淺析三維技術(shù)在建筑設(shè)計中重要作用

陳麗君 郭星光

【摘要】仿真技術(shù)在建筑設(shè)計中應(yīng)用廣泛，并漸漸形成了一門交叉科學(xué)，成為一種認(rèn)識世界的客觀方法。建筑工程施工指的是將圖紙中的建筑設(shè)計變?yōu)檠矍皩崉?wù)。而三維技術(shù)的運用，使得這個過程變得更為客觀。

【關(guān)鍵詞】三維技術(shù)；建筑設(shè)計

引言

依靠施工經(jīng)驗對施工進(jìn)行控制和優(yōu)化，具有一定的局限性。 特別是在全新結(jié)構(gòu)或復(fù)雜條件下的施工，依靠經(jīng)驗對工程施工的可行性、控制優(yōu)化、事故預(yù)測和生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化等各方面的分析和預(yù)測，可能會由于思維慣性而忽略重要結(jié)果或由于力不從心只能分析局部和少量結(jié)果，更無法開展定量分析。依靠三維仿真技術(shù)這一高效節(jié)省的試驗方法，能夠跟蹤施工過程的各環(huán)節(jié)，對施工生產(chǎn)全過程進(jìn)行試驗，驗證優(yōu)化施工技術(shù)和施工組織。

1.三維仿真技術(shù)

1.1三維仿真技術(shù)

三維仿真技術(shù)或稱虛擬仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是指以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，運用計算機(jī)技術(shù)生成的一個逼真的、具有多種感知 的虛擬環(huán)境，用戶可以通過其自然技能使用各種傳感設(shè)備同虛擬環(huán)境中的實體相互作用的一 種技術(shù)。簡單的說，三維仿真技術(shù)是對系統(tǒng)模型的一種試驗技術(shù)，其實質(zhì)也就是進(jìn)行建模和 實驗。

1.2三維仿真的特點及特征

具有沉浸性、交互性、多感知性和構(gòu)想性等特點；以及學(xué)科的高度綜合化、 人的臨場化、系統(tǒng)或環(huán)境的大規(guī)模集成化、數(shù)據(jù)表示的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化等特征。 目的是使操作者對所需解決的問題有一個清晰和直觀的認(rèn)識，從而也使模型的建立和驗證更加方便。

1.3三維仿真技術(shù)在發(fā)展過程中碰到的四大問題

三維仿真技術(shù)在發(fā)展過程中碰到的四大問題：設(shè)備的“貴族化” 繁瑣的三維建模；數(shù)據(jù)量大；以假亂真的存在技術(shù)等；三維仿真技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)以及研究內(nèi)容，如環(huán)境建模技術(shù)；立體聲合成和立體顯示技術(shù)；觸覺反饋技術(shù)；交互技術(shù)；系統(tǒng)集成技術(shù)等。

1.4 系統(tǒng)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合觀念上

哲學(xué)意義上：系統(tǒng)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)使人們進(jìn)一步認(rèn)識“虛”和“實”之間的關(guān)系。系統(tǒng)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合觀念上：傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術(shù)很少研究人對感知模型的仿真，因而無法模擬人對外界環(huán)境的感 知。隨著多媒體、計算機(jī)動畫、傳感技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)模擬外界環(huán)境對人的感官刺激開始 成為可能。事實證明，人類對于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。 將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合， 利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行仿真模型。

2.三維技術(shù)在建筑設(shè)計中重要作用

2.1在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

當(dāng)結(jié)構(gòu)形式特殊，荷載及材料特性復(fù)雜時，人們往往求助于模型試驗來測定其受力性能，但模型試驗往往受到場地和設(shè)備的限制，只能做小比例模型試驗， 難以完全反映結(jié)構(gòu)的實際情況。用仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，則可以進(jìn)行足尺寸的試驗，還可以很方便地修改參數(shù)。此外，有些結(jié)構(gòu)難于進(jìn)行直接試驗，用計算機(jī)模擬仿真就更能體現(xiàn)出優(yōu)越性。在運用傳統(tǒng)的有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的結(jié)果通常采用內(nèi)力圖等力線的形式 描繪出來；而利用仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可以通過顏色的深淺給出三維物體中各點力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點去觀察，這樣就使工程師的思維更加形象化，概念也更易于理解。

2.2 在模擬施工過程中的應(yīng)用

建筑施工是復(fù)雜而又大型的動態(tài)系統(tǒng)，它通常包括立模、 架設(shè)鋼筋、 澆注、 振搗、拆模、養(yǎng)護(hù)等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關(guān)系復(fù)雜，直接影響著混凝土澆筑的進(jìn)程?，F(xiàn)有的模擬只是對進(jìn)度計劃起到了一定作用，并沒有對施工過程起到真正的作用，而對施工過程建立合適的模型，才能通過仿真手段去發(fā)現(xiàn)實際施工中存在的問題或可能出現(xiàn)的問題。另外，仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域內(nèi)，還可應(yīng)用在建筑系統(tǒng)工程管理、建筑信息管理、建筑物及構(gòu)筑物的空氣流場、空氣品質(zhì)分析等方面。

