電腦三維輔助設(shè)計的運(yùn)用及發(fā)展前景

蔣 欣

（重慶市設(shè)計院，重慶400015）

電腦三維輔助設(shè)計的運(yùn)用及發(fā)展前景

蔣 欣

（重慶市設(shè)計院，重慶400015）

隨著建筑設(shè)計由二維平面表達(dá)向三維空間呈現(xiàn)設(shè)計成果的轉(zhuǎn)變，建筑設(shè)計過程及其表達(dá)方式發(fā)生著巨大改變。電腦三維輔助設(shè)計將伴隨著設(shè)計表達(dá)方式的不斷變化，深入建筑行業(yè)的各個專業(yè)，并輔助設(shè)計師創(chuàng)造出更豐富的建筑作品。

建筑設(shè)計；表達(dá)形式；電腦三維輔助設(shè)計；設(shè)計方法；設(shè)計過程

伴隨著建筑表達(dá)形式的不斷發(fā)展，電腦三維輔助設(shè)計逐漸成為建筑設(shè)計從業(yè)者必須掌握的基本技能之一，極大地提高了設(shè)計師的工作效率，豐富了設(shè)計成果，推動著設(shè)計方式的進(jìn)一步發(fā)展和轉(zhuǎn)變。同時，三維輔助設(shè)計軟件及設(shè)計形式的研發(fā)也在不斷更新?lián)Q代，使得電腦三維輔助設(shè)計在建筑設(shè)計領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用及發(fā)展前景。

1 建筑設(shè)計的基本表達(dá)方式

建筑設(shè)計是一個從無到有的過程，即通過大腦的思維，將個人存在于腦中抽象的概念，一步一步具體地分析，并通過媒介進(jìn)行表達(dá)而成為具象。其中平面圖、立面圖、剖面圖、透視圖等表現(xiàn)媒介，是建筑師從事設(shè)計工作所必須掌握的表達(dá)方式，也是我們最為熟悉的傳統(tǒng)的基本表達(dá)方式。無論是草圖、初稿或者是精密完稿的正圖，其目的都是為了促進(jìn)設(shè)計思維的改進(jìn)、縮短想象與真實(shí)景象間的差距而做的必要表達(dá)，但這樣的表達(dá)方式畢竟停留在二維平面上，非專業(yè)人士在理解上有一定難度（圖1）。于是，實(shí)體模型的制作應(yīng)運(yùn)而生，它跨越了二維設(shè)計的限制，較為直觀地表現(xiàn)了所設(shè)計的建筑作品，使建筑設(shè)計由二維平面設(shè)計變?yōu)槿S立體空間設(shè)計。這是我們最為熟悉的、最早就運(yùn)用的三維設(shè)計手法，早在文藝復(fù)興時期就已有大量制作并應(yīng)用于設(shè)計過程之中。伯魯乃列斯基在佛羅倫薩大教堂的設(shè)計競賽中，就動手制作了木質(zhì)模型，一方面通過模型進(jìn)行造型及結(jié)構(gòu)的推敲，另一方面也可將設(shè)計立體地呈現(xiàn)給業(yè)主，使他們進(jìn)一步了解設(shè)計者的想法。

圖1 安藤忠雄光的教堂設(shè)計草圖

即使如此，二維平面的透視圖或?qū)嶓w模型與建筑真實(shí)景象仍有較大的差距。例如我們畫透視時，希望以實(shí)際的視覺效果來驗(yàn)證設(shè)計的結(jié)果是否合適，但透視圖的表達(dá)重點(diǎn)通常為建筑的整體效果，常常忽略建筑物材質(zhì)和色彩的真實(shí)性，簡化建筑細(xì)部構(gòu)造，而且對建筑物所處的環(huán)境也時常過分修飾甚至美化，這都使得我們的感受力和想象力嚴(yán)重曲解，直到看見建造完成的實(shí)物才發(fā)現(xiàn)與設(shè)計有所差別。實(shí)體模型也有類似的問題，雖然模型比透視圖更能感受建筑內(nèi)外的空間，但對材質(zhì)與顏色的淡化以及建筑整體氛圍效果的弱化，都使得實(shí)體模型的效果打了折扣，即使利用相同的材質(zhì)、顏色、光源來制作模型，但由于模型實(shí)際的尺度感以及方位視角的不同，使得模型雖然有趣但不夠真實(shí)（圖2）。

