（计算机软件与理论专业论文）计算机辅助建筑设计研究.pdf

摘要 在人类发展历史中，人们一直在试图设计能够减轻劳动负担的机械。剑1 9 t t c 纪，这些机 械只能帮助人们完成体力i ：作。直剑刚丁计算的第一台机器的发明，计算机的诞生意味着人 1 l j 可以告别过去传统的1 ：作方式，利川计算机米代替人们脑力- ，动。计算机在各行各业的运 川、替代手i ：作业、将人们的想象变为现实等的表现都证明了计算机改计技术发展的成功。 现在计算机辅助设计技术被应川丁越来越多的建设中。但由丁计算机辅助设计本身的复杂性 与多样性，一个设计可由许多不同技术组合而成，致使技术人员在处理问题时常常不知道如 何运刚，如果技术运川不当，虽然实现了最终设计，但在这背后可能会隐藏着很多缺陷。因 此如何合理的将计算机辅助设计技术更好的应用于各行各业，实现高性能、高质量的设计方 法是本文需要拟解决的问题。 计算机辅助设计技术将建筑行业带入了数字化时代，数字建筑设计思想应运而生，然而 建筑行业内部麻j h j 建筑数字技术的水平还不够，使。l ：作模式仍然停留在手j ：作业模式上，所 以我们必须提高其行业对数字技术的认识，h j 计算机辅助建筑设计，为建筑设计提供新的设 计、表现、分析和建造的手段。 计算机辅助建筑设计的运用使得设计不再局限于以纸为载体，而扩展为以计算机为主体 的磁、光、电载体，这些载体的信息容量有很大提高，刚三维彩色虚拟现实空间技术使得设 计方案一目了然。计算机辅助建筑设计的运川是建筑设计的革命性变化。这个变化改变了人 们传统的设计方法、思维和模式，同时极大的提高了设计的效率。在实际运用中如何将计算 机与建筑设计相结合，如何高效的进行计算机辅助建筑设计，本文针对这些问题，认真分析 和总结前面人们所作的相关：【作的基础上，以解析计算机辅助设计和建筑设计的结合为出发 点，重点研究以下几方面： 1 、对计算机辅助设计技术与建筑设计两门学科交叉进行全新设计方法的研究。 2 、对建筑设计模型的分析，提出计算机辅助建筑设计结构模型更优越的特点及其更高的设 计效率。 3 、对c a d 、c a m 、3 d - m a x 等应j f j 软件的单项应用过渡为一体化集成化计算机应用的研究。 4 、将虚拟现实技术运用到建筑设计中实现建筑设计概念真实模拟，漫游于模拟现实，让设 计从表象的研究转为真实的感受，从而提高人机的和谐程度，提高了设计方案的修改方 法，是计算机的设计能力的另一种表现。 5 、在实际开发方案中，本人从计算机专业角度出发，在设计中将设计人员不曾涉足的相关 模型构建方法运用到设计者需要中，从而使得设计：i = 作更加高效、高质的完成了建筑设 计阶段的任务。 关键词：计算机辅助设计c a d ，计算机辅助建筑设计c a a d ，建筑设计，建筑数字技术 a b s t r a c t i nt h eh i s t o r yo fh u m a nd e v e l o p m e n t ，p e o p l eh a sb e e nt r y i n gt od e s i g nt h em a c h i n e sw h i c h c a nr e d u c et h el a b o rb u r d e n i nt h e19 t hc e n t u r y , t h em a c h i n e sc a no n l yh e l pp e o p l ec o m p l e t et h e p h y s i c a lw o r k t h ei n v e n t i o no ft h ec o m p u t e rm e a n st h a tp e o p l ec a ne n dt h et r a d i t i o n a lw o r k i n g m e t h o d sa n du s et h ec o m p u t e rt or e p l a c em a n sm e n t a lw o r k t h ep e r f o r m a n c e so fc o m p u t e rt h a t a r ea p p l i e di na l lw a l k so fl i f e ，r e p l a c em a n u a lo p e r a t i o n s ，a n dm a k ep e o p l e si m a g i n a t i o ni n t o r e a l i t yh a sp r o v e dt h es u c c e s so fi t sd e s i g nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t c o m p u t e ra i d e dd e s i g n t e c h n o l o g yi sn o wb e i n gu s e di nm o r ea n dm o r ec o n s t r u c t i o n h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t y a n dd i v e r s i t yo fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，ad