基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間優(yōu)化設(shè)計

裴 欣

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，安徽 六安 237001)

混凝土是目前我國建筑施工的主要基礎(chǔ)材料，它具有結(jié)構(gòu)強度高、剛度大、使用壽命長等優(yōu)點，同時，受外界環(huán)境和自身因素的影響，易發(fā)生變形、開裂、斷裂等問題。建筑施工單位要在實際運用中充分利用混凝土的優(yōu)點，就必須進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。對于高層建筑來說，由于其層數(shù)多、空間結(jié)構(gòu)變化多，對于安全性、耐久性和抗震性有著特別的要求，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)對于建筑施工的質(zhì)量有著很大的影響。因此，在高層建筑施工中，對混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計十分重視。

目前相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者針對混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了研究，曾學(xué)禮[1]設(shè)計了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑內(nèi)部空間。隨著混凝土與鋼筋材料的性能不斷提高，以及結(jié)構(gòu)理論與施工技術(shù)的發(fā)展，使得其在工礦、民用、橋梁、隧道等土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用。李志華[2]提出了高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究。根據(jù)筆者多年的工程實踐，通過大量的文獻資料，系統(tǒng)地分析了高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。

隨著技術(shù)水平的發(fā)展、人們審美眼光不斷提升，設(shè)計的建筑空間結(jié)構(gòu)趨向多樣化、復(fù)雜化[3]。在保證建筑空間結(jié)構(gòu)美觀的基礎(chǔ)上，為保證空間發(fā)揮其最大效用，本文提出利用虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術(shù)，對建筑空間進行優(yōu)化設(shè)計。

1 優(yōu)化設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間

1.1 VR技術(shù)改進建筑空間基本結(jié)構(gòu)

目前建筑空間分為多個層次和區(qū)域，每一層或每一區(qū)域的功能也有所不同，表1詳細(xì)介紹了常規(guī)建筑空間的基本功能構(gòu)成[4]。

表1 常規(guī)建筑空間基本功能構(gòu)成

建筑空間形態(tài)特征包括：對外集合內(nèi)部開放、邊界模糊空間靈活結(jié)構(gòu)以及模塊分區(qū)形式感強的特點，因此按照上述特點，利用VR技術(shù)的相似性原理，改進建筑空間基本結(jié)構(gòu)[5]。

相似性原理是指一組物理過程中，其各項參數(shù)之間存在固定的比例關(guān)系，其中就包括了它的幾何相似性。在相似性虛擬改進過程中，已知物理量的比例常數(shù)被稱為相似常數(shù)，其表達式為：

(1)

式中：PA為建筑結(jié)構(gòu)A的相似常數(shù)；x1為改進特征量；x2為建筑結(jié)構(gòu)原有特征量。利用上式完成對建筑空間形態(tài)特征的改進[6]。

同時對建筑環(huán)境特征進行調(diào)查，通過了解建筑用途，明確建筑整體氛圍、局部細(xì)節(jié)的人性化特點以及智能科技設(shè)備節(jié)點。將上述特征與建筑形態(tài)特征相融合，利用VR技術(shù)設(shè)置建筑的空間結(jié)構(gòu)與幾何尺寸，并在建筑結(jié)構(gòu)上附著于建筑用途相對應(yīng)的顏色與花紋，保證建筑空間的原有屬性[7]。

f(1，2，…，n)=PA×f()，

(2)

式中：f()為改進前的建筑空間結(jié)構(gòu)計算函數(shù)。

根據(jù)建筑基本空間形態(tài)特征、環(huán)境特征改進建筑空間結(jié)構(gòu)，其中部分改進結(jié)果，如圖1所示。

圖1 改進后的建筑空間基本結(jié)構(gòu)

由圖1可知，利用VR技術(shù)建立改進后的建筑空間基本結(jié)構(gòu)，隨時拆分調(diào)整結(jié)構(gòu)不恰當(dāng)或不匹配的銜接位置，根據(jù)上述操作，實現(xiàn)對建筑空間基本結(jié)構(gòu)的改進[8]。

1.2 優(yōu)化設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間功能

改進基本結(jié)構(gòu)的混凝土建筑空間，需要優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間功能，進而通過VR技術(shù)進行結(jié)構(gòu)匹配，最終生成完整的、可投入使用的建筑空間模型。根據(jù)建筑空間模型，對不同空間的使用功能重新優(yōu)化設(shè)計，賦予每一個區(qū)域新的使用功能，迎合時代發(fā)展的潮流和設(shè)計目的。圖2為空間功能優(yōu)化設(shè)計基本策略示意圖[9]。

圖2 功能優(yōu)化設(shè)計基本策略

建筑空間的拆分主要有2種形式：垂直方向上的拆分和水平方向的拆分。水平方向上的拆分較為簡單，只需要增加隔離墻就可以得到更多的獨立空間，滿足對增加使用空間數(shù)量的要求。這種拆分不會對已經(jīng)改進的建筑空間基本結(jié)構(gòu)進行改動，通過非結(jié)構(gòu)性的處理就可以實現(xiàn)。垂直空間的拆分適用于建筑空間內(nèi)部高度較高的建筑，通過對垂直方向進行分隔，增加使用空間數(shù)量、提高空間利用率[10-11]。此時容易造成垂直拆分的新舊結(jié)構(gòu)不匹配的問題，因此VR技術(shù)利用式(3)設(shè)置拆分比例：

k2=k1×c，

(3)

