計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)集成建筑設(shè)計(jì)

史國(guó)棟

【摘 要】本文將對(duì)計(jì)算機(jī)模擬在建筑集成設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行探討分析，望以此引起各位學(xué)者的共鳴。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)模擬；建筑設(shè)計(jì)；集成設(shè)計(jì)；應(yīng)用

Computer simulation technology integrated building design

Shi Guo-Dong

(Handan construction technical schools Handan Hebei 056000)

【Abstract】This paper will integrate computer simulation in the design of buildings to explore the application of the analysis, in order to resonate hope you scholars.

【Key words】Computer simulation;Architectural design;Integrated design;Application

1. 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)在我國(guó)的各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并給社會(huì)帶來了利好。這場(chǎng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的新技術(shù)革命產(chǎn)生了很多新興產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的更新改造。作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)傳統(tǒng)的四大支柱產(chǎn)業(yè)之一的建筑業(yè)，是從事建造各類房屋和興建各項(xiàng)土木工程的行業(yè)，而其中計(jì)算機(jī)模擬在建筑集成設(shè)計(jì)中業(yè)也得到了廣泛應(yīng)用，并促進(jìn)了建筑設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化和整個(gè)建筑行業(yè)的規(guī)范和發(fā)展。

2. 計(jì)算機(jī)模擬

（1）模擬是一個(gè)過程，它是建立現(xiàn)實(shí)和虛擬系統(tǒng)的模型并在此模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程，其中模擬實(shí)驗(yàn)的目的是為了理解系統(tǒng)的行為或者對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的策略進(jìn)行合理有效的評(píng)估。在實(shí)際生活中，它會(huì)根據(jù)系統(tǒng)指示作出部分假設(shè)， 并利用數(shù)學(xué)方法和邏輯關(guān)系對(duì)這些假設(shè)進(jìn)行合理描述，從而將這些構(gòu)成一個(gè)可以揭示系統(tǒng)工作過程的模型。如果是一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，此時(shí)模型就可以通過解析方法進(jìn)行表示并加以解決。一個(gè)例如面積=(長(zhǎng)×寬)的簡(jiǎn)單的關(guān)系等式， 就是一個(gè)解析的結(jié)果。但是在實(shí)際中， 我們所感興趣和所遇到的問題不會(huì)像上述問題一樣簡(jiǎn)單，通常都是非常復(fù)雜的， 以至于我們無法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來表示這些問題。在這種情況下， 必須用模擬來對(duì)系統(tǒng)的行為進(jìn)行估算?？v所周知， 模擬將會(huì)隨著計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和應(yīng)用走上一個(gè)新的臺(tái)階。幾乎所有可以被虛擬的系統(tǒng)都通過計(jì)算機(jī)建立模型， 例如工廠、通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、集成電路、高速公路系統(tǒng)、飛行動(dòng)力學(xué)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)關(guān)系學(xué)以及虛擬世界等。在上述的每一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)環(huán)境中， 系統(tǒng)的模型都被證明是性價(jià)比更好、危險(xiǎn)更小、更快或者比在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)更具有可操作性。

（2）模擬基于狀態(tài)變量改變的方式通?？煞譃椋弘x散事件模擬和連續(xù)模擬。在離散事件模擬中， 狀態(tài)變量在時(shí)間的離散點(diǎn)上產(chǎn)生瞬間變化；而在連續(xù)模擬中， 變量連續(xù)地變化， 通常表現(xiàn)為一個(gè)有時(shí)間變量的函數(shù)。通常情況下，在應(yīng)用中模擬是把離散事件模擬和連續(xù)模擬結(jié)合起來同時(shí)使用的，而在其中只有一個(gè)占有主導(dǎo)地位并主宰整個(gè)系統(tǒng)。

3. 計(jì)算機(jī)模擬在建筑集成設(shè)計(jì)中扮演重要角色

集成化建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)包含多專業(yè)、多學(xué)科并存在迭代的設(shè)計(jì)流程，它一方面需要設(shè)計(jì)師們具備跨學(xué)科的豐富知識(shí)，另一方面還需要更高效、更可靠的設(shè)計(jì)工具。集成化建筑設(shè)計(jì)一個(gè)整體，計(jì)算機(jī)模擬則是實(shí)現(xiàn)建筑集成化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。沒有計(jì)算機(jī)模擬，集成化建筑設(shè)計(jì)就不可能取得好的效果。當(dāng)前，如電子、汽車、儀器等主流制造業(yè)中，早已依賴先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件完成了由粗放的設(shè)計(jì)到集成設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的數(shù)字化集成。而在建筑業(yè)中，這方面還有待于進(jìn)一步開發(fā)完善。集成化建筑設(shè)計(jì)要求各系統(tǒng)緊密合作，分階段逐步深入，逐步細(xì)化；各專業(yè)需要循環(huán)設(shè)計(jì)，做到信息及時(shí)反饋。在每個(gè)階段都采用軟件模擬預(yù)測(cè)使得生態(tài)建筑的理念能貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)流程，使建筑生態(tài)節(jié)能效果最大化。

4. 計(jì)算機(jī)模擬在建筑集成設(shè)計(jì)中的作用

4.1 在規(guī)劃和城市設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。

（1）在建筑設(shè)計(jì)之前的規(guī)劃設(shè)計(jì)和城市設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)模擬可以有效分析建筑與周邊環(huán)境的相互影響。如此很多建成后的不利因素就能夠直觀地?cái)[在設(shè)計(jì)者的面前，以供決策。這些因素包括了建筑日照、噪聲、建筑的可視度、整體風(fēng)環(huán)境等。計(jì)算機(jī)模擬可以將這些設(shè)計(jì)因素直接進(jìn)行量化計(jì)算，規(guī)劃也以此為依據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

