计算机辅助三维空间的建筑设计方法探究

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

设计是一项原发于人类心智的活动。创造者脑海里抽象的意念要向外表达需要通过特定的媒介，作家用笔书写或电脑打字，作曲家使用钢琴。而建筑设计在设计师脑海中的原型要向外表达，惟一的方式是通过设计工具作为转换媒介绘制成图形。在建筑设计的过程中，长期依赖某种设计工具会形成下意识的习惯，会与我们的思维模式相互影响构成一种对自己最有效率的操作模式，可将其称之为“基于某类型设计工具的建筑设计方法”。

1 应用计算机辅助建筑设计方法的发展

20世纪80年代初期，个人电脑上市，并很快应用到各个行业的业务中，同时也进入了建筑设计领域。电脑辅助设计应用软件是为运用电脑辅助进行设计而开发的，称之为电脑辅助设计的原因是电脑永远无法取代人脑的主动思维能力，即使电脑的处理能力再强，也只能被动地辅助人脑工作。

设计界于1995年“甩开图板搞设计”之后，有将近10年的时间，CAD几乎是惟一的应用工具。设计师们每天应用CAD操作电脑屏幕上的图形，但是很少想过运用CAD在电脑上所做的究竟是“制图”还是“设计”。CAD要求毫厘不差，在操作的过程中需要不断地进行零星计算才能精准输入，这些过于理性的操作会使设计思路一再受到干扰而中断。因此从设计的角度来看，CAD只能算是一个制图软件，即使是用上了CAD，设计师在进行设计构想时，还是得先在纸上勾勒草图、推敲方案。而且由于CAD的向量格式图形界面多半显示线架图形，无法显示出物体的表面形状，这对于CAD软件应用在三维建筑设计上是一个致命的缺点。设计师脑海中的设计构想是三维的，在进行设计的过程中，如果通过视觉回馈，能直观地在电脑上看到即时显示的三维立体影像，才有机会经由电脑直接“做设计”。

为了明确阐述电脑辅助三维空间的设计方法，在这里我们选择Google SketchUp这个软件作为建筑设计工具。SketchUp的出现，使得在计算机上进行实时设计、交互设计的构想有了实现的可能。它操作简单、便于掌握，使得工作的节奏完全跟着设计师的意念走，能最大限度地体现设计师的主观想法，更因为其“所见即所得”的直观特性，跨越了思维空间的转换，在实践项目中可以与客户“短平快”地进行交流，免去了由于知识差异而导致的认知差异。

2 计算机辅助三维空间建筑设计方法的应用

在起始阶段，要先建立建筑用地的三维模型。建筑用地涵盖了建筑基地本身并且延伸到毗邻的街廓范围，使我们在设计的过程中能够清楚地表达建筑基地与周围环境的关系。

2.1 建立模型与备份模型

(1)在CAD里整理包括地界的地形DWG文件。

(2)在SketchUp里建立模型地盘。

(3)启动SketchUp，从功能表File>import开启文件选择窗口，选择Skp文件类型，载入建筑用地原始地盘模型。然后另存为一个工作模型，其目的是备份地盘原始模型，在这个工作模型上进行建筑设计。这样做的目的是为了建立阶段性的返回点，为重新设计保留最大的工作弹性。

在设计的不同阶段，为了使电脑保持良好的运行状态，我们会使用不同精度的模型。在建筑规模和量体控制阶段，通常会使用简化的体块模型，并使用比较简略的地盘模型。随着设计的不断深化，对于建筑的直观印象逐步加强，需要逐渐提高模型的精细度，并换用比较细致的地盘。直到整个建筑配置确定的阶段，才会用上精细的地盘模型。

2.2 建筑的单体设计

在建筑的量体计算、规划配置以及建筑性能模拟(建筑性能的模拟可以运用生态建筑大师Ecotect)定性之后，就要对建筑本身进行具体的设计。从已经建立的量体模型开始，依次进行。

2.2.1 从量体模型到CAD进行建筑尺寸调整

在模型的定量化设计阶段，由于量体模型是根据建筑空间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与周边环境的关系，这个阶段未能仔细评量建筑物的空间组织、尺度和造型，因此从量体模型转移到CAD产生的基准平面还需要进行尺度调整，并建立相应的结构系统。

