三维设计、虚拟现实与建筑设计新平台的构想

杜慧敏

摘 要：随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，设计领域爆发了一次又一次技术革命，设计速度及精准程度都在翻倍地提高。三维设计与虚拟现实的完美结合，将为相关的上下游领域开拓无限的发展空间。

关键词：设计工厂化 虚拟现实 三维设计 工程项目一体化

一、关于三维设计

1. 三维设计的意义与作用

三维CAD系统中的工程图设计与一般二维设计系统不完全相同，三维CAD系统中的工程图设计可以直接由三维模型投影而成，从而保证各个视图的正确性，使用者只需要对视图中个别线条进行调整，并标注工程符号，即可满足工程图纸的要求。

三维模型设计中包括了产品完整的几何结构，还可以从三维模型中產生其他各种视图，除基本标准的三视图外，还可生成轴测图、向视图、各种剖视图、局部视图等。由于三维CAD系统中三维/二维的全相关性，那么在不同的设计环境中，模型都是相互关联的，可以在三维、二维或其他设计环境中直接修改模型的结构和尺寸，其他的模型可以自动更新。三维/二维的全相关可以保证设计的修改在三维与二维模型中保持一致。

2. 如何认识和理解真正意义的CAD

利用计算机及有关应用软件， 完成传统意义上的二维绘图设计，人们称其为甩图板。由于现阶段仍以二维工程图作为主要技术文件，用以指导生产且在一定程度上可以提高设计效率，因此，通常称其为CAD。在得到一定的普及之后，可以发觉，二维绘图在许多情况下，不能完全表述其设计意图，难于完全表现出思维中零部件的材料、形状、尺寸、相关联零件等三维实体。由于以前手段的限制，人们不得不通过若干个二维图来描述一个必须不断修正和完善，才三维设想，而它的不唯一和完整性，能表达清楚。

现在人们能够在软件的支持下，直接由思维中的三维模型开始设计，有了表达全部几何参数和设计构想的可能，使得整体设计过程能够在三维模型中分析与研究，并能使用统一的数据 ，因而能够更好地完善其设计思想，从而使设计方案理想化。

应用统一的数据进行三维实体设计，并以此为基础对整体设计或部件进行有限元分析、运动分析、装配的干涉检查、机构仿真、NC程序的自动编制、准确的二维工程图生成以及外形质感、颜色或动画外观效果的渲染。完成对全部设计过程的真正有效辅助的，成为有明确的技术效果和显著经济效益的CAD

3. 全参数化驱动三维模型应用的必要性与可能性

所谓设计模型的建立，亦即设计数据库的填充过程。而建立数据库的目的，是在以后的设计装配中引用和修改。其中的某些数据，最终完成整个设计。因此不能进行参数驱动的三维模型，在设计中几乎没多少用途。

参数化驱动，包含对于新设计的零件，引用的标准件和借用件以及其他外部组件，当然也包含了对各个零部件之间的装配关系、位置关系乃至运动关系等等。在机械设计中，设计模型，就是各种机械零件的实际模型。所有的模型均可以分解成有限品种的构成特征，而每一种构成特征，又可以用有限的参数完全约束，即参数化。因而，现在的产品设计中， 全部可以用参数化的三维模型来表述。

三维CAD系统中，用参数化约束所设计零、部件的尺寸关系；进而使得所设计的产品更易变更和修改，管理起来也较二维设计方便可行。 在装配设计中除了在定义零部件之间的关系时需要采用参数化、变量化设计以外，为了更好地表述设计者的构想意图，也需要参数化和变量化技术来建立装配体中各个零部件之间的特征形状和尺寸之间的关系，使得当其中某个零部件的形状和尺寸发生变化时，其他相关零部件的结构与尺寸也随之改变。支持在装配环境下设计新零件的系统，可以以已有零件的形状作为参考，建立新零件与已有零件之间的形状关联。当参考零件的形状和尺寸发生变化时，新零件的结构与尺寸也随之跟着变动。还可以利用参数化建立装配体中不同零部件之间的尺寸关联，定义驱动尺寸和参考尺寸。对于与有阵列分布的特征进行装配的情况，如螺栓与陈列分布的孔进行装配，则应能够自动完成其他螺栓与孔之间的装配设计。