2.3在安全工程和土木工程中的應(yīng)用

對于安全工程中的培訓(xùn)、指揮、產(chǎn)品性能設(shè)計以及事故救災(zāi)指揮等方面都可以運用虛擬 現(xiàn)實系統(tǒng)真實再現(xiàn)客觀環(huán)境，已達(dá)到科學(xué)研究成果真實化再現(xiàn)。由于土木工程中常用比較抽象的圖形和精練的語言來描述復(fù)雜的場景，以傳遞大量的信息，但這種信息處理與傳遞方式受到信息接受者所從事的職業(yè)、知識結(jié)構(gòu)及理解能力的影響，交流起來非常困難，但三維仿真技術(shù)的發(fā)展為我們克服這些困難，提供了極其有效的手段。

2.4在巖土工程和防災(zāi)工程中的應(yīng)用

巖土工程處于地下，往往難于直接觀察，而仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可把內(nèi)部過程展現(xiàn)出來，以確定巖體本身的力學(xué)性能及巖體夾層界面的力學(xué)特性、強(qiáng)度條件，并存入計算機(jī)中，具有很大實用價值。由于自然災(zāi)害的原型重復(fù)實驗幾乎是不可能的，因而仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用就更有意義，其能針對抗災(zāi)、防災(zāi)進(jìn)行模擬仿真，這樣對防洪規(guī)劃以及遭遇洪水時指導(dǎo)人員疏散是很有作用的。又如在火災(zāi)方面，對森林火災(zāi)的蔓延、建筑物中火災(zāi)的傳播也起到了很好的指導(dǎo)作用。

2.5在工程項目招標(biāo)投標(biāo)中的應(yīng)用

在有限的時間內(nèi)，如何使業(yè)主和評標(biāo)的專家很好地了解招投標(biāo)文件的編制和被認(rèn)可的程度直接關(guān)系到承包商有沒有中標(biāo)的機(jī)會。尤其是大型工程、國家重點工程和國際工程的招標(biāo)投標(biāo)，往往在項目企劃階段就已經(jīng)開始這方面的運作。借助虛擬仿真系統(tǒng)，把不能預(yù)演的施工過程和方法表現(xiàn)出來，不僅節(jié)省了時間和建設(shè)投資，而且不用項目經(jīng)理的現(xiàn)場答辯，方案的優(yōu)劣就一目了然。這無疑大大增加了承包商中標(biāo)的幾率。

3. 三維數(shù)字化技術(shù)在建筑設(shè)計全過程中質(zhì)量管控的應(yīng)用

3.1土建及機(jī)電專業(yè)建模

土建專業(yè)建模建筑專業(yè)使用 Revit Architecture 軟件進(jìn)行建模，根據(jù)工程項目的需要，建模的精細(xì)度要求不同。如果只是要求完成質(zhì)量控制而非施工圖深度的話，建筑專業(yè)只需完成內(nèi)外墻、門窗、玻璃幕墻、電梯、扶梯、樓梯及吊頂?shù)饶Ｐ蜆?gòu)件。如果建模模型有多個設(shè)計人員共同完成的，可采用工作集或者鏈接的方法，進(jìn)行專業(yè)內(nèi)協(xié)同設(shè)計。

3.2碰撞檢測及報告生成

各專業(yè)完成初步建模后，使用 Navisworks 軟件進(jìn)行專業(yè)間的碰撞檢測，并提供檢測報告及修改意見，專業(yè)間碰撞檢測主要包括土建專業(yè)之間、土建專業(yè)與機(jī)電專業(yè)之間、機(jī)電專業(yè)之間。設(shè)計人員根據(jù)碰撞檢測報告及修改意見，重新優(yōu)化設(shè)計，然后再次進(jìn)行碰撞檢測。如此循環(huán)，直至解決所有的硬碰撞，軟碰撞剩下可接受的范圍。

結(jié)論

三維仿真技術(shù)已成為人類探索客觀世界規(guī)律的三大手段之一。它在建筑工程管理的每個專業(yè)中都有著廣闊的應(yīng)用前景，也是實現(xiàn)信息化、智能化、空間可視化、全生命周期的工程管理有效途徑。但就目前的三維仿真技術(shù)來說還存在一定缺陷，所以還需在以下方面作出進(jìn)一步的完善：（1）系統(tǒng)的通用性：由于三維仿真技術(shù)普及性較差，目前只對單個工程有效，還不具備在 建筑業(yè)廣泛推廣應(yīng)用的條件；（2）周期和經(jīng)濟(jì)性：將建筑業(yè)的二維設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)化為仿真系統(tǒng)所需要的三維模型用時較長，使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可推廣性降低；（3）外觀和吊裝仿真使用的三維仿真技術(shù)與內(nèi)力計算使用的數(shù)值模擬技術(shù)還不能形成一套 完整的體系，增加了數(shù)據(jù)的重復(fù)處理，降低了系統(tǒng)運行的可靠度。

參考文獻(xiàn)

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