e s i g nc a nb eac o m b i n a t i o no fm a n yd i f f e r e n t t e c h n o l o g i e s ，s ot h a tt h et e c h n i c a ls t a f f si nd e a l i n gw i t hp r o b l e m so f t e nd on o tk n o w h o wt ou s e t h et e c h n o l o g y i fi ti si m p r o p e r l yu s e d ，t h e r em a yb em a n yd e f e c t sh i d d e n s ot h ep r o b l e mt h a tt h e p a p e rn e e ds o l v ei sh o wc o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt e c h n i q u e sw i l lb ea p p l i e dt oa l lw a l k so fl i f e b e t t e ra n dh o wt oa c h i e v eh i g h p e r f o r m a n c e ，h i g h q u a l i t yd e s i g na p p r o a c h c o m p u t e ra i d e dd e s i g nt e c h n o l o g yb r o u g h tt h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r yi n t ot h ed i g i t a le r a t h e i d e ao fd i g i t a la r c h i t e c t u r a ld e s i g nh a se m e r g e d ，b u tt h el e v e lo ft h ei n t e r n a lc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y a p p l y i n gc o n s t r u c t i o nd i g i t a lt e c h n o l o g yi sn o te n o u g h ，w h i c hm a k e st h ew o r k i n gm o d ek e e pi n t h em a n u a lo p e r a t i o nm o d e s ow em u s ti m p r o v et h e i ri n d u s t r ya w a r e n e s so fd i g i t a lt e c h n o l o g y a n da p p l yc o m p u t e ra i d e da r c h i t e c t u r a ld e s i g ni n t ot h en e wd e s i g n ，p e r f o r m a n c e ，a n a l y s i sa n d c o n s t r u c t i o nt o o l sf o rt h ea r c h i t e c t u r a ld e s i g n t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r - a i d e da r c h i t e c t u r a ld e s i g nm a k e st h ed e s i g nn ol o n g e rc o n f i n e d t op a p e ra sac a r r i e r , b u te x p a n d st h em a g n e t i c ，o p t i c a l ，v e c t o ra sac a r r i e r t h ei n f o r m a t i o n c a p a c i t yo ft h e s ec a r r i e r sh a sg r e a t l yb e e ni m p r o v e d t h et h r e e d i m e n s i o n a lc o l o r f u lv i r t u a lr e a l i t y s p a c et e c h n o l o g y m a k e sd e s i g np r o g r a m sm o r ec l e a ra tag l a n c e t h ea p p l i c a t i o no f c o m p u t e r - a i d e da r c h i t e c t u r a ld e s i g ni st h er e v o l u t i o n a r yc h a n g e so fa r c h i t e c t u r a ld e s i g n t h i s c h a n g ec h