虛擬仿真技術(shù)在"索膜結(jié)構(gòu)"施工中的應用研究

何棟梁

摘 要：虛擬仿真技術(shù)是在建筑設計的過程中，從三維出發(fā)對建筑及其環(huán)境，以至于施工過程中進行科學的設計與監(jiān)督的一項現(xiàn)代技術(shù)。索膜結(jié)構(gòu)是一種新型的、高效利用空間的空間張拉體系。而對于索膜結(jié)構(gòu)來說，虛擬仿真技術(shù)對于其的實用性與外觀的把握十分重要。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；索膜結(jié)構(gòu)；設計；施工

索膜結(jié)構(gòu)是進入21世紀以來最為流行的空間張拉結(jié)構(gòu)，其空間有效利用與成本節(jié)約的特征，被認為是最有前途的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。而索膜結(jié)構(gòu)在設計的過程中，要利用數(shù)學建模與力學模型，做到科學的線性設計與數(shù)值分析。虛擬仿真技術(shù)就是鎖模結(jié)構(gòu)在設計中過程中要利用的主要技術(shù)之一。

1 虛擬仿真技術(shù)與索膜結(jié)構(gòu)概述

虛擬仿真是通過情景模擬，相似原理、數(shù)學建模構(gòu)圖、計算機編程、通信及共同作用的領(lǐng)域的具體應用技術(shù)為基礎，通過測繪與物理測量工具，借助數(shù)學模型，在實際的空間條件下，對未建造的項目進行預想與設計的一種學科。主要應用于工程與地質(zhì)勘探等科研領(lǐng)域。虛擬仿真有多種具體方式，如有情景仿真、數(shù)值仿真、虛擬現(xiàn)實（VR）仿真、結(jié)構(gòu)仿真等等。

索膜結(jié)構(gòu)源于帳篷結(jié)構(gòu)，美國杜邦公司開發(fā)出以聚四氟乙烯來為膜結(jié)構(gòu)涂層的玻璃纖維織物作為膜材料。隨著索膜結(jié)構(gòu)應用的增多與技術(shù)的改進，由充氣結(jié)構(gòu)頂棚到張拉索膜結(jié)構(gòu)，都有很廣泛的應用。索膜結(jié)構(gòu)從定義上講是由拉索、壓頂和膜材整體張拉組成的空間結(jié)構(gòu)體系。它的設計具有很強的幾何非線性，因此對于其結(jié)構(gòu)的設計要十分的科學，要用科學的數(shù)學模型建立其幾何非線性設計，同時虛擬仿真技術(shù)的應用對于索膜結(jié)構(gòu)的設計也起到十分關(guān)鍵的作用。索膜結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在的大型場館經(jīng)常見到，下圖為湖南大通湖高爾夫頂棚的一個實例。

2 虛擬仿真技術(shù)對索膜結(jié)構(gòu)施工的現(xiàn)實意義

虛擬仿真技術(shù)就是將現(xiàn)實情況與未來的建設情況結(jié)合在一起，可以使建筑設計與空間性在建筑設計階段就得到最接近實際的、全方位的展現(xiàn)，使得建筑設計中的空間設計更具交互性和可再升級性，場所的特點與設計理念得到了充分的表現(xiàn)，大大加強其真實性。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，可以全面的從遠至近的感受建筑的空間布局，在這個過程中還能對設計進行推敲和調(diào)整。不用等待建造時間，能夠充分的釋放創(chuàng)造力和靈感，這些是傳統(tǒng)的圖表設計所無法比擬的。

