計算機仿真技術(shù)在建筑工程設(shè)計中的應(yīng)用研究
作者：王 懌 （中國建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京 100044）時間：2022-03-21
摘 要 ：在建筑行業(yè)快速發(fā)展的背景下，對于建筑設(shè)計行業(yè)的要求也發(fā)生了變化，以往的設(shè)計工作模式已經(jīng)難以滿足建筑 行業(yè)的發(fā)展需求。為了順應(yīng)建筑設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，需要適時地將計算機技術(shù)融入到設(shè)計工作當(dāng)中。將計算機仿真技術(shù) 運用到建筑設(shè)計工作中，可以促進(jìn)工作模式的優(yōu)化，保證設(shè)計工作的質(zhì)量與效率，使建筑設(shè)計工作能夠呈現(xiàn)出新的設(shè)計形 式，融入新的設(shè)計理念，推動建筑設(shè)計行業(yè)的良好發(fā)展。
來源：智能建筑與工程機械
關(guān)鍵詞 ：計算機仿真技術(shù) ；建筑工程設(shè)計 ；三維仿真技術(shù)
中圖分類號 ：TU204 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ：A 文章編號 ：2096-6903(2021)09-0036-03
0 引言
在當(dāng)前階段，建筑行業(yè)的發(fā)展迎來了新的機遇和挑 戰(zhàn)，對于建筑設(shè)計工作的要求逐漸提高。為了應(yīng)對新時 期建筑設(shè)計工作的需求，將計算機仿真技術(shù)融入到建筑 設(shè)計工作中，不僅可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的模擬，還能夠?qū)?建筑整體環(huán)境進(jìn)行模擬展現(xiàn)。人們可以通過觀察虛擬模 型審視建筑結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對建筑設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，這樣 可以進(jìn)一步提升建筑設(shè)計工作整體水平。為了在建筑工 程設(shè)計中合理運用計算機仿真技術(shù)，需要正確掌握這項 技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢與特征，使計算機仿真技術(shù)在建筑工程 設(shè)計工作中發(fā)揮出積極作用。
1 計算機仿真技術(shù)的重要性
在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，建筑行業(yè)迎來了新 的發(fā)展機遇。隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，對于建筑設(shè)計工 作提出了新的要求，原來的建筑設(shè)計方法較為陳舊，難 以迎合現(xiàn)代建筑行業(yè)的發(fā)展需求。因此計算機仿真技術(shù) 的運用成為了建筑設(shè)計工作提升工作質(zhì)量和工作效率的 重要方式。計算機仿真技術(shù)是運用數(shù)字系統(tǒng)和物理模型 將各類自然因素上傳至計算機系統(tǒng)當(dāng)中，隨后運用計算 機系統(tǒng)將各類信息進(jìn)行整合分析，借助計算機科學(xué)技術(shù) 進(jìn)行虛擬環(huán)境的構(gòu)建，使人們在虛擬環(huán)境觀察建筑結(jié)構(gòu)， 對建筑效果進(jìn)行多方位的審視。
計算機仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑工程設(shè)計工作中能夠帶 來較多的優(yōu)勢，不僅在經(jīng)濟性和安全性方面擁有較大的 優(yōu)越性，還能夠促進(jìn)建筑工程設(shè)計工作的完善，使建筑 項目設(shè)計規(guī)劃更加具有可行性，降低了建筑項目施工成 本和風(fēng)險。人們可以利用計算機仿真技術(shù)構(gòu)建出的虛擬 環(huán)境來分析建筑設(shè)計工作的總體質(zhì)量，隨后對不合理的 地方進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，促進(jìn)整體設(shè)計工作水平的提高。這樣一來，整個設(shè)計規(guī)劃都具有科學(xué)性與合理性，更加有 利于保障建筑項目施工工作的有序推進(jìn)。通過完善建筑 工程設(shè)計工作，對工程質(zhì)量的提高以及施工周期的縮短 都具有重要意義。
2 計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用特征
