計(jì)算機(jī)輔助三維空間的建筑設(shè)計(jì)方法探究

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(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

設(shè)計(jì)是一項(xiàng)原發(fā)于人類心智的活動(dòng)。創(chuàng)造者腦海里抽象的意念要向外表達(dá)需要通過特定的媒介，作家用筆書寫或電腦打字，作曲家使用鋼琴。而建筑設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)師腦海中的原型要向外表達(dá)，惟一的方式是通過設(shè)計(jì)工具作為轉(zhuǎn)換媒介繪制成圖形。在建筑設(shè)計(jì)的過程中，長期依賴某種設(shè)計(jì)工具會(huì)形成下意識(shí)的習(xí)慣，會(huì)與我們的思維模式相互影響構(gòu)成一種對(duì)自己最有效率的操作模式，可將其稱之為“基于某類型設(shè)計(jì)工具的建筑設(shè)計(jì)方法”。

1 應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

20世紀(jì)80年代初期，個(gè)人電腦上市，并很快應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)的業(yè)務(wù)中，同時(shí)也進(jìn)入了建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域。電腦輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件是為運(yùn)用電腦輔助進(jìn)行設(shè)計(jì)而開發(fā)的，稱之為電腦輔助設(shè)計(jì)的原因是電腦永遠(yuǎn)無法取代人腦的主動(dòng)思維能力，即使電腦的處理能力再強(qiáng)，也只能被動(dòng)地輔助人腦工作。

設(shè)計(jì)界于1995年“甩開圖板搞設(shè)計(jì)”之后，有將近10年的時(shí)間，CAD幾乎是惟一的應(yīng)用工具。設(shè)計(jì)師們每天應(yīng)用CAD操作電腦屏幕上的圖形，但是很少想過運(yùn)用CAD在電腦上所做的究竟是“制圖”還是“設(shè)計(jì)”。CAD要求毫厘不差，在操作的過程中需要不斷地進(jìn)行零星計(jì)算才能精準(zhǔn)輸入，這些過于理性的操作會(huì)使設(shè)計(jì)思路一再受到干擾而中斷。因此從設(shè)計(jì)的角度來看，CAD只能算是一個(gè)制圖軟件，即使是用上了CAD，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)想時(shí)，還是得先在紙上勾勒草圖、推敲方案。而且由于CAD的向量格式圖形界面多半顯示線架圖形，無法顯示出物體的表面形狀，這對(duì)于CAD軟件應(yīng)用在三維建筑設(shè)計(jì)上是一個(gè)致命的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)師腦海中的設(shè)計(jì)構(gòu)想是三維的，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，如果通過視覺回饋，能直觀地在電腦上看到即時(shí)顯示的三維立體影像，才有機(jī)會(huì)經(jīng)由電腦直接“做設(shè)計(jì)”。

為了明確闡述電腦輔助三維空間的設(shè)計(jì)方法，在這里我們選擇Google SketchUp這個(gè)軟件作為建筑設(shè)計(jì)工具。SketchUp的出現(xiàn)，使得在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)的構(gòu)想有了實(shí)現(xiàn)的可能。它操作簡(jiǎn)單、便于掌握，使得工作的節(jié)奏完全跟著設(shè)計(jì)師的意念走，能最大限度地體現(xiàn)設(shè)計(jì)師的主觀想法，更因?yàn)槠洹八娂此谩钡闹庇^特性，跨越了思維空間的轉(zhuǎn)換，在實(shí)踐項(xiàng)目中可以與客戶“短平快”地進(jìn)行交流，免去了由于知識(shí)差異而導(dǎo)致的認(rèn)知差異。

2 計(jì)算機(jī)輔助三維空間建筑設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

在起始階段，要先建立建筑用地的三維模型。建筑用地涵蓋了建筑基地本身并且延伸到毗鄰的街廓范圍，使我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中能夠清楚地表達(dá)建筑基地與周圍環(huán)境的關(guān)系。

2.1 建立模型與備份模型

(1)在CAD里整理包括地界的地形DWG文件。

(2)在SketchUp里建立模型地盤。

(3)啟動(dòng)SketchUp，從功能表File>import開啟文件選擇窗口，選擇Skp文件類型，載入建筑用地原始地盤模型。然后另存為一個(gè)工作模型，其目的是備份地盤原始模型，在這個(gè)工作模型上進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)。這樣做的目的是為了建立階段性的返回點(diǎn)，為重新設(shè)計(jì)保留最大的工作彈性。