圖2 某小區(qū)別墅建筑實(shí)體模型

2 電腦三維輔助設(shè)計的運(yùn)用

隨著20世紀(jì)少數(shù)建筑師極富創(chuàng)造力地打破原有建筑的類似性及固有形式，建筑造型越來越復(fù)雜、抽象，而二維圖形與實(shí)體模型的空間表現(xiàn)能力和掌控能力有限，因此需要有更先進(jìn)的手段進(jìn)行三維模擬設(shè)計。例如西班牙的高迪，他的建筑所呈現(xiàn)出的雕塑感及變化豐富的內(nèi)部空間，使得圖面的表達(dá)較難達(dá)到理想效果。而在此時，電腦三維輔助設(shè)計的出現(xiàn)及運(yùn)用，使設(shè)計的過程以及設(shè)計的表現(xiàn)方式都發(fā)生了巨大的改變。電腦三維模型極大地增強(qiáng)了建筑材質(zhì)與光源模擬的真實(shí)性，賦予建筑更加真實(shí)的空間感，彌補(bǔ)了實(shí)體模型的不足。在電腦系統(tǒng)中制作一個電腦模型之后，除了可以立刻改變視角，獲得不同角度的透視圖供設(shè)計探討外，也可以將模型的各個部分適當(dāng)?shù)胤纸?，呈現(xiàn)建筑物不同標(biāo)高的豎向關(guān)系。電腦模型也可以對整體建筑物或是重要的建筑元素進(jìn)行材料、質(zhì)感與光線的精密分析及模擬，幾乎可以達(dá)到以假亂真的程度。電腦模型除了自我模擬之外，也可以將模型的模擬影像放置在真實(shí)影片的影像當(dāng)中，在探討建筑物與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系時，會比傳統(tǒng)的表達(dá)方式具體得多。電腦動畫模擬更能讓人在時空上全面而深刻地體驗(yàn)建筑空間。

這種設(shè)計模式的出現(xiàn)，使建筑師更能明確而具體地體現(xiàn)各種想法，也因而能在形式和空間中追求更大的變化和樂趣，而對業(yè)主、使用者和建筑工人而言，也有更直觀的方式來了解設(shè)計的意圖并體驗(yàn)它們。美國當(dāng)代建筑師蓋里，在設(shè)計中便是先勾畫概念草圖，然后將天馬行空的造型用電腦模型表示出來，使用數(shù)字化儀將它輸入電腦，并利用電腦模擬進(jìn)行空間分析、結(jié)構(gòu)分析、細(xì)部與光線的分析等。蓋里腦中形成的極具變化的思維，無法以傳統(tǒng)的方式直觀的表達(dá)，如果不借助電腦三維輔助設(shè)計，或許他就必須做出妥協(xié)而采用平穩(wěn)的空間形式（圖3）。在電腦三維輔助設(shè)計模式出現(xiàn)之前，這正是歷史上許多建筑設(shè)計者的困境與無奈。

圖3 蓋里設(shè)計——古根海姆博物館

電腦三維輔助設(shè)計在建筑設(shè)計上所關(guān)心的重點(diǎn)與可能的貢獻(xiàn)，可分為三方面。首先是將各種發(fā)展成熟的電腦軟件，應(yīng)用在設(shè)計過程中的各個階段，以便在二維或三維空間中對室內(nèi)環(huán)境、建筑單體、城市形態(tài)等進(jìn)行推敲，提供更周詳甚至更逼真的設(shè)計（圖4）。第二方面是將電腦語言引用到不同設(shè)計原理的研究上，例如以電腦程序模擬中國建筑形式等設(shè)計原理，可憑借電腦模擬的過程，進(jìn)一步研究隱藏在這些原理背后的必然性與歷史傳承關(guān)系。第三方面是希望透過對設(shè)計思考過程的深入了解，再利用電腦從事類似的設(shè)計思考行為，以便在建筑設(shè)計中扮演自我思考的角色，而非僅具備工具化的實(shí)質(zhì)。

