基于数字化技术的古桥生成方法研究——以柳州三江风雨桥为例

文/内蒙古工业大学建筑学院 内蒙古自治区绿色建筑重点实验室 覃万祥

江西理工大学土木与测绘工程学院 谭 亮

0 引言

程阳八寨位于柳州市三江县东北部，由马鞍、平坦、平寨、岩寨、东寨、大寨、平铺、吉昌8个侗寨组成，俗称“程阳八寨”。以程阳八寨为代表的广西侗族鼓楼、吊脚楼和风雨桥具有浓郁的地域性和民族性的文化特色，在世界民族建筑科学和艺术中占有一席之地。三江风雨桥位于程阳八寨，既是侗族人民精神和物质家园的载体，又是民俗文化空间与实体的体现。三江风雨桥是三江县侗族人民的共同记忆，承载着三江县城的文化积淀。一旦损毁，风雨桥本身及其承载的历史文化将不复存在。现存的风雨桥是木质结构，易遭受不可控的自然灾害破坏如洪水、台风、雪灾等，以及人为因素的影响如火灾、人为破坏等，导致象征侗族传统文化的风雨桥逐渐消亡。在信息化时代，加强对古桥的研究，利用数字化的手段保护与传承文化遗产，可更好地实现对上述文化的传承和保护。

1 数字化技术概述

数字化的算法生形方法能有效避免重复性劳动，使设计者快速解决复杂性设计难题，算法生形需要预先设定好程序，将可能存在的变化及导致这种变化产生的因素用算法进行描述。传统的纸上绘图转变为由严格的数学公式指导进行的理性生成，事物的本质首先被描述，进而被表达出来。复杂建筑问题多有深层次的复杂联系，上述联系可转化为参数关系，以描述建筑设计的逻辑演化过程，一旦建立就可被复制，未来若有类似问题可直接拷贝并进行运算，稍加修改就能适应千变万化的需求。

Grasshopper是可视化编程平台，基于Rhino平台运行，是数字化技术的主流软件之一。相较于其他数字化技术方法，Grasshopper的最大优势体现在2个方面：①输入指令后采用小电池式的工具并利用拟定的程序算法自动生成结果，通过一定的逻辑顺序输入参数后形成可视化模型；②设计师建模时会有大量的重复性操作和批量化修改，此过程耗费较多时间，而Grasshopper仅通过改变输入端的参数便可得出修改后的模型。在建立古桥模型时，运用数字化技术将古桥中的规则、模数等信息置入参数化模型，故将Grasshopper技术运用于古建保护具有一定的开创性。

2 风雨桥数字化生成分析

2.1 特征分析

笔者通过对柳州市三江县程阳八寨的风雨桥进行实地调研，利用全站仪、塔尺、卷尺等测量工具对其进行测量，统计整理测量出的数据，对风雨桥的用料进行严格规定，金柱的柱径作为风雨桥最重要的模数。笔者按照支撑结构系统、柱或桥身系统、梁系统及屋面系统4种结构系统，采用SketchUp制图软件建立每座桥的立体模型。

2.1.1 支撑结构系统

支撑结构采用伸臂梁结构，在桥墩上使用多层原木构成伸臂从而形成大梁，使风雨桥跨度增大。对于跨度较大的风雨桥如普济桥等，采用多级桥墩，桥墩部分采用石料垒砌的六边形柱体，顺流和逆流方向为锐角，起到分水作用，以减轻水流对桥墩的冲击力；对于跨度较小的风雨桥如万寿桥等，不设中间桥墩，在岸边建造石质基坑，再用多层原木构成伸臂梁。

2.1.2 柱或桥身结构

柱系统为整个桥身系统的结构基础，支撑上部梁、屋面系统，桥面为风雨桥的核心功能区域，由出入口空间、桥廊空间、桥亭空间构成，丰富的空间形式使桥面成为多功能的公共场所，风雨桥常建造于较为重要的交通节点，许多当地居民在桥上销售特产或农作物，为交通、商业、宗教仪式等活动提供空间。

2.1.3 梁系统

程阳风雨桥的结构与我国传统穿斗式构架大致相似又略有不同，梁系统主要包括桁、枋、垫板、檩等构件，梁系统建构于柱系统之上，起到支撑屋面系统、串联柱系统的作用，与柱系统共同构成桥身框架，是我国传统木框架建筑的完整体现。

