三維模型在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

代榮杰 董 瑋

(1.北京住總市政工程有限責(zé)任公司，北京 100027;2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

1 前言

工程設(shè)計(jì)自80年代后期開(kāi)始推廣CAD應(yīng)用，目前全行業(yè)CAD出圖率基本達(dá)到了100%，不僅徹底把工程設(shè)計(jì)人員從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖中解放出來(lái)，使他們能夠把更多的時(shí)間和精力放在方案優(yōu)化、改進(jìn)和復(fù)核上，而且提高設(shè)計(jì)效率十幾到幾十倍，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。但是，國(guó)內(nèi)很多設(shè)計(jì)院三維軟件應(yīng)用很不成功，在考察軟件階段過(guò)分看重軟件的出圖能力，而不是軟件的綜合設(shè)計(jì)能力，只注重滿足單個(gè)專業(yè)的出圖速度，而不注重協(xié)同能力和整體效率，領(lǐng)導(dǎo)在分配設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)所給的時(shí)間，是只夠完成制圖任務(wù)的時(shí)間，管理制度和專業(yè)之間的配合方式還停留在以制圖為核心的舊模式。這樣，就嚴(yán)重阻礙了現(xiàn)在建筑企業(yè)的信息化管理的發(fā)展。同時(shí)，衡量三維協(xié)同設(shè)計(jì)的方法有問(wèn)題，總是用二維制圖軟件的制圖速度去比較三維設(shè)計(jì)的速度，使用軟件的員工以快速完成圖紙材料表來(lái)評(píng)判三維軟件，設(shè)計(jì)人員不愿意幫助下游專業(yè)也不奢望上游專業(yè)的幫助，管理者給與采用三維設(shè)計(jì)的員工的薪酬與制圖沒(méi)有差別。這樣，就使得三維軟件得不到廣泛的應(yīng)用。

2 建筑三維模型設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)共享

三維模型的三維，不僅僅是感官上的三維，還要記錄其中的數(shù)據(jù)，建筑設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)可傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)、節(jié)能審核及概預(yù)算部分，這樣可極大地簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的輸入。建筑軸網(wǎng)、軸線及柱、墻、門窗等構(gòu)件布置，可形成結(jié)構(gòu)布置的各層構(gòu)架，而建筑設(shè)計(jì)所提供的材料、作法、填充墻等信息，又可生成結(jié)構(gòu)分析所需的荷載信息。同時(shí)，建筑設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)還可傳送到設(shè)備設(shè)計(jì)部分，用于生成條件圖和進(jìn)行各種設(shè)備的計(jì)算。概預(yù)算工程量統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)也可從建筑模型中讀取。這樣極大地方便了設(shè)計(jì)單位各個(gè)專業(yè)部門的密切配合。

2.2 由三維模型生成施工圖

為了在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中溝通設(shè)計(jì)意圖，建筑師必須既要做模型，又要出圖紙，過(guò)去，這兩種截然不同形式的溝通工具是必要的，相互可以彌補(bǔ)不足，近來(lái)隨著數(shù)字模型和計(jì)算機(jī)繪圖的發(fā)展，二者的界線逐漸模糊了。而三維模型建成以后，可以智能化生成建筑平、立、剖面和大樣施工圖，并完成自動(dòng)標(biāo)注，同時(shí)還要有靈活的編輯功能使設(shè)計(jì)人員能方便的修改字型和標(biāo)注方向。特別是在反復(fù)修改建筑模型的情況下，其相關(guān)標(biāo)注將隨建筑模型自動(dòng)同步修改，使建筑設(shè)計(jì)師省去了大量的工作。

2.3 三維效果，實(shí)時(shí)漫游

動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)漫游使設(shè)計(jì)人員可以即時(shí)看到具有光照效果的三維建筑模型。前后遮擋關(guān)系及光照與陰影部分的明暗對(duì)比，這種三維瀏覽方式能夠更清晰地表現(xiàn)出建筑模型的真實(shí)效果，有身臨其境的感覺(jué)。通過(guò)使用軟件提供的動(dòng)態(tài)移動(dòng)功能，用戶只用鼠標(biāo)就可以控制前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、旋轉(zhuǎn)、平移、原地觀望、視角縮放等復(fù)雜動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)真正意義上的漫游。

