計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在建筑中的應(yīng)用

于海澍

[摘要]隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展與普及，計(jì)算機(jī)應(yīng)用變得越來越廣泛，同時(shí)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)也在不斷發(fā)展和變化。以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)的結(jié)合為研究對(duì)象，對(duì)計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。希望可以為相關(guān)領(lǐng)域的研究起到拋磚引玉的作用。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建筑

中圖分類號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7597(2009)0610116-02

計(jì)算機(jī)在建筑領(lǐng)域承擔(dān)著重要的任務(wù)，能夠解決的許多實(shí)際的問題。本文將介紹在建筑設(shè)計(jì)方案的思考和表達(dá)過程中，如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成建筑設(shè)計(jì)的數(shù)字化概念。創(chuàng)建高效的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)組合方法，使兩者緊密合作。

一、建筑設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算機(jī)軟、硬件的需求

建筑設(shè)計(jì)中將建筑數(shù)字化簡(jiǎn)言之是對(duì)計(jì)算機(jī)軟件硬件的應(yīng)用，包括了儲(chǔ)存、運(yùn)算處理、呈現(xiàn)和傳輸信息的方式方法。在運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)方案中就必然需要以下的基本構(gòu)成要件：

1．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件及各種外部設(shè)備；它們是組成計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)媒體的介質(zhì)系統(tǒng)。

2．操作系統(tǒng)：如Windows，UNIX等，它與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及外部設(shè)備一起，組成所有計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具及其操作工具的共享平臺(tái)。

3．應(yīng)用軟件：如AutoCAD等，是對(duì)特定形式的計(jì)算機(jī)文件數(shù)據(jù)的生成、編輯或進(jìn)行其他形式處理的操作工具和環(huán)境。

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)信息都是以計(jì)算機(jī)文件的形式保存在硬盤、U盤等各種存儲(chǔ)介質(zhì)設(shè)備的。這些文件可以是一個(gè)程序、一組數(shù)據(jù)、一篇文章或一個(gè)圖形。用戶只能通過計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)等對(duì)文件進(jìn)行一系列處理過程。計(jì)算機(jī)的軟硬件成為設(shè)計(jì)中必要的工具系統(tǒng)，主要涉及了三個(gè)層面：

1．人機(jī)交互接口：包括鼠標(biāo)、鍵盤、監(jiān)視器等設(shè)備，其功能是為用戶與計(jì)算機(jī)之間的通訊提供一種直接式的操控工具。

2．操作系統(tǒng)：其功能土要是為所有硬件、應(yīng)用程序以及用戶文件數(shù)據(jù)提供系統(tǒng)控制和管理工具。

3．應(yīng)用程序：其功能主要是為某種特定應(yīng)用的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)提供具體信息生成、計(jì)算、傳輸、呈現(xiàn)和儲(chǔ)存等各種復(fù)雜處理的工具和方法。

二、建筑設(shè)計(jì)中對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用體現(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵方面

(一)建筑設(shè)計(jì)前期信息的收集和處理

建筑師在方案設(shè)計(jì)前期階段中的主要工作是收集、檢索與分析與項(xiàng)目有關(guān)的文件資料，其思維和表達(dá)土要體現(xiàn)為一種發(fā)散性、記錄性、相對(duì)隨意性和分析性的特征。由于建筑問題的復(fù)雜性，決定了建筑師不會(huì)將設(shè)計(jì)問題僅僅局限于設(shè)計(jì)任務(wù)書等文件所提及的范疇，而是立足于一個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化、環(huán)境等去分析考察問題。要建立這樣的視域，大量收集、檢索與分析與項(xiàng)目有關(guān)的背景資料是必不可少的。

隨著網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的搜索引擎功能的出現(xiàn)，建筑師可以從網(wǎng)絡(luò)中獲取與建設(shè)項(xiàng)目當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)、文化習(xí)俗、環(huán)境資源等有關(guān)信息，也可以從網(wǎng)上得到支持方案設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)。這些對(duì)拓展建筑師的思維，以及幫助他們迅速捕獲有助于方案構(gòu)思的興趣主題是很有效的。