索膜結(jié)構(gòu)在設計的時候主要考慮到兩個力學結(jié)構(gòu)。首先是索單元力學模型，索結(jié)構(gòu)主要是拉桿，其抗拉剛度除了與其本身截面特性有關(guān)外，還與其自重、內(nèi)拉力和外部拉力有關(guān)。對此，索單元的設計要注意高柔性與應變的幾何非線性關(guān)系，要考慮荷載沿投影均布，要考慮荷載沿索長均布的曲索單元。第二是膜單元力學模型，膜結(jié)構(gòu)是一種抗拉，不抗彎和抗壓的柔性結(jié)構(gòu)，它靠薄膜表面的曲率變化，引起膜表面內(nèi)力重分布而產(chǎn)生剛度來抵抗垂直于曲面的外荷載的作用，要考慮到其幾何非線性效應。第三，綜合兩個力學結(jié)構(gòu)，經(jīng)常要考慮索出現(xiàn)松弛和膜出現(xiàn)皺褶的情況，松弛與褶皺的出現(xiàn)是因為膜結(jié)構(gòu)處于不完全拉伸狀態(tài)，對于索松弛單元和膜皺褶單元的處理，是通過迭代計算中加入適應的判斷準則來實現(xiàn)的。以上的三種基本的索膜結(jié)構(gòu)設計中為問題，虛擬仿真技術(shù)中的數(shù)學模型都要考慮到，并且要通過CAD等軟件，將設計圖做到十分精細。同時，虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)設計、網(wǎng)格變形的松弛狀況、索膜彈簧--質(zhì)點系統(tǒng)、薄膜結(jié)構(gòu)的風振響應調(diào)整等等細節(jié)上，都是要精密計算與模擬的。

3 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)中如何發(fā)揮效用

（1）虛擬仿真技術(shù)對建筑設計創(chuàng)作階段能實現(xiàn)全方位的效果展現(xiàn)

虛擬仿真技術(shù)中很重要的一項內(nèi)容就是虛擬現(xiàn)實，可以使建筑的空間的完整性在設想階段、建筑創(chuàng)作階段就得到充分的展現(xiàn)，使得建筑設計中的完整形象與完整性能更具交互性和靈活性，場所的設計理念與實用效果得到了充分的表現(xiàn)，建模與效果圖的真實性變得很高。在虛擬現(xiàn)實模仿系統(tǒng)中，設計者與參觀者可以通過模擬身臨其境地在建筑中體會，感受空間布局的結(jié)構(gòu)與比例，可以隨時對設計要素進行推敲和方案調(diào)整。這一點對于索膜結(jié)構(gòu)十分重要，索膜結(jié)構(gòu)的外觀要求也非常高，一項綜合建筑，要求外觀的協(xié)調(diào)，因此，模擬仿真技術(shù)能夠使索膜結(jié)構(gòu)施工之前，給主要的建筑設計師提供參考。

（2）建筑設計表達更全面

虛擬仿真技術(shù)提供給建筑師多角度、多維度、更大空間的人機交互設計的平臺與概念。設計者可以從靜止的狀態(tài)細致的觀察索膜結(jié)構(gòu)帳篷，或者以動態(tài)地體驗索膜結(jié)構(gòu)的特性。同時，設計者還可以根據(jù)物理環(huán)境與美觀設計實時比較不同方案，隨時的進行改進與完善。虛擬仿真體系還可以模擬太陽光照、周圍設備設施等，使得建筑的整體表達的更全面、更真實、更科學、更有說服力。

（3）使索膜結(jié)構(gòu)與其他設計環(huán)節(jié)的互動

如模擬索膜結(jié)構(gòu)整體的風環(huán)境，來制約建筑的物理結(jié)構(gòu)與外部造型，改善索膜結(jié)構(gòu)頂棚形成的周邊風環(huán)境造成的不利后果。此外，防火、防洪、照明、排煙控制和疏散通道等等的安全性進行科學設計與統(tǒng)籌考慮。

4 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)設計時的具體步驟

（1）概念設計

任何建筑的設計都要從建造概念開始。對于索膜結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)設計用途、與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)、反應的意向、膜外型的風格等等，都要有鮮明的概念，是要復古，還是現(xiàn)代，是要體現(xiàn)獨特，還是要體現(xiàn)出功能，十分重要。例如索膜結(jié)構(gòu)帳篷，目前在海邊越來越多的看得到，白色的頂棚與構(gòu)架，在陽光的直射下，顯得十分耀眼，和白色的沙灘十分協(xié)調(diào)，這樣的設計可以說是代表了海邊的建筑概念。

