三維設計、虛擬現實與建筑設計新平臺的構想

杜慧敏

摘 要：隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，設計領域爆發了一次又一次技術革命，設計速度及精準程度都在翻倍地提高。三維設計與虛擬現實的完美結合，將為相關的上下游領域開拓無限的發展空間。

關鍵詞：設計工廠化 虛擬現實 三維設計 工程項目一體化

一、關于三維設計

1. 三維設計的意義與作用

三維CAD系統中的工程圖設計與一般二維設計系統不完全相同，三維CAD系統中的工程圖設計可以直接由三維模型投影而成，從而保證各個視圖的正確性，使用者只需要對視圖中個別線條進行調整，并標注工程符號，即可滿足工程圖紙的要求。

三維模型設計中包括了產品完整的幾何結構，還可以從三維模型中產生其他各種視圖，除基本標準的三視圖外，還可生成軸測圖、向視圖、各種剖視圖、局部視圖等。由于三維CAD系統中三維/二維的全相關性，那么在不同的設計環境中，模型都是相互關聯的，可以在三維、二維或其他設計環境中直接修改模型的結構和尺寸，其他的模型可以自動更新。三維/二維的全相關可以保證設計的修改在三維與二維模型中保持一致。

2. 如何認識和理解真正意義的CAD

利用計算機及有關應用軟件， 完成傳統意義上的二維繪圖設計，人們稱其為甩圖板。由于現階段仍以二維工程圖作為主要技術文件，用以指導生產且在一定程度上可以提高設計效率，因此，通常稱其為CAD。在得到一定的普及之后，可以發覺，二維繪圖在許多情況下，不能完全表述其設計意圖，難于完全表現出思維中零部件的材料、形狀、尺寸、相關聯零件等三維實體。由于以前手段的限制，人們不得不通過若干個二維圖來描述一個必須不斷修正和完善，才三維設想，而它的不唯一和完整性，能表達清楚。

現在人們能夠在軟件的支持下，直接由思維中的三維模型開始設計，有了表達全部幾何參數和設計構想的可能，使得整體設計過程能夠在三維模型中分析與研究，并能使用統一的數據 ，因而能夠更好地完善其設計思想，從而使設計方案理想化。

應用統一的數據進行三維實體設計，并以此為基礎對整體設計或部件進行有限元分析、運動分析、裝配的干涉檢查、機構仿真、NC程序的自動編制、準確的二維工程圖生成以及外形質感、顏色或動畫外觀效果的渲染。完成對全部設計過程的真正有效輔助的，成為有明確的技術效果和顯著經濟效益的CAD

3. 全參數化驅動三維模型應用的必要性與可能性

所謂設計模型的建立，亦即設計數據庫的填充過程。而建立數據庫的目的，是在以后的設計裝配中引用和修改。其中的某些數據，最終完成整個設計。因此不能進行參數驅動的三維模型，在設計中幾乎沒多少用途。

參數化驅動，包含對于新設計的零件，引用的標準件和借用件以及其他外部組件，當然也包含了對各個零部件之間的裝配關系、位置關系乃至運動關系等等。在機械設計中，設計模型，就是各種機械零件的實際模型。所有的模型均可以分解成有限品種的構成特征，而每一種構成特征，又可以用有限的參數完全約束，即參數化。因而，現在的產品設計中， 全部可以用參數化的三維模型來表述。

三維CAD系統中，用參數化約束所設計零、部件的尺寸關系；進而使得所設計的產品更易變更和修改，管理起來也較二維設計方便可行。 在裝配設計中除了在定義零部件之間的關系時需要采用參數化、變量化設計以外，為了更好地表述設計者的構想意圖，也需要參數化和變量化技術來建立裝配體中各個零部件之間的特征形狀和尺寸之間的關系，使得當其中某個零部件的形狀和尺寸發生變化時，其他相關零部件的結構與尺寸也隨之改變。支持在裝配環境下設計新零件的系統，可以以已有零件的形狀作為參考，建立新零件與已有零件之間的形狀關聯。當參考零件的形狀和尺寸發生變化時，新零件的結構與尺寸也隨之跟著變動。還可以利用參數化建立裝配體中不同零部件之間的尺寸關聯，定義驅動尺寸和參考尺寸。對于與有陣列分布的特征進行裝配的情況，如螺栓與陳列分布的孔進行裝配，則應能夠自動完成其他螺栓與孔之間的裝配設計。