在設(shè)計(jì)的不同階段，為了使電腦保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，我們會(huì)使用不同精度的模型。在建筑規(guī)模和量體控制階段，通常會(huì)使用簡(jiǎn)化的體塊模型，并使用比較簡(jiǎn)略的地盤模型。隨著設(shè)計(jì)的不斷深化，對(duì)于建筑的直觀印象逐步加強(qiáng)，需要逐漸提高模型的精細(xì)度，并換用比較細(xì)致的地盤。直到整個(gè)建筑配置確定的階段，才會(huì)用上精細(xì)的地盤模型。

2.2 建筑的單體設(shè)計(jì)

在建筑的量體計(jì)算、規(guī)劃配置以及建筑性能模擬(建筑性能的模擬可以運(yùn)用生態(tài)建筑大師Ecotect)定性之后，就要對(duì)建筑本身進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。從已經(jīng)建立的量體模型開始，依次進(jìn)行。

2.2.1 從量體模型到CAD進(jìn)行建筑尺寸調(diào)整

在模型的定量化設(shè)計(jì)階段，由于量體模型是根據(jù)建筑空間需求以粗略的尺度建立的，主要用于建筑物的原始外形以及與周邊環(huán)境的關(guān)系，這個(gè)階段未能仔細(xì)評(píng)量建筑物的空間組織、尺度和造型，因此從量體模型轉(zhuǎn)移到CAD產(chǎn)生的基準(zhǔn)平面還需要進(jìn)行尺度調(diào)整，并建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

(1)在SketchUp中，把視圖調(diào)整為Top(頂視圖)。

(2)把視圖的顯示模式從Perspective(透視圖)切換到Parallel Projection(平行投影)。

(3)刪除其他圖層，把模型都轉(zhuǎn)移到一個(gè)單獨(dú)的Layer圖層上。

(4)開啟Window(窗口)>Styles(風(fēng)格)>Edge(邊線)面板，去掉Profiles(輪廓線)項(xiàng)目的勾選。

(5)把“面屬性”的著色模式切換到Hidden Line(消隱線)模式。

(6)從File(文件)>Export(導(dǎo)出)>3D Model(3D模型)，開啟“Export Model”視窗，選擇導(dǎo)出的文件格式為“AutoCAD(*.dwg)”，從Option按鈕開啟“AutoCAD Export Options”面板，選擇導(dǎo)出的AutoCAD文件版本以及選擇導(dǎo)出Edges(邊線)。經(jīng)此從SketchUp導(dǎo)出DWG圖形。由于SketchUp不支持AutoCAD2008版本，因此要選擇相應(yīng)的版本，方便文件的相互轉(zhuǎn)換。

(7)在CAD里讀取DWG平面圖。在這里要注意單位，如果CAD里使用的圖形單位與SketchUp的模型單位不同，要根據(jù)兩者單位的倍數(shù)進(jìn)行縮放。

(8)開啟Layer Manager(圖形控制臺(tái))，將圖元所在的Layer鎖定，由于圓和弧從SKP模型原件轉(zhuǎn)換到DWG圖形格式以后會(huì)變成一連串線段，以及相交的邊線會(huì)在交叉點(diǎn)被分割成線段，這里得運(yùn)用AutoCAD繪圖命令重新描繪。

(9)新建Layer(圖層)，在圖層上重新描繪邊線，描完以后將原來的SKP圖元?jiǎng)h除，至此完成新的圖元。

(10)建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

2.2.2 把CAD圖形載入SketchUp重新建立準(zhǔn)確的SKP模型

將CAD底圖載入SketchUp里建立模型，涉及到幾個(gè)關(guān)鍵的問題。

(1)模型封面。剛載入的底圖是線型，要封面之后才能進(jìn)行模型的創(chuàng)建。封面有兩個(gè)必要的條件，一是用于封面的線必須在同一個(gè)平面上，二是這些線必須首尾相接而且閉合，二者缺一不可。此外，還要注意圓弧的段數(shù)，在CAD里繪制的圓和弧在導(dǎo)入SketchUp以后會(huì)轉(zhuǎn)換成24個(gè)線段連接的連續(xù)直線段，完成封面或者經(jīng)過拉伸編輯后就無法再改變圓或弧面邊緣的Segment(線段數(shù))，所以在封面之前先選取圓或弧開啟Entity Info(實(shí)體信息)面板，把既設(shè)的Segment值從24改為較大的數(shù)值(例如48或64)。