（2）方案設計

概念設計是整體的、初步的設計。在此基礎上，對設計進一步的修改與調(diào)研十分關(guān)鍵。方案的設計與推敲程度決定了索膜結(jié)構(gòu)的實用性、美觀性、科學性。在虛擬仿真設計中通過不同的重要視角的把握和比較，可以提供更多的選擇方案，可以不斷的使自己造型構(gòu)思的發(fā)展能得到有效的想象與驗證。對于設計過程的合理化，起了很大的作用。這種構(gòu)思表現(xiàn)的過程性和準確性是其它方法所無法比擬的。

（3）方案優(yōu)化

隨著索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對于框架與風格已經(jīng)不那么拘泥一種標準，更多的要求是設計的科學性與實用性，以及個性化。這就給了設計者在方案優(yōu)化的過程中出了難題，這就需要設計者與施工者在實地多考察與多交流，把實際情況摸清。把內(nèi)部、外部的轉(zhuǎn)換和延伸做到相輔相成，這樣才能促進方案設計的最終完成。

（4）做出詳細的效果圖并驗證

隨著設計的發(fā)展，虛擬仿真工作的效果圖也慢慢的完善，對于外表與內(nèi)部，都要做的十分詳細，很多數(shù)據(jù)要精確，并且把設計原因與理念都要寫清，這樣在方案的檢驗與回饋中，才能有章可查。找出在不同的概念和設計之間的出入，檢查方案從美觀到基本功能的有效實現(xiàn)等方面都要達標，為其他項目的后續(xù)設計與施工提供技術(shù)支持，實現(xiàn)整體效果的和諧。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中，已經(jīng)成為了一項十分重要的技術(shù)，尤其是索膜結(jié)構(gòu)，由于索膜結(jié)構(gòu)的個性化與差異化要求，虛擬仿真技術(shù)對于索膜結(jié)構(gòu)工程能提供很多幫助。同時，發(fā)達的計算機軟件與信息技術(shù)，也縮短了索膜結(jié)構(gòu)在設計與施工中的時間與工程周期，提高了效率，節(jié)約了成本。

參考文獻：

[1]藍天.當代膜結(jié)構(gòu)發(fā)展概述[J].世界建筑，2000，（9）.

[2]衛(wèi)東，沈世釗.薄膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)確定的幾種分析方法研究[J].哈爾濱建筑大學學報，2000，33.

[3] 陳盈盈.基于仿真理論及虛擬化技術(shù)的虛擬覆蓋網(wǎng)絡模型研究[D].上海：上海交通大學，2008.

基金項目：益陽市科技局2010年度科學研究項目2010JZ13

摘 要：虛擬仿真技術(shù)是在建筑設計的過程中，從三維出發(fā)對建筑及其環(huán)境，以至于施工過程中進行科學的設計與監(jiān)督的一項現(xiàn)代技術(shù)。索膜結(jié)構(gòu)是一種新型的、高效利用空間的空間張拉體系。而對于索膜結(jié)構(gòu)來說，虛擬仿真技術(shù)對于其的實用性與外觀的把握十分重要。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；索膜結(jié)構(gòu)；設計；施工

索膜結(jié)構(gòu)是進入21世紀以來最為流行的空間張拉結(jié)構(gòu)，其空間有效利用與成本節(jié)約的特征，被認為是最有前途的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。而索膜結(jié)構(gòu)在設計的過程中，要利用數(shù)學建模與力學模型，做到科學的線性設計與數(shù)值分析。虛擬仿真技術(shù)就是鎖模結(jié)構(gòu)在設計中過程中要利用的主要技術(shù)之一。

