CN105989217A - 徽派构件的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种徽派构件的参数设计方法，首先确定参数的分类，根据每种构件的类型确定其中层参数；然后通过构件的中层参数和样式确定该构件的属性及尺寸；最后对于外部关联关系较大的构件，通过构件之间的关联关系得到其关联参数，进而得到该类构件的属性及几何尺寸。

Description

徽派构件的参数设计方法

技术领域

本发明涉及徽派建筑构件参数化方法领域，具体是一种徽派构件的参数设计方法。

背景技术

徽派建筑是汉族传统建筑最重要的流派之一，也是徽文化的重要组成部分，历来为中外建筑大师所推崇。徽派建筑作为一种人类重要的历史文化遗产，国内外均重视对其保护工作。随着计算机技术的发展，越来越多的数字化技术运用到徽派建筑的保护当中，如三维激光扫描数字技术，该技术能弥补传统手工测量的缺陷，快速准确地获取第一手数据。然而国内外大多利用数字化信息技术进行型体造型的虚拟仿真，却没有针对徽派建筑设计建模系统。

徽派建筑在建筑外型上可以分为三个主要部分：台基、屋身和屋顶。其中屋身由柱础、柱子、檩、枋、梁、椽、雀替、斜撑、墙等构件构成。屋顶由屋架和屋面构成，而且屋顶形式有很多，常见的有庑殿顶、歇山顶、悬山顶等。屋顶构造包括木基层和面层两部分，木基层包括椽条和望板等构件；面层包括瓦片和马头墙等构件，其中马头墙是徽派建筑的特色构件；马头墙的样式多种多样，如雀尾式。

徽派建筑类似于传统的中国古建筑，构件内和构件间均满足严格的比例关系，这些比例关系使得徽派建筑太复杂以至于不能使用基于形状语法和草图的方法来重建徽派建筑。基于形状语法的方法适用于重建城市高楼大厦，但是用于生成外型丰富多样且有不同屋顶形式的徽派建筑是非常困难的。目前基于草图的方法常常用于重建以有的建筑，然而问题在于使用者不得不了解建筑细节，且结果不能够进行进一步的修改。

徽派建筑在外观上，大多为下矮上高两层的楼房，外用白墙围合，仅开少数漏窗；房屋两端的风火墙基本都为马头墙；外观色调上不用重彩浓色；徽派建筑在内部构成上，构件样式繁多且结构复杂。

目前有很多的方法应用于建筑的重建方面。其中L系统(如文献[1].