(二)建筑方案的構(gòu)思與設(shè)計(jì)

建筑方案的構(gòu)思與設(shè)計(jì)，大體上可以劃分為概念設(shè)計(jì)和方案發(fā)展兩個(gè)階段。由于建筑師這兩個(gè)階段的工作目標(biāo)和思維表達(dá)的特點(diǎn)存在一些差異，因此反映到計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用上也會(huì)存在一些差別。

在概念設(shè)計(jì)階段，建筑師主要是通過繪圖、建模等計(jì)算機(jī)操作過程，將頭腦中思考的內(nèi)容轉(zhuǎn)移、外化為一種媒體對(duì)象，即概念設(shè)計(jì)草圖或模型，這樣建筑師便可以從一個(gè)新的視點(diǎn)來反觀他所思考并創(chuàng)造出來的事物，并從中獲取到新的經(jīng)驗(yàn)以促進(jìn)下一輪的思維循環(huán)。在概念設(shè)計(jì)階段中，建筑師的設(shè)計(jì)思維與表達(dá)主要表現(xiàn)為一種較強(qiáng)的、跳躍性和探索性特征。為了尋求問題的最佳解答，建筑師總是希望盡量嘗試多種可能的方案設(shè)計(jì)，以便工從這些變化的形式中不斷獲取更多有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)、線索，并從中進(jìn)行優(yōu)選。為了能做到這些，建筑師需要借助于一些方便、快捷的二維CAD建模工具(如3dsMax)以支持該階段建筑師的開放、跳躍和探索思維。

方案發(fā)展階段是在概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的自然延續(xù)。在這個(gè)階段的前期和中期，建筑師的設(shè)計(jì)思維與表達(dá)在探索中逐漸明確，體現(xiàn)出對(duì)建筑空間、功能、建筑造型與整體環(huán)境等問題的深度思考和比較性研究特征。在該階段的后期，則側(cè)重于以圖紙或多媒體演示方式，來充分表現(xiàn)這些思考和研究的內(nèi)容。根據(jù)概念設(shè)計(jì)階段中建筑師所研究的內(nèi)容，可以在設(shè)計(jì)時(shí)選用不同類型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法和策略，包括三維模型核心策略；信息模型核心策略；三維模型到信息模型策略。

(三)以信息模型為核心的方案發(fā)展策略

以建筑信息模型為核心的方法策略，適合于建筑規(guī)模較大或復(fù)雜程度較高的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。這種方法策略的優(yōu)點(diǎn)為：

1、建筑信息模型CAD系統(tǒng)中的三維實(shí)體是包含了空間幾何、材料、構(gòu)造、造價(jià)等全信息虛擬構(gòu)件或物體，當(dāng)建筑師使用這些物體創(chuàng)造建筑空間或造型時(shí)，這些與建筑經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等有關(guān)的因素自然而然地被一并考慮在內(nèi)，其設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)能對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)過程形成強(qiáng)有力的支持。

2、建筑信息模型CAD系統(tǒng)也能提供較強(qiáng)的三維設(shè)計(jì)功能，以及方便靈活的觀察方式，可形成對(duì)方案設(shè)計(jì)階段建筑師設(shè)計(jì)思維的有力支持。

3、建筑信息模型CAD系統(tǒng)中一般提供了材料統(tǒng)計(jì)、概預(yù)算等多種分析、計(jì)算1：具，同時(shí)可提供圖紙、報(bào)表文件等建筑設(shè)計(jì)文檔的自動(dòng)生成工具。

(四)從三維模型到信息模型的方案發(fā)展策略

在建筑方案設(shè)計(jì)階段，單純地選擇三維模型或者信息模型中的一種方法，實(shí)際上都存在一些局限，一般認(rèn)為較合理的方法是將建筑信息模型和三維模型兩者結(jié)合起來發(fā)揮綜合優(yōu)勢(shì)。