a n g e dt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa n dm o d eo ft h i n k i n g ，a n da tt h es a m et i m eg r e a t l y i m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo ft h ed e s i g n i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ec o m p u t e r , a i m i n gt oh o w t oc o m b i n et h e c o m p u t e ra n dt h e a r c h i t e c t u r a l d e s i g na n dh o we f f i c i e n t l y t o c a r r y o u t c o m p u t e r - a i d e da r c h i t e c t u r a ld e s i g n ，t h ep a p e rf o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 ，r e s e a r c ho nn e wd e s i g nm e t h o d sf o rc o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt e c h n o l o g ya n da r c h i t e c t u r a l d e s i g n 2 ，a n a l y s i so ft h ea r c h i t e c t u r a ld e s i g nm o d e l ，p u t t i n gf o r w a r dt h es u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h eh i g h e rd e s i g ne f f i c i e n c yo ft h es t r u c t u r em o d e lo fc o m p u t e r - a i d e da r c h i t e c t u r a ld e s i g n 3 ，r e s e a r c ho nt h es i n g l ea p p l i c a t i o no fs u c hs o f t w a r ea sc a d ，c a m ，3 d m a xt r a n s i t i n gt o i n t e g r a t i o no fc o m p u t e ra p p l i c a t i o n 4 ，a p p l y i n gt h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi n t oa r c h i t e c t u r a ld e s i g nt oa c h i e v et h e t r u e s i m u l a t i o no fa r c h i t e c t u r a ld e s i g nc o n c e p t ，r o a m i n gi ns i m u l a t e dr e a l i t y , t r a n s f o r m i n gd e s i g nf r o m t h ei d e at ot h er e a lf e e l i n g s ，t h e r e b ye n h a n c i n gt h eh a r m o n i o u sp l a n eb e t w e e nm a na n dc o m p u t e r , i m p r o v i n gt h ed e s i g nm o d i f i c a t i o nm e t h o d t h ed e s i g n e dc a p a c i t yo ft h ec o m p u t e ri sa n o t h e r m a n i f e s t a t i o n 5 ，i nt h ea c t u a ld e v e l o p m e n tp r o g r a m s ，f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc o m p u t e rp r o f e s s i o n a l s ，i 2 a p p l i e dt h em e t h o d st h a td e s i g n e r sw i l ln e v e rs e tf o o ti nt h er e l e v a n tm o d e li n t ot h ed e s i g n e rn e e d s ， t h u se n a b l i n gt h ed e s i g nw o r kc o m p l e t e dm o r ee f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nc a d ，c o m p u t e r - a i d e da r c h i t e c t u r a ld e s i g nc a a d ， c o n s t r u c t i o nd e s i g n ，c o n s t r u c t i o no fd i g i t a lt e c h n o l o g y 1 1 研究背景 第一章绪论 很难想象，如果这个世界没有了计算机，会变成什么样子? 