在當(dāng)前階段，各類科學(xué)技術(shù)都得到了迅猛的發(fā)展， 計算機技術(shù)也被廣泛運用于各個領(lǐng)域當(dāng)中。為了促進(jìn)建 筑工程設(shè)計水平的提高，計算機仿真技術(shù)得到了廣泛地 運用。在建筑工程設(shè)計工作中，運用計算機仿真技術(shù)可 以借助仿真系統(tǒng)的三維化特性展現(xiàn)出強大的技術(shù)優(yōu)勢， 擁有著廣泛的應(yīng)用前景。與此同時，建筑漫游的虛擬環(huán) 境中對于環(huán)境設(shè)計提出了新的要求。在以往傳統(tǒng)的建筑 工程設(shè)計工作當(dāng)中，設(shè)計人員通常會根據(jù)以往的工作經(jīng) 驗對施工方法、施工流程進(jìn)行規(guī)劃。這樣的工作方式雖 然具有一定的可行性，但是也存在較大的風(fēng)險，因為憑 借經(jīng)驗進(jìn)行建筑工程設(shè)計工作，通常會因為人為因素造 成施工質(zhì)量的偏差。并且在經(jīng)驗指導(dǎo)下進(jìn)行的建筑工程 施工，通常會存在各類施工問題，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度 的有序推進(jìn)，并且難以保障整體施工質(zhì)量與施工水平 [1]。 除此之外，在建筑風(fēng)格設(shè)計方面也會呈現(xiàn)出普遍性和一 致性，不能夠有效實現(xiàn)建筑風(fēng)格設(shè)計的優(yōu)化創(chuàng)新。而且 由于設(shè)計人員個人素質(zhì)、工作經(jīng)驗存在一定的差別，所 以在建筑成本、能源消耗方面的意識也有所不同，難以 保障建筑設(shè)計工作中成本和消耗等問題的有效控制。面 對這樣的情況，建筑工程設(shè)計人員需要運用先進(jìn)的科學(xué) 技術(shù)改善當(dāng)前的工作模式，為工作質(zhì)量與工作效率給予 可靠保障。
在建筑設(shè)計工作當(dāng)中合理地引用計算機仿真技術(shù)， 可以使整個設(shè)計工作更加完美，彌補以往工作過程存在 的缺陷。并且計算機仿真技術(shù)具備了較高的仿真性和交 互性，所以在設(shè)計工作中能夠建立建筑物的三維模型， 設(shè)計人員可以通過建筑模型展開可視化分析，全方位審視建筑結(jié)構(gòu)。通過不同的角度分析施工建設(shè)工作可能存 在的問題，隨后根據(jù)實際情況對當(dāng)前的建筑設(shè)計工作進(jìn) 行優(yōu)化完善，促進(jìn)整體建筑設(shè)計方案的科學(xué)性與可行性。 例如在計算機仿真技術(shù)中營造出的建筑工程三維模型， 可以使人們對各個構(gòu)件的實際操作過程的關(guān)系與位置進(jìn) 行全面地了解，進(jìn)而得出相應(yīng)的施工安全控制參數(shù)。如 此一來，建筑工程施工之前可以對整體施工規(guī)劃擁有準(zhǔn) 確的了解，為建筑工程的順利推進(jìn)提供良好條件。
由于計算機仿真技術(shù)是一項面向?qū)嶋H并且具有較強 應(yīng)用性的綜合性技術(shù)學(xué)科，因此將其運用于工程領(lǐng)域當(dāng) 中，通常會展現(xiàn)出以下幾個特點 ：第一，經(jīng)濟性。由于 建筑工程通常會涉及到較大的規(guī)模，并且在資金方面消 耗較多，運用計算機仿真技術(shù)可以對施工建設(shè)工程未來 的發(fā)展進(jìn)行模擬呈現(xiàn)，便于人們對整體規(guī)劃進(jìn)行多方位 的審視。并且相關(guān)設(shè)備可以重復(fù)使用，可以使得建筑工 程設(shè)計人員進(jìn)行反復(fù)的模擬實驗，進(jìn)而促進(jìn)整個設(shè)計工 作水平的提高。整個過程不會造成過多的資金消耗，在 某種程度上實現(xiàn)了成本控制的目的。第二，隔離性。在 實際建筑工程施工過程中，某項因素往往會造成連環(huán)性 問題，使用計算機仿真技術(shù)可以在模擬建筑模型的過程 中不會受到外界其他因素的影響。在一個限制性假設(shè)的 環(huán)境下可以對整個設(shè)計方案進(jìn)行有效的研究。第三，安 全性與可控性。某些系統(tǒng)和施工在完成設(shè)計工作之后， 直接進(jìn)行實驗通常會具有較大的風(fēng)險。而運用計算機仿 真技術(shù)，可以通過虛擬場景了解試驗結(jié)果，降低了整個 操作過程的危險程度。第四，快捷性。運用計算機仿真 技術(shù)可以快速對整個設(shè)計方案與設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型 呈現(xiàn)，便于人們及時了解整個工作的優(yōu)缺點，促進(jìn)了整 體工作效率的提升。第五，可預(yù)測性。由于建筑工程完 成設(shè)計工作之后，會根據(jù)設(shè)計方案進(jìn)行相應(yīng)的施工操作。 而施工操作過程中，可能會因為某項因素影響整個施工 過程的推進(jìn)。運用計算機仿真技術(shù)可以對未來可能發(fā)生 的情況進(jìn)行推斷預(yù)測，并且制定有效地應(yīng)對措施。
3 計算機仿真技術(shù)在建筑設(shè)計中的局限性與適用性
