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摘要:由于傳統(tǒng)的建筑空間優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對混凝土結(jié)構(gòu)之間的匹配能力較差，導(dǎo)致空間優(yōu)化比例較低，因此基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提出全新的混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改進(jìn)建筑空間基本結(jié)構(gòu);通過設(shè)計(jì)空間重組形式，優(yōu)化設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間功能;基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)測試模型，設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)匹配方式，增加建筑空間優(yōu)化比例。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的空間優(yōu)化設(shè)計(jì)相比，所提出空間優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對建筑空間優(yōu)化的比例更高，可見虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)的匹配效果更好。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);混凝土結(jié)構(gòu);建筑空間;優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(qiáng)度高、剛度大、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，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(shí)際運(yùn)用中充分利用混凝土的優(yōu)點(diǎn)，就必須進(jìn)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(jì)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(jì)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(jìn)行了研究，曾學(xué)禮［1］設(shè)計(jì)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(jì)優(yōu)化研究。根據(jù)筆者多年的工程實(shí)踐，通過大量的文獻(xiàn)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(jì)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(shí)(VirtualＲeality，VＲ)技術(shù)，對建筑空間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1優(yōu)化設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間

1.1VＲ技術(shù)改進(jìn)建筑空間基本結(jié)構(gòu)

目前建筑空間分為多個(gè)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］。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(qiáng)的特點(diǎn)，因此按照上述特點(diǎn)，利用VＲ技術(shù)的相似性原理，改進(jìn)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(xiàng)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(jìn)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(dá)式為:PA=x1x2，(1)式中:PA為建筑結(jié)構(gòu)A的相似常數(shù);x1為改進(jìn)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(jìn)［6］。同時(shí)對建筑環(huán)境特征進(jìn)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(diǎn)以及智能科技設(shè)備節(jié)點(diǎn)。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］。假設(shè)通過VＲ技術(shù)得到的各個(gè)物理量之間的相似性準(zhǔn)則為1，2，…，n，則根據(jù)準(zhǔn)則之間的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合式(1)，設(shè)置改進(jìn)后的建筑空間模型生成函數(shù)，通過該函數(shù)自動(dòng)生成新的建筑空間結(jié)構(gòu):f(1，2，…，n)=PA×f()，(2)式中:f()為改進(jìn)前的建筑空間結(jié)構(gòu)計(jì)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(jìn)建筑空間結(jié)構(gòu)，其中部分改進(jìn)結(jié)果，如圖1所示。由圖1可知，利用VＲ技術(shù)建立改進(jìn)后的建筑空間基本結(jié)構(gòu)，隨時(shí)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(shí)現(xiàn)對建筑空間基本結(jié)構(gòu)的改進(jìn)［8］。

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

改進(jìn)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(jìn)而通過VＲ技術(shù)進(jìn)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(jì)，賦予每一個(gè)區(qū)域新的使用功能，迎合時(shí)代發(fā)展的潮流和設(shè)計(jì)目的。圖2為空間功能優(yōu)化設(shè)計(jì)基本策略示意圖［9］。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(dú)立空間，滿足對增加使用空間數(shù)量的要求。這種拆分不會(huì)對已經(jīng)改進(jìn)的建筑空間基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，通過非結(jié)構(gòu)性的處理就可以實(shí)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(jìn)行分隔，增加使用空間數(shù)量、提高空間利用率［10－11］。此時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)建筑空間的拆分。根據(jù)拆分后的虛擬模型進(jìn)行重組，主要包括3種形式:完全獨(dú)由圖3可知，完全獨(dú)立是將2個(gè)拆分空間完全隔開;而互容是一個(gè)空間內(nèi)包含了另一個(gè)子空間;完全包容則為一個(gè)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(jì)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(qiáng)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(shí)際混凝土建筑空間尺寸s之間的比例符合實(shí)際時(shí)，則證明優(yōu)化后的空間功能設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)的［13］。

1.3VＲ技術(shù)設(shè)計(jì)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(jì)要求時(shí)，利用VＲ技術(shù)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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］。VＲ技術(shù)的3個(gè)分量分別為時(shí)間分量X、空間分量Y、屬性分量Z。其中時(shí)間分量描述空間設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)性;空間分量取值為0、1、2、3時(shí)，其分別對應(yīng)真實(shí)建筑空間和虛擬建筑模型的點(diǎn)、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(shí)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。式中:FX、FY、FZ分別為虛擬空間A1和實(shí)際建筑空間A2的匹配值;xi1、xi2、yi1、yi2、zi1、zi2分別為2個(gè)空間內(nèi)，第i個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的時(shí)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: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(jì)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(shí)，表示模型構(gòu)件之間高度契合;當(dāng)0.95＜F＜0.97時(shí)，表示模型構(gòu)件之間常規(guī)契合，需要調(diào)整部分構(gòu)件的設(shè)置參數(shù);當(dāng)F≤0.95時(shí)，需要重新調(diào)整建筑模型設(shè)計(jì)參數(shù)。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將此次提出的建筑空間優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)的建筑空間優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)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(jī)選取2處建筑作為實(shí)驗(yàn)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。根據(jù)表2中參數(shù)，分別利用2種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對2組實(shí)驗(yàn)測試對象進(jìn)行空間優(yōu)化。將此次提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法作為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)空間優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)測試結(jié)果。由圖5可知，2種優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)行空間優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖6為實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(jì)方法的優(yōu)化比例，低了9.02%。綜合2組實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，可知所提出的空間優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化效果更好。

3結(jié)束語

利用VＲ技術(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)建筑空間進(jìn)行優(yōu)化，通過增加構(gòu)件模型之間的契合度，增強(qiáng)虛擬建筑結(jié)構(gòu)之間的匹配程度，實(shí)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(jì)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(jì)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(jì)，可以再對這一點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化分析。

作者:裴欣 單位:六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院