吳昊天，徐振華，黃 冠

(北京城市學(xué)院，北京 101399)

中國(guó)古建筑文化博大精深，隨著時(shí)代的發(fā)展，古建筑文化重新被世人傳承與發(fā)揚(yáng)，而與其緊密聯(lián)系的古建筑模型制作文化也有著不可替代的價(jià)值。古建筑模型制作工藝也應(yīng)該結(jié)合時(shí)代的發(fā)展，積極與新技術(shù)融合。在傳承傳統(tǒng)技藝的基礎(chǔ)上，不斷推陳出新，從而真正達(dá)到傳承與弘揚(yáng)中國(guó)古建筑文化及其相關(guān)文化的目的。本文從古建筑模型制作入手，以佛光寺東大殿為研究對(duì)象，重點(diǎn)探究古建筑模型制作與3D打印技術(shù)、激光雕刻技術(shù)的結(jié)合，探尋新型科技技術(shù)與古建筑模型制作的融合。

1 研究中國(guó)古建筑模型制作的目的與意義

1.1 中國(guó)古建筑模型的歷史淵源

古老的中國(guó)最早在西漢時(shí)期就出現(xiàn)了利用陶、銅、石、木等材料在小型器物上以模型的形式反映當(dāng)下的建筑，此時(shí)的模型大多作為古代人們下葬時(shí)帶入地下的隨葬器物，即為明器。漢代的建筑明器出土范圍較廣，類型大多一致，多為房屋、樓閣、院落等。例如1993年出土于河南焦作白莊6號(hào)東漢墓中的七層連閣式陶樓為仿中國(guó)傳統(tǒng)的木構(gòu)高樓建筑。最早明確記載把古建筑模型制作用于建筑設(shè)計(jì)的是隋朝的宇文愷((唐)魏征：“列傳三十三·宇文愷”，《隋書》)。據(jù)史書記載，宇文愷專門制作了明堂的木模型，以供皇帝審查方案，“其樣以木為之，下為方堂，堂有五室，上為園觀，觀有四門”。而在宋代文瑩撰寫的《玉壺清話卷二》當(dāng)中記載：“將開建寶寺塔，浙匠喻皓料一十三層，郭(郭忠恕)以所造小樣末底一級(jí)折而計(jì)之，至上層余一尺五寸，殺收不得。謂皓曰：‘宜審之?！┮驍?shù)夕不寐，以尺較之，果如其言。” 根據(jù)建筑師喻皓設(shè)計(jì)制作的建筑模型小樣，發(fā)現(xiàn)了其中存在的錯(cuò)誤，避免了一場(chǎng)建筑工程事故。在《帶經(jīng)堂集蠶尾續(xù)文》卷七《梁九傳》當(dāng)中記載，康熙三十四年(1695)，建筑師梁九主持重新修建因火而焚燒的太和殿，在動(dòng)工之前，他親自制作了1∶10的太和殿模型，而正是根據(jù)建筑師梁九所制作的模型，太和殿才得以順利完工。劉敦禎老先生在《中國(guó)古代建筑史》中寫到：中國(guó)古代用建筑模型的方式直觀表現(xiàn)建筑一直持續(xù)到清末。而隨著時(shí)代的發(fā)展，封建社會(huì)逐步淪為半殖民地半封建社會(huì)，中西方文化的大融合等時(shí)代背景下，古建筑模型制作也產(chǎn)生了深刻的變化[1]。1925年朱啟鈐開始籌辦營(yíng)造學(xué)社，多次開展中國(guó)古建筑學(xué)術(shù)研究。1930年?duì)I造學(xué)社正式成立，先后吸引了梁思成、林徽因等學(xué)者加入，并在全國(guó)范圍內(nèi)收集“樣式雷”家族制作的模型、燙樣、圖紙。新中國(guó)成立后，一些政府部門、民間組織、高校等積極開展古建筑模型制作相關(guān)活動(dòng)，保護(hù)并發(fā)展了中國(guó)古建筑模型的制作技藝。而時(shí)至今日，隨著廣大學(xué)者對(duì)于中國(guó)古建筑文化研究的深入，對(duì)于中國(guó)古建筑文化的認(rèn)同與自信，越來越多的力量、資源投入到了古建筑模型制作領(lǐng)域當(dāng)中。