随着计算机将及以米，在世界范围内，无论是信息的提供方式还是使川方式都冈计算机 而发生了改变，其硬什利软什技术使得每个人不仅能够成为信息的使川者，同时也能作为信 息的创作者。计算机的使用在诈常短的时间内就已经被公众认为是重要的信息存储、编辑、 制作、修改、传送、展现等方面的一l ：具。对个人来讲，计算机为高效作业提供了一个最好的 最方便的途径。谁在这个方面走在前面，那么就会在激烈竞争中取得更多的优势。 对于戍计算机的设计人员米讲，可以使使川者的作业方式扩展，过去需要很多时间和 精力投入的手i ：作业、思维与设计的实现，现在都可以通过计算机进行。冈此在今天计算机 成为一个重要的l ：作方式交义在很多其他专业领域，其中c a d 软件就是计算机应川技术与建 筑设计学科交义的产物。从建筑设计过程米看，某种意义上讲是一个把设计者头脑中的抽象 设计意念或构思逐步演化为现实的过程。在设计过程中的各个阶段，设计者需要借助一定的 手段来表达自己对环境冈素的考虑，对功能布局、交通组织、形体塑造、细部处理乃更深层 次上的创作理念的展现。设计表达作t i j ，一方面是建筑师与公众、业主与其他技术i ：种沟通 的桥梁；另一方面，建筑师借助丁表达来检验、发展自己的设计。随着建筑师面临问题的复 杂化，总是需要不断寻求新的设计表达手段米提高其表达能力，弥补冈脑力的局限而带来设 计考虑上的缺陷。建筑师常常需要经过“立意一表达一尝试一修改”的不断循环反复，其对 象的构形往往表现为相对概念，对形体的控制是粗线条的，无确定规律的、随机的、离散的、 不能明确定量的，而这些都是过去以纸为载体的建筑设计中很难表现的，而且纸上作业j 二作 效率低，同时不能准确表达信息量，不具有设计需要的深度和直观性。而随着计算机应用技 术的发展，以强人功能、高速度和人存储量为依托的计算机多媒体技术与建筑设计技术有效 地结合在起，使得建筑设计产品能更快更好地生成，编辑、制作、修改、传送和展现。设 计师应用计算机键盘，鼠标，数字化仪器等，过去几大的上作量，现在几小时就可以完成， 方案设计变成了简单的直观的计算机操作，技术日趋成熟的计算机建筑化的出现，受到建筑 领域地认可和欢迎，在丰富的一i i 程设计专业数据库利软件支持下，多方案的比较，多冈素的 综合分析已经不是难事，更充分的创作思维，更详尽的施j ：设计，更全面地优化设计都将成 为可能。而现在以计算机这个辅助设备作为重要的研究对象就显得必要，只有将手中的：j ：具 充分掌握，熟悉它的使用、掌握它的性能、了解它的发展，才可以在不同学科地交叉领域发 挥最火作用。正冈如此本文着重将计算机应刚辅助作为主题，结合建筑行业中在设计环节如 何让计算机的应用不仅仅只是操作j ：具，而是一个能够帮助设计者进行交流合作的对象，让 各个领域中地设计者、学者、t 作人员、学生等都能认识剑计算机辅助设计既是辅助工具又 是必不可少的主体，同时也让非计算机领域的人们能将计算机的作川性能更充分的发挥出 来。 论文希望从计算机辅助设计的基本概念和虑用技术入手，结合建筑设计文档解析，参考 对比计算机在建筑设计中的作用，研究基于计算机辅助设计软件系统为设计的核心系统，更 好地实现设计的智能化功能，更好的发挥辅助作用。 4 1 2 技术背景 1 2 1 计算机辅助设计技术 计算机辅助没计技术( c a d 技术) 往6 0 年代兴起丁ii ：业发达国家，随着计算机硬什技 术及制造业本身的匕速发展，c a d 软什业也迅速成k 起来。8 0 年代，国内开始c a d 技术的麻 h ，于8 0 年代末形成规模。现在企业己将c a d 技术作为设计、制造最基本的i ：具和方式。 c a d 是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各白所艮， 从而使其i | 作优丁每一方，并为应川多学科方法的综合性协作提供了可能。人们根据系统功 能的要求，川有限的特征米描述设计问题，通过形式化_ j 计算机的数据结构米表达特征，井将 川数据结构描述的“特征”数据存放在数据库之中。这样，“设计”过程变成了对数据_ | 车的 处理。这一过科可以看作是建模过程，模型被川来表示实际的或抽象的对象，是对被处理对象 进行计算、分析、模拟和研究的基础。冈此，模型是实际结构在c a d 系统中的具体体现，是计 算机“认知”产品的基础。我q j 失l l 道，产品和1 ：程结构本身能表现出来的属性是无限的，但可 用的计算机资源、人们的认识知识是有限的，我们只能“认知”实际结构的部分属性，只能处 理产品和一| 4 程结构设计的某些方面。c a d 系统一般分为二维c a d 和二维c a d 系统。