Prusinkiewicz P,Lindenmayer A.The algorithmic beauty of plants[M].Springer Science & Business Media,2012、[2].Prusinkiewicz P,James M,MěchR.Synthetic topiary[C]//Proceedings of the 21st annual conference on Computergraphics and interactive techniques.ACM,1994:351-358、[3].Prusinkiewicz P,Hammel M,Mech R,et al.The artificial life of plants[J].Artificial life forgraphics,animation,and virtual reality,1995,7:1-1、[4].Prusinkiewicz P,HammelM,Hanan J,et al.Visual models of plant development[M]//Handbook of formallanguages.Springer Berlin Heidelberg,1997:535-597)在重建植物及街道方面已经取得了令人欣喜的结果。但是许多重构的建筑与分支对象有完全不同的结构。从根本上讲，L系统适用于模拟结构简单的对象。形状语法(Shape Grammar)的基本思想是使用产生式规则代替原先的图形字符串的操作，把建筑物建模的过程转化为一个规则迭代过程和结果的解释过程。形状语法被广泛的应用于建模领域。文献Koning H,Eizenberg J.The languageof the prairie:Frank Lloyd Wright’s prairie houses[J].Environment andPlanning B,1981,8(3):295-323.提出一种基于形状语法规则的方法，使用此方法能够生成不同类型的建筑，但使用此方法需要很多的相关知识。Wonka(文献Wonka P,Wimmer M,Sillion F,et al.Instant architecture[M].ACM,2003.)等基于上述方法提出了分割语法的方法，此方法允许自动推导各种建筑风格，是第一个定义分割命令语法的方法。Müller(文献Müller P,Vereenooghe T,Wonka P,et al.Procedural 3D Reconstruction ofPuuc Buildings in Xkipché[C]//VAST.2006:139-146.)等延伸了分割语法，通过构件的分离，达到减少当前维数范围的目的，并且可以使用此方法创建非常复杂的建筑外壳。但是基于语法方法有两个限制：(a)复杂性和可用性：许多经典建筑不仅具有多样性而且复杂，如徽派建筑。对于这些经典建筑，即使与专业人士合作，也很难创建和修改语法规则。(b)灵活性：基于语法规则的方法不能够处理很多复杂的细节，如徽派建筑的马头墙、斗拱、屋檐、屋顶表面等。近期，基于图像建模(文献的方法已经被提出来用于建筑的重建，此方法能够通过贴纹理来重建模型，但是此方法很难处理建筑的细节且代价昂贵。针对自动生成三维模型，过程建模(文献Watson B,Pascal M,Veryovka O,et al.Procedural urbanmodeling in practice[J].IEEE Computer Graphics and Applications,2008(3):18-26，文献Vanegas C A,Aliaga D G,Wonka P,et al.Modelling the appearance andbehaviour of urban spaces[C]//Computer Graphics Forum.Blackwell PublishingLtd,2010,29(1):25-42.)是一种非常有效的方法。此方法能够满足自动生成模型的要求，提出一种模型的语法解释，但是此方法只对专家用户有用。

根据目前对于具有特色风格的古代建筑建模的研究较少。刘(文献Yong L,CongfuX U,Zhigeng P,et al.Semantic modeling project:building vernacular house ofsoutheast China[C]//Proceedings of the 2004 ACM SIGGRAPH internationalconference on Virtual Reality continuum and its applications in industry.ACM,2004:412-418.)等提出将基本几何基元转化为语义构件，利用递归的形状语法实现了江南民居的快速建模；钱(文献刘晓平,钱晶晶,余烨,等.面向对象模板的特色建筑造型[J].工程图学学报,2010(2).)等提出一种基于面向对象模板的建模方法并且引入了模板思想，基于该思想与OO思想相通的基础上，提出了一种类似于“基模板－结构模板－实例化模板”架构；文献薛峰,张键,陆华峰.基于图的广度遍历的徽派建筑快速建模方法[C]//全国第19届计算机技术与应用(CACIS)学术会议论文集(下册).2008.针对徽派建筑提出了基于图的广度遍历的快速建模方法，通过将徽派民居拆分不同模块，利用约束规则构建建筑的几何属性、风格属性及纹理属性，但遍历算法是在已有建筑拓扑结构的基础上进行，建筑的整体布局及民居的邻接关系需要事先指定，因此生成的结果较为单调。

发明内容

本发明的目的是提供一种徽派构件的参数设计方法，以解决现有技术徽派建筑构件参数化存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

徽派构件的参数设计方法，其特征在于：以徽派构件中台基构件的中层参数作为基本参数，通过基本参数得到每种构件的其他参数，由基本参数及其他参数作为表征徽派构件的参数，包括以下步骤：

(1)、首先将徽派建筑中的参数按照对内对外的结构关系分为布局参数和构件参数两大类，其中布局参数记录徽派建筑中构件的布局信息，构件参数按照徽派建筑结构约束关系可以分为三类，分别为对外强约束参数、对外关联约束对内强约束参数、对外无约束对内强约束参数，其中：