（2）例如在規(guī)劃設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要某個(gè)標(biāo)志性建筑在整個(gè)區(qū)域環(huán)境中有著良好的可視度，也就是在區(qū)域內(nèi)的大部分環(huán)境中都能夠很好地觀察到某個(gè)標(biāo)志性建筑。這時(shí)就需要做規(guī)劃中對(duì)某建筑的可視度的分析，著名的Ecotect 便能夠有效地進(jìn)行可視度分析。使用Ecotect 進(jìn)行的可視度分析，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)分析的結(jié)果找到環(huán)境中可視度較差的區(qū)域，反過來對(duì)規(guī)劃進(jìn)行針對(duì)性的修改，再返回軟件中進(jìn)行分析，直到模擬的結(jié)果達(dá)到規(guī)劃或城市設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 建筑方案的對(duì)比，預(yù)測(cè)及優(yōu)化。利用建筑性能分析軟件(熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、風(fēng)環(huán)境)建筑師可以對(duì)方案進(jìn)行反復(fù)推敲和優(yōu)化，在設(shè)定好建筑內(nèi)部材料、室內(nèi)人員活動(dòng)等條件后，計(jì)算機(jī)就可以將建筑在運(yùn)行時(shí)各個(gè)性能如耗能、風(fēng)環(huán)境、日照等參數(shù)進(jìn)行量化，在此基礎(chǔ)上，集成設(shè)計(jì)才可以整合建筑的各項(xiàng)生態(tài)技術(shù)，通過場(chǎng)地優(yōu)化、設(shè)備優(yōu)化、裝飾優(yōu)化和施工方案優(yōu)化等使之成為一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，發(fā)揮各子系統(tǒng)的長(zhǎng)處。

4.3 在各類節(jié)能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用。生態(tài)建筑的評(píng)估本身就是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬對(duì)建筑性能的預(yù)測(cè)將大大減輕評(píng)估任務(wù)的工作量，例如在美國(guó)的LEED CS2.2標(biāo)準(zhǔn)中就明確地要求，通過計(jì)算機(jī)模擬證明建筑中75%的主要空間的自然采光照度要達(dá)到270 LX。如美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的專業(yè)計(jì)算機(jī)光學(xué)模擬軟件Radiance 是目前國(guó)際公認(rèn)的能夠較為精確地模擬室內(nèi)天然采光的光學(xué)模擬軟件，這款軟件就經(jīng)常用于LEED 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的模擬軟件。

4.4 提供了各專業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)的平臺(tái)。

（1）如今的建筑功能和技術(shù)都越來越復(fù)雜，建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)不再是一個(gè)人能夠完成的任務(wù)了，生態(tài)建筑更是要求建筑能夠采用多種生態(tài)技術(shù)以達(dá)到節(jié)能生態(tài)的要求，而很多時(shí)候各種看

淺談對(duì)水工建筑的設(shè)計(jì)初步研究

似有效地節(jié)能手段的疊加并沒有起到與投入相對(duì)應(yīng)的生態(tài)效果，有時(shí)反而會(huì)適得其反，某些節(jié)能措施與建筑的其他方面相沖突。為避免這種情況發(fā)生，集成化設(shè)計(jì)要求建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、設(shè)備工程師等各專業(yè)人員在同一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行有效的協(xié)同設(shè)計(jì)。

（2）著名軟件公司的Revit Architecture 軟件是一款用于建立建筑信息模型的軟件，Revit 提供的是一種接近現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)計(jì)模式，Revit 建立的建筑三維信息模型包含了建筑中的幾乎所有的信息參數(shù)，從設(shè)計(jì)到使用，甚至是建筑使用周期的終結(jié)，如此，建筑的各個(gè)專業(yè)、施工方、業(yè)主、政府等都可以基于同一個(gè)三維建筑信息模型進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。以建筑信息模型作為平臺(tái)的集成化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)的效率大大提高。

5. 結(jié)束語

隨著人們對(duì)建筑的要求越來越高，建筑設(shè)計(jì)的方式也必將由原來的粗放設(shè)計(jì)向集成化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，建筑設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)也將會(huì)受到越來越多的人的關(guān)注，這是一個(gè)必然的趨勢(shì)。但就目前的建筑市場(chǎng)來說，情況還不容樂觀，在各建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中，建筑集成化設(shè)計(jì)方法還沒有完全得到有效使用，更沒有將計(jì)算機(jī)信息模擬和性能模擬融會(huì)到建筑設(shè)計(jì)之中。與此同時(shí)，我們應(yīng)該看到其利好的一面。近年來，建筑集成化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)模擬的相關(guān)基礎(chǔ)和理論已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并逐漸形成系統(tǒng)的學(xué)科，進(jìn)而會(huì)建立一套完整的體系和規(guī)范化的框架。因此，計(jì)算機(jī)模擬在建筑集成設(shè)計(jì)中的應(yīng)用的前景是光明的，我們必須沿著這天正確的路走下去，把計(jì)算機(jī)技術(shù)完全融會(huì)貫通于建筑集成設(shè)計(jì)之中，使建筑設(shè)計(jì)不斷發(fā)展和完善，從而為人們?cè)O(shè)計(jì)出更人性化，更舒適的建筑產(chǎn)品，服務(wù)人類，并造福于人類。

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