1 虛擬仿真技術(shù)與索膜結(jié)構(gòu)概述

虛擬仿真是通過情景模擬，相似原理、數(shù)學建模構(gòu)圖、計算機編程、通信及共同作用的領(lǐng)域的具體應用技術(shù)為基礎，通過測繪與物理測量工具，借助數(shù)學模型，在實際的空間條件下，對未建造的項目進行預想與設計的一種學科。主要應用于工程與地質(zhì)勘探等科研領(lǐng)域。虛擬仿真有多種具體方式，如有情景仿真、數(shù)值仿真、虛擬現(xiàn)實（VR）仿真、結(jié)構(gòu)仿真等等。

索膜結(jié)構(gòu)源于帳篷結(jié)構(gòu)，美國杜邦公司開發(fā)出以聚四氟乙烯來為膜結(jié)構(gòu)涂層的玻璃纖維織物作為膜材料。隨著索膜結(jié)構(gòu)應用的增多與技術(shù)的改進，由充氣結(jié)構(gòu)頂棚到張拉索膜結(jié)構(gòu)，都有很廣泛的應用。索膜結(jié)構(gòu)從定義上講是由拉索、壓頂和膜材整體張拉組成的空間結(jié)構(gòu)體系。它的設計具有很強的幾何非線性，因此對于其結(jié)構(gòu)的設計要十分的科學，要用科學的數(shù)學模型建立其幾何非線性設計，同時虛擬仿真技術(shù)的應用對于索膜結(jié)構(gòu)的設計也起到十分關(guān)鍵的作用。索膜結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在的大型場館經(jīng)常見到，下圖為湖南大通湖高爾夫頂棚的一個實例。

2 虛擬仿真技術(shù)對索膜結(jié)構(gòu)施工的現(xiàn)實意義

虛擬仿真技術(shù)就是將現(xiàn)實情況與未來的建設情況結(jié)合在一起，可以使建筑設計與空間性在建筑設計階段就得到最接近實際的、全方位的展現(xiàn)，使得建筑設計中的空間設計更具交互性和可再升級性，場所的特點與設計理念得到了充分的表現(xiàn)，大大加強其真實性。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，可以全面的從遠至近的感受建筑的空間布局，在這個過程中還能對設計進行推敲和調(diào)整。不用等待建造時間，能夠充分的釋放創(chuàng)造力和靈感，這些是傳統(tǒng)的圖表設計所無法比擬的。

索膜結(jié)構(gòu)在設計的時候主要考慮到兩個力學結(jié)構(gòu)。首先是索單元力學模型，索結(jié)構(gòu)主要是拉桿，其抗拉剛度除了與其本身截面特性有關(guān)外，還與其自重、內(nèi)拉力和外部拉力有關(guān)。對此，索單元的設計要注意高柔性與應變的幾何非線性關(guān)系，要考慮荷載沿投影均布，要考慮荷載沿索長均布的曲索單元。第二是膜單元力學模型，膜結(jié)構(gòu)是一種抗拉，不抗彎和抗壓的柔性結(jié)構(gòu)，它靠薄膜表面的曲率變化，引起膜表面內(nèi)力重分布而產(chǎn)生剛度來抵抗垂直于曲面的外荷載的作用，要考慮到其幾何非線性效應。第三，綜合兩個力學結(jié)構(gòu)，經(jīng)常要考慮索出現(xiàn)松弛和膜出現(xiàn)皺褶的情況，松弛與褶皺的出現(xiàn)是因為膜結(jié)構(gòu)處于不完全拉伸狀態(tài)，對于索松弛單元和膜皺褶單元的處理，是通過迭代計算中加入適應的判斷準則來實現(xiàn)的。以上的三種基本的索膜結(jié)構(gòu)設計中為問題，虛擬仿真技術(shù)中的數(shù)學模型都要考慮到，并且要通過CAD等軟件，將設計圖做到十分精細。同時，虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)設計、網(wǎng)格變形的松弛狀況、索膜彈簧--質(zhì)點系統(tǒng)、薄膜結(jié)構(gòu)的風振響應調(diào)整等等細節(jié)上，都是要精密計算與模擬的。

