虚拟现实下混凝土结构建筑空间浅析

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摘要:由于传统的建筑空间优化设计方法，对混凝土结构之间的匹配能力较差，导致空间优化比例较低，因此基于虚拟现实技术，提出全新的混凝土结构建筑空间优化设计方法。利用虚拟现实技术改进建筑空间基本结构;通过设计空间重组形式，优化设计混凝土结构建筑空间功能;基于虚拟现实技术测试模型，设计混凝土结构匹配方式，增加建筑空间优化比例。实验测试结果表明:与传统的空间优化设计相比，所提出空间优化设计方法，对建筑空间优化的比例更高，可见虚拟现实技术对混凝土结构的匹配效果更好。

关键词:虚拟现实技术;混凝土结构;建筑空间;优化设计

混凝土是目前我国建筑施工的主要基础材料，它具有结构强度高、刚度大、使用寿命长等优点，同时，受外界环境和自身因素的影响，易发生变形、开裂、断裂等问题。建筑施工单位要在实际运用中充分利用混凝土的优点，就必须进行结构的优化。对于高层建筑来说，由于其层数多、空间结构变化多，对于安全性、耐久性和抗震性有着特别的要求，混凝土结构设计状态对于建筑施工的质量有着很大的影响。因此，在高层建筑施工中，对混凝土结构的设计十分重视。目前相关领域学者针对混凝土结构优化进行了研究，曾学礼［1］设计了钢筋混凝土结构的建筑内部空间。随着混凝土与钢筋材料的性能不断提高，以及结构理论与施工技术的发展，使得其在工矿、民用、桥梁、隧道等土木工程中得到了广泛的应用。李志华［2］提出了高层钢筋混凝土结构设计优化研究。根据笔者多年的工程实践，通过大量的文献资料，系统地分析了高层建筑的结构优化问题。随着技术水平的发展、人们审美眼光不断提升，设计的建筑空间结构趋向多样化、复杂化［3］。在保证建筑空间结构美观的基础上，为保证空间发挥其最大效用，本文提出利用虚拟现实(VirtualＲeality，VＲ)技术，对建筑空间进行优化设计。

1优化设计混凝土结构建筑空间

1.1VＲ技术改进建筑空间基本结构

目前建筑空间分为多个层次和区域，每一层或每一区域的功能也有所不同，表1详细介绍了常规建筑空间的基本功能构成［4］。建筑空间形态特征包括:对外集合内部开放、边界模糊空间灵活结构以及模块分区形式感强的特点，因此按照上述特点，利用VＲ技术的相似性原理，改进建筑空间基本结构［5］。相似性原理是指一组物理过程中，其各项参数之间存在固定的比例关系，其中就包括了它的几何相似性。在相似性虚拟改进过程中，已知物理量的比例常数被称为相似常数，其表达式为:PA=x1x2，(1)式中:PA为建筑结构A的相似常数;x1为改进特征量;x2为建筑结构原有特征量。利用上式完成对建筑空间形态特征的改进［6］。同时对建筑环境特征进行调查，通过了解建筑用途，明确建筑整体氛围、局部细节的人性化特点以及智能科技设备节点。将上述特征与建筑形态特征相融合，利用VＲ技术设置建筑的空间结构与几何尺寸，并在建筑结构上附着于建筑用途相对应的颜色与花纹，保证建筑空间的原有属性［7］。假设通过VＲ技术得到的各个物理量之间的相似性准则为1，2，…，n，则根据准则之间的函数关系，结合式(1)，设置改进后的建筑空间模型生成函数，通过该函数自动生成新的建筑空间结构:f(1，2，…，n)=PA×f()，(2)式中:f()为改进前的建筑空间结构计算函数。根据建筑基本空间形态特征、环境特征改进建筑空间结构，其中部分改进结果，如图1所示。由图1可知，利用VＲ技术建立改进后的建筑空间基本结构，随时拆分调整结构不恰当或不匹配的衔接位置，根据上述操作，实现对建筑空间基本结构的改进［8］。