4. 三维模型在工程分析与NC编程中的应用

三维CAD系统中，由于使用了统一的数据库，在设计的过程中均可对其中的一部分或全部设计，针对将要应用的工作环境及技术要求，进行应力/应变、结构强度、热力场等一系列的有限元分析计算，当然必须建立在一系列的试验基础之上。通过分析，反过来不断修改、完善设计思想，使之达到统一的完满。例如，钢结构设计，通过采用优化设计，即可节约大量的钢材和型材。

二维的CAD系统中，由于无法建立可用于工程分析的实体模型，对设计中的结构强度及热力场分布等计算，只能依赖于书本中的有关计算公式，且计算量和劳动强度均很大。如若设计修改，一切数据都需要重新计算。以致设计出“傻、大、黑、粗”的产品，既无技术效果可言，又无经济效益可谈。

三维CAD系统中，可藉助于三维实体模型及完整的造型结构，齐全的尺寸和几何约束，充分的可以参数驱动的数据，以便完成设计的修改和调整，零部件的装配、力学分析、运动分析、模拟仿真、数控加工等CAD设计过程。针对零件未来制造和使用过程的概要表达，加工方法要求、热处理要求、工件材质、加工测量、加工定位基准的选定及其他一些必须的工艺要求，利用系统的自动编程和后处理功能，实现NC自动化编程。再通过必要的模拟仿真，达到可以直接应用和指导生产。而二维CAD系统将无法完成上述工作，且人工编程易于受各种不确定因素的干扰，所编NC程序， 工作效率也难以达到要求 。

由于不同种类专业的设计习惯、规则、经验、试验方法都不一样，使三维CAD的推广应用在一定程度上遇到一些困难。这就要求在选择三维CAD软件时必须充分论证， 选择适合自己专业类别的软件应用，以达到事半功倍的效果。

三维CAD系统是技术创新和产品设计的有效辅助工具，也是产品设计的最终出路，这是无法回避的。如果再集成有有限元分析软件，将更加显著地提高设计质量和效果。对于大幅度替代或减少试制各个设计部门的协调、配合、设计数据的管理和使用，具有更大的实际意义。早日使用三维设计，就会及早取得经济和技术效益，因为它是CAD应用发展的必然趋势。

二、关于虚拟现实

虚拟现实（Virtual Reality）是近年兴起的一种计算机仿真系统，是一种先进的人机交互技术，它可以将意念中的事物以逼真的虚拟环境表现出来，让使用者在视觉上产生一种沉浸于“真实环境”的感觉，使用户有强烈的参与感。它不同于三维动画，因为三维动画只能展示预先设定的观察路径无法改变，只能播放观看，无互动功能，而虚拟现实则让人身临其境地随意走动在虚拟空间，不受时间限制地自主漫游，感受到运动带来的场景变化。

这种技术目前大量地应用于电子游戏及广告业，给商家带来了可观的经济效益，同时也应用于城市规划及房地产项目的策划及演示领域，应用于建筑施工图设计的到目前还没有。

其实这种技术远没有发挥其应有的作用的建筑施工图设计也需要这种技术。现在建筑师们最常用的软件不过完全是平面设计，而效果图的三维建模也仅仅是提高表现力而已若要表现室内则需化室内效果图，而且这些资料仅仅用于方案展示及本专业的立面设计及室内装修设计。对本专业的技术设计及其他相关专业没有任何意义。而如果将虚拟现实作为建筑设计的前期工作，其意义将是非凡的。

