四維設(shè)計在現(xiàn)代建筑工程中的運(yùn)用

摘要：本文從四維設(shè)計理論出發(fā)，闡述了四維設(shè)計的目標(biāo)及主要技術(shù)要求，并給出了四維設(shè)計在建筑設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：四維設(shè)計；技術(shù)要求；建筑設(shè)計

1四維設(shè)計的目標(biāo)

所謂四維設(shè)計，是在建筑三維空間模型的基礎(chǔ)上引進(jìn)時間軸度量的第四維度來協(xié)助完成建筑的設(shè)計與建造， 通常借助計算機(jī)技術(shù)用四維數(shù)字模型即4D模型來表達(dá)。在建筑業(yè)，4D模型作為設(shè)計和建筑施工計劃工具有嶄新的含義，并不簡單等同于我們經(jīng)?？吹绞┕て髽I(yè)用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)做的施工過程模擬效果圖。相比之下，4D模型需要達(dá)到更深入的技術(shù)水平，它要求空間和時間的元素在四維的環(huán)境下被更加有機(jī)整合，其中空間的建筑元素為三維模型，而時間序列指的是工程建設(shè)項(xiàng)目的施工進(jìn)度，四維模型將空間元素在時間維度上展開以擬定合理的施工方案并確定工程各個施工過程的施工順序、施工持續(xù)時間以及相互銜接穿插配合關(guān)系。

不應(yīng)單純認(rèn)為4D模型僅僅起到取代設(shè)計行業(yè)的二維設(shè)計圖紙、模型或取代施工行業(yè)的橫條圖、網(wǎng)絡(luò)圖的作用。從更寬的視角看，未來的建筑設(shè)計應(yīng)當(dāng)是全生命周期的建設(shè)活動；在建造階段可能遇到的各種問題如何盡早在設(shè)計階段就加以考慮周全，這牽涉到建筑業(yè)中設(shè)計與建造兩大環(huán)節(jié)的更有效整合，以提高建造效率，降低建筑業(yè)成本；不當(dāng)?shù)脑O(shè)計會導(dǎo)致不合適的施工順序，最終也會導(dǎo)致建造周期延長，甚至重新返工設(shè)計，因此在概念設(shè)計階段就應(yīng)對建筑的施工建造問題進(jìn)行評估，而不必等到擴(kuò)初階段或者更晚的施工圖設(shè)計階段。如果在建筑設(shè)計的初始階段就可以虛擬試驗(yàn)施工方案的合理性，這樣就能盡量減少設(shè)計環(huán)節(jié)中的缺陷所導(dǎo)致的施工問題。因此， 四維設(shè)計模型追求的最終目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是能夠被充分整合在建筑全生命周期的設(shè)計任務(wù)中發(fā)揮作用。

四維設(shè)計的研究目標(biāo)完全是針對提高建筑行業(yè)設(shè)計和建造效率而言，同時四維設(shè)計有著鮮明的建筑行業(yè)特征，與制造行業(yè)的三維設(shè)計模式差別較大。在制造業(yè)，3D模型已成為當(dāng)前\"數(shù)字制造\"的基礎(chǔ)， 而建筑業(yè)的\"數(shù)字建造\"還是相當(dāng)遙遠(yuǎn)的理想。部分文獻(xiàn)提出了制造業(yè)三維模型在建筑業(yè)的應(yīng)用，但迄今為止，只有CATIA軟件在國外個別建筑事務(wù)所有過成功的建筑實(shí)踐，主要也是應(yīng)用它復(fù)雜曲面建模的能力，它所具有的制造業(yè)各流程的項(xiàng)目管理能力無法復(fù)制到建筑行業(yè)，相關(guān)施工管理和項(xiàng)目進(jìn)度安排實(shí)際上還是借助于專業(yè)的建筑軟件進(jìn)行。

