基于AutoCAD的中国木构古建筑的三维重建

摘要：文章首先简单介绍了中国木构古建筑的构架特征；然后介绍了古建筑建模的数据获取途径；最后详细描述了在ＡｕｔｏＣＡＤ中，对古建筑建模的步骤，重点讲述了坐标系的问题、利用不同的模型类别对不同形状的构件建模的问题。

关键词：古建筑；ＡｕｔｏＣＡＤ；三维重建Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｆｒａｍｅｃｈａｒ－ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅｃｌａｓｓｉｃａｌｗｏｏｄｅｎｂｕｉｌｄｉｎｇｉｎｂｒｉｅｆｆｉｒｓｔ；ｔｈｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｈｏｗｔｏｇｅｔｔｈｅｍｏｄｅｌｄａｔａｏｆｃｌａｓｓｉｃａｌｂｕｉｌｄｉｎｇ；ＩｔｄｅｔａｉｌｅｄｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｓｉｎＡｕｔｏＣＡＤ，ｔｈｅｓｔｅｐｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｆｉｎａｌｌｙ．Ｉｎｔｈｅｐａｒｔ，ｉｔｅｘｌａｉｎｓｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅａｎｄｂｕｉｌｄｉｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｏｄｅｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔｍｏｄｅｌｃａｔｅｇｏｒｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｌａｓｓｉｃａｌｂｕｉｌｄｉｎｇ；ＡｕｔｏＣＡＤ；Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ一、前言中国的木构古建筑是世界文化遗产宝库的一部分，为了把古建筑文化留给后人及推向国际，我们应该将古建筑的结构特征记录下来，也就是我们经常所说的存档保护。

