以根据需要定制每 个选项卡下的信息系统根据用户选择的斗口尺寸和斗縅样式 在 构造信息选项卡下自动生成了斗縅的构造层次以及各个构件的安 装位置信息如图所示点击列表中的构件可以弹出构件尺寸对 话框 如图所示需要说明的是 该选项卡中的构造信息以及尺 寸信息与斗縅模型建立一一驱动关系 改变选项卡中的构造或是 尺寸信息 都将会引起模型的相应改变 相反 改变模型中的尺寸 或构造关系也会引起选项卡中相应项的改变此功能可方便古建 筑的测绘工作 可方便地将测绘数据转换成三维信息模型 油漆彩绘信息选项卡下 设置了古建筑构件油漆和彩绘方面的信息这些信息主要与斗縅信息模型的 材质和贴图渲染建立驱动关系 如图 所示古代斗縅的彩画主要包括斗縅部分和垫縅板两部分根据用 金量 退晕层次和等级规格的不同 斗縅部分可分为烟琢墨斗彩画 金琢墨斗彩画和浑金斗縅彩画三种 垫 縅板部分可分为大木为和玺彩画 大木为玄子墨线大点金彩画和大木为高等苏式彩画三种另外斗縅的画 花花样如夔龙 墨线等也反映古建筑的类型及建筑等级 这些信息都可以在油漆彩绘信息选项卡中存储 材质选项卡主要用于显示或输入与材质有关的信息 如图 所示古代斗縅的主要用材是木材 如 杉木 松木等针叶树材和柞木 香樟 楠木等阔叶树材系统预先添加的材质信息主要包括经济技术成本 和处理难度两个方面 经济成本主要指木材的市场价格 加工运输难度 施工难度 使用寿命和维修成本 等方面的信息 西安建筑科技大学学报 自然科学版第 卷 图斗縅的构造信息选项卡 图坐斗尺寸信息 图 和图 为斗縅的物理信息选项卡和说明备注信息选项卡 物理信息主要是指材料的物理力 学性质 这些信息可用于对斗縅进行力学计算与分析时使用说明备注信息想模型中添加一些历史人文 方面的信息 图 油漆彩绘信息选项卡 图 材质信息选项卡 图 物理信息选项卡 图 说明备注信息选项卡 结论 本文通过对明清古建筑构造特征及其包含信息的分析实现了古建筑信息模型设计平台的开发 为 古建筑构件参数化信息模型库的建立和管理提供了基础平台 同时方便将古建筑的测绘数据转换为三 维模型本系统支持信息的扩展功能 理论上可以包含有关古建筑的所有信息 既可以为古建筑的修缮 和复原提供准确的信息 又可以为古建筑的研究提供历史资料本系统模型的建立 为建立更为精细 真 实 并附带大量历史人文信息的古建筑信息模型提供了良好的技术平台 第期 王茹等 明清古建筑构件参数化信息模型实现技术研究 参考文献 陈越中国古建筑参数化设计重庆 重庆大学 王婉 谢步瀛中国古代宫殿建筑参数化设计与三维建模东华大学学报 自然科学版 谭洁 汪梦林 王建华参数化设计在古建筑保护中的应用研究 以清代官式建筑为例四川建筑科学研究 饶金通古建筑的三维数字化建模与虚拟仿真技术研究厦门 厦门大学 苏兴权打造风格迥异建筑 突显细节与效率优势 王茹古建筑数字化及三维建模关键技术研究西安 西北大学 李长勋 程序开发技术北京 国防工业出版社