4. 三維模型在工程分析與NC編程中的應用

三維CAD系統中，由于使用了統一的數據庫，在設計的過程中均可對其中的一部分或全部設計，針對將要應用的工作環境及技術要求，進行應力/應變、結構強度、熱力場等一系列的有限元分析計算，當然必須建立在一系列的試驗基礎之上。通過分析，反過來不斷修改、完善設計思想，使之達到統一的完滿。例如，鋼結構設計，通過采用優化設計，即可節約大量的鋼材和型材。

二維的CAD系統中，由于無法建立可用于工程分析的實體模型，對設計中的結構強度及熱力場分布等計算，只能依賴于書本中的有關計算公式，且計算量和勞動強度均很大。如若設計修改，一切數據都需要重新計算。以致設計出“傻、大、黑、粗”的產品，既無技術效果可言，又無經濟效益可談。

三維CAD系統中，可藉助于三維實體模型及完整的造型結構，齊全的尺寸和幾何約束，充分的可以參數驅動的數據，以便完成設計的修改和調整，零部件的裝配、力學分析、運動分析、模擬仿真、數控加工等CAD設計過程。針對零件未來制造和使用過程的概要表達，加工方法要求、熱處理要求、工件材質、加工測量、加工定位基準的選定及其他一些必須的工藝要求，利用系統的自動編程和后處理功能，實現NC自動化編程。再通過必要的模擬仿真，達到可以直接應用和指導生產。而二維CAD系統將無法完成上述工作，且人工編程易于受各種不確定因素的干擾，所編NC程序， 工作效率也難以達到要求 。

由于不同種類專業的設計習慣、規則、經驗、試驗方法都不一樣，使三維CAD的推廣應用在一定程度上遇到一些困難。這就要求在選擇三維CAD軟件時必須充分論證， 選擇適合自己專業類別的軟件應用，以達到事半功倍的效果。

三維CAD系統是技術創新和產品設計的有效輔助工具，也是產品設計的最終出路，這是無法回避的。如果再集成有有限元分析軟件，將更加顯著地提高設計質量和效果。對于大幅度替代或減少試制各個設計部門的協調、配合、設計數據的管理和使用，具有更大的實際意義。早日使用三維設計，就會及早取得經濟和技術效益，因為它是CAD應用發展的必然趨勢。

二、關于虛擬現實

虛擬現實（Virtual Reality）是近年興起的一種計算機仿真系統，是一種先進的人機交互技術，它可以將意念中的事物以逼真的虛擬環境表現出來，讓使用者在視覺上產生一種沉浸于“真實環境”的感覺，使用戶有強烈的參與感。它不同于三維動畫，因為三維動畫只能展示預先設定的觀察路徑無法改變，只能播放觀看，無互動功能，而虛擬現實則讓人身臨其境地隨意走動在虛擬空間，不受時間限制地自主漫游，感受到運動帶來的場景變化。

這種技術目前大量地應用于電子游戲及廣告業，給商家帶來了可觀的經濟效益，同時也應用于城市規劃及房地產項目的策劃及演示領域，應用于建筑施工圖設計的到目前還沒有。

其實這種技術遠沒有發揮其應有的作用的建筑施工圖設計也需要這種技術。現在建筑師們最常用的軟件不過完全是平面設計，而效果圖的三維建模也僅僅是提高表現力而已若要表現室內則需化室內效果圖，而且這些資料僅僅用于方案展示及本專業的立面設計及室內裝修設計。對本專業的技術設計及其他相關專業沒有任何意義。而如果將虛擬現實作為建筑設計的前期工作，其意義將是非凡的。

