計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究
作者：王 懌 （中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100044）時(shí)間：2022-03-21
摘 要 ：在建筑行業(yè)快速發(fā)展的背景下，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的要求也發(fā)生了變化，以往的設(shè)計(jì)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(jì)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，需要適時(shí)地將計(jì)算機(jī)技術(shù)融入到設(shè)計(jì)工作當(dāng)中。將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)工作中，可以促進(jìn)工作模式的優(yōu)化，保證設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量與效率，使建筑設(shè)計(jì)工作能夠呈現(xiàn)出新的設(shè)計(jì)形 式，融入新的設(shè)計(jì)理念，推動(dòng)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的良好發(fā)展。
關(guān)鍵詞 ：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) ；建筑工程設(shè)計(jì) ；三維仿真技術(shù)
中圖分類號(hào) ：TU204 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A 文章編號(hào) ：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(jī)遇和挑 戰(zhàn)，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)工作的要求逐漸提高。為了應(yīng)對(duì)新時(shí) 期建筑設(shè)計(jì)工作的需求，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)融入到建筑 設(shè)計(jì)工作中，不僅可以實(shí)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(duì)建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，這樣 可以進(jìn)一步提升建筑設(shè)計(jì)工作整體水平。為了在建筑工 程設(shè)計(jì)中合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，需要正確掌握這項(xiàng) 技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與特征，使計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在建筑工程 設(shè)計(jì)工作中發(fā)揮出積極作用。
1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的重要性
在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，建筑行業(yè)迎來了新 的發(fā)展機(jī)遇。隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)工 作提出了新的要求，原來的建筑設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 的運(yùn)用成為了建筑設(shè)計(jì)工作提升工作質(zhì)量和工作效率的 重要方式。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是運(yùn)用數(shù)字系統(tǒng)和物理模型 將各類自然因素上傳至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，隨后運(yùn)用計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)將各類信息進(jìn)行整合分析，借助計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù) 進(jìn)行虛擬環(huán)境的構(gòu)建，使人們?cè)谔摂M環(huán)境觀察建筑結(jié)構(gòu)， 對(duì)建筑效果進(jìn)行多方位的審視。
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑工程設(shè)計(jì)工作中能夠帶 來較多的優(yōu)勢(shì)，不僅在經(jīng)濟(jì)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(jì)工作的完善，使建筑 項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃更加具有可行性，降低了建筑項(xiàng)目施工成 本和風(fēng)險(xiǎn)。人們可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)建出的虛擬 環(huán)境來分析建筑設(shè)計(jì)工作的總體質(zhì)量，隨后對(duì)不合理的 地方進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，促進(jìn)整體設(shè)計(jì)工作水平的提高。這樣一來，整個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)劃都具有科學(xué)性與合理性，更加有 利于保障建筑項(xiàng)目施工工作的有序推進(jìn)。通過完善建筑 工程設(shè)計(jì)工作，對(duì)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)也被廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。為了促進(jìn)建 筑工程設(shè)計(jì)水平的提高，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到了廣泛地 運(yùn)用。在建筑工程設(shè)計(jì)工作中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)， 擁有著廣泛的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，建筑漫游的虛擬環(huán) 境中對(duì)于環(huán)境設(shè)計(jì)提出了新的要求。在以往傳統(tǒng)的建筑 工程設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)根據(jù)以往的工作經(jīng) 驗(yàn)對(duì)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(xiǎn)，因?yàn)閼{ 借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建筑工程設(shè)計(jì)工作，通常會(huì)因?yàn)槿藶橐蛩卦?成施工質(zhì)量的偏差。并且在經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下進(jìn)行的建筑工程 施工，通常會(huì)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(jì)方面也會(huì)呈現(xiàn)出普遍性和一 致性，不能夠有效實(shí)現(xiàn)建筑風(fēng)格設(shè)計(jì)的優(yōu)化創(chuàng)新。而且 由于設(shè)計(jì)人員個(gè)人素質(zhì)、工作經(jīng)驗(yàn)存在一定的差別，所 以在建筑成本、能源消耗方面的意識(shí)也有所不同，難以 保障建筑設(shè)計(jì)工作中成本和消耗等問題的有效控制。