(1)在SketchUp中，把视图调整为Top(顶视图)。

(2)把视图的显示模式从Perspective(透视图)切换到Parallel Projection(平行投影)。

(3)删除其他图层，把模型都转移到一个单独的Layer图层上。

(4)开启Window(窗口)>Styles(风格)>Edge(边线)面板，去掉Profiles(轮廓线)项目的勾选。

(5)把“面属性”的着色模式切换到Hidden Line(消隐线)模式。

(6)从File(文件)>Export(导出)>3D Model(3D模型)，开启“Export Model”视窗，选择导出的文件格式为“AutoCAD(*.dwg)”，从Option按钮开启“AutoCAD Export Options”面板，选择导出的AutoCAD文件版本以及选择导出Edges(边线)。经此从SketchUp导出DWG图形。由于SketchUp不支持AutoCAD2008版本，因此要选择相应的版本，方便文件的相互转换。

(7)在CAD里读取DWG平面图。在这里要注意单位，如果CAD里使用的图形单位与SketchUp的模型单位不同，要根据两者单位的倍数进行缩放。

(8)开启Layer Manager(图形控制台)，将图元所在的Layer锁定，由于圆和弧从SKP模型原件转换到DWG图形格式以后会变成一连串线段，以及相交的边线会在交叉点被分割成线段，这里得运用AutoCAD绘图命令重新描绘。

(9)新建Layer(图层)，在图层上重新描绘边线，描完以后将原来的SKP图元删除，至此完成新的图元。

(10)建立相应的结构系统。

2.2.2 把CAD图形载入SketchUp重新建立准确的SKP模型

将CAD底图载入SketchUp里建立模型，涉及到几个关键的问题。

(1)模型封面。刚载入的底图是线型，要封面之后才能进行模型的创建。封面有两个必要的条件，一是用于封面的线必须在同一个平面上，二是这些线必须首尾相接而且闭合，二者缺一不可。此外，还要注意圆弧的段数，在CAD里绘制的圆和弧在导入SketchUp以后会转换成24个线段连接的连续直线段，完成封面或者经过拉伸编辑后就无法再改变圆或弧面边缘的Segment(线段数)，所以在封面之前先选取圆或弧开启Entity Info(实体信息)面板，把既设的Segment值从24改为较大的数值(例如48或64)。

(2)重新建立模型。模型的封面工作完成后，为建立尺度准确的建筑模型提供了条件。对于一栋小型的建筑物来讲，构架一个单一的三维模型，包括整个建筑设计的全部内容，也许可以顺利实现。但是，对于一些大型的建筑，例如高层大楼、工业园区、大型的社区那样的群体建筑，就包含建筑物内外部详细的建筑内容，由于模型资料量非常大，并非一般用于绘制透视图那样只有外皮的模型可以应付。随着创建模型量的不断增加，模型的操作效率会逐渐降低。所以，必须把模型按不同类型分开，使各类型的模型都有高效的操作。我们的方法是将模型分成建筑外观模型和建筑楼层模型。建筑外观模型只包含整栋建筑物的外观表面，用于建筑配置的大场景中。建筑楼层模型则包含某个楼层详细的设计内容，可以组合成为整栋建筑单体模型，也可以用于楼层室内空间设计。将模型分离之后，可以有效降低电脑硬件的负担，保持设计过程的高效操作。

模型创建完后，要对建筑进行深化设计。从建筑物的采光、照明等环境物理条件，检验建筑物室内空间的开窗尺度和位置，以及建筑外观的色彩，并为建筑物的墙面赋予材质，落实建筑物内外空间的衔接关系。

2.3 建筑设计的表达

对于一名建筑设计师来讲，必须有能力把自己的设计、想法，准确无误地传达给人。以往的表达方式是将设计蓝图摊在桌子上给大家讲解，随着计算机技术的发展，许多新的传播媒介孕育而生。应用电脑辅助三维空间的建筑设计方法，在各个阶段设计的表达方式上有好几种选择，例如静态图像、动画模型演示、虚拟现实等。经由SketchUp建立的三维模型，能实时地在电脑显示器上进行展示，并且可以随时输出各个方位的场景影像，甚至可以输出动态模拟演示，让观众体验身临其境的视觉感受。