1.2 中國(guó)古建筑模型傳統(tǒng)制作工藝

當(dāng)代社會(huì)由于文化的發(fā)展、環(huán)境的變革、材料的升級(jí)迭代、科學(xué)技術(shù)的普及等原因，已經(jīng)不再適合大規(guī)模建造中國(guó)傳統(tǒng)古建筑了，現(xiàn)在新建的古建筑經(jīng)常是徒有其表，內(nèi)部多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外部采用磚瓦等材料裝飾，已經(jīng)失去中國(guó)傳統(tǒng)古建筑的精髓。而如果沒有古建筑模型，我們就無法對(duì)古建筑進(jìn)行保護(hù)性研究、相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域上的教學(xué)以及對(duì)古建筑文化的普及與觀賞等[2]。正是因?yàn)橹谱鞴沤ㄖＰ偷谋匾?，古建筑模型制作工藝也成為了不可缺少的環(huán)節(jié)。傳承傳統(tǒng)的古建筑模型制作工藝，對(duì)于古建筑模型的發(fā)展具有促進(jìn)意義，也能更好的弘揚(yáng)中國(guó)傳統(tǒng)古建筑文化。

而傳統(tǒng)的古建筑模型制作工藝是根據(jù)中國(guó)傳統(tǒng)古建筑營(yíng)造法式的發(fā)展而產(chǎn)生變化的一種以木材料為主要原料，以陶、石、銅、染料等為輔助性材料，并且以柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)、榫卯方式進(jìn)行搭建，經(jīng)過了畫草圖、選材料、材料加工等多道工序而形成的傳統(tǒng)手工技藝。因其工序復(fù)雜，又均為手工制作，所以需要匠人極高的制作手藝。制作的工序分以下步驟：首先是畫草圖，先定外形尺寸，再定內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3]，畫出需要進(jìn)行制作的模型；其次是選取材料，傳統(tǒng)古建筑模型多選擇核桃木、梨木和楸木等柔性較好的材料，方便后期的加工制作；選材完成后對(duì)所選材料進(jìn)行入窯烘干，防止后期木材產(chǎn)生變形；烤干完成后，需要進(jìn)行制作臺(tái)基、樹立柱、成柱網(wǎng)；柱網(wǎng)層完成后，需要制作鋪?zhàn)鲗?，建梁架、造屋頂。以上工作完成后，就是增加門窗裝飾，進(jìn)行油飾彩繪，豐富古建筑模型。傳統(tǒng)的古建筑模型制作工藝全面?zhèn)鞒辛酥袊?guó)古建筑采用的多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)及升起、側(cè)腳、榫卯等獨(dú)特技藝。

1.3 中國(guó)古建筑模型制作研究的目的和意義

中國(guó)古建筑在1840年鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后，一度出現(xiàn)斷代的現(xiàn)象，逐漸從大眾視野當(dāng)中散去，失去了往日的光彩。但是伴隨著社會(huì)的發(fā)展、思想的進(jìn)步、民族的解放，一大批建筑大家如梁思成、劉敦楨、林徽因、吳良鏞等先生的篤志躬行，以及許多具有本土情懷的建筑從業(yè)者的努力，經(jīng)過幾代建筑師的探索與實(shí)踐，漸漸喚起了廣大民眾對(duì)于中國(guó)古建筑和與之相關(guān)民族文化的關(guān)注，不斷提高著廣大群眾對(duì)于中國(guó)古建筑及其相關(guān)文化的保護(hù)意識(shí)，孕育了廣大群眾對(duì)于中國(guó)古建筑及其相關(guān)文化的熱愛，使中國(guó)古建筑和與古建筑相關(guān)的文化在新時(shí)代的背景下重新散發(fā)光芒。古建筑模型和其制作工藝作為重要的中國(guó)古建筑文化組成部分以及對(duì)中國(guó)古建筑進(jìn)行研究的方式方法，其歷史地位極高，并且從古至今都發(fā)揮著重要的作用和不可替代的價(jià)值。而對(duì)于學(xué)習(xí)古建筑模型制作工藝以及探索古建筑模型制作方法，其背后的意義與目的是對(duì)中國(guó)古建筑文化以及與其相關(guān)文化的弘揚(yáng)與傳承，可以更加彰顯出文化自信，體現(xiàn)出中國(guó)古建筑文化的深刻內(nèi)涵，吸引更多的人關(guān)注與了解中國(guó)古建筑。其次是會(huì)對(duì)現(xiàn)存古建筑的保護(hù)與修繕起到重要作用，也為相關(guān)學(xué)者的研究提供基礎(chǔ)。