3 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)中如何發(fā)揮效用

（1）虛擬仿真技術(shù)對建筑設計創(chuàng)作階段能實現(xiàn)全方位的效果展現(xiàn)

虛擬仿真技術(shù)中很重要的一項內(nèi)容就是虛擬現(xiàn)實，可以使建筑的空間的完整性在設想階段、建筑創(chuàng)作階段就得到充分的展現(xiàn)，使得建筑設計中的完整形象與完整性能更具交互性和靈活性，場所的設計理念與實用效果得到了充分的表現(xiàn)，建模與效果圖的真實性變得很高。在虛擬現(xiàn)實模仿系統(tǒng)中，設計者與參觀者可以通過模擬身臨其境地在建筑中體會，感受空間布局的結(jié)構(gòu)與比例，可以隨時對設計要素進行推敲和方案調(diào)整。這一點對于索膜結(jié)構(gòu)十分重要，索膜結(jié)構(gòu)的外觀要求也非常高，一項綜合建筑，要求外觀的協(xié)調(diào)，因此，模擬仿真技術(shù)能夠使索膜結(jié)構(gòu)施工之前，給主要的建筑設計師提供參考。

（2）建筑設計表達更全面

虛擬仿真技術(shù)提供給建筑師多角度、多維度、更大空間的人機交互設計的平臺與概念。設計者可以從靜止的狀態(tài)細致的觀察索膜結(jié)構(gòu)帳篷，或者以動態(tài)地體驗索膜結(jié)構(gòu)的特性。同時，設計者還可以根據(jù)物理環(huán)境與美觀設計實時比較不同方案，隨時的進行改進與完善。虛擬仿真體系還可以模擬太陽光照、周圍設備設施等，使得建筑的整體表達的更全面、更真實、更科學、更有說服力。

（3）使索膜結(jié)構(gòu)與其他設計環(huán)節(jié)的互動

如模擬索膜結(jié)構(gòu)整體的風環(huán)境，來制約建筑的物理結(jié)構(gòu)與外部造型，改善索膜結(jié)構(gòu)頂棚形成的周邊風環(huán)境造成的不利后果。此外，防火、防洪、照明、排煙控制和疏散通道等等的安全性進行科學設計與統(tǒng)籌考慮。

4 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)設計時的具體步驟

（1）概念設計

任何建筑的設計都要從建造概念開始。對于索膜結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)設計用途、與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)、反應的意向、膜外型的風格等等，都要有鮮明的概念，是要復古，還是現(xiàn)代，是要體現(xiàn)獨特，還是要體現(xiàn)出功能，十分重要。例如索膜結(jié)構(gòu)帳篷，目前在海邊越來越多的看得到，白色的頂棚與構(gòu)架，在陽光的直射下，顯得十分耀眼，和白色的沙灘十分協(xié)調(diào)，這樣的設計可以說是代表了海邊的建筑概念。

（2）方案設計

概念設計是整體的、初步的設計。在此基礎上，對設計進一步的修改與調(diào)研十分關(guān)鍵。方案的設計與推敲程度決定了索膜結(jié)構(gòu)的實用性、美觀性、科學性。在虛擬仿真設計中通過不同的重要視角的把握和比較，可以提供更多的選擇方案，可以不斷的使自己造型構(gòu)思的發(fā)展能得到有效的想象與驗證。對于設計過程的合理化，起了很大的作用。這種構(gòu)思表現(xiàn)的過程性和準確性是其它方法所無法比擬的。

（3）方案優(yōu)化

隨著索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對于框架與風格已經(jīng)不那么拘泥一種標準，更多的要求是設計的科學性與實用性，以及個性化。這就給了設計者在方案優(yōu)化的過程中出了難題，這就需要設計者與施工者在實地多考察與多交流，把實際情況摸清。把內(nèi)部、外部的轉(zhuǎn)換和延伸做到相輔相成，這樣才能促進方案設計的最終完成。