2 四維設(shè)計的技術(shù)要求

2.1 四維設(shè)計的技術(shù)模塊

知識庫：儲存4D模型中的3D幾何數(shù)據(jù)以建立空間的關(guān)系并插入進(jìn)度管理數(shù)據(jù)。進(jìn)度數(shù)據(jù)可以根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)取得或者進(jìn)度計劃人員的專業(yè)知識獲得。

程序引擎：計算機(jī)調(diào)用專業(yè)的項(xiàng)目管理分析工具或管理模型，試驗(yàn)進(jìn)度和空間模型結(jié)合的合理程度并評估整合后的4D模型能否被看做建筑計劃的一個有效模擬。

用戶接口：使用者可以利用接口獲得控制4D模型的必要功能。

此外可能還需要一些擴(kuò)展的功能， 如：

虛擬環(huán)境：要求模型能提供在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的傳輸和瀏覽的格式， 這主要是滿足多環(huán)節(jié)包括設(shè)計和施工人員的協(xié)作需要。

約束管理：定義建筑每一個組件如何被連接的關(guān)系，彼此的約束以及允許的運(yùn)動自由度，具有這個功能，可以有效提高模型的智能程度。

2.2 四維設(shè)計的步驟

從技術(shù)特點(diǎn)上，實(shí)際用于四維設(shè)計的空間模型不同于常規(guī)的建筑3D模型，要求模型的幾何信息存儲分層的方式能相對靈活，以便于與項(xiàng)目施工的具體事件結(jié)合，隨時實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)件的重組。但目前在實(shí)際操作中采用了簡化模式，通常是基于通用建筑建模軟件生成實(shí)體模型，這時四維設(shè)計的具體步驟如下。

2.2.1 應(yīng)用常規(guī)的建模軟件如Archicad軟件生成建筑3D模型

列舉Archicad而不是其他建筑設(shè)計軟件是因?yàn)槠涮岢霾?shí)現(xiàn)的建筑信息模型（ＢＩＭ）技術(shù)比較成熟，其平臺提供建筑業(yè)通用數(shù)據(jù)交換模式ＩＦＣ的最新標(biāo)準(zhǔn)，使得生成模型可以在建筑業(yè)所有遵循該標(biāo)準(zhǔn)的信息平臺內(nèi)復(fù)用。

2.2.2 利用編制項(xiàng)目進(jìn)度計劃的計算機(jī)軟件如Microsoft Project軟件產(chǎn)生進(jìn)度 若采用橫條圖的方式建立項(xiàng)目進(jìn)度計劃，Microsoft Project首先列出實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)的所有步驟，將每塊工作分配到各項(xiàng)任務(wù)中，收集并輸入工期的估計值，創(chuàng)建任務(wù)列表并按大綱的形式將其組織起來，給各個任務(wù)配置資源，決定這些任務(wù)之間的相互關(guān)系并指定日期，然后檢查甘特圖是否符合要求。

編制項(xiàng)目進(jìn)度計劃軟件除Microsoft Project軟件外，可挑選的施工項(xiàng)目管理類軟件很多，只要具有用橫條圖、單代號網(wǎng)絡(luò)圖、日歷視圖、資源工作表等多種方式顯示項(xiàng)目進(jìn)度計劃的能力即可。

2.2.3 將3D模型的構(gòu)件與進(jìn)度表聯(lián)系，以直觀展示施工進(jìn)程

對計算機(jī)而言，這是一個將對象與事件相聯(lián)系的連接軟件的編程實(shí)現(xiàn)。通常用ＶＣ或ＶＢ等基于Ｗｉｎｄｏｗｓ圖形界面的編程軟件完成該4D連接工具的開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)將3D物體和相應(yīng)任務(wù)相聯(lián)的圖形界面。