2 以佛光寺東大殿為研究對(duì)象的原因

梁思成認(rèn)為，中國(guó)建筑發(fā)源于漢，成熟并呈豪勁之勢(shì)于唐，臻于完美醇和于宋，明后出現(xiàn)衰老羈直之態(tài)勢(shì)。而佛光寺東大殿建于唐大中十一年(公元857年)，它記載了大唐時(shí)期木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系和外觀裝飾，成為后世認(rèn)識(shí)和研究唐代建筑極為珍貴的實(shí)物資料。它的屋頂形式、斗拱樣式、獨(dú)特的大叉手、“側(cè)腳”和“生起”、梁架各部分的比例關(guān)系等等諸多細(xì)節(jié)都是唐代建筑特有的標(biāo)志和符號(hào)。它傳遞出古人不同于東方的營(yíng)造觀點(diǎn)，它真正所代表的是古人對(duì)于建筑與藝術(shù)結(jié)合的深度思考。

而佛光寺東大殿的木結(jié)構(gòu)體系正是對(duì)于唐代建筑營(yíng)造手法的完美表現(xiàn)，木結(jié)構(gòu)體系包括斗拱、內(nèi)部空間、屋架。佛光寺東大殿的斗拱采用高等級(jí)的七鋪?zhàn)鞫饭埃瑸槿颥F(xiàn)存唐代木建筑中的孤例。雖然《營(yíng)造法式》當(dāng)中記載了最高鋪?zhàn)鞯燃?jí)為八鋪?zhàn)?，但是目前世界上沒有發(fā)現(xiàn)具有八鋪?zhàn)鞯哪緲?gòu)建筑，而佛光寺東大殿的斗拱成為現(xiàn)存最高等級(jí)的鋪?zhàn)鳌７鸸馑聳|大殿的平面空間為金廂斗底槽，即內(nèi)外兩圈柱子圍合而成的，佛壇位于內(nèi)圈柱子圍合而成的內(nèi)槽空間，而外圈柱子圍合出了一個(gè)寬闊的禮佛空間。佛光寺東大殿的結(jié)構(gòu)是立柱一層、斗拱一層，斗拱上托平闇，平闇上面是屋架。而屋架與斗拱、空間相互影響，共同組成了佛光寺東大殿的木結(jié)構(gòu)體系。而通過對(duì)佛光寺東大殿進(jìn)行模型制作可以更好的研究與了解唐代建筑的營(yíng)造手法，真正傳承唐代建筑的風(fēng)韻。

3 利用新型技術(shù)進(jìn)行古建筑模型制作

3.1 3D打印技術(shù)與古建筑模型制作的結(jié)合

1)3D打印技術(shù)概述。

3D打印技術(shù)作為一種新型的制造技術(shù)，將新型材料、計(jì)算機(jī)科技、數(shù)控機(jī)床技術(shù)、機(jī)械制造等綜合利用，將所獲取的模型用3D打印機(jī)層疊形成三維結(jié)構(gòu)實(shí)體，主要材料有工程塑料、光敏樹脂、金屬材料等。3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的主要流程是獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建數(shù)字三維模型，圖層切片處理，圖層切片路徑規(guī)劃，圖層切片疊加。美國(guó)3D打印技術(shù)委員會(huì)按照如下方式定義3D打印技術(shù)：3D打印技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)材料加工方法，以 CAD模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建模型并且逐層增加材料，制造出和三維物理實(shí)體模型完全一致的數(shù)學(xué)模型[4]。