（4）做出詳細的效果圖并驗證

隨著設計的發(fā)展，虛擬仿真工作的效果圖也慢慢的完善，對于外表與內(nèi)部，都要做的十分詳細，很多數(shù)據(jù)要精確，并且把設計原因與理念都要寫清，這樣在方案的檢驗與回饋中，才能有章可查。找出在不同的概念和設計之間的出入，檢查方案從美觀到基本功能的有效實現(xiàn)等方面都要達標，為其他項目的后續(xù)設計與施工提供技術(shù)支持，實現(xiàn)整體效果的和諧。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中，已經(jīng)成為了一項十分重要的技術(shù)，尤其是索膜結(jié)構(gòu)，由于索膜結(jié)構(gòu)的個性化與差異化要求，虛擬仿真技術(shù)對于索膜結(jié)構(gòu)工程能提供很多幫助。同時，發(fā)達的計算機軟件與信息技術(shù)，也縮短了索膜結(jié)構(gòu)在設計與施工中的時間與工程周期，提高了效率，節(jié)約了成本。

參考文獻：

[1]藍天.當代膜結(jié)構(gòu)發(fā)展概述[J].世界建筑，2000，（9）.

[2]衛(wèi)東，沈世釗.薄膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)確定的幾種分析方法研究[J].哈爾濱建筑大學學報，2000，33.

[3] 陳盈盈.基于仿真理論及虛擬化技術(shù)的虛擬覆蓋網(wǎng)絡模型研究[D].上海：上海交通大學，2008.

基金項目：益陽市科技局2010年度科學研究項目2010JZ13

摘 要：虛擬仿真技術(shù)是在建筑設計的過程中，從三維出發(fā)對建筑及其環(huán)境，以至于施工過程中進行科學的設計與監(jiān)督的一項現(xiàn)代技術(shù)。索膜結(jié)構(gòu)是一種新型的、高效利用空間的空間張拉體系。而對于索膜結(jié)構(gòu)來說，虛擬仿真技術(shù)對于其的實用性與外觀的把握十分重要。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；索膜結(jié)構(gòu)；設計；施工

索膜結(jié)構(gòu)是進入21世紀以來最為流行的空間張拉結(jié)構(gòu)，其空間有效利用與成本節(jié)約的特征，被認為是最有前途的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。而索膜結(jié)構(gòu)在設計的過程中，要利用數(shù)學建模與力學模型，做到科學的線性設計與數(shù)值分析。虛擬仿真技術(shù)就是鎖模結(jié)構(gòu)在設計中過程中要利用的主要技術(shù)之一。

1 虛擬仿真技術(shù)與索膜結(jié)構(gòu)概述

虛擬仿真是通過情景模擬，相似原理、數(shù)學建模構(gòu)圖、計算機編程、通信及共同作用的領(lǐng)域的具體應用技術(shù)為基礎，通過測繪與物理測量工具，借助數(shù)學模型，在實際的空間條件下，對未建造的項目進行預想與設計的一種學科。主要應用于工程與地質(zhì)勘探等科研領(lǐng)域。虛擬仿真有多種具體方式，如有情景仿真、數(shù)值仿真、虛擬現(xiàn)實（VR）仿真、結(jié)構(gòu)仿真等等。

索膜結(jié)構(gòu)源于帳篷結(jié)構(gòu)，美國杜邦公司開發(fā)出以聚四氟乙烯來為膜結(jié)構(gòu)涂層的玻璃纖維織物作為膜材料。隨著索膜結(jié)構(gòu)應用的增多與技術(shù)的改進，由充氣結(jié)構(gòu)頂棚到張拉索膜結(jié)構(gòu)，都有很廣泛的應用。索膜結(jié)構(gòu)從定義上講是由拉索、壓頂和膜材整體張拉組成的空間結(jié)構(gòu)體系。它的設計具有很強的幾何非線性，因此對于其結(jié)構(gòu)的設計要十分的科學，要用科學的數(shù)學模型建立其幾何非線性設計，同時虛擬仿真技術(shù)的應用對于索膜結(jié)構(gòu)的設計也起到十分關(guān)鍵的作用。索膜結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在的大型場館經(jīng)常見到，下圖為湖南大通湖高爾夫頂棚的一個實例。