三、計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)軟件

建筑設(shè)計(jì)的數(shù)字化，讓越來越多的建筑設(shè)計(jì)軟件應(yīng)運(yùn)而生。建筑設(shè)計(jì)的每個(gè)階段都不能缺少相關(guān)軟件的支持。這些階段分別是：概念設(shè)計(jì)與體量設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)與工程制圖、項(xiàng)目管理與經(jīng)濟(jì)核算、建筑表現(xiàn)與三維動(dòng)畫以及其他成果展示手段。針對(duì)不同階段和用途，也相對(duì)應(yīng)的有不同的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件。

1、Sketch UP

Sketch UP是美國(guó)@Last Software公司開放的建筑草圖設(shè)計(jì)軟件。Sketch IJP打破以往建筑師在應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)構(gòu)思時(shí)所受到的束縛，給建筑師帶來邊構(gòu)思邊表現(xiàn)的體驗(yàn)，產(chǎn)品快速形成便于交流和溝通的建筑圖形，適用于建筑方案創(chuàng)作階段的工作。Sketch Up提供了一種實(shí)質(zhì)上可以視為“計(jì)算機(jī)草圖”的手段，它吸收了“手繪草圖”加“工作模式”兩種傳統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)手段的特點(diǎn)，切實(shí)地使用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助方案構(gòu)思，而不僅僅是把計(jì)算機(jī)作為表現(xiàn)工具。

2、AutoCAD

AutoCAD是美國(guó)Autodesk公司開放研制的一種通用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包，它在設(shè)計(jì)、繪圖和相互協(xié)作方面展示了強(qiáng)大的功能。其優(yōu)點(diǎn)在于易于學(xué)習(xí)、使用方便、體系結(jié)構(gòu)開放等。AutoCAD產(chǎn)品從第一個(gè)版本發(fā)展至

今，在不斷適應(yīng)計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展的同時(shí)，自身功能也日益增強(qiáng)且趨于完善。AutoCAD在全世界150多個(gè)國(guó)家和地區(qū)廣為流行，占據(jù)了國(guó)際CAD市場(chǎng)的75％。在機(jī)械、建筑、電子、紡織、地理、航空等領(lǐng)域得到了廣泛的使用。建筑領(lǐng)域90％以上都在應(yīng)用AutoCAD。

3、ADT

ADT是Autodesk公司開發(fā)的三維建筑設(shè)計(jì)專業(yè)軟件。

AutoCAD一開始就是作為一種通用的交互式繪圖軟件面世的。從二維到三維．AutoCAD的普及對(duì)推動(dòng)CAD在工程領(lǐng)域的應(yīng)用和提高繪圖效率確實(shí)起到了巨人的作用。但隨著CAD應(yīng)用的普及與深化，這種通用的CAD軟件難以完全滿足工程各專業(yè)設(shè)計(jì)的特殊性，對(duì)進(jìn)一步提高專業(yè)設(shè)計(jì)與繪圖的質(zhì)量、速度和效率的效果并不十分理想。針對(duì)這種現(xiàn)實(shí)的要求，各專業(yè)工程技術(shù)人員和軟件公司紛紛開始在AutoCAD基礎(chǔ)商利用其基本圖形元素和繪圖功能開發(fā)出大量適合各自專業(yè)特殊需要的各類繪圖實(shí)用程序，以AutoCAD為核心擴(kuò)充新的專業(yè)對(duì)象形成全新的專業(yè)CAD軟件。ADT就屬于這一類建筑CAD系統(tǒng)。

ADT是AutoCAD與建筑設(shè)計(jì)專用程序的完整集成。ADT安裝的同時(shí)事實(shí)上已包含了AUtocAD的安裝。由于ADT是以AutoCAD為核心和基礎(chǔ)環(huán)境，它繼承了AutoCAD的全部風(fēng)格與特性，包括用戶界面與操作命令。用戶如果不需要使用ADT專有的與建筑有關(guān)的對(duì)象和命令，完全可以將ADT作為單純的AutoCAD來使用。同樣，所有以AutoCAD為基礎(chǔ)開發(fā)的實(shí)用性程序，都可以在ADT下同時(shí)安裝運(yùn)行。