面 對(duì)這樣的情況，建筑工程設(shè)計(jì)人員需要運(yùn)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(jì)工作當(dāng)中合理地引用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)， 可以使整個(gè)設(shè)計(jì)工作更加完美，彌補(bǔ)以往工作過程存在 的缺陷。并且計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具備了較高的仿真性和交 互性，所以在設(shè)計(jì)工作中能夠建立建筑物的三維模型， 設(shè)計(jì)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(shí)際情況對(duì)當(dāng)前的建筑設(shè)計(jì)工作進(jìn) 行優(yōu)化完善，促進(jìn)整體建筑設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性與可行性。 例如在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)中營(yíng)造出的建筑工程三維模型， 可以使人們對(duì)各個(gè)構(gòu)件的實(shí)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(duì)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是一項(xiàng)面向?qū)嶋H并且具有較強(qiáng) 應(yīng)用性的綜合性技術(shù)學(xué)科，因此將其運(yùn)用于工程領(lǐng)域當(dāng) 中，通常會(huì)展現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn) ：第一，經(jīng)濟(jì)性。由于 建筑工程通常會(huì)涉及到較大的規(guī)模，并且在資金方面消 耗較多，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以對(duì)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(duì)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(jì)人員進(jìn)行反復(fù)的模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)設(shè)計(jì)工 作水平的提高。整個(gè)過程不會(huì)造成過多的資金消耗，在 某種程度上實(shí)現(xiàn)了成本控制的目的。第二，隔離性。在 實(shí)際建筑工程施工過程中，某項(xiàng)因素往往會(huì)造成連環(huán)性 問題，使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以在模擬建筑模型的過程 中不會(huì)受到外界其他因素的影響。在一個(gè)限制性假設(shè)的 環(huán)境下可以對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)工作之后， 直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)通常會(huì)具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。而運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿 真技術(shù)，可以通過虛擬場(chǎng)景了解試驗(yàn)結(jié)果，降低了整個(gè) 操作過程的危險(xiǎn)程度。第四，快捷性。運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真 技術(shù)可以快速對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型 呈現(xiàn)，便于人們及時(shí)了解整個(gè)工作的優(yōu)缺點(diǎn)，促進(jìn)了整 體工作效率的提升。第五，可預(yù)測(cè)性。由于建筑工程完 成設(shè)計(jì)工作之后，會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)的施工操作。 而施工操作過程中，可能會(huì)因?yàn)槟稠?xiàng)因素影響整個(gè)施工 過程的推進(jìn)。運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以對(duì)未來可能發(fā)生 的情況進(jìn)行推斷預(yù)測(cè)，并且制定有效地應(yīng)對(duì)措施。
3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的局限性與適用性
在當(dāng)前階段，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì) 工作當(dāng)中，但是在實(shí)際情況下，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建筑設(shè)計(jì) 過程中存在一定的適用性與局限性。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在建 立虛擬環(huán)境的時(shí)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(jì)過程中需要遵 循真實(shí)的三維場(chǎng)景要求對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行展現(xiàn)。以往 的設(shè)計(jì)工作主要采用透視設(shè)計(jì)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(huì)造成設(shè)計(jì)方案與實(shí)際成果 存在一定的差距。運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以將真實(shí)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(duì)計(jì)算機(jī)系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修改，其他方 面也會(huì)根據(jù)系數(shù)的變動(dòng)做出改動(dòng)。這樣可以有效促進(jìn)設(shè) 計(jì)方案完成速度的提高，保障方案設(shè)計(jì)和修正的效果 [2]。但是在實(shí)際情況下，建筑設(shè)計(jì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 時(shí)仍然存在局限。這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真技術(shù)難以將一些 系數(shù)進(jìn)行真實(shí)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(huì)與建筑設(shè)計(jì)工作具 有重要的影響，通常會(huì)決定建筑設(shè)計(jì)合理性。由于這種 情況的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與真實(shí)體驗(yàn)仍然保持一 定的差距，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也難以對(duì)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建 筑設(shè)計(jì)模型進(jìn)行全方位的展現(xiàn)。并且對(duì)現(xiàn)有建筑進(jìn)行重 新設(shè)計(jì)的時(shí)候需要運(yùn)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)過 程中存著一定的局限。
4 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用
4.1 實(shí)時(shí)交互技術(shù)的應(yīng)用