二维c a d 系统一般将产品和：程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文本”等儿何元素的集合， 系统内表达的任何设计都变成了儿何图形，所依赖的数学模型是儿何模型，系统记录了这些 图素的儿何特征。三维c a d 系统的核心是产品的三维模型。三维模型是在计算机中将产品的 实际形状表示成为三维的模型，模型中包括了产品几何结构的有关点、线、面、体的各种信 息。计算机三维模型的描述经历了从线框模型、表面模型到实体模型的发展，所表达的儿何 体信息越米越完整和准确，能解决“设计”的范嗣越广。 c a d 技术的发展和人们需求的不断提高，人一：智能等各类技术逐渐融入到c a d 系统中， 形成了各种基于知识的c a d 系统( 或智能c a d 系统) 。知识的应用使c a d 系统的“设计”功 能和设计自动化水平大大提高，对产品设计全过程的支持程度人大加强，促进了产品和r 程 的创新开发。 1 2 2 计算机辅助概念设计技术 计算机辅助概念设计技术( c a c d ) 是伴随计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的 发展以及c a d c a m 应用深入，现代产品概念设计理论与技术研究有了长足进步而成为c a d 领域研究的热点。同时c a c d 又是c a d 的一个重要分支。传统的c a d 系统由于存在许多约束 限制，不允许快速输入和再现不完备的概念造型，从而导致其基本上是一个在设计方案基本 定型之后的概念化( 草图化) 绘图1 ：具，建筑辅助设计的观念还未能在软件的具体应用中表 现出来，同时缺乏智能判断能力和自动纠错能力，对于建筑设计过程中的疏散距离、楼梯数 量等设计参数是否符合设计规范要求，对其合理性等方面，传统c a d 亦不能给予提示，缺乏 对设计者有效的帮助。例如国内的建筑c a d 软件的设计缺乏统一的规范和标准，致使软件的 操作不统一，界面不一致，图库标准不统一。使各相关专业软件的衔接和数据传递十分凼难。 一种软件绘制的图形，在另一种软件中打开，常常造成图形丢失数据信息，给设计者带来许 多不必要的麻烦，也影响设计单位间技术交流。 概念设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状。概念设计包含 了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程。它包括功能设计、原理设计、形状设 计、布局设计和初步的结构设计。概念设计的各个环节紧密相连，在设计过程中互相依赖， 互为驱动。概念设计是一个相当复杂的过程，因为一个好的设计方案既要有合理的功能结构、 美观的造型、简便的操作，同时还要富有创新性。因此，c a c d 涉及设计方法学、人机工程 学、人工智能技术、c a d 技术以及认知与思维科学。 5 c a c d 系统的根本目的就任丁能彳r 效支持产品的创新砹计。住设计早期应j + jc a c d 系统至 少有以卜女r 处：能满足概念改计师的各类特殊需求，能有效提高概念设汁的质罐，能巫为简 捷地生成设计对象，能提供一个进 r 信息交流和对象计价的更好的平台，可以避免冈设计火 败而造成的浪费。 在建筑设计领域，设计斤； j 的详细设计阶段和装配殴计阶段的c a d 技术已相当成熟。而 对丁概念设计，一般认为它包括产品早期设计阶段的草图设计、构思设计、初步的参数设计 平i l 坌占构设计等内容。冈而c a c d 研究往往是以详细设计过稗中的c a d 技术为基础，将其中的 建模技术、真实感显示技术等针对概念没计进行改进，从而建立一套面向c a c d 的理论和技 术。 c a c d 的草图重建技术是将概念设计师的二维和三维设计草图进行三维建模的关键技 术，也是川米弥补传统c a d 系统与概念设计之间鸿沟的一种有效手段。目前，草图重建技术 发展相对比较成熟，国内外已建立了一些产品概念形状的快速生成系统以及基丁草图的c a d 系统。一些人型的c a d c a m 软什系统如p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c s 都可提供草图设计模块。 当前，智能c a d 、智能设计已有相当科度的发展。在概念设计阶段，由丁其涉及创造性 设计思维以及频繁的人机交互，尤其需要人：1 ：智能技术的辅助。目前c a c d 中的人1 ：智能技 术的麻川主要表现如f ：通过专家系统、智能控制与系统集成等技术，研究智能化和集成 化的产品概念设计过程；借助人i ：智能技术模拟概念设计过程中的创新思维，进行创新设 计。 从产品概念设计的角度看，c a d 、人t 智能、多媒体、虚拟现实等技术结合的进一步完 善，c a c d 将会是更加白然的人机交互方式、更加有效的设计手段。概念设计的方案也更富 有创新性。计算机辅助设计系统是一个人机一体化的智能集成设计系统。 概念设计是产品设计中的创造性设计的思维阶段，在这一阶段，设计师将构思快速转化 为草图的过程是一种相当复杂的行为。概念设计作为产品开发过程中的重要组成部分。冈此， 概念设计与其他设计过程必将建立统一的设计支撑模型。在这一模型的支持卜，设计过程是 一种并行的、协同的、面向全生命周期的设计模式。概念设计的结果能够直接进行详细设计， 设计师能简捷有效地对详细设计过程中的方案进行概念层次上的修改。 