2 虛擬仿真技術(shù)對索膜結(jié)構(gòu)施工的現(xiàn)實意義

虛擬仿真技術(shù)就是將現(xiàn)實情況與未來的建設情況結(jié)合在一起，可以使建筑設計與空間性在建筑設計階段就得到最接近實際的、全方位的展現(xiàn)，使得建筑設計中的空間設計更具交互性和可再升級性，場所的特點與設計理念得到了充分的表現(xiàn)，大大加強其真實性。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，可以全面的從遠至近的感受建筑的空間布局，在這個過程中還能對設計進行推敲和調(diào)整。不用等待建造時間，能夠充分的釋放創(chuàng)造力和靈感，這些是傳統(tǒng)的圖表設計所無法比擬的。

索膜結(jié)構(gòu)在設計的時候主要考慮到兩個力學結(jié)構(gòu)。首先是索單元力學模型，索結(jié)構(gòu)主要是拉桿，其抗拉剛度除了與其本身截面特性有關(guān)外，還與其自重、內(nèi)拉力和外部拉力有關(guān)。對此，索單元的設計要注意高柔性與應變的幾何非線性關(guān)系，要考慮荷載沿投影均布，要考慮荷載沿索長均布的曲索單元。第二是膜單元力學模型，膜結(jié)構(gòu)是一種抗拉，不抗彎和抗壓的柔性結(jié)構(gòu)，它靠薄膜表面的曲率變化，引起膜表面內(nèi)力重分布而產(chǎn)生剛度來抵抗垂直于曲面的外荷載的作用，要考慮到其幾何非線性效應。第三，綜合兩個力學結(jié)構(gòu)，經(jīng)常要考慮索出現(xiàn)松弛和膜出現(xiàn)皺褶的情況，松弛與褶皺的出現(xiàn)是因為膜結(jié)構(gòu)處于不完全拉伸狀態(tài)，對于索松弛單元和膜皺褶單元的處理，是通過迭代計算中加入適應的判斷準則來實現(xiàn)的。以上的三種基本的索膜結(jié)構(gòu)設計中為問題，虛擬仿真技術(shù)中的數(shù)學模型都要考慮到，并且要通過CAD等軟件，將設計圖做到十分精細。同時，虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)設計、網(wǎng)格變形的松弛狀況、索膜彈簧--質(zhì)點系統(tǒng)、薄膜結(jié)構(gòu)的風振響應調(diào)整等等細節(jié)上，都是要精密計算與模擬的。

3 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)中如何發(fā)揮效用

（1）虛擬仿真技術(shù)對建筑設計創(chuàng)作階段能實現(xiàn)全方位的效果展現(xiàn)

虛擬仿真技術(shù)中很重要的一項內(nèi)容就是虛擬現(xiàn)實，可以使建筑的空間的完整性在設想階段、建筑創(chuàng)作階段就得到充分的展現(xiàn)，使得建筑設計中的完整形象與完整性能更具交互性和靈活性，場所的設計理念與實用效果得到了充分的表現(xiàn)，建模與效果圖的真實性變得很高。在虛擬現(xiàn)實模仿系統(tǒng)中，設計者與參觀者可以通過模擬身臨其境地在建筑中體會，感受空間布局的結(jié)構(gòu)與比例，可以隨時對設計要素進行推敲和方案調(diào)整。這一點對于索膜結(jié)構(gòu)十分重要，索膜結(jié)構(gòu)的外觀要求也非常高，一項綜合建筑，要求外觀的協(xié)調(diào)，因此，模擬仿真技術(shù)能夠使索膜結(jié)構(gòu)施工之前，給主要的建筑設計師提供參考。

