文/內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑學院 內(nèi)蒙古自治區(qū)綠色建筑重點實驗室 覃萬祥

江西理工大學土木與測繪工程學院 譚 亮

0 引言

程陽八寨位于柳州市三江縣東北部，由馬鞍、平坦、平寨、巖寨、東寨、大寨、平鋪、吉昌8個侗寨組成，俗稱“程陽八寨”。以程陽八寨為代表的廣西侗族鼓樓、吊腳樓和風雨橋具有濃郁的地域性和民族性的文化特色，在世界民族建筑科學和藝術(shù)中占有一席之地。三江風雨橋位于程陽八寨，既是侗族人民精神和物質(zhì)家園的載體，又是民俗文化空間與實體的體現(xiàn)。三江風雨橋是三江縣侗族人民的共同記憶，承載著三江縣城的文化積淀。一旦損毀，風雨橋本身及其承載的歷史文化將不復存在?，F(xiàn)存的風雨橋是木質(zhì)結(jié)構(gòu)，易遭受不可控的自然災(zāi)害破壞如洪水、臺風、雪災(zāi)等，以及人為因素的影響如火災(zāi)、人為破壞等，導致象征侗族傳統(tǒng)文化的風雨橋逐漸消亡。在信息化時代，加強對古橋的研究，利用數(shù)字化的手段保護與傳承文化遺產(chǎn)，可更好地實現(xiàn)對上述文化的傳承和保護。

1 數(shù)字化技術(shù)概述

數(shù)字化的算法生形方法能有效避免重復性勞動，使設(shè)計者快速解決復雜性設(shè)計難題，算法生形需要預先設(shè)定好程序，將可能存在的變化及導致這種變化產(chǎn)生的因素用算法進行描述。傳統(tǒng)的紙上繪圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓢栏竦臄?shù)學公式指導進行的理性生成，事物的本質(zhì)首先被描述，進而被表達出來。復雜建筑問題多有深層次的復雜聯(lián)系，上述聯(lián)系可轉(zhuǎn)化為參數(shù)關(guān)系，以描述建筑設(shè)計的邏輯演化過程，一旦建立就可被復制，未來若有類似問題可直接拷貝并進行運算，稍加修改就能適應(yīng)千變?nèi)f化的需求。

Grasshopper是可視化編程平臺，基于Rhino平臺運行，是數(shù)字化技術(shù)的主流軟件之一。相較于其他數(shù)字化技術(shù)方法，Grasshopper的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在2個方面：①輸入指令后采用小電池式的工具并利用擬定的程序算法自動生成結(jié)果，通過一定的邏輯順序輸入?yún)?shù)后形成可視化模型；②設(shè)計師建模時會有大量的重復性操作和批量化修改，此過程耗費較多時間，而Grasshopper僅通過改變輸入端的參數(shù)便可得出修改后的模型。在建立古橋模型時，運用數(shù)字化技術(shù)將古橋中的規(guī)則、模數(shù)等信息置入?yún)?shù)化模型，故將Grasshopper技術(shù)運用于古建保護具有一定的開創(chuàng)性。

2 風雨橋數(shù)字化生成分析

2.1 特征分析

筆者通過對柳州市三江縣程陽八寨的風雨橋進行實地調(diào)研，利用全站儀、塔尺、卷尺等測量工具對其進行測量，統(tǒng)計整理測量出的數(shù)據(jù)，對風雨橋的用料進行嚴格規(guī)定，金柱的柱徑作為風雨橋最重要的模數(shù)。筆者按照支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、柱或橋身系統(tǒng)、梁系統(tǒng)及屋面系統(tǒng)4種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，采用SketchUp制圖軟件建立每座橋的立體模型。

2.1.1 支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

支撐結(jié)構(gòu)采用伸臂梁結(jié)構(gòu)，在橋墩上使用多層原木構(gòu)成伸臂從而形成大梁，使風雨橋跨度增大。對于跨度較大的風雨橋如普濟橋等，采用多級橋墩，橋墩部分采用石料壘砌的六邊形柱體，順流和逆流方向為銳角，起到分水作用，以減輕水流對橋墩的沖擊力；對于跨度較小的風雨橋如萬壽橋等，不設(shè)中間橋墩，在岸邊建造石質(zhì)基坑，再用多層原木構(gòu)成伸臂梁。

2.1.2 柱或橋身結(jié)構(gòu)

柱系統(tǒng)為整個橋身系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，支撐上部梁、屋面系統(tǒng)，橋面為風雨橋的核心功能區(qū)域，由出入口空間、橋廊空間、橋亭空間構(gòu)成，豐富的空間形式使橋面成為多功能的公共場所，風雨橋常建造于較為重要的交通節(jié)點，許多當?shù)鼐用裨跇蛏箱N售特產(chǎn)或農(nóng)作物，為交通、商業(yè)、宗教儀式等活動提供空間。

2.1.3 梁系統(tǒng)

程陽風雨橋的結(jié)構(gòu)與我國傳統(tǒng)穿斗式構(gòu)架大致相似又略有不同，梁系統(tǒng)主要包括桁、枋、墊板、檁等構(gòu)件，梁系統(tǒng)建構(gòu)于柱系統(tǒng)之上，起到支撐屋面系統(tǒng)、串聯(lián)柱系統(tǒng)的作用，與柱系統(tǒng)共同構(gòu)成橋身框架，是我國傳統(tǒng)木框架建筑的完整體現(xiàn)。

2.1.4 屋面系統(tǒng)

