虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)概念、優(yōu)化設(shè)計(jì)探究和實(shí)踐

【摘要】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要由概念和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等組成。本文對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分析時(shí)，主要從工程設(shè)計(jì)人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，利用信息技術(shù)和科學(xué)手段相結(jié)合，設(shè)計(jì)出安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的方案，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；概念；優(yōu)化

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)、拆遷設(shè)計(jì)和建筑建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作越來(lái)越繁瑣。為了設(shè)計(jì)出比較經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全的方案，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)中。此種技術(shù)不但可以降低設(shè)計(jì)難度，還可以設(shè)計(jì)出直觀、形象的建筑結(jié)構(gòu)，滿足了人們對(duì)建筑設(shè)計(jì)的要求。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（一）概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建的虛擬世界，可以生成交互式三維環(huán)境，參與者不僅可以清晰的感受到建筑模型的存在，還可以根據(jù)建筑運(yùn)動(dòng)和操作做出響應(yīng)，是一種可以利用觸覺、感覺和聽覺的感官器官感受的一種信息存在。簡(jiǎn)而言之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種比較理想的人機(jī)交互界面形式。用戶通常只需要佩戴頭盔和傳感手套，就可以在虛擬環(huán)境中漫游。此種技術(shù)具有交互性、想象性和臨境性特點(diǎn)。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

虛擬現(xiàn)實(shí)語(yǔ)言出現(xiàn)后，可以進(jìn)行全景背景、視頻、音頻、對(duì)象運(yùn)動(dòng)和紋理映射等操作。隨著虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)X3D轉(zhuǎn)換，促進(jìn)了虛擬技術(shù)的發(fā)展。X3D技術(shù)是XML和JAVA兩種技術(shù)的整合，能夠進(jìn)行可視化機(jī)損和參數(shù)化計(jì)算。在虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展下，已經(jīng)產(chǎn)生了各種虛擬技術(shù)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)建具有很大作用。

二、虛擬技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)工程的具體應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種反映現(xiàn)實(shí)世界存在的真實(shí)物體模型，可以是施工的房屋建筑，也可以是拆遷或產(chǎn)品的工程模型。此種技術(shù)主要將現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)和多種設(shè)備轉(zhuǎn)化為人們可以接收的物理現(xiàn)象，讓人們感受到虛擬世界的存在。具體應(yīng)用如下：

第一，珠海市建筑設(shè)計(jì)院承接了沙坪壩“工人村16號(hào)片區(qū)危改（匯景鉑庭）”由于此項(xiàng)目的難點(diǎn)是建筑房型比較雜糅，進(jìn)行此項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，此項(xiàng)目負(fù)責(zé)人利用虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，讓人們可以感受建成后的建筑情況，并邀請(qǐng)開發(fā)商和還遷戶參與到其中，同時(shí)對(duì)事項(xiàng)建設(shè)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出形象、直觀的設(shè)計(jì)方案，滿足了開發(fā)商和還遷戶的要求，最大化地利用了建筑。第二，宏帆曦城項(xiàng)目的建筑設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)用地位于江北區(qū)大石壩組團(tuán)D14-7地塊，是重慶市江北區(qū)重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)適用房和部分還遷房。此項(xiàng)目設(shè)計(jì)師結(jié)合實(shí)際情況，構(gòu)建模擬三維環(huán)境，然后利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算、設(shè)計(jì)、畫圖等操作，不僅降低了建筑設(shè)計(jì)難度，還給項(xiàng)目設(shè)計(jì)增加了創(chuàng)新感。第三，貴州金沙縣建安壹號(hào)小區(qū)景觀方案設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目位于貴州省金沙縣，建筑設(shè)計(jì)屬于ART DECO建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格，采用黃色系石材作為外墻材料，整體印象高聳、挺拔、穩(wěn)定，締造出經(jīng)典歐陸風(fēng)情的景觀氣質(zhì)。進(jìn)行此項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓設(shè)計(jì)者和工程人員直觀形象的看到設(shè)計(jì)效果，感受建筑周圍環(huán)境的變化，不僅降低了設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)力度，還提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少了資金浪費(fèi)。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與結(jié)構(gòu)概念、優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)合