在當(dāng)前階段，計算機仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計 工作當(dāng)中，但是在實際情況下，計算機仿真技術(shù)建筑設(shè)計 過程中存在一定的適用性與局限性。計算機仿真技術(shù)在建 立虛擬環(huán)境的時候，需要向系統(tǒng)中輸入詳細(xì)的環(huán)境數(shù)據(jù) 信息才可以完成數(shù)字模型的構(gòu)建，在設(shè)計過程中需要遵 循真實的三維場景要求對整個建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行展現(xiàn)。以往 的設(shè)計工作主要采用透視設(shè)計圖，這樣的方式難以詳細(xì) 展現(xiàn)材質(zhì)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，通常會造成設(shè)計方案與實際成果 存在一定的差距。運用計算機仿真技術(shù)可以將真實結(jié)果 進(jìn)行展現(xiàn)，讓人們獲得更加全面、準(zhǔn)確的信息。在發(fā)現(xiàn) 問題之后只需要對計算機系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修改，其他方 面也會根據(jù)系數(shù)的變動做出改動。這樣可以有效促進(jìn)設(shè) 計方案完成速度的提高，保障方案設(shè)計和修正的效果 [2]。但是在實際情況下，建筑設(shè)計運用計算機仿真技術(shù) 時仍然存在局限。這是因為計算機仿真技術(shù)難以將一些 系數(shù)進(jìn)行真實的展現(xiàn)，例如太陽輻射、人工照明、溫度 等技術(shù)參數(shù)。而這些技術(shù)參數(shù)通常會與建筑設(shè)計工作具 有重要的影響，通常會決定建筑設(shè)計合理性。由于這種 情況的出現(xiàn)，使計算機仿真技術(shù)與真實體驗仍然保持一 定的差距，計算機仿真技術(shù)也難以對一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建 筑設(shè)計模型進(jìn)行全方位的展現(xiàn)。并且對現(xiàn)有建筑進(jìn)行重 新設(shè)計的時候需要運用不同的技術(shù)來完成虛擬重建，例 如三維掃描的重建或者二維圖像貼圖建模等方式。由于 以上情況的存在，使計算機仿真技術(shù)在建筑工程設(shè)計過 程中存著一定的局限。
4 計算機仿真技術(shù)在建筑設(shè)計的具體應(yīng)用
4.1 實時交互技術(shù)的應(yīng)用
Multigen 實時交互藝術(shù)作為一種視景仿真技術(shù)，能 夠?qū)崿F(xiàn)視景的模擬展現(xiàn)。在當(dāng)前階段，這項技術(shù)主要被 應(yīng)用于游戲場景構(gòu)建的過程中。鑒于 Multigen 實時交互 藝術(shù)能夠模擬出三維數(shù)據(jù)庫，并且具有高效、功能強大的 技術(shù)優(yōu)勢，所以在建筑設(shè)計和優(yōu)化交互過程中使用這項技 術(shù)可以有效促進(jìn)工作質(zhì)量的提升。Multigen 實時交互藝 術(shù)的應(yīng)用可以使建筑設(shè)計工作實現(xiàn)建筑模型的構(gòu)建，例如 建筑周邊環(huán)境的路燈、樹木、草地、花叢等場景的呈現(xiàn)都 可以借助這項仿真技術(shù)。例如在構(gòu)建樹木場景模型的過程 中，需要對樹木的整體輪廓進(jìn)行詳細(xì)地描繪，使用 UV 坐 標(biāo)和紋理投影的方式進(jìn)行樹木圖案的映射。模型不僅可 以在色彩、形狀進(jìn)行較高的還原，還能夠運用光影效果 使整個模型的畫面在視覺上具有較高的真實性。
4.2 三維仿真技術(shù)的應(yīng)用
三維仿真技術(shù)是較為常用的技術(shù)手段，融合了多種 新興科技。由于三維仿真技術(shù)對周邊環(huán)境信息進(jìn)行多種 感知，能夠為建筑設(shè)計工作帶來便利。在仿真環(huán)境當(dāng)中 可以運用生物建模、貼圖烘焙技術(shù)等進(jìn)行建筑物三維模 型的構(gòu)建。并且這項技術(shù)還擁有較強的想象力以及交互 性，可以運用模型為人們帶來較為真實的感受，便于對 建筑設(shè)計工作進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。在三維系統(tǒng)的仿真過程中 模擬環(huán)境會受到不同元素的影響，因此在進(jìn)行三維仿真 過程時需要先制定完善的建筑設(shè)計方案，對整個方案進(jìn) 行全方位的審視與糾正，確定方案的可行性。隨后運用 現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行分鏡頭腳本概念圖的設(shè)計，運用衛(wèi)星定 位系統(tǒng)確定建筑設(shè)計位置，通過計算機仿真技術(shù)進(jìn)行三 維模型的構(gòu)建，最后進(jìn)行導(dǎo)出并給出構(gòu)圖音效設(shè)置 [3] 以體育場建筑為例，為使體育場視景可以全方位呈現(xiàn)出 。 來，需要設(shè)計人員模擬出不同角度的體育場建筑視景， 呈現(xiàn)出體育場的立體空間，并且在構(gòu)模擬建筑物不同角 度的時候需要保障各個角度的靈活切換，給予人們更加 真實的視覺體驗。為了達(dá)到這樣的工作效果，設(shè)計人員 可以使用 CAD 制圖軟件或者 3DS Max 技術(shù)軟件進(jìn)行建筑環(huán)境的模擬。使用 CAD 軟件繪制體育場建筑的二維平 面圖，將二維平面圖導(dǎo)入至 3DS Max 技術(shù)軟件內(nèi)，展現(xiàn) 出建筑物三維立體模型的構(gòu)建。由于仿真技術(shù)能夠為人 們帶來真實的視覺效果，所以三維設(shè)計模型能夠與現(xiàn)實 場景具有較高的接近度，人們可以通過三維設(shè)計模型來 掌握真實的設(shè)計效果。