对外强约束参数由外界参数唯一确定，与构件其余参数无关，

对外关联约束对内强约束参数由用户输入的参数推导得到，且该参数满足徽派建筑构件间和构件内严格的比例关系，

对外无约束对内强约束参数为构件底层参数，与外界没有任何联系；

针对构件参数的描述层次进行分类，分为高层参数、中层参数、底层参数、关联参数、布局参数五类，其中：

高层参数描述构件样式，

中层参数从对外关联约束对内强约束的参数中选取，其余构件的中层参数由台基的中层参数推导得到，

底层参数由中层参数按照徽派建筑构件的约束规则及组合比例得到，即对外无约束对内强约束的参数，

关联参数由外界参数唯一确定，即对外强约束的参数，

布局参数与构件的其他参数无关，由外界布局决定，也即对外强约束参数；

(2)、确定中层参数，通过确定徽派建筑构件的层参数，得到该构件的参数信息：

每种构件都有唯一的中层参数与其对应，其中台基的中层参数是提取出来的基本参数，其余构件的中层参数是根据徽派建筑的制造规范及构件之间的关系由台基的中层参数推导得到；每种构件的中层参数用一个四元组V＝(α，τ，δ，γ)表示，其中α是台基的中层参数，τ为构件的类型，δ为徽派建筑房屋的类型，γ为其余构件与台基中层参数的关系，这样每种构件的中层参数可以表示为：

其中T(.)为其余构件的中层参数与台基中层参数之间的比例关系；

(3)、确定底层参数：确定每种构件的属性及其尺寸的前提是求得每种构件的底层参数，底层参数是由该构件的中层参数按照徽派建筑的制造规范总结得到，求得中层参数后，进而可以计算该构件的底层参数，具体步骤如下：

(3.1)、确定构件的高层参数即构件样式，每个构件的样式用JF表示，可以计算出构件的样式值α_{p_style}，如公式(2)：其中

α_{p_style}＝A(J_F) (2)，

其中A(.)是一个映射器，每个J_F有唯一的值与其对应；

(3.2)、确定每种构件的内部约束关系，徽派建筑中，每种构件的属性之间都存在一定的约束关系，在计算构件底层参数时，首先确定每种构件的基本参数β，构件的其余属性由该基本参数通过内部的约束关系得到，内部约束关系用Φ表示，

根据每种构件的中层参数构件的样式值α_{p_style}，通过分析，得到每种样式构件的基本参数β，如公式(3)：

函数C(.)是根据每种构件的样式值，得到每种构件的基本参数与该构件的中层参数比例关系，

通过上述方法计算出每种构件的基本参数后，得到每种样式构件的其余底层参数θ，如公式(4)：

θ＝β·R(Φ) (4)，

函数R(.)为根据内部构件约束关系得到构件其余底层参数与基本参数之间的比例关系；

(4)、确定关联参数：

徽派建筑中还有很多构件的属性通过内部参数无法确定，需要由关联参数唯一确定，要得到该类构件的参数，首先确定构件的中层参数，得到该构件的一些相关参数；其次确定与该构件有相关联的构件信息；然后得到该构件的关联参数，如公式(5)所示：

其中g为构件的关联参数值，ξ为构件之间的关联信息，τ分别为关联的构件，f(.)根据构件的类型及构件之间的关联信息计算出相关的关联参数值。

本发明在对徽派建筑整体框架进行分析、探寻徽派建筑构件样式及构件尺寸的基础上，确定构件尺寸由台基中层参数决定的方案。用户只需要修改台基的中层参数，就可以达到修改构件尺寸的目的，进而影响整栋徽派建筑。

本发明实现了徽派建筑构件的参数化设计。在徽派建筑构件的参数化设计过程中，关键在于基本参数的确定。本发明提出以台基的中层参数作为基本参数，其余构件的中层参数都是由该参数推导得到；得到构件的中层参数后，进而确定构件的尺寸及其位置。使用本发明的方法，用户能够非常方便和快捷的生成不同类型的徽派建筑。针对本发明方法，用户不需要了解很多相关知识，因此不管是专家用户还是普通用户，都能够非常方便的使用本文方法。

具体实施方式

徽派构件的参数设计方法，其特征在于：以徽派构件中台基构件的中层参数作为基本参数，通过基本参数得到每种构件的其他参数，由基本参数及其他参数作为表征徽派构件的参数，包括以下步骤：