三、關于三維設計與虛擬現實的復合體

首先由建筑是在虛擬的空間內作出其虛擬的建筑，這個建筑不是通過平立剖面表現出來的建筑，而是用模擬建筑材料搭建真實的建筑仿真實體。其場景特性可反應擬建場地的自然狀態，其建筑材料帶有所選用建材特性可通過既定的屬性反映出來。

這個模型搭建完成以后，就可以把它作為建筑專業的一次資料形成了一個共享空間，或者干脆稱其為設計工廠；其他專業就可以開展工作。就好像一個工地。各個工種在不同的層面可以干各自工作。例如：結構專業可以在這個空間布置結構件。如梁板柱墻等構件并可通過特定的接口，與相應的結構分析程序對接，把此模型作為計算的原始輸入，開展計算分析，省去了輸入數據這一過程；計算的分析成果不再是通過數據文件進行抽象的提示，而是通過仿真的實體圖象具體地表現出來，比如某根混凝土梁裂縫超出規范限制，那末計算機通過特定的設置，就讓虛擬空間的這根梁出現裂縫，某根鋼柱長細比過大，將顯示鋼柱為屈曲狀態，并提示結構工程師修改梁柱的斷面重新分析計算，直至構件設置合理為止，最后把結果存入共享虛擬建筑的相應層面。

在各專業在各自層面上工作時是互不干擾。但卻是相互可視的。這樣各種管線的布置是否交叉碰撞在此虛擬空間內都一目了然。整個設計過程類似于未來建筑施工的一次預演，即提高了效率，又提高設計質量。

這樣對審查單位來說.所面對的設計成品不再是一本本的藍圖，而是設計人員建造的虛擬的現實建筑的只讀文件，某個工程的所有信息都包含在磁盤上，磁盤上的文件不經授權是不能修改的。不同的專業審查人員可以進入這個虛擬現實中審核其所關心的問題。例如一個結構審圖人員可以在此空間內用鼠標右鍵點擊一根混凝土柱，屏幕出現下拉菜單，顯示這根柱的屬性諸如截面大小、混凝土標號、配筋數量等信息，如需要尚可顯示相關的計算書內容，因此審圖過程就像以次工程驗收，

交付給施工單位的將是一張附帶有設計人資質及各種行政許可證明的磁盤，土建施工方可以從中提取土建材料數量，鋼筋加工方可以提取鋼筋加工訂貨單，鋼結構加工方可以直接提取轉化鋼結構制作詳圖，設備訂貨方可以用專用的軟件從中提取設備清單；經濟專業可以提取各工種工程清單，報出工程造價。

工程施工方可以籍此模型制定安裝施工方案，且可以在虛擬空間內進行吊裝方案的模擬演示。

建設方、監理可以模擬現實施工場景，控制施工進度和施工質量。

以上都是一些不成熟的設想，它對計算機性能的要求是很高的，但對于計算機技術日新月異發展的今天，這個障礙是完全可以克服的，現以新產品名為X1超級計算機，其計算速度超過了每秒52萬億次數，即達到了每秒60兆次浮點計算（teraflops）的水平。

現在缺少的只是一個組織者，用各種模塊搭建這樣一個建筑設計的超級平臺，或者雖然這是一項浩大的工程，但卻是極有意義的：一旦這樣平臺搭建成功，將改變現有的建筑設計模式，極大地提高設計效率及準確程度；對設計的延伸部分，對施工行業等都將將產生極其深遠的的影響。

五、結論及建議

從完全的人工設計到CAD設計；從平面設計到三維設計，計算機給工程設計帶來的效率及效益正日漸充分地發揮出來；總的趨勢來看工程項目的數據描述將趨向于簡單、準確、具象；從分析過程來看將趨向于高效、全面及深入；從成果上看將趨向于簡便、明了、易于處理及可延伸性提高，其結果必然是三維設計與虛擬現實的有機結合體-虛擬的項目實體。

這將是工程設計一個全新的領域，需求是迫切的，條件是成熟的。該成果雖然不是唾手可得，但也絕不是高不可攀。建議有實力的軟件開發人展開充分合作，發揮各自優勢，共同搭建這一平臺，工程項目一體化的夢想并不遙遠。

參考文獻：

[1]2004-12-20 中國用戶論文集 張偉