(2)重新建立模型。模型的封面工作完成后，為建立尺度準(zhǔn)確的建筑模型提供了條件。對(duì)于一棟小型的建筑物來講，構(gòu)架一個(gè)單一的三維模型，包括整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的全部內(nèi)容，也許可以順利實(shí)現(xiàn)。但是，對(duì)于一些大型的建筑，例如高層大樓、工業(yè)園區(qū)、大型的社區(qū)那樣的群體建筑，就包含建筑物內(nèi)外部詳細(xì)的建筑內(nèi)容，由于模型資料量非常大，并非一般用于繪制透視圖那樣只有外皮的模型可以應(yīng)付。隨著創(chuàng)建模型量的不斷增加，模型的操作效率會(huì)逐漸降低。所以，必須把模型按不同類型分開，使各類型的模型都有高效的操作。我們的方法是將模型分成建筑外觀模型和建筑樓層模型。建筑外觀模型只包含整棟建筑物的外觀表面，用于建筑配置的大場(chǎng)景中。建筑樓層模型則包含某個(gè)樓層詳細(xì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，可以組合成為整棟建筑單體模型，也可以用于樓層室內(nèi)空間設(shè)計(jì)。將模型分離之后，可以有效降低電腦硬件的負(fù)擔(dān)，保持設(shè)計(jì)過程的高效操作。

模型創(chuàng)建完后，要對(duì)建筑進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。從建筑物的采光、照明等環(huán)境物理?xiàng)l件，檢驗(yàn)建筑物室內(nèi)空間的開窗尺度和位置，以及建筑外觀的色彩，并為建筑物的墻面賦予材質(zhì)，落實(shí)建筑物內(nèi)外空間的銜接關(guān)系。

2.3 建筑設(shè)計(jì)的表達(dá)

對(duì)于一名建筑設(shè)計(jì)師來講，必須有能力把自己的設(shè)計(jì)、想法，準(zhǔn)確無誤地傳達(dá)給人。以往的表達(dá)方式是將設(shè)計(jì)藍(lán)圖攤在桌子上給大家講解，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多新的傳播媒介孕育而生。應(yīng)用電腦輔助三維空間的建筑設(shè)計(jì)方法，在各個(gè)階段設(shè)計(jì)的表達(dá)方式上有好幾種選擇，例如靜態(tài)圖像、動(dòng)畫模型演示、虛擬現(xiàn)實(shí)等。經(jīng)由SketchUp建立的三維模型，能實(shí)時(shí)地在電腦顯示器上進(jìn)行展示，并且可以隨時(shí)輸出各個(gè)方位的場(chǎng)景影像，甚至可以輸出動(dòng)態(tài)模擬演示，讓觀眾體驗(yàn)身臨其境的視覺感受。

2.3.1 從SketchUp輸出場(chǎng)景影像

有兩種方式可以從SketchUp輸出場(chǎng)景影像，第一種方式是直接把模型場(chǎng)景輸出為影像，另一種方式是對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行渲染輸出成“擬真影像”。這兩種方式產(chǎn)生的畫面效果不一樣，適合應(yīng)用的場(chǎng)合和產(chǎn)生的效益也有所不同。

(1)從SketchUp直接輸出影像。利用SketchUp的File(文件)>Export(導(dǎo)出)>2D Graphic(2D圖形)命令輸出靜態(tài)圖像，輸出之前可以預(yù)設(shè)圖像的分辨率，把場(chǎng)景的環(huán)境狀態(tài)設(shè)置在Scene(場(chǎng)景)中。選用的圖片格式也很多，最常用到的有JPEG、TIFF、PNG、PDF等幾種。

SketchUp特有的邊線(Edge)顯示模式會(huì)影響到圖像的清晰度，尤其是在遠(yuǎn)景顯示時(shí)會(huì)影響圖像的可讀性。對(duì)于這個(gè)問題，可以把影像的輸出分辨率調(diào)高，然后在PhotoShop里把圖片尺寸減小到使用要求的尺寸，這樣能使影像上的物體的輪廓邊線看起來細(xì)一些，不至于因?yàn)檫吘€顏色太深而影響到可讀性。