传统的存档方法主要是图表、文字、照片等等，只能给人平面的印象，而且数据量大，不利于保存。

随着科技的发展，这些传统的方法已经不能满足人们的需要了。

利用计算机辅助设计建立古建筑的三维立体模型，是目前数字化存档发展的趋势。

古建筑的立体模型不仅记录了建筑的构造特征，也保留了每个部分的尺寸数据，建立的模型还可用于三维仿真。

二．我国木构古建筑的构架我国的木构古建筑都是由千百个大小各异的单个木构件如柱、樑、枋、斗、栱、椽等按一定的原则组装而成。

所以要建立整个建筑的三维模型，首先就是创建单个木构件的模型，然后将若干个构件像搭积木似的组装起来，构成建筑物。

一座标准的抬樑式木构建筑可分为：柱础层、斗栱层、樑架层、屋面层、装修层。

柱础层主要有柱础、立柱和栏额等构件。

它们在木结构体系的建筑物中起着构架的作用，垂直支撑着整个屋顶的重量。

斗栱在樑枋与柱础之间，它可以挑出屋顶伸出的屋檐，是屋檐下面的一种传力构件，也起着很好的装饰效果。

斗栱主要由五种基本分件组成，即斗、栱、翘、昂、升。

斗栱层的五种分件纵横交错、层层叠叠，挑出上大下小的托座。

樑架层横向联系柱子，这一层主要是樑和枋构件，他们横架在柱头上，一般我们见到的只有樑、枋的横向立面和它们的顶端出头。

樑、枋的断面都是矩形的。

屋面层主要包括望板、灰背组成的基层及瓦面层。

装修层主要有一些门和窗、抱柱栨、地栿等等。

三．建模的数据获取建模的第一步工作就是数据的获取。

目前数据获取的途径主要有三种：直接测量方法、摄影测量方法和工程测量方法。

对于形状怪异，很难用ＡｕｔｏＣＡＤ进行建模的木构件，一般采用近景摄影测量的方法。

工程测量方法主要是采用全站仪实地测量，获取建筑物的特定位置的三维空间数据。

本文主要采用的是直接测量方法，就是用经检定后的直尺和角尺实地量取它们的大小，标于纸上，并考虑温度改正后也标于构件草图上。

四．建立模型获取了精确、丰富的数据以后，就可以利用ＡｕｔｏＣＡＤ进行木构件的建模了。

ＡｕｔｏＣＡＤ是当今最流行的绘图软件。

使用ＡｕｔｏＣＡＤ创建的构件三维模型，可以逼真表示构件的精细结构。

这种方法可以达到较高水平的细节程度（“真三维”实体），不仅能表示古建筑物的外观，而且还能充分展现古建筑物的内部形态。

１．坐标系问题为了更好地利用ＡｕｔｏＣＡＤ进行三维建模，首先要理解坐标系的问题。

掌握了坐标系，可以将复杂的三维问题转成二维的，更有利于构建模型。

在ＡｕｔｏＣＡＤ中，坐标系分为世界坐标系和用户坐标系．ＡｕｔｏＣＡＤ系统为这个三维空间提供了一个绝对基于AutoCAD的中国木构古建筑的三维重建ＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎｓＲｅｂｕｉｌｄｉｎｇｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｎｃｉｅｎｔＴｉｍｂｅｒｉｎｇＢｕｉｌｄｉｎｇｓＢａｓｉｎｇｏｎＡｕｔｏｃａｄ易华蓉Ｙｉｈｕａｒｏｎｇ的坐标系，称之为世界坐标系（ＷＣＳ，ＷｏｒｌｄＣｏｏｒｄｉ－ｎａｔｅＳｙｓｔｅｍ），ＷＳＣ是固定的全局坐标系，在该坐标系中，空间的每个点依赖于一个固定的原点。

这个坐标系存在于任何一个图形之中，并且不可更改，虽然ＷＣＳ不可更改，但可以从任意角度、任意方向来观察或旋转。

单单依靠一个固定的世界坐标系绘图是很不方便的。

ＡｕｔｏＣＡＤ允许用户建立自己的坐标系—用户坐标系（ＵＣＳ），用户坐标系不是唯一的，用户使用“ＵＣＳ”命令，可将ＵＣＳ的坐标原点放在任何位置，坐标轴可以倾斜任意角度．在ＵＣＳ坐标系下的坐标输入是基于当前的ＵＣＳ。

创建ＵＣＳ的目的是简化二维或三维对象的构造，因为在ＡｕｔｏＣＡＤ中很多命令只能在ＸＯＹ平面上使用，如果将当前需要绘制图形的平面定义成ＸＯＹ平面，即利用ＵＣＳ中的ＸＯＹ工作平面，那么将为用二维绘图方法绘制三维图形提供最大的方便。

我们创建构件栌斗的三维模型，如果当前是世界坐标系，如图１所示，ＸＯＹ平面在栌斗的水平方向，在这种情况下创建栌斗下面四个方向的弧线是不可能的。

定义用户自己的坐标系，把Ｘ轴方向定在栌斗的对角线上，Ｙ轴方向是垂直于栌斗的方向，如图２所示，然后在ＸＯＹ平面上创建圆弧。

２．模型类型在ＡｕｔｏＣＡＤ里面创建的三维模型主要有三种：线框模型、表面模型和实体模型。

（１）线框模型（Ｗｉｒｅｆｒａｍｅｍｏｄｅｌｓ），是由定义三维对象边的直线和曲线组成。

线框模型中没有面与体的定义，但具有文件小、易编辑等特点。

（２）表面模型（Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｅｌｓ），它不仅定义三维对象的边而且定义面，可以通过将标高和厚度应用于二维对象来创建曲面模型，也可以通过特殊的命令来创建。

（３）实体模型（Ｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｓ），它既包含面，也包含面中的体。

可以通过一些特殊的命令创建长方体、圆锥体、圆柱体、球体、楔体和圆环体，也可以将二维对象沿路径拉伸或绕轴旋转来创建实体。

对于复杂的实体，我们可以把简单的实体进行布尔运算（差、并、交）而得到。

３．建立构件模型图１图２图３图４图５图６本文主要采用了两种方法进行建模，一种是先用线框模型绘出木构件的框架，然后利用ＰＦＡＣＥ或３ＤＦＡＣＥ命令进行构面操作，另一种是先用实体模型构出木构件的大致形状，然后进行切、割。

线框模型主要是直线，圆弧，多段线和其他二维对象组成的，是三维构件的框架，结构简单，处理方便。

根据量测到的构件的数据，在ＡｕｔｏＣＡＤ上输入每个顶点的三维坐标，绘制每条直线和曲线等二维对象。

绘制完构件的轮廓线以后，使用３ＤＦＡＣＥ和ＰＦＡＣＥ命令为模型构面。

３ＤＦＡＣＥ命令可以创建由三边或四边组成的面对象，但是每条边都是可见的，而ＰＦＡＣＥ命令可以创建由三个顶点或多个顶点组成的面对象，同时要记清楚每个顶点号，依次输入，如果要使某一条边不可见，就将顶点号作为负数输入。