(1)、首先将徽派建筑中的参数按照对内对外的结构关系分为布局参数和构件参数两大类，其中布局参数记录徽派建筑中构件的布局信息，构件参数按照徽派建筑结构约束关系可以分为三类，分别为对外强约束参数、对外关联约束对内强约束参数、对外无约束对内强约束参数，其中：

对外强约束参数由外界参数唯一确定，与构件其余参数无关，

对外关联约束对内强约束参数由用户输入的参数推导得到，且该参数满足徽派建筑构件间和构件内严格的比例关系，

对外无约束对内强约束参数为构件底层参数，与外界没有任何联系；

针对构件参数的描述层次进行分类，分为高层参数、中层参数、底层参数、关联参数、布局参数五类，其中：

高层参数描述构件样式，

中层参数从对外关联约束对内强约束的参数中选取，其余构件的中层参数由台基的中层参数推导得到，

底层参数由中层参数按照徽派建筑构件的约束规则及组合比例得到，即对外无约束对内强约束的参数，

关联参数由外界参数唯一确定，即对外强约束的参数，

布局参数与构件的其他参数无关，由外界布局决定，也即对外强约束参数；

(2)、确定中层参数，通过确定徽派建筑构件的层参数，得到该构件的参数信息：

每种构件都有唯一的中层参数与其对应，其中台基的中层参数是提取出来的基本参数，其余构件的中层参数是根据徽派建筑的制造规范及构件之间的关系由台基的中层参数推导得到；每种构件的中层参数用一个四元组V＝(α，τ，δ，γ)表示，其中α是台基的中层参数，τ为构件的类型，δ为徽派建筑房屋的类型，γ为其余构件与台基中层参数的关系，这样每种构件的中层参数可以表示为：

其中T(.)为其余构件的中层参数与台基中层参数之间的比例关系；

(3)、确定底层参数：确定每种构件的属性及其尺寸的前提是求得每种构件的底层参数，底层参数是由该构件的中层参数按照徽派建筑的制造规范总结得到，求得中层参数后，进而可以计算该构件的底层参数，具体步骤如下：

(3.1)、确定构件的高层参数即构件样式，每个构件的样式用JF表示，可以计算出构件的样式值α_{p_style}，如公式(2)：其中

α_{p_style}＝A(J_F) (2)，

其中A(.)是一个映射器，每个J_F有唯一的值与其对应；

(3.2)、确定每种构件的内部约束关系，徽派建筑中，每种构件的属性之间都存在一定的约束关系，在计算构件底层参数时，首先确定每种构件的基本参数β，构件的其余属性由该基本参数通过内部的约束关系得到，内部约束关系用Φ表示，

根据每种构件的中层参数构件的样式值α_{p_style}，通过分析，得到每种样式构件的基本参数β，如公式(3)：

函数C(.)是根据每种构件的样式值，得到每种构件的基本参数与该构件的中层参数比例关系，

通过上述方法计算出每种构件的基本参数后，得到每种样式构件的其余底层参数θ，如公式(4)：

θ＝β·R(Φ) (4)，

函数R(.)为根据内部构件约束关系得到构件其余底层参数与基本参数之间的比例关系；

(4)、确定关联参数：

徽派建筑中还有很多构件的属性通过内部参数无法确定，需要由关联参数唯一确定，要得到该类构件的参数，首先确定构件的中层参数，得到该构件的一些相关参数；其次确定与该构件有相关联的构件信息；然后得到该构件的关联参数，如公式(5)所示：

其中g为构件的关联参数值，ξ为构件之间的关联信息，τ分别为关联的构件，f(.)根据构件的类型及构件之间的关联信息计算出相关的关联参数值。徽派建筑构件的尺寸和比例都是严格按照徽派建筑构建规则制定的，从中不难发现构件的尺寸都是依赖于台基的深度。基于上述条例，在保持建筑多样化的同时，为了得到徽派建筑构件的参数，本发明提出以台基的中层参数作为基本参数。通过这个参数，可以很方便的得到每种构件的参数及其几何尺寸。