1 2 3 建筑设计技术 建筑设计是指建筑物在建造前，设计者按照建设任务，把施j 【过程和使h j 过程中所存在 的或可能发生的问题，事先做好通盘的设想，拟定好解决这些问题的办法、方案，用图纸和 文件表达出来。作为备料、施：l ：组织：j ：作和各t 种在制作、建造j ：作中互相配合协作的共同 依据。便丁整个t 程得以在预定的投资限额范同内，按照周密考虑的预定方案，统一步调， 顺利进行。并使建成的建筑物充分满足使川者和社会期望的各种要求。在古代，建筑技术和 社会分工比较单纯，建筑设计和建筑施t 并没有很明确的界限，施j 二的组织者和指挥者往往 也就是设计者。根据建筑物的使h j 者要求，按照师徒相传的成规，加上自己一定的创作性， 营造建筑并积累了建筑文化。在近代，建筑设计和建筑施 ：分离开了，各自成为专门学科。 随着社会发展和科学技术的进步，建筑所包含的内容、所要解决的问题越来越复杂，涉及的 相关学科越来越多，材料上、技术上的变化越来越迅速，单纯依靠师徒相传、经验积累的方 式，已不能适应这种客观现实；加上建筑物往往要在很短时期内竣：l ：使用，难以由匠师一身 二任，客观上需要更为细致的社会分j 二，这就促使建筑设计逐渐形成专业，成为一j 独立的 分支学科。建筑设计从广义而言，是指设计一个建筑物或建筑群所要做的全部工作。由于科 学技术的发展，在建筑上利用各种科学技术的成果越来越广泛深入，设计工作常涉及建筑学、 结构学、给排水、供暖、空气调节、电气、煤气、消防、自动化控制管理、建筑声学、建筑 光学、建筑热r ：学、1 ：程估算、吲林绿化等方面的知识，需要各种科学技术人员密切协作。 但通常所说的建筑设计，是指“建筑学”范用内的j ：作。它所解决的问题，包括建筑物内部 6 各种使川宅问的合理发排，建筑物剧| ；i 环境、与各种外部条什f 向协渊配合，内部平外表艺 术效果，各个细部的构造办式，建筑与结构、建筑与各种砹器锋相天技术的综合协调，以及 如何以更少材料、更少的，动力、更少的投资、更少的时间米实现上述各种婴求。建筑师除 了精通建筑! 学专业，做盘r 本专业i ：作之外，还要善_ 】i 综合各种有关专业提出的要求，止确地 解决设计与各个技术i ：种之间的矛盾。建筑师在进行建筑设计时面临的矛盾有内容和形式、 需要和可能、投资者、使川者、施l ：制作、城市规划等多方面的矛盾，每个i ：稃中的各种矛 盾构成了建筑设计的特殊性，冈此，建筑设计j ：作的核心，就是要寻求解决各种矛盾的最佳 方案。建筑设计者在k 期实践中创造了一套方法和手段，川图纸、建筑模型将设计意图表达 山米，才能充分暴露隐藏的矛盾，从而发现问题，同有关人员交换意见，使矛盾解决。此外， 还需要提出多种方案进行比较。 为此设计j i ：作中全过程义包括了很多阶段，而技术设计阶段是设计过程中一个关键性阶 段，也是整个设计构思基本成型的阶段。技术设计的内容包括整个建筑物和各个局部的具体 做法，各个部分确切的尺寸关系，内外装修的设计，结构方案的计算和具体内容，各种构造 和川料的确定，各种设备系统的设计和计算，各技术i ：种之间各种矛盾的合理解决，设计预 算的编制等。而建筑施1 ：图在绘制时变化随意性较人，设计人员往往需要进行繁琐的i ：作并 且花费许多时间，传统的手l ：绘制势必淘汰，在建筑设计中需要新的技术力量解决这些问题， 计算机的利川将技术设计提升到一个新阶段，计算机辅助建筑设计正在促使建筑设计这fj 科 学开始向新的领域发展。而建筑设计的方法论也成为一门新学科。将建筑设计中错综复杂的 矛盾和问题，用逻辑关系和程序关系建立为某种数学模型或图像模式，利川计算机，帮助设 计者在最短时间最止确的解决复杂的问题，代替人力完成复杂繁重的计算工作，同时也能在 设计方案上表现更充分的创作思维、更详尽的施i ：设计、更全面的优化设计、展现出设计的 效果，与其他技术部门也更便于沟通和数据上的传递。 1 3 研究意义 如今，计算机已经普及到世界各行各业。计算机技术的迅猛发展，行业竞争的异常激烈， 使得人们对计算机技术的期望值越米越高。一方面，人们希望不断提高计算机对数据收集、 存储和处理能力；另一方面，人们想充分挖捌计算机技术的在投资价值，即提高计算机的智 能化、创造性、提供一体化设计能力。可是这里有一定的人为冈素需要解决，即传统的思维 方式、作业习惯与现有的技术都存在自身的不足。而两者结合必然存在矛盾。一方面，使用 计算机辅助设计技术人员不是开发技术人员，对于技术能否运用白如存在运行中的不完全利 用和高效利用手段；另一方面随着技术的不断更新完善，使埘者必须在更新技术中再进行学 习，否则将会出现技术与人交流中的瓶颈。 作为实践性的研究课题，研究的成果将是用于在建筑领域以及计算机辅助技术领域实际 使用，可以为交叉学科的开展提供技术方法。在课题研究中，涉及了计算机科学、建筑学的 学科范畴，可以为其他研究人员提供计算机辅助设计的理论和技术参考，并为相关研究提供 技术工具。本文主要是针对计算机在应刚领域内，作为其他学科的重要辅助，对计算机在辅 助设计上进行系统的研究。侧重于建筑设计与计算机辅助设计的交叉结合的深入探讨。目的 在于提高计算机在其他学科中的实用性，使计算机的应用不仅仅停留在最基本的操作性能， 而是挖掘其具有的设计功能。本文的研究有助于提高建筑设计的高效性和计算机的多功能 性。如何合理使用技术和组合技术设计出良好方案是我们拟解决的问题。 