ＰＦＡＣＥ命令适用于构造木构件的弧面或顶点较多的不规则平面。

以上描述的先建构件轮廓，再构面的建模方式比较耗时，所以比较适合于一些有弧线且结构简单的构件，如栌斗、泥道栱等。

对较规则的曲面，我们可以利用表面模型进行建模。

用一些特殊的命令直接创建表面模型。

三维实体造型方法有以下几种：（１）三维实体预定义建模法．（２）拉伸、旋转法．（３）简单实体通过ＩＮ－ＴＥＲＳＥＣＴ（交）、ＵＮＩＯＮ（并）、ＳＵＢＴＲＡＣＴ（差）布尔运算，或者剖切（即使用ＳＬＩＣＥ剖切命令将实体从选定截面切开），及修圆角等处理，可以制作出更为复杂有趣的造型。

形状比较规则的构件，考虑用实体建模的方法。

有些构件，大体形状规则，但是面多，用建线框模型加构面的方法就比较麻烦。

柱子就比较适合应用实体建模，柱子是古建筑的重要组成部分，它是决定建筑物大小的依据，开间越多，柱子越多。

不同位置的柱子，有不同的构件与其相接，所以每根柱子的榫卯都不相同。

一根柱子要和地栿、腰串、小额、栏额、抱柱栨等相接，榫口比较多，所以有很多小的面，而且柱子本身有侧角和收分，这样使得柱子的中心线和中垂线不重合，上面细下面粗（图３）。

这种情况下，如果在柱子的面模型中开榫口是很麻烦的，也是不现实的，最好的建模方法就是实体建模。

实体建模的步骤大致是：先用规则的实体，比如：长方体、立方体、圆柱体等等建立构件的大致模型；然后按照榫口的形状和大小创建很多个小的模型，将小模型与构件的大致模型进行布尔运算（差、并、交）而得到复杂的构件的真实模型。

实体建模虽然快捷，但是数据量很大，一般一个简单的实体模型的数据量是其线框模型的数据量的好几倍，当把这些单个木构件组装起来的时候，对计算机的运行速度有比较大的影响。

如果要进行一个建筑群的三维仿真，如果不经过处理压缩数据量，基本是无法实现的。

实体建模的另一个缺点是创建圆柱体或圆锥体，消隐以后会出现斜线影响了美观（图４）。

实体建模的第三个缺点是创建的有弧线的模型，在弧线部分有线条出现，给人不真实的感觉（图５）。

如果用ＰＦＡＣＥ命令构面就不会出现类似的问题。

以上介绍的线框加面和实体建模两种方法是各有长短，我们应该根据木构件的形状，选择最适当的方法进行建模，或同时结合两种方法构建模型。

以栌斗为例，栌斗上半部分形状比较规则，下半部分曲面较多。

所以我们可以把实体建模应用于栌斗的上半部分，方便快捷，线框加面的建模方式应用于其下半部分，这样就巧妙地消除了曲面上的线条。

五．组装成建筑物单个木构件的立体模型建好以后，就可以在计算机上进行预组装了。

在ＡｕｔｏＣＡＤ中绘制古建筑物的基线，并将其置于基线层。

然后依照基线分层进行组装，图层大致分为：柱础层、斗栱层、樑架层、屋面层、装修层（图６）。

构件以块的形式插入到相应的图层中，一层中的所有构件可以看作一个整体，便于修改、编辑和查询模型的属性。

通过预组装，对工程进行监理，可以及时发现构件与构件之间的接口是否吻合，是否缺少构件，构件形状是否有误等等，及时向构件生产单位反映，及时改正，然后再进行正确的组装，最后建立古建筑的三维数字化档案。

（作者单位：５１０３２０广东商学院旅游与环境学院；２００６．８）参考文献［１］许妙忠，朱宜萱．大型木造建筑物的计算机仿真和质量控制．武汉测绘科技大学学报，１９９９．２４（１）［２］田永复．中国古建筑构造答疑．广东科技出版社，１９９７［３］张怡芳．ＡｕｔｏＣＡＤ三维实体模型及应用．浙江万里学院学报，２００１．１４（２）［４］ＡｕｔｏＣＡＤ中的坐标系．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｄｖｉｐ．ｎｅｔ／ｍａｃｈｉｎｅ／ａｕｔｏＣａｄ／ｉｎｄｅｘ１／８．ｈｔｍ［５］ＤａｖｉｄＳ．Ｃｏｈｎ．ＡｕｔｏＣＡＤ２００２完全手册．电子工业出版社，２００３。