三维模型在建筑设计中的应用

代荣杰 董 玮

(1.北京住总市政工程有限责任公司，北京 100027;2.中国建筑科学研究院，北京 100013)

1 前言

工程设计自80年代后期开始推广CAD应用，目前全行业CAD出图率基本达到了100%，不仅彻底把工程设计人员从传统的设计计算和绘图中解放出来，使他们能够把更多的时间和精力放在方案优化、改进和复核上，而且提高设计效率十几到几十倍，缩短了设计周期，提高了设计质量，经济效益十分显著。但是，国内很多设计院三维软件应用很不成功，在考察软件阶段过分看重软件的出图能力，而不是软件的综合设计能力，只注重满足单个专业的出图速度，而不注重协同能力和整体效率，领导在分配设计任务时所给的时间，是只够完成制图任务的时间，管理制度和专业之间的配合方式还停留在以制图为核心的旧模式。这样，就严重阻碍了现在建筑企业的信息化管理的发展。同时，衡量三维协同设计的方法有问题，总是用二维制图软件的制图速度去比较三维设计的速度，使用软件的员工以快速完成图纸材料表来评判三维软件，设计人员不愿意帮助下游专业也不奢望上游专业的帮助，管理者给与采用三维设计的员工的薪酬与制图没有差别。这样，就使得三维软件得不到广泛的应用。

2 建筑三维模型设计

2.1 数据共享

三维模型的三维，不仅仅是感官上的三维，还要记录其中的数据，建筑设计的数据可传输到结构设计、设备设计、节能审核及概预算部分，这样可极大地简化数据的输入。建筑轴网、轴线及柱、墙、门窗等构件布置，可形成结构布置的各层构架，而建筑设计所提供的材料、作法、填充墙等信息，又可生成结构分析所需的荷载信息。同时，建筑设计数据还可传送到设备设计部分，用于生成条件图和进行各种设备的计算。概预算工程量统计的数据也可从建筑模型中读取。这样极大地方便了设计单位各个专业部门的密切配合。

2.2 由三维模型生成施工图

为了在整个设计过程中沟通设计意图，建筑师必须既要做模型，又要出图纸，过去，这两种截然不同形式的沟通工具是必要的，相互可以弥补不足，近来随着数字模型和计算机绘图的发展，二者的界线逐渐模糊了。而三维模型建成以后，可以智能化生成建筑平、立、剖面和大样施工图，并完成自动标注，同时还要有灵活的编辑功能使设计人员能方便的修改字型和标注方向。特别是在反复修改建筑模型的情况下，其相关标注将随建筑模型自动同步修改，使建筑设计师省去了大量的工作。

2.3 三维效果，实时漫游

动态实时漫游使设计人员可以即时看到具有光照效果的三维建筑模型。前后遮挡关系及光照与阴影部分的明暗对比，这种三维浏览方式能够更清晰地表现出建筑模型的真实效果，有身临其境的感觉。通过使用软件提供的动态移动功能，用户只用鼠标就可以控制前进、后退、转向、旋转、平移、原地观望、视角缩放等复杂动作，实现真正意义上的漫游。

图1 建筑模型及其转到结构以后的结构模型

2.4 渲染出效果图

根据三维模型直接完成真实建筑色彩、材质及光照效果的渲染图像制作，使人能够与生成的虚拟时间实时交互，三维模型的优点在于随时可以更换角度观察，更换背景进行渲染，突破了现实条件的客观限制，感受到真实世界无法亲身经历的体验。让虚拟技术在建筑领域得到充分发挥。

2.5 三维动画及其消隐

三维建筑建立以后，还可以实现动画的制作，这样可以随时在有播放软件的地方播放模拟出来的场景。软件应该根据三维模型，快速消隐建筑模型，可以显示由二维线条组成的线框造型图，并可任意编辑修改或打印输出。

2.6 鸟瞰图和日照分析

三维模型建立完以后，可以多个工程拼装成一个小区，实现小区的鸟瞰，遮挡关系一目了然，从而从全局把握规划设计。有了三维模型，可以精确进行某一个地方的日照分析，把平面等时线等绘制出来，这也是虚拟现实的另外一个好的表现。

图7 日照分析生成的平面等时线

因为所有数据均已存储记录，根据这些数据可以进行各种分析和统计功能，包括房间建筑面积和使用面积、各层和全楼门窗表的统计等等。

中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部研发的PKPN系列软件就具有以上这些功能，其中的三维建筑设计软件，是专门针对建筑设计专业的三维CAD辅助设计软件，以上截图均是这个软件提供。

3 发展前景

BIM(Building Information Model)——建筑信息模型，为工程设计领域带来了从二维图纸到三维设计和建造的革命。同时，对于整个建筑行业来说，建筑信息模型(BIM)也是一次真正的信息革命。所谓建筑信息模型(BIM)，是指通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，在这里，信息的内涵不仅仅是几何形状描述的视觉信息，还包含大量的非几何信息，如材料的耐火等级、材料的传热系数、构件的造价、采购信息等。实际上，BIM就是通过数字化技术，在计算机中建立一座虚拟建筑，一个建筑信息模型就是提供了一个单一的、完整一致的、逻辑的建筑信息库。

三维模型以及虚拟现实表现技术已经受到世界各国的重视，相信以后在建筑领域，三维软件要远远比制图应用更多，作用更大。直观的三维模型，帮助所有参与者正确理解设计意图，通过三维完成整个项目的汇总，使设计方案更为合理，提前检查出碰撞，尽早协调，避免专业配合中的错误 能从模型中提取精确的材料和设备清单，预算更精确——量、价、形结合，能够为力学计算和节能计算提供更为科学的数学模型。

[1]APM三维建筑设计软件说明书，2008-5.

[2]赵红红，李建成.信息化建筑设计2005-10.

[3]王廷熙.BIM——建筑业的信息革命[N].中华建筑报，2008-11-24.