式中：k2為拆分調(diào)整后的虛擬模型尺寸；k1為實際混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間尺寸；c為比例尺。

利用式(3)可實現(xiàn)建筑空間的拆分。根據(jù)拆分后的虛擬模型進行重組，主要包括3種形式：完全獨立重組、互容重組和完全包容重組，如圖3所示[12]。

(1)完全獨立 (2)互容

由圖3可知，完全獨立是將2個拆分空間完全隔開；而互容是一個空間內(nèi)包含了另一個子空間；完全包容則為一個面積較大的空間，包容了結(jié)構(gòu)形態(tài)完全不一致的空間。根據(jù)空間重組形式，優(yōu)化設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間功能，通過建立全新的排列順序，增強建筑空間的使用功能。結(jié)合式(2～3)，得出排序后的虛擬建筑空間尺寸：

s0=k2×f(1，2，…，n)-Δs，

(4)

式中：Δs為空間重組誤差；s0為虛擬建筑空間尺寸。

當(dāng)s0與實際混凝土建筑空間尺寸s之間的比例符合實際時，則證明優(yōu)化后的空間功能設(shè)計是可以實現(xiàn)的[13]。

1.3 VR技術(shù)設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)匹配方式

當(dāng)優(yōu)化的建筑空間功能符合建筑幾何設(shè)計要求時，利用VR技術(shù)設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)匹配方式，通過混凝土之間的交互集成匹配，實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)建筑的空間優(yōu)化。VR技術(shù)下的交互集成，根據(jù)建筑與展示陳列、建筑與結(jié)構(gòu)以及建筑與設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)，通過形態(tài)對比與流線復(fù)合，實現(xiàn)建筑空間混凝土結(jié)構(gòu)之間的匹配。圖4是VR技術(shù)的測試模型，通過該模型檢測混凝土模型之間的匹配狀態(tài)[14]。

圖4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)測試模型

VR技術(shù)的3個分量分別為時間分量X、空間分量Y、屬性分量Z。其中時間分量描述空間設(shè)計的動態(tài)性；空間分量取值為0、1、2、3時，其分別對應(yīng)真實建筑空間和虛擬建筑模型的點、線、面、體，充分描述了建筑的空間性；而屬性分量則對應(yīng)特定時間和空間的建筑屬性[15]。利用該虛擬模型檢測混凝土模型之間的匹配程度，式(5)為控制該模型的基本算法。

(5)

式中：FX、FY、FZ分別為虛擬空間A1和實際建筑空間A2的匹配值；xi1、xi2、yi1、yi2、zi1、zi2分別為2個空間內(nèi)，第i個混凝土結(jié)構(gòu)的時間、空間以及屬性因子；ωi為建筑空間匹配權(quán)重[16]。

根據(jù)式(5)得出匹配度測試結(jié)果為：

(6)

式中：F為匹配值；N為參與匹配測試的加權(quán)系數(shù)。

根據(jù)F的計算結(jié)果可以判斷模型構(gòu)件尺寸之間是否契合[17]。當(dāng)F≥0.97時，表示模型構(gòu)件之間高度契合；當(dāng)0.95

2 實驗結(jié)果與分析

將此次提出的建筑空間優(yōu)化設(shè)計方法，與傳統(tǒng)的建筑空間優(yōu)化設(shè)計方法進行對比，分析不同建筑技術(shù)下，混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間的優(yōu)化效果。

隨機選取2處建筑作為實驗測試對象，其中對象A為簡單結(jié)構(gòu)建筑空間，對象B為復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑空間。已知建筑物的混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。利用2種方法在改變混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，完成對建筑物空間的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

表2 混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)表2中參數(shù)，分別利用2種優(yōu)化設(shè)計方法，對2組實驗測試對象進行空間優(yōu)化。將此次提出的優(yōu)化設(shè)計方法作為實驗組，將傳統(tǒng)空間優(yōu)化設(shè)計方法作為對照組。圖5是對簡單結(jié)構(gòu)建筑A的優(yōu)化設(shè)計測試結(jié)果。

圖5 簡單結(jié)構(gòu)建筑的空間優(yōu)化設(shè)計測試結(jié)果

由圖5可知，2種優(yōu)化設(shè)計方法，對于簡單結(jié)構(gòu)建筑空間，平均優(yōu)化比例分別為97.17%和96.71%，均有較高的優(yōu)化比例。再對復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑B進行空間優(yōu)化設(shè)計，圖6為實驗測試結(jié)果。

由圖6可知，面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑空間，所提出的優(yōu)化設(shè)計下，平均優(yōu)化比例維持在94.34%；而傳統(tǒng)空間優(yōu)化設(shè)計下，平均優(yōu)化比例則降到了85.32%，比所提出的優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)化比例，低了9.02%。綜合2組實驗測試結(jié)果，可知所提出的空間優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)化效果更好。

圖6 復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑的空間優(yōu)化設(shè)計測試結(jié)果

3 結(jié)束語

利用VR技術(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間進行優(yōu)化，通過增加構(gòu)件模型之間的契合度，增強虛擬建筑結(jié)構(gòu)之間的匹配程度，實現(xiàn)更加全面的建筑空間優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)空間優(yōu)化設(shè)計方法由于建筑結(jié)構(gòu)匹配差，導(dǎo)致優(yōu)化比例偏低的問題。但此次提出的空間優(yōu)化設(shè)計方法，并沒有考慮地理位置信息等環(huán)境因素，今后的研究設(shè)計，可以再對這一點進行優(yōu)化分析。