淺析三維技術在建筑設計中重要作用

陳麗君 郭星光

【摘要】仿真技術在建筑設計中應用廣泛，并漸漸形成了一門交叉科學，成為一種認識世界的客觀方法。建筑工程施工指的是將圖紙中的建筑設計變?yōu)檠矍皩崉铡６S技術的運用，使得這個過程變得更為客觀。

【關鍵詞】三維技術；建筑設計

引言

依靠施工經(jīng)驗對施工進行控制和優(yōu)化，具有一定的局限性。 特別是在全新結構或復雜條件下的施工，依靠經(jīng)驗對工程施工的可行性、控制優(yōu)化、事故預測和生產(chǎn)調度優(yōu)化等各方面的分析和預測，可能會由于思維慣性而忽略重要結果或由于力不從心只能分析局部和少量結果，更無法開展定量分析。依靠三維仿真技術這一高效節(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)全過程進行試驗，驗證優(yōu)化施工技術和施工組織。

1.三維仿真技術

1.1三維仿真技術

三維仿真技術或稱虛擬仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術，是指以相似原理、信息技術、系統(tǒng)技術及其應用領域有關的專業(yè)技術為基礎，運用計算機技術生成的一個逼真的、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備同虛擬環(huán)境中的實體相互作用的一 種技術。簡單的說，三維仿真技術是對系統(tǒng)模型的一種試驗技術，其實質也就是進行建模和 實驗。

1.2三維仿真的特點及特征

具有沉浸性、交互性、多感知性和構想性等特點；以及學科的高度綜合化、 人的臨場化、系統(tǒng)或環(huán)境的大規(guī)模集成化、數(shù)據(jù)表示的多樣化和標準化等特征。 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。

1.3三維仿真技術在發(fā)展過程中碰到的四大問題

三維仿真技術在發(fā)展過程中碰到的四大問題：設備的“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等；三維仿真技術的關鍵技術以及研究內容，如環(huán)境建模技術；立體聲合成和立體顯示技術；觸覺反饋技術；交互技術；系統(tǒng)集成技術等。

1.4 系統(tǒng)仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術的結合觀念上

哲學意義上：系統(tǒng)仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術使人們進一步認識“虛”和“實”之間的關系。系統(tǒng)仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術的結合觀念上：傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術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、計算機動畫、傳感技術的發(fā)展，計算機模擬外界環(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遠大于數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。 將仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術相結合， 利用虛擬現(xiàn)實技術進行仿真模型。

2.三維技術在建筑設計中重要作用

2.1在工程結構分析中的應用

當結構形式特殊，荷載及材料特性復雜時，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備的限制，只能做小比例模型試驗， 難以完全反映結構的實際情況。用仿真與虛擬現(xiàn)實技術，則可以進行足尺寸的試驗，還可以很方便地修改參數(shù)。此外，有些結構難于進行直接試驗，用計算機模擬仿真就更能體現(xiàn)出優(yōu)越性。在運用傳統(tǒng)的有限元法進行結構分析時，結構應力的結果通常采用內力圖等力線的形式 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用

建筑施工是復雜而又大型的動態(tài)系統(tǒng)，它通常包括立模、 架設鋼筋、 澆注、 振搗、拆模、養(yǎng)護等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關系復雜，直接影響著混凝土澆筑的進程?，F(xiàn)有的模擬只是對進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)實技術在結構工程領域內，還可應用在建筑系統(tǒng)工程管理、建筑信息管理、建筑物及構筑物的空氣流場、空氣品質分析等方面。

2.3在安全工程和土木工程中的應用

對于安全工程中的培訓、指揮、產(chǎn)品性能設計以及事故救災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，已達到科學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)、知識結構及理解能力的影響，交流起來非常困難，但三維仿真技術的發(fā)展為我們克服這些困難，提供了極其有效的手段。

2.4在巖土工程和防災工程中的應用

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

2.5在工程項目招標投標中的應用

在有限的時間內，如何使業(yè)主和評標的專家很好地了解招投標文件的編制和被認可的程度直接關系到承包商有沒有中標的機會。尤其是大型工程、國家重點工程和國際工程的招標投標，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的幾率。

3. 三維數(shù)字化技術在建筑設計全過程中質量管控的應用

3.1土建及機電專業(yè)建模

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

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)與機電專業(yè)之間、機電專業(yè)之間。設計人員根據(jù)碰撞檢測報告及修改意見，重新優(yōu)化設計，然后再次進行碰撞檢測。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。

結論

三維仿真技術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來說還存在一定缺陷，所以還需在以下方面作出進一步的完善：（1）系統(tǒng)的通用性：由于三維仿真技術普及性較差，目前只對單個工程有效，還不具備在 建筑業(yè)廣泛推廣應用的條件；（2）周期和經(jīng)濟性：將建筑業(yè)的二維設計圖紙轉化為仿真系統(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與內力計算使用的數(shù)值模擬技術還不能形成一套 完整的體系，增加了數(shù)據(jù)的重復處理，降低了系統(tǒng)運行的可靠度。

參考文獻

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