三、关于三维设计与虚拟现实的复合体

首先由建筑是在虚拟的空间内作出其虚拟的建筑，这个建筑不是通过平立剖面表现出来的建筑，而是用模拟建筑材料搭建真实的建筑仿真实体。其场景特性可反应拟建场地的自然状态，其建筑材料带有所选用建材特性可通过既定的属性反映出来。

这个模型搭建完成以后，就可以把它作为建筑专业的一次资料形成了一个共享空间，或者干脆称其为设计工厂；其他专业就可以开展工作。就好像一个工地。各个工种在不同的层面可以干各自工作。例如：结构专业可以在这个空间布置结构件。如梁板柱墙等构件并可通过特定的接口，与相应的结构分析程序对接，把此模型作为计算的原始输入，开展计算分析，省去了输入数据这一过程；计算的分析成果不再是通过数据文件进行抽象的提示，而是通过仿真的实体图象具体地表现出来，比如某根混凝土梁裂缝超出规范限制，那末计算机通过特定的设置，就让虚拟空间的这根梁出现裂缝，某根钢柱长细比过大，将显示钢柱为屈曲状态，并提示结构工程师修改梁柱的断面重新分析计算，直至构件设置合理为止，最后把结果存入共享虚拟建筑的相应层面。

在各专业在各自层面上工作时是互不干扰。但却是相互可视的。这样各种管线的布置是否交叉碰撞在此虚拟空间内都一目了然。整个设计过程类似于未来建筑施工的一次预演，即提高了效率，又提高设计质量。

这样对审查单位来说.所面对的设计成品不再是一本本的蓝图，而是设计人员建造的虚拟的现实建筑的只读文件，某个工程的所有信息都包含在磁盘上，磁盘上的文件不经授权是不能修改的。不同的专业审查人员可以进入这个虚拟现实中审核其所关心的问题。例如一个结构审图人员可以在此空间内用鼠标右键点击一根混凝土柱，屏幕出现下拉菜单，显示这根柱的属性诸如截面大小、混凝土标号、配筋数量等信息，如需要尚可显示相关的计算书内容，因此审图过程就像以次工程验收，

交付给施工单位的将是一张附带有设计人资质及各种行政许可证明的磁盘，土建施工方可以从中提取土建材料数量，钢筋加工方可以提取钢筋加工订货单，钢结构加工方可以直接提取转化钢结构制作详图，设备订货方可以用专用的软件从中提取设备清单；经济专业可以提取各工种工程清单，报出工程造价。

工程施工方可以籍此模型制定安装施工方案，且可以在虚拟空间内进行吊装方案的模拟演示。

建设方、监理可以模拟现实施工场景，控制施工进度和施工质量。

以上都是一些不成熟的设想，它对计算机性能的要求是很高的，但对于计算机技术日新月异发展的今天，这个障碍是完全可以克服的，现以新产品名为X1超级计算机，其计算速度超过了每秒52万亿次数，即达到了每秒60兆次浮点计算（teraflops）的水平。

现在缺少的只是一个组织者，用各种模块搭建这样一个建筑设计的超级平台，或者虽然这是一项浩大的工程，但却是极有意义的：一旦这样平台搭建成功，将改变现有的建筑设计模式，极大地提高设计效率及准确程度；对设计的延伸部分，对施工行业等都将将产生极其深远的的影响。

五、结论及建议

从完全的人工设计到CAD设计；从平面设计到三维设计，计算机给工程设计带来的效率及效益正日渐充分地发挥出来；总的趋势来看工程项目的数据描述将趋向于简单、准确、具象；从分析过程来看将趋向于高效、全面及深入；从成果上看将趋向于简便、明了、易于处理及可延伸性提高，其结果必然是三维设计与虚拟现实的有机结合体-虚拟的项目实体。

这将是工程设计一个全新的领域，需求是迫切的，条件是成熟的。该成果虽然不是唾手可得，但也绝不是高不可攀。建议有实力的软件开发人展开充分合作，發挥各自优势，共同搭建这一平台，工程项目一体化的梦想并不遥远。

参考文献：

[1]2004-12-20 中国用户论文集 张伟