2.3.1 从SketchUp输出场景影像

有两种方式可以从SketchUp输出场景影像，第一种方式是直接把模型场景输出为影像，另一种方式是对场景进行渲染输出成“拟真影像”。这两种方式产生的画面效果不一样，适合应用的场合和产生的效益也有所不同。

(1)从SketchUp直接输出影像。利用SketchUp的File(文件)>Export(导出)>2D Graphic(2D图形)命令输出静态图像，输出之前可以预设图像的分辨率，把场景的环境状态设置在Scene(场景)中。选用的图片格式也很多，最常用到的有JPEG、TIFF、PNG、PDF等几种。

SketchUp特有的边线(Edge)显示模式会影响到图像的清晰度，尤其是在远景显示时会影响图像的可读性。对于这个问题，可以把影像的输出分辨率调高，然后在PhotoShop里把图片尺寸减小到使用要求的尺寸，这样能使影像上的物体的轮廓边线看起来细一些，不至于因为边线颜色太深而影响到可读性。

(2)使用渲染器渲染输出影像。经过渲染器渲染可以输出拟真影像，能细致地表现出建筑在不同光照环境下的真实影像。市面上的渲染器应用软件很多，有Podium、LightUp、Vray For SketchUp等，其优点是不必脱离SketchUp的工作环境就可以进行渲染操作，可以随时对灯光和材质进行调整。还有一些独立的渲染器，例如Artlantis、Kerkythea、POVray、Hypersh ot等，要求利用转换程序把SKY模型导出，转换格式后，再载入渲染器内执行渲染输出影像。

2.3.2 动态模拟

SketchUp对于输出动画并不像其他动画软件那样能设置相机路径，而是直接利用场景页面生成动画。要创建这种动画，牵涉到在SketchUp里面利用Scene工具建立的一连串Scene(页面)，以及两个设定对话框。其一是Model Info对话框里的“Animation”面板，其二是Export Animation对话框上的Options选项对话框。

输出动画操作的步骤如下：

(1)先制作好两个以上的Scene(页面)。

(2)从下拉菜单选择View>Animation(动画)>Settings(设置)，勾选Scene Transitions，设置页面间过渡的秒数，例如1.5 s。把Scene Delay设置为0 s。

(3)从下拉菜单选择File>Export Animation，点击视窗右下角的Option(选项)按钮，设置Settings栏的影格宽度和高度，这一项设定动画影格的宽度和高度的像素值。这里需要注意的是像素值设定的大小，若像素太小，例如320×200，640×480等，整个动画视频文件比较小，但由于SketchUp的边线宽度固定为1个像素宽，影格画面设的太小，在动画中就会显得边线很粗，视觉很差。如果把影格设置成1024×768或更高，虽然提高了画面品质，但是视频文件大小和输出时间都会大幅度增加，因此对于Settings里宽度和高度的像素值至少不要低于800×600。使用者需自己把握。

宽度高度栏位右侧有个链条，可以锁定宽高比例，只要在宽与高的任意栏位里输入一个像素值，另一个栏位里的像素值会自动改变。用鼠标点击链条使其断开，表示解除宽度与高度的连锁状态，可分别在两个栏位里输入设定值。在右边有个选项4∶3和16∶9，这是两个常用的影格宽高比例。

Frame Rate设为25或30。注意Codec(压缩码)这一项，建议先采用Cinepak Codec by Radius，这是最不容易失败的压缩码。最后勾选Anti-alias(反锯齿)。

(4)指定AVI文件名称，即可输出。

如果按这些顺序操作还是无法输出，则应该是所安装的SketchUp的Exporter存在问题。

3 结语

以上是笔者对计算机辅助三维空间建筑设计方法的一些看法，其中对运用SketchUp进行建筑设计进行了一些探索。其实一项建筑项目的产生，承载的信息内容非常多，SketchUp的既有功能无法在单一模型上附加更多的信息。现今，一项新的技术——建筑信息模型(BIM)在建筑设计行业逐渐兴起，应用新一代“建筑信息模型”(BIM)这种参数化设计观念构建贯穿整个建筑生命周期的建筑信息载体，将成为下一代计算机辅助设计的主流。

参考文献：

[1] 柏基，黄小清.直接操作三维空间的建筑设计方法[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[2] 彭时矿.计算机辅助设计软件在建筑设计中的研究与应用[D].上海：上海交通大学，2009.