2)3D打印技術(shù)在古建筑模型制作當(dāng)中的應(yīng)用——以佛光寺東大殿為例。

3D打印古建筑模型的主要流程為:對(duì)中國(guó)古建筑營(yíng)造技藝進(jìn)行研究→實(shí)地勘測(cè)→利用CAD繪制基本圖紙→利用草圖 大師等3D設(shè)計(jì)軟件建立三維模型→利用切片軟件對(duì)三維模型分層切片→將處理好的三維模型導(dǎo)入3D打印機(jī)→最終形成古建筑模型。

第一步：充分利用身邊的資料文獻(xiàn)，對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，掌握基本的古建筑營(yíng)造技術(shù)。

第二步：在經(jīng)過前期對(duì)古建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研討與研究后，對(duì)古建筑進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)，利用地基雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)、激光掃描技術(shù)等手段對(duì)古建筑現(xiàn)狀進(jìn)行測(cè)繪，測(cè)量記錄建筑數(shù)據(jù)，拍攝大量屋頂、柱網(wǎng)、梁架、門窗等細(xì)部照片，方便后期模型制作。

第三步：調(diào)研測(cè)繪完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，依據(jù)所獲得數(shù)據(jù)對(duì)建筑進(jìn)行CAD圖紙的繪制，圖紙包括：平面圖、立面圖(見圖1)、剖面圖、總平面圖。

第四步：通過繪制完成的CAD圖紙，利用草圖大師進(jìn)行數(shù)字化三維模型制作，在此過程中除制作整體模型以外，對(duì)于部分主要構(gòu)件，例如轉(zhuǎn)角鋪?zhàn)?、補(bǔ)間鋪?zhàn)鞯刃枰M(jìn)行單獨(dú)處理與制作。

第五步：把制作好的整體模型導(dǎo)入切片軟件中進(jìn)行分層切片處理(見圖2)，導(dǎo)出STL格式文件，通過優(yōu)盤或者藍(lán)牙連接進(jìn)行傳輸，導(dǎo)入3D打印機(jī)(本次研究過程中模型打印比例的設(shè)置為 1∶200)進(jìn)行打印。在打印前需要完成調(diào)平、預(yù)熱、進(jìn)絲等工作。

3)利用3D打印技術(shù)制作古建筑模型所存在的問題。

問題1：古建筑模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)行整體模型的打印，會(huì)出現(xiàn)亂絲、纏絲等現(xiàn)象。而由于材料的原因，模型表面極其粗糙，需進(jìn)行人工打磨，大大降低了模型的精度，影響模型的美觀。問題2:建筑模型的比例會(huì)受到3D打印機(jī)的制約，如果進(jìn)行1∶10，1∶50的模型制作，需選擇尺寸更大的3D打印機(jī)。問題3：如果是單獨(dú)構(gòu)件進(jìn)行打印，因?yàn)楣沤ㄖ?gòu)件的復(fù)雜多樣，極有可能出現(xiàn)構(gòu)件錯(cuò)亂的情況，最后導(dǎo)致無法組裝成為整體模型。

3.2 激光雕刻技術(shù)與古建筑模型制作的結(jié)合

1)激光雕刻技術(shù)概述。

激光雕刻是以數(shù)控為基礎(chǔ)，激光為媒介，對(duì)材料進(jìn)行切割或印刻加工的技術(shù)[5]。激光雕刻技術(shù)的特點(diǎn)是：與所選材料表面沒有直接接觸，不會(huì)受機(jī)械運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生錯(cuò)位的影響，表面不會(huì)產(chǎn)生變形，一般無需固定。另一方面，使用激光雕刻技術(shù)不受材料的彈性、柔韌性影響，更適合對(duì)一些較軟的材質(zhì)進(jìn)行加工。加工過程中可以保證較高的精確度，加工速度快，也經(jīng)常用來加工建筑模型的相關(guān)構(gòu)件。