（2）建筑設計表達更全面

虛擬仿真技術(shù)提供給建筑師多角度、多維度、更大空間的人機交互設計的平臺與概念。設計者可以從靜止的狀態(tài)細致的觀察索膜結(jié)構(gòu)帳篷，或者以動態(tài)地體驗索膜結(jié)構(gòu)的特性。同時，設計者還可以根據(jù)物理環(huán)境與美觀設計實時比較不同方案，隨時的進行改進與完善。虛擬仿真體系還可以模擬太陽光照、周圍設備設施等，使得建筑的整體表達的更全面、更真實、更科學、更有說服力。

（3）使索膜結(jié)構(gòu)與其他設計環(huán)節(jié)的互動

如模擬索膜結(jié)構(gòu)整體的風環(huán)境，來制約建筑的物理結(jié)構(gòu)與外部造型，改善索膜結(jié)構(gòu)頂棚形成的周邊風環(huán)境造成的不利后果。此外，防火、防洪、照明、排煙控制和疏散通道等等的安全性進行科學設計與統(tǒng)籌考慮。

4 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)設計時的具體步驟

（1）概念設計

任何建筑的設計都要從建造概念開始。對于索膜結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)設計用途、與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)、反應的意向、膜外型的風格等等，都要有鮮明的概念，是要復古，還是現(xiàn)代，是要體現(xiàn)獨特，還是要體現(xiàn)出功能，十分重要。例如索膜結(jié)構(gòu)帳篷，目前在海邊越來越多的看得到，白色的頂棚與構(gòu)架，在陽光的直射下，顯得十分耀眼，和白色的沙灘十分協(xié)調(diào)，這樣的設計可以說是代表了海邊的建筑概念。

（2）方案設計

概念設計是整體的、初步的設計。在此基礎上，對設計進一步的修改與調(diào)研十分關(guān)鍵。方案的設計與推敲程度決定了索膜結(jié)構(gòu)的實用性、美觀性、科學性。在虛擬仿真設計中通過不同的重要視角的把握和比較，可以提供更多的選擇方案，可以不斷的使自己造型構(gòu)思的發(fā)展能得到有效的想象與驗證。對于設計過程的合理化，起了很大的作用。這種構(gòu)思表現(xiàn)的過程性和準確性是其它方法所無法比擬的。

（3）方案優(yōu)化

隨著索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對于框架與風格已經(jīng)不那么拘泥一種標準，更多的要求是設計的科學性與實用性，以及個性化。這就給了設計者在方案優(yōu)化的過程中出了難題，這就需要設計者與施工者在實地多考察與多交流，把實際情況摸清。把內(nèi)部、外部的轉(zhuǎn)換和延伸做到相輔相成，這樣才能促進方案設計的最終完成。

（4）做出詳細的效果圖并驗證

隨著設計的發(fā)展，虛擬仿真工作的效果圖也慢慢的完善，對于外表與內(nèi)部，都要做的十分詳細，很多數(shù)據(jù)要精確，并且把設計原因與理念都要寫清，這樣在方案的檢驗與回饋中，才能有章可查。找出在不同的概念和設計之間的出入，檢查方案從美觀到基本功能的有效實現(xiàn)等方面都要達標，為其他項目的后續(xù)設計與施工提供技術(shù)支持，實現(xiàn)整體效果的和諧。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中，已經(jīng)成為了一項十分重要的技術(shù)，尤其是索膜結(jié)構(gòu)，由于索膜結(jié)構(gòu)的個性化與差異化要求，虛擬仿真技術(shù)對于索膜結(jié)構(gòu)工程能提供很多幫助。同時，發(fā)達的計算機軟件與信息技術(shù)，也縮短了索膜結(jié)構(gòu)在設計與施工中的時間與工程周期，提高了效率，節(jié)約了成本。

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基金項目：益陽市科技局2010年度科學研究項目2010JZ13