4．ArchiCAD

ArchiCAD是成立于1982年的Graphisoft公司推出的虛擬建筑設(shè)計(jì)軟件。虛擬建筑的核心是利用軟件生成一個(gè)真實(shí)建筑的數(shù)字模型，將所有的相關(guān)信息存儲(chǔ)在一個(gè)工程文件中。設(shè)計(jì)師通過使用樓板、墻、岸頂、門、窗、樓梯和其他構(gòu)件等建筑元素的組合來構(gòu)建一幢建筑。虛擬建筑中的每一個(gè)物體都是具有建筑元素特性智能化屬性的建筑構(gòu)件。在這樣一個(gè)真實(shí)的智能模型中，設(shè)計(jì)者可以任意的轉(zhuǎn)換輸入平面、剖面、立面，以及各種細(xì)部大樣、預(yù)算報(bào)表、建筑材料、門窗表，甚至施工進(jìn)度，建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)所需要的渲染，動(dòng)畫，虛擬現(xiàn)實(shí)的效果更是包含在基本功能里面。

5．Autodesk 3ds Max

Autodesk公司的3dsMax軟件是三維動(dòng)畫制作軟件。作為一個(gè)三維軟件，3dsMax它的主要功能是：建模、材質(zhì)、燈光、動(dòng)畫和各項(xiàng)擴(kuò)展功能。

3dsMax的首要特點(diǎn)是方便的圖形界面控制體系，它很好的繼承了windows的圖形化的操作界面，在同一窗口內(nèi)可以方便的訪問對(duì)象的屬性，材質(zhì)，控制器，修改器，層級(jí)結(jié)構(gòu)等。作為輔助建筑的三維軟件，3dsMax的另一個(gè)特點(diǎn)就是它的參數(shù)化控制。在3dsMax里，所有網(wǎng)格模型及三維圖形上的點(diǎn)都有一個(gè)空間坐標(biāo)，坐標(biāo)值可以通過輸入具體參數(shù)來控制。能夠通過數(shù)值確定位，這一點(diǎn)在建筑應(yīng)用上尤為重要。除此之外，3dsMax還可以和AutoCAD實(shí)現(xiàn)無縫連接，兩種軟件在交換文件時(shí)，可以做到尺寸和單位的高度統(tǒng)一。3dsMax的另一個(gè)特點(diǎn)就是即時(shí)顯示，即“所見即所得”。3dsMax在設(shè)計(jì)上更加自觀和方便，由于貼圖在3dsMax里的調(diào)整結(jié)果是實(shí)時(shí)顯示的，不需要每次都要渲染一下才能看得到，工作效率得到極人提高。

3dsMax在建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)中的也發(fā)揮了其特點(diǎn)。首先3dsMax被用于制作單幅的靜態(tài)建筑效果圖。在建筑設(shè)計(jì)與建筑表現(xiàn)的關(guān)系中可以看到，建筑設(shè)計(jì)過程中需要不斷把設(shè)計(jì)師頭腦中想象的建筑設(shè)計(jì)方案用通俗易懂的直觀方式表達(dá)出來，從而方便與非建筑專業(yè)的人士進(jìn)行交流。對(duì)普通公眾一張或一系列建筑建成以后的圖片是最容易理解的。同時(shí)靜態(tài)圖像也是很容易通過人眾媒體傳播，可以在更廣大的范圍內(nèi)進(jìn)行信息的交流。因此，目前幾乎所有建筑項(xiàng)目實(shí)施之前都會(huì)制作一張或一系列靜態(tài)的計(jì)算機(jī)渲染效果圖，對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行逼真的表現(xiàn)。