4.3 3DS Max 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用
在當(dāng)前階段，3DS Max 虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)被廣泛運 用與建筑設(shè)計工作當(dāng)中，并且憑借互動性和直觀性的技 術(shù)優(yōu)點構(gòu)建出較為真實的虛擬環(huán)境。3DS Max 虛擬仿真 技術(shù)在建筑設(shè)計工作中的運用主要是進(jìn)行建筑周圍環(huán)境 的構(gòu)建，具有卓越的渲染作用，使虛擬場景更加真實。 例如運用 3DS Max 虛擬仿真技術(shù)對古代宅院場景構(gòu)建的 過程中，可以依據(jù)古代畫作中宅院場景的風(fēng)格進(jìn)行虛擬 環(huán)境的構(gòu)建，并且運用動態(tài)場景帶來較為真實的視覺享 受。在古代宅院細(xì)膩環(huán)境的構(gòu)建過程當(dāng)中，人們可以借 助仿真技術(shù)來感受古代庭院的雅致，突破空間的限制接 觸古代庭院景致，給予更加逼真的感官體驗，仿佛置身 于真實的古代庭院場景當(dāng)中，更好地領(lǐng)略古代豪宅大院 繁盛時期的風(fēng)采。在仿真技術(shù)的支持下，人們可以通過 欣賞動畫來進(jìn)行肢體語言交流，對畫面鏡像進(jìn)行科學(xué)有效的控制，促進(jìn)人與場景的交換體驗。這樣一來，建筑 設(shè)計人員能夠更加詳細(xì)地掌握建筑設(shè)計效果，對當(dāng)前的 設(shè)計方案進(jìn)行合理的改進(jìn)，使整個建筑設(shè)計方案日趨完 善。合理運用 3DS Max 虛擬仿真技術(shù)不僅可以提高工作 效率和質(zhì)量，還能夠為建筑設(shè)計工作的發(fā)展帶來良好的 推進(jìn)作用。
5 結(jié)語
在建筑工程設(shè)計工作中運用計算機仿真技術(shù)可以有 效降低傳統(tǒng)設(shè)計工作的復(fù)雜程度，并且?guī)砹诵碌脑O(shè)計 形式，促進(jìn)了設(shè)計工作模式的優(yōu)化。建筑設(shè)計人員在應(yīng) 用計算機仿真技術(shù)的時候需要積極轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，優(yōu)化 思維方式，將計算機仿真技術(shù)的優(yōu)勢發(fā)揮出來，促進(jìn)建 筑設(shè)計工作質(zhì)量與效率的提升，更好地滿足現(xiàn)代化建筑 設(shè)計的個性化要求。
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Application Research of Computer Simulation Technology in Architectural Engineering Design
WANG Yi
(CHINA Architecture Design & Research Group, Beijing 100044)
Abstract: Under the background of the rapid development of the construction industry, the requirements of the architectural design industry have changed, and the previous design work mode has been diffiffiffi cult to meet the development needs of the construction industry. With the rapid development of computer technology, architectural design work has also brought a certain impact. The application of computer simulation technology to architectural design work can promote the optimization of working mode, ensure the quality and effiffiffi ciency of design work, make architectural design work can present a new design form, into the new design concept, promote the good development of architectural design industry.
Keywords: computer simulation technology; architectural engineering design; 3d simulation technology
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