2)激光雕刻技術(shù)在古建筑模型制作當(dāng)中的應(yīng)用——以佛光寺東大殿為例。

激光雕刻技術(shù)制作古建筑模型的主要流程為：對(duì)中國(guó)古建筑營(yíng)造技藝進(jìn)行研究→實(shí)地勘測(cè)→ 利用CAD 繪制基本圖紙→利用草圖大師等3D設(shè)計(jì)軟件建立三維模型→機(jī)器調(diào)試與定位→模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入與機(jī)器切割→模型組裝與加工修飾。第一、二、三步與3D打印流程相同，在此不過多介紹。第四步：與3D打印直接建立模型不同的是，利用激光雕刻技術(shù)需要重點(diǎn)關(guān)注模型的組裝接口。在三維模型中進(jìn)行模型構(gòu)件的調(diào)整，確保構(gòu)件之間可以相互拼接聯(lián)系，之后對(duì)構(gòu)件進(jìn)行拆分，利用軟件自帶的剖切功能輸出DWG格式文件。第五步：將輸出的DWG格式文件重新整理核查后，啟動(dòng)激光雕刻機(jī)電源，首先進(jìn)行機(jī)器調(diào)試激光打點(diǎn)操作，其次是利用方向鍵調(diào)節(jié)激光頭從而確定雕刻的基點(diǎn)。第六步：打開激光雕刻輸出、控制軟件，導(dǎo)入文件后，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。檢查確定冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)狀態(tài)良好，蓋上蓋子后進(jìn)行切割工作。第七步：切割完成后將各個(gè)構(gòu)件取出，進(jìn)行相應(yīng)構(gòu)件的編號(hào)以及利用砂紙或磨砂機(jī)進(jìn)行打磨，主要去除激光切割后的碳痕，并且按照編號(hào)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行組裝，從而形成古建筑模型。

3)利用激光雕刻技術(shù)制作古建筑模型所存在的問題。

問題1：由于激光雕刻機(jī)的可切割材料厚度有限，其工作臺(tái)面尺寸的限制，經(jīng)常出現(xiàn)由于比例問題構(gòu)件無法組裝，需要反復(fù)嘗試的情況。問題2：激光雕刻機(jī)是通過激光器聚焦激光作用于材料表面，切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定寬度的切縫，切縫寬度與激光切割功率、速度、焦距和切割深度有關(guān)[6]。而切縫寬度對(duì)于模型的影響較大，切縫過寬或過窄都會(huì)影響模型的組裝以及模型的精確程度。問題3:激光雕刻機(jī)對(duì)人體具有一定的危害，例如切割過程中會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體與粉塵，放射出的激光會(huì)灼傷眼睛、皮膚。如果操作不當(dāng)或者是設(shè)備出現(xiàn)故障，可能使人體遭受致命電擊或者是引發(fā)火災(zāi)，對(duì)使用者的生命安全構(gòu)成威脅。

4 結(jié)語(yǔ)

在本次研究過程中，主要是采用3D打印技術(shù)、激光雕刻技術(shù)對(duì)佛光寺東大殿進(jìn)行模型制作，得到了兩項(xiàng)技術(shù)與古建筑模型制作的工作流程，發(fā)現(xiàn)了其中存在的問題，實(shí)現(xiàn)了新型技術(shù)與古建筑模型制作的融合。通過引入新型技術(shù)，提高古建筑模型制作效率，該研究成果適用于對(duì)古建筑進(jìn)行保護(hù)性研究、修復(fù)等領(lǐng)域；適用于相關(guān)專業(yè)學(xué)科教學(xué)、課程體系建設(shè)等領(lǐng)域；適用于古建筑文化的普及、展覽等領(lǐng)域。這對(duì)古建筑的保護(hù)研究，古建筑傳統(tǒng)營(yíng)造技藝的傳承，古建筑傳統(tǒng)文化的弘揚(yáng)，古建筑所蘊(yùn)含的思想在當(dāng)代的復(fù)興，都有著深遠(yuǎn)的影響。希望該研究在古建筑模型制作方面得到更廣泛的應(yīng)用。