Multigen 實(shí)時(shí)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(xiàng)技術(shù)主要被 應(yīng)用于游戲場(chǎng)景構(gòu)建的過程中。鑒于 Multigen 實(shí)時(shí)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(qiáng)大的 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所以在建筑設(shè)計(jì)和優(yōu)化交互過程中使用這項(xiàng)技 術(shù)可以有效促進(jìn)工作質(zhì)量的提升。Multigen 實(shí)時(shí)交互藝 術(shù)的應(yīng)用可以使建筑設(shè)計(jì)工作實(shí)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(chǎng)景的呈現(xiàn)都 可以借助這項(xiàng)仿真技術(shù)。例如在構(gòu)建樹木場(chǎng)景模型的過程 中，需要對(duì)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(yùn)用光影效果 使整個(gè)模型的畫面在視覺上具有較高的真實(shí)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(duì)周邊環(huán)境信息進(jìn)行多種 感知，能夠?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)工作帶來便利。在仿真環(huán)境當(dāng)中 可以運(yùn)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(xiàng)技術(shù)還擁有較強(qiáng)的想象力以及交互 性，可以運(yùn)用模型為人們帶來較為真實(shí)的感受，便于對(duì) 建筑設(shè)計(jì)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(huì)受到不同元素的影響，因此在進(jìn)行三維仿真 過程時(shí)需要先制定完善的建筑設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)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(yùn)用 現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行分鏡頭腳本概念圖的設(shè)計(jì)，運(yùn)用衛(wèi)星定 位系統(tǒng)確定建筑設(shè)計(jì)位置，通過計(jì)算機(jī)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(chǎng)建筑為例，為使體育場(chǎng)視景可以全方位呈現(xiàn)出 。 來，需要設(shè)計(jì)人員模擬出不同角度的體育場(chǎng)建筑視景， 呈現(xiàn)出體育場(chǎng)的立體空間，并且在構(gòu)模擬建筑物不同角 度的時(shí)候需要保障各個(gè)角度的靈活切換，給予人們更加 真實(shí)的視覺體驗(yàn)。為了達(dá)到這樣的工作效果，設(shè)計(jì)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(chǎng)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?yàn)槿?們帶來真實(shí)的視覺效果，所以三維設(shè)計(jì)模型能夠與現(xiàn)實(shí) 場(chǎng)景具有較高的接近度，人們可以通過三維設(shè)計(jì)模型來 掌握真實(shí)的設(shè)計(jì)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(yùn) 用與建筑設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，并且憑借互動(dòng)性和直觀性的技 術(shù)優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建出較為真實(shí)的虛擬環(huán)境。3DS Max 虛擬仿真 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)工作中的運(yùn)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(chǎng)景更加真實(shí)。 例如運(yùn)用 3DS Max 虛擬仿真技術(shù)對(duì)古代宅院場(chǎng)景構(gòu)建的 過程中，可以依據(jù)古代畫作中宅院場(chǎng)景的風(fēng)格進(jìn)行虛擬 環(huán)境的構(gòu)建，并且運(yùn)用動(dòng)態(tài)場(chǎng)景帶來較為真實(shí)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(yàn)，仿佛置身 于真實(shí)的古代庭院場(chǎng)景當(dāng)中，更好地領(lǐng)略古代豪宅大院 繁盛時(shí)期的風(fēng)采。在仿真技術(shù)的支持下，人們可以通過 欣賞動(dòng)畫來進(jìn)行肢體語言交流，對(duì)畫面鏡像進(jìn)行科學(xué)有效的控制，促進(jìn)人與場(chǎng)景的交換體驗(yàn)。這樣一來，建筑 設(shè)計(jì)人員能夠更加詳細(xì)地掌握建筑設(shè)計(jì)效果，對(duì)當(dāng)前的 設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理的改進(jìn)，使整個(gè)建筑設(shè)計(jì)方案日趨完 善。合理運(yùn)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?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)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(jì)工作中運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以有 效降低傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的復(fù)雜程度，并且?guī)砹诵碌脑O(shè)計(jì) 形式，促進(jìn)了設(shè)計(jì)工作模式的優(yōu)化。建筑設(shè)計(jì)人員在應(yīng) 用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的時(shí)候需要積極轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念，優(yōu)化 思維方式，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，促進(jìn)建 筑設(shè)計(jì)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(jì)的個(gè)性化要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 官慶文.基于BIM和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑工程設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].住 宅與房地產(chǎn),2021(5):106-107.
[2] 雷顯臻.計(jì)算機(jī)技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].江西建 材,2021(3):96-97.
[3] 荀歡歡.基于虛擬仿真技術(shù)的外國(guó)建筑史教學(xué)探索研究[J].建 筑與文化,2020(7):203-204.
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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