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