Claims (1)

1.徽派构件的参数设计方法，其特征在于：以徽派构件中台基构件的中层参数作为基本参数，通过基本参数得到每种构件的其他参数，由基本参数及其他参数作为表征徽派构件的参数，包括以下步骤：

(1)、首先将徽派建筑中的参数按照对内对外的结构关系分为布局参数和构件参数两大类，其中布局参数记录徽派建筑中构件的布局信息，构件参数按照徽派建筑结构约束关系可以分为三类，分别为对外强约束参数、对外关联约束对内强约束参数、对外无约束对内强约束参数，其中：

对外强约束参数由外界参数唯一确定，与构件其余参数无关，

对外关联约束对内强约束参数由用户输入的参数推导得到，且该参数满足徽派建筑构件间和构件内严格的比例关系，

对外无约束对内强约束参数为构件底层参数，与外界没有任何联系；

针对构件参数的描述层次进行分类，分为高层参数、中层参数、底层参数、关联参数、布局参数五类，其中：

高层参数描述构件样式，

中层参数从对外关联约束对内强约束的参数中选取，其余构件的中层参数由台基的中层参数推导得到，

底层参数由中层参数按照徽派建筑构件的约束规则及组合比例得到，即对外无约束对内强约束的参数，

关联参数由外界参数唯一确定，即对外强约束的参数，

布局参数与构件的其他参数无关，由外界布局决定，也即对外强约束参数；

(2)、确定中层参数，通过确定徽派建筑构件的层参数，得到该构件的参数信息：

每种构件都有唯一的中层参数与其对应，其中台基的中层参数是提取出来的基本参数，其余构件的中层参数是根据徽派建筑的制造规范及构件之间的关系由台基的中层参数推导得到；每种构件的中层参数用一个四元组V＝(α，τ，δ，γ)表示，其中α是台基的中层参数，τ为构件的类型，δ为徽派建筑房屋的类型，γ为其余构件与台基中层参数的关系，这样每种构件的中层参数可以表示为：

其中T(.)为其余构件的中层参数与台基中层参数之间的比例关系；

(3)、确定底层参数：确定每种构件的属性及其尺寸的前提是求得每种构件的底层参数，底层参数是由该构件的中层参数按照徽派建筑的制造规范总结得到，求得中层参数后，进而可以计算该构件的底层参数，具体步骤如下：

(3.1)、确定构件的高层参数即构件样式，每个构件的样式用JF表示，可以计算出构件的样式值α_{p_style}，如公式(2)：其中

α_{p_style}＝A(J_F) (2)，

其中A(.)是一个映射器，每个J_F有唯一的值与其对应；

(3.2)、确定每种构件的内部约束关系，徽派建筑中，每种构件的属性之间都存在一定的约束关系，在计算构件底层参数时，首先确定每种构件的基本参数β，构件的其余属性由该基本参数通过内部的约束关系得到，内部约束关系用Φ表示，

根据每种构件的中层参数构件的样式值α_{p_style}，通过分析，得到每种样式构件的基本参数β，如公式(3)：

函数C(.)是根据每种构件的样式值，得到每种构件的基本参数与该构件的中层参数比例关系，

通过上述方法计算出每种构件的基本参数后，得到每种样式构件的其余底层参数θ，如公式(4)：

θ＝β·R(Φ) (4)，

函数R(.)为根据内部构件约束关系得到构件其余底层参数与基本参数之间的比例关系；

(4)、确定关联参数：

徽派建筑中还有很多构件的属性通过内部参数无法确定，需要由关联参数唯一确定，要得到该类构件的参数，首先确定构件的中层参数，得到该构件的一些相关参数；其次确定与该构件有相关联的构件信息；然后得到该构件的关联参数，如公式(5)所示：

其中g为构件的关联参数值，ξ为构件之间的关联信息，τ分别为关联的构件，f(.)根据构件的类型及构件之间的关联信息计算出相关的关联参数值。