1 4 本文的主要工作及组织结构 本文的主要工作可以概括如下：如何设计高效的计算机辅助建筑设计应用是本论文研究 7 的内容。本文从体系结构入手，根据计算机辅助殴计技术与建筑i 父计府川的特点，提出了计 算机辅助建筑改计模型概念，指出可建筑设计模删缃合计算机辅助设计技术，= ：着重探讨仃 芙建筑设计模型的优化设计问题，最后根据本论文的研究成果实现了计算机殴计理念。本文 由无部分组成： 第一章绪论介纠了本文的研究背景、技术背景、研究意义及土要i ：作内容全文组织结 构。 第二章基丁二计算机辅助建筑设计应川基础。首先介绍了传统建筑设计体系结构，然后 分析了计算机设计技术作为创建建筑设计图形平台基本体系结构优势所在，再将建筑数字技 术在当代建筑领域中的重要地位，紧接着指出了目前在运川计算机辅助设计技术时存在的问 题并指山从哪方面入手创建高效设计方法。 第三章计算机辅助设计技术研究。在对建筑设计详细研究基础上，根据建筑设计模型 模式提出了计算机辅助设计的模型概念，指出可以按照建模技术组合c a d _ j i l c a c d 技术及 多媒体技术等，并探讨了几种计算机辅助设计一i ：具设计方法。 第四章计算机辅助建筑设计方法。首先提出设计过程需要的技术支持设计环境，然后 从计算机设计技术软，f q ：c a d 组什选择、数据库访问和设计模式应川等方面作了全面的分析研 究，指出在设计中如何避免太多设计中山现的矛盾问题和提高设计性能，最后总结得出了建 筑设计的优化组合方法，这个方法的使川无疑会使设计者能更充分的表达创作思维和更全面 的优化设计。 第五章总结与展望，对全文进行总结，说明有待进一步进行研究的问题。 8 第二章基于计算机辅助建筑设计应用基础 计算机技术、数字技术的发展和成熟，特别是计算机住各行各业的普及使j j ，将计算机 应用扩展剑建筑业、商业、农业笛成为企业发展的必然需求，企业迫切需要有效地实施企业 发展，构建出高效、高质量、高度可川的计算机应川，具备与高速发展的时代相适麻的特点。 纵观历史，在传统的建筑设计领域中，曾经有许多让我们叹为观i 卜的辉煌建筑，它们能够 屹立千年止是冈为设计师的无限创造力量所实现的，但是较之现代社会的建筑而言，过之建 筑设计是州人鼙时间、反复的测量、无数次的修改在成千上万的纸张上完成的；而现在主要 采刖高效的计算机辅助设计方法，在人力、时间上都人人改善了过去的方式，利川数字技术 融入建筑设计领域，同时新技术总伴随着新的设计方法、审美情趣以及设计理论，将数字化 设计文化传播开米并延伸为新的设计方法。这种方法可以让设计者深入空间讨论，从而达剑 良好空间品质塑造。 2 1 传统建筑设计体系结构 传统建筑设计体系是什么? 自古以来，那些口耳相传，继而以语言文字为载体的专业术语可能是历史最为久远的设 计交流与表达手段。一方面，语言文字媒介对建筑形式和构件进行了“模式化”和“标准化”， 形成一套高度集成的“信息模块”。另一方面，由于其白身i 嗣有条件的制约，语言文字本身 具有模糊性、冗余性和离散性等特征，它对其再现对象进行了极人的概括、提炼和简化。建 筑的视觉形式利空间形态，既可作为建筑设计意愿的起点，也往往成为设计追求的最终目标 之一。建筑设计的思维过程，也是以视觉思维为主导的多种思维方式综合运h j 的过程。这一 活动，往往是建筑师运用包括草图在内的视觉形式，与自己或他人进行思想交流的过程中进 行的。建筑设计过程白始白终贯穿着思维活动与图示表达同步进行的方式。建筑师通过图示 思维方式，将设计概念转化为图示信息，并通过视觉交流反复推敲验证从而发展设计。传统 设计模式，通常凭借手绘草图、实体模型、二维图纸等实现设计内容的交流与表达，这种方 式存在一些局限，如由丁缺乏经验和技巧，使萌芽状态的新设想夭折；虚饰、美化每个设计 思想；遮掩设计理念中应显露的不足；甚至错误的将图示形象理解为二维平面空问的对等物， 而非三维空间的二维表达与分析等。 传统设计模式中建筑图纸媒介通常以纸张等二维平面材料为载体，通过平面图、立面图、 剖面图、以及轴测、透视图等形式进行设计内容的表达利交流。建筑模型媒介通常以纸板、 木材、塑料、金属其至复合材料等多种原料为载体，按照一定比例关系，以三维实体形式供 建筑师在设计过程中对设计对象进行分析、推敲和相对直观的展现。但是，实体模型虽然直 观便利但是它受到来自尺寸、规模和材料制作细节等诸方面的限制。随着设计的不断深入和 细化，传统设计媒介在表现和传达专业建筑信息方面的成本迅速提高，各类图纸的绘制修改、 精细模型的制作，往往需要耗费设计者的人量时间和精力。同时，也由于二维图纸、实体模 型等传统媒介本身在表现方式、材料1 ：具等方面所嘲有的限制，使得建筑专业信息被割裂i 司 化为各自为政的不同方面各类图纸模型之间的设计信息往往难丁直接关联，完全需要人 工对照和复核，以至成本高昂，效率效益低下。 建筑师的设计实际就是建筑师要解决的许多建筑问题，它没有l 司定的模式。建筑只能凭 借职业素养和生活经验，以建筑物的方式服务于人群的生活和一t ：作，冈此也是一项专业的服 务事业。而建筑师的设计除了考虑众多的环境、人文冈素，还需要艺术想象、审美情趣，这 些都是在建筑师头脑中需要记录的，而传统方式用手一l ：记录，往往不能准确表达人脑的想象， 9 同时对数据合理性也要斤期进行计算，需要修改的数据是无法估计的。这种方法首先就制约 了人的思维表达。 