圖1 建筑模型及其轉(zhuǎn)到結(jié)構(gòu)以后的結(jié)構(gòu)模型

2.4 渲染出效果圖

根據(jù)三維模型直接完成真實(shí)建筑色彩、材質(zhì)及光照效果的渲染圖像制作，使人能夠與生成的虛擬時(shí)間實(shí)時(shí)交互，三維模型的優(yōu)點(diǎn)在于隨時(shí)可以更換角度觀察，更換背景進(jìn)行渲染，突破了現(xiàn)實(shí)條件的客觀限制，感受到真實(shí)世界無(wú)法親身經(jīng)歷的體驗(yàn)。讓虛擬技術(shù)在建筑領(lǐng)域得到充分發(fā)揮。

2.5 三維動(dòng)畫及其消隱

三維建筑建立以后，還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的制作，這樣可以隨時(shí)在有播放軟件的地方播放模擬出來(lái)的場(chǎng)景。軟件應(yīng)該根據(jù)三維模型，快速消隱建筑模型，可以顯示由二維線條組成的線框造型圖，并可任意編輯修改或打印輸出。

2.6 鳥瞰圖和日照分析

三維模型建立完以后，可以多個(gè)工程拼裝成一個(gè)小區(qū)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)的鳥瞰，遮擋關(guān)系一目了然，從而從全局把握規(guī)劃設(shè)計(jì)。有了三維模型，可以精確進(jìn)行某一個(gè)地方的日照分析，把平面等時(shí)線等繪制出來(lái)，這也是虛擬現(xiàn)實(shí)的另外一個(gè)好的表現(xiàn)。

圖7 日照分析生成的平面等時(shí)線

因?yàn)樗袛?shù)據(jù)均已存儲(chǔ)記錄，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行各種分析和統(tǒng)計(jì)功能，包括房間建筑面積和使用面積、各層和全樓門窗表的統(tǒng)計(jì)等等。

中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部研發(fā)的PKPN系列軟件就具有以上這些功能，其中的三維建筑設(shè)計(jì)軟件，是專門針對(duì)建筑設(shè)計(jì)專業(yè)的三維CAD輔助設(shè)計(jì)軟件，以上截圖均是這個(gè)軟件提供。

3 發(fā)展前景

BIM(Building Information Model)——建筑信息模型，為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來(lái)了從二維圖紙到三維設(shè)計(jì)和建造的革命。同時(shí)，對(duì)于整個(gè)建筑行業(yè)來(lái)說(shuō)，建筑信息模型(BIM)也是一次真正的信息革命。所謂建筑信息模型(BIM)，是指通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，在這里，信息的內(nèi)涵不僅僅是幾何形狀描述的視覺(jué)信息，還包含大量的非幾何信息，如材料的耐火等級(jí)、材料的傳熱系數(shù)、構(gòu)件的造價(jià)、采購(gòu)信息等。實(shí)際上，BIM就是通過(guò)數(shù)字化技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中建立一座虛擬建筑，一個(gè)建筑信息模型就是提供了一個(gè)單一的、完整一致的、邏輯的建筑信息庫(kù)。

三維模型以及虛擬現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)受到世界各國(guó)的重視，相信以后在建筑領(lǐng)域，三維軟件要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比制圖應(yīng)用更多，作用更大。直觀的三維模型，幫助所有參與者正確理解設(shè)計(jì)意圖，通過(guò)三維完成整個(gè)項(xiàng)目的匯總，使設(shè)計(jì)方案更為合理，提前檢查出碰撞，盡早協(xié)調(diào)，避免專業(yè)配合中的錯(cuò)誤 能從模型中提取精確的材料和設(shè)備清單，預(yù)算更精確——量、價(jià)、形結(jié)合，能夠?yàn)榱W(xué)計(jì)算和節(jié)能計(jì)算提供更為科學(xué)的數(shù)學(xué)模型。

[1]APM三維建筑設(shè)計(jì)軟件說(shuō)明書，2008-5.

[2]趙紅紅，李建成.信息化建筑設(shè)計(jì)2005-10.

[3]王廷熙.BIM——建筑業(yè)的信息革命[N].中華建筑報(bào)，2008-11-24.