2.1.4 屋面系统

屋面系统为歇山式或悬山式，部分风雨桥还结合侗族鼓楼重檐的特色，三间的三重檐歇山顶层层出挑，富有韵律感。

2.2 参数化模型构建流程

针对典型的风雨桥，通过分析其结构形式，对其进行数字化描述，并将其集成于Grasshopper程序中，对于结构形式相似的古桥可通过修改有关参数后再次生成三维模型。风雨桥的构件参数尽量为能够控制所有构件生形的全局参数，利用最少的参数生成尽量多的目标构件以减少人工操作的步骤，同时降低涉及大量人工操作时不可避免的错误率。在此程序中，用户可根据输入或选择设定好的参数，如模数（柱径）布置、柱网布置、举架设置、步架设置等关键参数，确定风雨桥的基本规模形态，根据程序中设定好的风雨桥建构规则，程序根据用户输入的参数整体协调，最后生成模型（见图1）。

1参数化模型构建流程（图片来源：作者自绘）

3 风雨桥数字化模型建构

3.1 模型生成步骤

古桥的生成逻辑主要包括3个层次，与我国古建大木作相似，分别是柱网层、屋架层和其他构件，其生成逻辑和建造逻辑基本统一。根据面宽和步架推算出柱网位置，以柱网位置为基准点，逐步向上生成铺作层、屋架层。风雨桥形态的生成从柱网开始，柱网的定位由面宽和步架确定，首先建立运算器，储存开间数量和数值，步架宽度则由柱径与相应的系数相乘而得。根据位置不同柱可分为檐柱和金柱，檐柱和金柱的高度可根据举架确定，举架则由步架宽度乘以相应系数而得，檩条数量影响举架高度，古桥为七檩，举架系数为0.5，0.7，0.9，得到柱的高度之后，由柱网平面生成柱径为半径的圆，沿Z轴生成相应的柱高度，最终得到完整的檐柱和金柱。古桥的屋架结构主要由桁和檩两部分组成，桁直接由柱支撑，贯穿于古桥的进深方向，檩则贯穿于古桥的开间方向，两金柱之间放置桁，桁的命名取决于梁上方的檩条数，如有5根檩条时被称为五架桁。檐柱与金柱之间一般用穿插枋固定，当檐柱的穿插枋上置檩条时，穿插枋的长度为2倍步架宽度。金柱之间的梁下方设置随桁枋以稳定结构，梁上方放置瓜柱，最上方支撑屋脊的柱为脊柱，瓜柱上方为支撑桁，桁上放置垫板与檩条，最后确定所有檩条位置。檩条上方则是椽子，其密布于檩条之上，与檩条呈正交。上述所有数据均记录于Grasshopper程序中，修改相应的数据后，模型即时更新。

3.2 技术成果展示

通过对柳州市三江风雨桥进行现场调研测绘并对风雨桥的各个构件关系进行梳理后，编写Grasshopper程序，当所有数据均被记录后，便形成风雨桥的Grasshopper数字化模型，通过此程序可快速生成各种不同类型的风雨桥模型。不同类型风雨桥的长度和开间难以确定，在Grasshopper程序中可根据面宽组件调整开间宽度及开间数量得到不同类型的风雨桥模型，如图2所示。同时，在Grasshopper程序中也可通过改变檐柱高度及步架宽度得到不同类型的风雨桥模型，如图3所示。

2不同开间参数生成的风雨桥模型（图片来源：作者自绘）

3不同檐柱高度及步架宽度生成的风雨桥模型（图片来源：作者自绘）

4 结语

目前，极少有人将Grasshopper数字化技术应用于古建保护及风雨桥构建之中。通过研究发现两者结合通过“以材为祖”的概念原则可建立和分析风雨桥模型信息，相较于传统的三维建模，Grasshopper提高了风雨桥模型信息建立的速度与准确度，并可记录、分析风雨桥模型的多个构件信息，为受损的风雨桥修复提供参数支持，形成一套完整的风雨桥信息的数字化模型，为风雨桥文化遗产的数字化修复提供支撑，弥补目前受损风雨桥修复困难、无从参考等方面的不足。

综上所述，通过Grasshopper数字化技术为柳州三江程阳八寨的风雨桥建立完整的数字化模型，基于“一处更改，处处更新”的思路，提供保护与修复的技术方法，使柳州三江程阳八寨的风雨桥文化遗产有效传承。本文所建立的数字化模型能够被应用于多数受资金限制、无法准确修复的风雨桥中，为未来古桥的保护修复、搬迁重建等提供一定的数据参考，但研究仅对风雨桥建立数据库的文化遗产进行数字化虚拟修复，未在调研后进行实际的古桥修复，且数字化模型无法覆盖到破损严重、缺少史料参考的古桥，故未来需对此进行深入研究。