（一）結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

概念是人們的發(fā)展中對(duì)某類事物發(fā)展總結(jié)出理解，從工程結(jié)構(gòu)上分析，概念就是對(duì)金屬結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)和安全的把握。按照工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，可以將工程設(shè)計(jì)內(nèi)容劃分為兩種。一種是符號(hào)推理作業(yè)，主要進(jìn)行設(shè)計(jì)工作；另一種是數(shù)值計(jì)算工作，主要進(jìn)行分析、繪圖、填寫各種表格和計(jì)算等。從設(shè)計(jì)方法上，前者稱之為概念設(shè)計(jì)，后者稱之為細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。

概念設(shè)計(jì)可以體現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想。建筑結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中，工程設(shè)計(jì)人員不僅要在規(guī)定的建筑空間中，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)出總體方案，還要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)各個(gè)體系之間的力學(xué)關(guān)系進(jìn)行總結(jié)，詳細(xì)計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的關(guān)系。

（二）概念設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

1.結(jié)構(gòu)方案階段

結(jié)構(gòu)方案階段主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案選擇，包括結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系的受力方向必須明確，而且同一結(jié)構(gòu)單元不應(yīng)使用不同的結(jié)構(gòu)體系；合理選擇結(jié)構(gòu)類型，同時(shí)確定結(jié)構(gòu)方案并進(jìn)行比較。

2.結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

第一，荷載計(jì)算。荷載計(jì)算式主要對(duì)施工荷載、地震荷載、風(fēng)和在和雪荷載等進(jìn)行計(jì)算。上述不同荷載的計(jì)算，必須根據(jù)荷載要求和規(guī)定，利用組合系數(shù)對(duì)不同工況下的組合進(jìn)行計(jì)算。第二，構(gòu)件試算。當(dāng)荷載值計(jì)算出來(lái)后，可以根據(jù)構(gòu)件操作要求，利用手冊(cè)試算方法確定結(jié)構(gòu)界面。第三，計(jì)算內(nèi)力。按照構(gòu)件界面及荷載計(jì)算構(gòu)件內(nèi)力，主要對(duì)拉力、剪力、軸心壓力進(jìn)行計(jì)算。第四，計(jì)算構(gòu)件。構(gòu)件計(jì)算必須根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及規(guī)范操作要求等，對(duì)裂縫、軸壓比和撓度進(jìn)行確定，如果構(gòu)件界面布置不滿足施工要求，必須反復(fù)布置，直到滿足施工規(guī)范為止。

（三）概念設(shè)計(jì)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

虛擬技術(shù)和三維建模技術(shù)的廣泛應(yīng)用，給概念設(shè)計(jì)提供了很大的平臺(tái)。在結(jié)構(gòu)概念中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表示在虛擬環(huán)境中，建筑設(shè)計(jì)人員利用數(shù)據(jù)庫(kù)、工程數(shù)據(jù)等建筑三維虛擬模型，在短期內(nèi)，形成具有強(qiáng)烈立體感和現(xiàn)實(shí)感的仿真系統(tǒng)，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化分析和參數(shù)化設(shè)計(jì)，比較設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行修改。

（四）優(yōu)化設(shè)計(jì)張?zhí)摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

在三維可視化虛擬環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員可以借助CAD軟件等構(gòu)建立體模型，然后再將幾何信息輸入到有限元分析中，形成可視化有限元模型，然后對(duì)該模型進(jìn)行分析。模型形成后的數(shù)據(jù)分別儲(chǔ)存在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)里面，同時(shí)可以轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)據(jù)文件，以圖像形式轉(zhuǎn)化出來(lái)，讓設(shè)計(jì)人員在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)而優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)。最后不斷進(jìn)行靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，利用圖像或圖像的形式展示出來(lái)，給設(shè)計(jì)人員的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方便。

結(jié)束語(yǔ)：

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，給建筑設(shè)計(jì)注入了新鮮活力，在建筑概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面具有很大的作用。此種技術(shù)的特點(diǎn)是減少建筑勞動(dòng)、降低設(shè)計(jì)人員的工作量，同時(shí)優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)性能。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展下，提高了工程質(zhì)量，降低了工程成本，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

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