屋面系統(tǒng)為歇山式或懸山式，部分風雨橋還結(jié)合侗族鼓樓重檐的特色，三間的三重檐歇山頂層層出挑，富有韻律感。

2.2 參數(shù)化模型構(gòu)建流程

針對典型的風雨橋，通過分析其結(jié)構(gòu)形式，對其進行數(shù)字化描述，并將其集成于Grasshopper程序中，對于結(jié)構(gòu)形式相似的古橋可通過修改有關(guān)參數(shù)后再次生成三維模型。風雨橋的構(gòu)件參數(shù)盡量為能夠控制所有構(gòu)件生形的全局參數(shù)，利用最少的參數(shù)生成盡量多的目標構(gòu)件以減少人工操作的步驟，同時降低涉及大量人工操作時不可避免的錯誤率。在此程序中，用戶可根據(jù)輸入或選擇設(shè)定好的參數(shù)，如模數(shù)（柱徑）布置、柱網(wǎng)布置、舉架設(shè)置、步架設(shè)置等關(guān)鍵參數(shù)，確定風雨橋的基本規(guī)模形態(tài)，根據(jù)程序中設(shè)定好的風雨橋建構(gòu)規(guī)則，程序根據(jù)用戶輸入的參數(shù)整體協(xié)調(diào)，最后生成模型（見圖1）。

1參數(shù)化模型構(gòu)建流程（圖片來源：作者自繪）

3 風雨橋數(shù)字化模型建構(gòu)

3.1 模型生成步驟

古橋的生成邏輯主要包括3個層次，與我國古建大木作相似，分別是柱網(wǎng)層、屋架層和其他構(gòu)件，其生成邏輯和建造邏輯基本統(tǒng)一。根據(jù)面寬和步架推算出柱網(wǎng)位置，以柱網(wǎng)位置為基準點，逐步向上生成鋪作層、屋架層。風雨橋形態(tài)的生成從柱網(wǎng)開始，柱網(wǎng)的定位由面寬和步架確定，首先建立運算器，儲存開間數(shù)量和數(shù)值，步架寬度則由柱徑與相應(yīng)的系數(shù)相乘而得。根據(jù)位置不同柱可分為檐柱和金柱，檐柱和金柱的高度可根據(jù)舉架確定，舉架則由步架寬度乘以相應(yīng)系數(shù)而得，檁條數(shù)量影響舉架高度，古橋為七檁，舉架系數(shù)為0.5，0.7，0.9，得到柱的高度之后，由柱網(wǎng)平面生成柱徑為半徑的圓，沿Z軸生成相應(yīng)的柱高度，最終得到完整的檐柱和金柱。古橋的屋架結(jié)構(gòu)主要由桁和檁兩部分組成，桁直接由柱支撐，貫穿于古橋的進深方向，檁則貫穿于古橋的開間方向，兩金柱之間放置桁，桁的命名取決于梁上方的檁條數(shù)，如有5根檁條時被稱為五架桁。檐柱與金柱之間一般用穿插枋固定，當檐柱的穿插枋上置檁條時，穿插枋的長度為2倍步架寬度。金柱之間的梁下方設(shè)置隨桁枋以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，梁上方放置瓜柱，最上方支撐屋脊的柱為脊柱，瓜柱上方為支撐桁，桁上放置墊板與檁條，最后確定所有檁條位置。檁條上方則是椽子，其密布于檁條之上，與檁條呈正交。上述所有數(shù)據(jù)均記錄于Grasshopper程序中，修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，模型即時更新。

3.2 技術(shù)成果展示

通過對柳州市三江風雨橋進行現(xiàn)場調(diào)研測繪并對風雨橋的各個構(gòu)件關(guān)系進行梳理后，編寫Grasshopper程序，當所有數(shù)據(jù)均被記錄后，便形成風雨橋的Grasshopper數(shù)字化模型，通過此程序可快速生成各種不同類型的風雨橋模型。不同類型風雨橋的長度和開間難以確定，在Grasshopper程序中可根據(jù)面寬組件調(diào)整開間寬度及開間數(shù)量得到不同類型的風雨橋模型，如圖2所示。同時，在Grasshopper程序中也可通過改變檐柱高度及步架寬度得到不同類型的風雨橋模型，如圖3所示。

2不同開間參數(shù)生成的風雨橋模型（圖片來源：作者自繪）

3不同檐柱高度及步架寬度生成的風雨橋模型（圖片來源：作者自繪）

4 結(jié)語

目前，極少有人將Grasshopper數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于古建保護及風雨橋構(gòu)建之中。通過研究發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)合通過“以材為祖”的概念原則可建立和分析風雨橋模型信息，相較于傳統(tǒng)的三維建模，Grasshopper提高了風雨橋模型信息建立的速度與準確度，并可記錄、分析風雨橋模型的多個構(gòu)件信息，為受損的風雨橋修復提供參數(shù)支持，形成一套完整的風雨橋信息的數(shù)字化模型，為風雨橋文化遺產(chǎn)的數(shù)字化修復提供支撐，彌補目前受損風雨橋修復困難、無從參考等方面的不足。

綜上所述，通過Grasshopper數(shù)字化技術(shù)為柳州三江程陽八寨的風雨橋建立完整的數(shù)字化模型，基于“一處更改，處處更新”的思路，提供保護與修復的技術(shù)方法，使柳州三江程陽八寨的風雨橋文化遺產(chǎn)有效傳承。本文所建立的數(shù)字化模型能夠被應(yīng)用于多數(shù)受資金限制、無法準確修復的風雨橋中，為未來古橋的保護修復、搬遷重建等提供一定的數(shù)據(jù)參考，但研究僅對風雨橋建立數(shù)據(jù)庫的文化遺產(chǎn)進行數(shù)字化虛擬修復，未在調(diào)研后進行實際的古橋修復，且數(shù)字化模型無法覆蓋到破損嚴重、缺少史料參考的古橋，故未來需對此進行深入研究。