建筑帅住改计i ：f l - ：前期需要经过人量的数据收集，包括了勘亢、设计、报审、施i ：、使 川、管理、维护等各个过科的全部周期。而利州纸张记录的方法进行数据收集、加i ：、保存 是1 卜常繁琐与复杂的1 ：作，信息传递的载体还是由图纸米承担，这样一个阶段传递给卜一个 阶段的信息很雄直接再利川，而且这些信息的制作和使川会牵扯剑各个方面和部f 、j ，这样的 信息传递方式难免会造成信息的延误、缺损甚至丢火。而传统设计模式中，建筑设计与建造 施i ：的关系在设计过程中往往没有得到应有的重视。建筑师在考虑设计过程与结果的时候， 却常常错误地认为建造只是设计完成后的i ：作。实际上，与设计紧密相关的建造环。1 7 ，止是 保证设计意图得以实现的重要阶段；从建筑材料结构的选择、制造加i ：，到施，l ：现场的装配 建造，在事实上直接决定了建筑的最终质量。 过去的建筑立足于功能上的基本要求，而对丁现代建筑中的艺术性、环保性能、：1 了约性 能、以及基本的配套设施都没有过多考虑进去，具有单向线性的特点，冈此在设计上也较为 单纯，设计师需要的只是下面儿个阶段的1 ：作： 1 ) 分析 2 )综合 3 ) 评价 传统设计中的主要1 ：作在我们引入数字技术后，它仍然是我们必须的：1 j 组阶段，但是已 经从单纯的立意表达革新为设计创意、模拟技术、虚拟现实的这样一些f _ l ：作方式，而这些l ： 作方式止是传统方式| 卜无法实现的。北京2 0 0 8 年奥运会土体育场“鸟巢”的实现就是计算机 数字技术的研究成果，是建筑师结合计算机辅助设计、数学基础、抽象数理模型及计算机算 法、计算机可视化等多个阶段研究开发的产物。现代社会对建筑的要求不仅限丁二当前的使用， 更其于还要为未来社会预先考虑很多冈素。而其中建筑设计就主导了后续的建筑活动，因此 建筑设计是建筑全寿命周期中最重要的阶段，同时建筑设计过程本身还要实现可持续发展 性，不仅要满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害。因此建筑数字技 术替代传统设计模式是必然趋势。 2 2 基于计算机辅助设计平台的建筑设计 现在由于社会的高速发展，社会对建筑的要求急剧增长，日趋复杂，传统的建筑设计方 法已不能适应现在社会的需要。每个行业都迫切达到高速、高效、高质量的要求。过去以纸 为载体的设计方法已经不能适应丁今天的发展，不能完全表达设计师的创造思维，同时也无 法完善的与业主和施i ：进行信息的交流。本文第一章简要介绍了计算机辅助设计技术和计算 机复制概念设计技术( c a d ，c a c d ) ，作为可扩展的、功能性的平台，可将建筑设计应用扩展 到计算机上并可适应多种不同的设计数据用于连接到建筑师的设计系统中，设计人员可以通 过不同的计算机分别设计同一项目的不同部分，然后再将数据相互传递达成共识。还可以以 网络技术为支撑，以计算机辅助设计技术为基础，使设计能够一体化。从而可降低开发项目 的费川和复杂性，目前计算机辅助设计技术已经取得成效。 计算机辅助设计的初衷是为了解决设计人员在设计中遇剑的弊端，简化设计方法，避免 许多重复j r ：作，提高设计效率。在传统的设计方法中，建筑师担当了过多的角色而显得臃肿。 而这种设计模式中使设计方法得到了革命性的革新。也许在学习使用时需要用大量的时间掌 握专业应用软件，同时也会误将计算机作为一种绘图：。l ：具，以“速度换取创造性”，将建筑 设计的本身忽略，计算机本身的设计能力完全无用武之地。而方便快捷的绘图和方案表达也 是一种革新，这种革新在设计人员的长期虑川中也会体现，可以让设计人员深入空间讨论的 可能性更为方便直接。 1 0 然而我们希望能住方便快捷的作图中也能将计算机辅助殴汁本身的设计功能运川起来， 只仃这样才能充分发挥计算机的砹计功能，才能真止f 向实现设计过料一体化。实际上婴从物 理角度米石。的话，设计人员具有智能思维模式，而计算机本身j f ：没彳r 思维，但其实止妤相反， 现任的计算机辅助设计技术可以借助人i ：智能技术模拟概念设计过程中的创新思维，从而进 行产品的创新。同样设计者也可以借助人i ：智能技术完成人脑中的想象模型，并且可以在计 算机的无形空间中将模型优化重组。 基丁计算机操作平台，以计算机辅助设计建设项目的全过科具有以。卜特点： 1 建设项目的所有信息统一存储基于网络环境的数据库，能保证信息的唯一性： 2 虚拟现实技术的席川在设计的过程中，设计过程可以以川户的使h j 、感受为核心，建筑 师仿佛置身于待建的场地中，可以帮助建筑师更好地验证设计的止确性利可行性；同时 让业主或使用者进入这个虚拟的真实环境中，充分感受建筑物内部功能布局利外部环境 设计，获得真实对建筑体验，进而作出客观、理性的评价。 3 加强了建筑设计辅助，i ：作利模块的研发。建筑c a d 软件满足了设计人员设计方案的比较、 优选，并进行结构的经济性和安全性风险分析，从而获得最佳决策。 4 解决了协同设计中的各种冲突，包括实时数据交换、数据传输、设计群体中的个体间的 交互技术等。 2 3 计算机辅助设计和建筑数字技术 从社会生产到个人生活，从文化娱乐到商务交流当今的计算机技术已经渗透的到人 类社会生活的方方面面。2 1 世纪人类进入了数字化时代。 计算机辅助设计( c a d ) 是数字技术在一i ：程设计领域中的一种廊用技术。计算机辅助