以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)的4D模型，適用于中小規(guī)模的工程，目前4D模型用于大型建筑工程的實(shí)踐不多，比較典型的例子是著名的美國蓋里事務(wù)所最近完成的迪斯尼音樂廳建筑群，其工程數(shù)據(jù)量巨大，3D模型采用CATIA軟件，項(xiàng)目進(jìn)度管理采用P3（Primaveras Project Planner）軟件，不過這兩個軟件都是相關(guān)領(lǐng)域相當(dāng)昂貴的高端軟件，普通建筑企業(yè)采用的可能性很小。

3 四維設(shè)計在家居裝飾設(shè)計中的應(yīng)用

傳統(tǒng)居室裝修的設(shè)計思路，是僅考慮地面、墻面和屋頂?shù)娜灰惑w的和諧，是一種三維的設(shè)計，而沒有把家具的配置作為通盤考慮的內(nèi)容。如能將家具的色調(diào)、品牌、款式作為居室裝修通盤考慮的內(nèi)容，尋求居室空間的整體效果，則整個設(shè)計的效果必定會更加和諧，這就是裝潢的又一新思路--四維設(shè)計。具體來說，它有以下幾種：

3.1 一體式：

3.1.1如果采用暖色調(diào)的墻體涂料配合木質(zhì)地板和現(xiàn)代歐式家具，再輔之以璀璨的燈光，就使居室的溫馨感得以充分體現(xiàn)。各種現(xiàn)代裝飾畫的鏡框在墻面裝飾中廣泛使用，雍容華貴的歐式平頂，給人以興奮向上的熱情，而新穎別致的頂棚，令人遐思翩翩。為增加空間的深度，也可以設(shè)計漸次遞進(jìn)向上的頂棚。這樣的四維設(shè)計，如能配置名牌家具，將會是十分理想的選擇。

3.1.2 在選用淺色現(xiàn)代家具的同時，將室內(nèi)裝潢通盤考慮，使之裝潢具有獨(dú)到之處，特點(diǎn)在于質(zhì)樸、自然、富有原創(chuàng)的意味，頂和墻面采用乳膠漆，色彩靠近沙發(fā)布面的顏色，有渾然一體之感。吊頂和家具搭配講究造型簡潔、色彩明快、線條流暢，并與整個居室格調(diào)相呼應(yīng)，那也是不錯的選擇。家具造型高低起伏，富有藝術(shù)性，更使室內(nèi)充滿和諧的氣氛。

3.2 對照式：

3.2.1室內(nèi)選用淺色的家具(如胡桃木色、乳白色家具)，乳白色的墻壁與深紅色的地面，形成了強(qiáng)烈的色彩對比，會產(chǎn)生較好的空間藝術(shù)效果。

3.2.2與一般臥室的色彩色調(diào)相反。不同往常的設(shè)計是家具與墻面均采用深色，而地面為淺色木地板，頂棚則采用淺色涂料涂飾，也會使室內(nèi)空間充滿藝術(shù)情趣，給人以耳目一新的感覺?；虿捎蒙钌膶?shí)木家具，配上白色的頂棚，湖藍(lán)色的墻紙，淺色的地板，將使居室洋溢古典風(fēng)格，展現(xiàn)宮廷式的雍容華貴。

3.3溫馨和諧式：

居室裝修的總體效果要體現(xiàn)出溫馨協(xié)調(diào)的家庭氣息。主臥室、次臥室、客廳、兒童房、廚房、衛(wèi)生間等，各空間互相分隔又融為一體，互不干擾但又聯(lián)系方便，每個房間都體現(xiàn)出特定的內(nèi)容和方式，一切都恰如其分，井井有條。室內(nèi)色調(diào)注意柔和協(xié)調(diào)。流行款式的兒童家具采用鑲拼亮麗的色調(diào)，要和居室的墻面，天頂?shù)葏f(xié)調(diào)。特別要注意墻面顏色的選定，因?yàn)樗鞘覂?nèi)動和靜的背景，是襯托室內(nèi)空間景象的屏幕。而現(xiàn)代廚房家具與地面、頂棚的和諧配套，則會創(chuàng)造出溫馨可人的廚房環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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