隨著電腦三維輔助設(shè)計運(yùn)用的深入發(fā)展，建筑設(shè)計領(lǐng)域正逐步發(fā)展建筑信息模型，該應(yīng)用可理解為建筑設(shè)計中各個專業(yè)間在三維模型下的協(xié)同設(shè)計。這一概念是在建筑專業(yè)電腦三維輔助設(shè)計之后的又一升華發(fā)展，涉及建筑方案后期各個相關(guān)專業(yè)密切配合之下的協(xié)同設(shè)計，是較為復(fù)雜的電腦三維模型下的設(shè)計運(yùn)用。建筑信息模型協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢在于可建立一個相對寬泛的、可協(xié)同的三維模型，各專業(yè)可在此基礎(chǔ)上不斷深化完善設(shè)計成果，并以此模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計，查漏糾錯，提高工作效率。該三維模型下的協(xié)同設(shè)計豐富了設(shè)計成果，使設(shè)計的可讀性由二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S，更加直觀、一目了然，減少施工出錯。設(shè)計成果的三維化轉(zhuǎn)變相較二維圖紙，更易得到業(yè)主的認(rèn)可及選擇，同時也極大地提高了彼此間的溝通效率。當(dāng)然，建筑信息模型設(shè)計的深入推廣涉及面較廣，不僅需要滿足硬件條件，軟件條件也需相應(yīng)跟上。硬件上主要需要進(jìn)一步研發(fā)應(yīng)用設(shè)計工具的可協(xié)調(diào)性，軟件上則應(yīng)逐步建立建筑信息模型設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)以及與其相適應(yīng)的制度。目前，國外電腦三維輔助設(shè)計的發(fā)展較為領(lǐng)先，三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用已滲透到生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，如航空工業(yè)、汽車工業(yè)、運(yùn)動仿真行業(yè)等。

當(dāng)今社會，科學(xué)技術(shù)正突飛猛進(jìn)地發(fā)展，電腦三維輔助設(shè)計也會不斷演變、進(jìn)步，并輔助設(shè)計師創(chuàng)造出更豐富的建筑作品。

圖4 Autodesk Revit Architecture設(shè)計軟件模擬

3 結(jié)論

由電腦的參與而形成的設(shè)計方法和設(shè)計過程，是隨著建筑歷史的發(fā)展而產(chǎn)生并逐步推廣的。建筑師的目標(biāo)仍然是三維空間中的實(shí)際之物，自古皆然，而此實(shí)際之物也必然是通過建筑師腦中所形成的抽象概念逐步發(fā)展而實(shí)現(xiàn)的。因此，思維，作為建筑設(shè)計之本是電腦無法取代的。只有通過建筑師不斷地激發(fā)創(chuàng)造性思維，并結(jié)合各種二維圖形、實(shí)體模型、電腦模型及其它相關(guān)模擬與分析方式一同搭配來協(xié)同設(shè)計，建筑才能不斷創(chuàng)新，電腦三維輔助設(shè)計也只有在這樣的環(huán)境中才能充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，不斷向前發(fā)展。

[1]陳志華.外國建筑史[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]劉育東.建筑的涵意[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999：152.

[3]戴志中，盧峰，陳綱，等.建筑創(chuàng)作過程與表達(dá)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

責(zé)任編輯：孫 蘇

Application and Prospect of 3D Computer Aided Design

As architectural design changes from 2D to 3D,the process and expression of architectural design are changing tremendously.3D computer aided design will be applied to various professions as the change of design expression,and will further assist the designer to create more substantial works.

architectural design;expression means;3D computer aided design;design method;design process

TU17

A

1671-9107（2014）02-0031-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.02.031

2013-10-09

蔣欣（1982-），男，重慶人，研究生，工程師，主要從事公共建筑設(shè)計工作。