(2)使用渲染器渲染輸出影像。經(jīng)過渲染器渲染可以輸出擬真影像，能細(xì)致地表現(xiàn)出建筑在不同光照環(huán)境下的真實(shí)影像。市面上的渲染器應(yīng)用軟件很多，有Podium、LightUp、Vray For SketchUp等，其優(yōu)點(diǎn)是不必脫離SketchUp的工作環(huán)境就可以進(jìn)行渲染操作，可以隨時(shí)對(duì)燈光和材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。還有一些獨(dú)立的渲染器，例如Artlantis、Kerkythea、POVray、Hypersh ot等，要求利用轉(zhuǎn)換程序把SKY模型導(dǎo)出，轉(zhuǎn)換格式后，再載入渲染器內(nèi)執(zhí)行渲染輸出影像。

2.3.2 動(dòng)態(tài)模擬

SketchUp對(duì)于輸出動(dòng)畫并不像其他動(dòng)畫軟件那樣能設(shè)置相機(jī)路徑，而是直接利用場(chǎng)景頁面生成動(dòng)畫。要?jiǎng)?chuàng)建這種動(dòng)畫，牽涉到在SketchUp里面利用Scene工具建立的一連串Scene(頁面)，以及兩個(gè)設(shè)定對(duì)話框。其一是Model Info對(duì)話框里的“Animation”面板，其二是Export Animation對(duì)話框上的Options選項(xiàng)對(duì)話框。

輸出動(dòng)畫操作的步驟如下：

(1)先制作好兩個(gè)以上的Scene(頁面)。

(2)從下拉菜單選擇View>Animation(動(dòng)畫)>Settings(設(shè)置)，勾選Scene Transitions，設(shè)置頁面間過渡的秒數(shù)，例如1.5 s。把Scene Delay設(shè)置為0 s。

(3)從下拉菜單選擇File>Export Animation，點(diǎn)擊視窗右下角的Option(選項(xiàng))按鈕，設(shè)置Settings欄的影格寬度和高度，這一項(xiàng)設(shè)定動(dòng)畫影格的寬度和高度的像素值。這里需要注意的是像素值設(shè)定的大小，若像素太小，例如320×200，640×480等，整個(gè)動(dòng)畫視頻文件比較小，但由于SketchUp的邊線寬度固定為1個(gè)像素寬，影格畫面設(shè)的太小，在動(dòng)畫中就會(huì)顯得邊線很粗，視覺很差。如果把影格設(shè)置成1024×768或更高，雖然提高了畫面品質(zhì)，但是視頻文件大小和輸出時(shí)間都會(huì)大幅度增加，因此對(duì)于Settings里寬度和高度的像素值至少不要低于800×600。使用者需自己把握。

寬度高度欄位右側(cè)有個(gè)鏈條，可以鎖定寬高比例，只要在寬與高的任意欄位里輸入一個(gè)像素值，另一個(gè)欄位里的像素值會(huì)自動(dòng)改變。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊鏈條使其斷開，表示解除寬度與高度的連鎖狀態(tài)，可分別在兩個(gè)欄位里輸入設(shè)定值。在右邊有個(gè)選項(xiàng)4∶3和16∶9，這是兩個(gè)常用的影格寬高比例。

Frame Rate設(shè)為25或30。注意Codec(壓縮碼)這一項(xiàng)，建議先采用Cinepak Codec by Radius，這是最不容易失敗的壓縮碼。最后勾選Anti-alias(反鋸齒)。

(4)指定AVI文件名稱，即可輸出。

如果按這些順序操作還是無法輸出，則應(yīng)該是所安裝的SketchUp的Exporter存在問題。

3 結(jié)語

以上是筆者對(duì)計(jì)算機(jī)輔助三維空間建筑設(shè)計(jì)方法的一些看法，其中對(duì)運(yùn)用SketchUp進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些探索。其實(shí)一項(xiàng)建筑項(xiàng)目的產(chǎn)生，承載的信息內(nèi)容非常多，SketchUp的既有功能無法在單一模型上附加更多的信息。現(xiàn)今，一項(xiàng)新的技術(shù)——建筑信息模型(BIM)在建筑設(shè)計(jì)行業(yè)逐漸興起，應(yīng)用新一代“建筑信息模型”(BIM)這種參數(shù)化設(shè)計(jì)觀念構(gòu)建貫穿整個(gè)建筑生命周期的建筑信息載體，將成為下一代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主流。

參考文獻(xiàn)：

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