1.2优化设计混凝土结构建筑空间功能

改进基本结构的混凝土建筑空间，需要优化混凝土结构建筑空间功能，进而通过VＲ技术进行结构匹配，最终生成完整的、可投入使用的建筑空间模型。根据建筑空间模型，对不同空间的使用功能重新优化设计，赋予每一个区域新的使用功能，迎合时代发展的潮流和设计目的。图2为空间功能优化设计基本策略示意图［9］。建筑空间的拆分主要有2种形式:垂直方向上的拆分和水平方向的拆分。水平方向上的拆分较为简单，只需要增加隔离墙就可以得到更多的独立空间，满足对增加使用空间数量的要求。这种拆分不会对已经改进的建筑空间基本结构进行改动，通过非结构性的处理就可以实现。垂直空间的拆分适用于建筑空间内部高度较高的建筑，通过对垂直方向进行分隔，增加使用空间数量、提高空间利用率［10－11］。此时容易造成垂直拆分的新旧结构不匹配的问题，因此VＲ技术利用式(3)设置拆分比例:k2=k1×c，(3)式中:k2为拆分调整后的虚拟模型尺寸;k1为实际混凝土结构建筑空间尺寸;c为比例尺。利用式(3)可实现建筑空间的拆分。根据拆分后的虚拟模型进行重组，主要包括3种形式:完全独由图3可知，完全独立是将2个拆分空间完全隔开;而互容是一个空间内包含了另一个子空间;完全包容则为一个面积较大的空间，包容了结构形态完全不一致的空间。根据空间重组形式，优化设计混凝土结构建筑空间功能，通过建立全新的排列顺序，增强建筑空间的使用功能。结合式(2～3)，得出排序后的虚拟建筑空间尺寸:s0=k2×f(1，2，…，n)－Δs，(4)式中:Δs为空间重组误差;s0为虚拟建筑空间尺寸。当s0与实际混凝土建筑空间尺寸s之间的比例符合实际时，则证明优化后的空间功能设计是可以实现的［13］。

1.3VＲ技术设计混凝土结构匹配方式

当优化的建筑空间功能符合建筑几何设计要求时，利用VＲ技术设计混凝土结构匹配方式，通过混凝土之间的交互集成匹配，实现对混凝土结构建筑的空间优化。VＲ技术下的交互集成，根据建筑与展示陈列、建筑与结构以及建筑与设备之间的关联，通过形态对比与流线复合，实现建筑空间混凝土结构之间的匹配。图4是VＲ技术的测试模型，通过该模型检测混凝土模型之间的匹配状态［14］。VＲ技术的3个分量分别为时间分量X、空间分量Y、属性分量Z。其中时间分量描述空间设计的动态性;空间分量取值为0、1、2、3时，其分别对应真实建筑空间和虚拟建筑模型的点、线、面、体，充分描述了建筑的空间性;而属性分量则对应特定时间和空间的建筑属性［15］。利用该虚拟模型检测混凝土模型之间的匹配程度，式(5)为控制该模型的基本算法。式中:FX、FY、FZ分别为虚拟空间A1和实际建筑空间A2的匹配值;xi1、xi2、yi1、yi2、zi1、zi2分别为2个空间内，第i个混凝土结构的时间、空间以及属性因子;ωi为建筑空间匹配权重［16］。根据式(5)得出匹配度测试结果为:式中:F为匹配值;N为参与匹配测试的加权系数。根据F的计算结果可以判断模型构件尺寸之间是否契合［17］。当F≥0.97时，表示模型构件之间高度契合;当0.95＜F＜0.97时，表示模型构件之间常规契合，需要调整部分构件的设置参数;当F≤0.95时，需要重新调整建筑模型设计参数。

2实验结果与分析

将此次提出的建筑空间优化设计方法，与传统的建筑空间优化设计方法进行对比，分析不同建筑技术下，混凝土结构建筑空间的优化效果。随机选取2处建筑作为实验测试对象，其中对象A为简单结构建筑空间，对象B为复杂结构建筑空间。已知建筑物的混凝土结构参数如表2所示。利用2种方法在改变混凝土结构参数的前提下，完成对建筑物空间的结构优化。根据表2中参数，分别利用2种优化设计方法，对2组实验测试对象进行空间优化。将此次提出的优化设计方法作为实验组，将传统空间优化设计方法作为对照组。图5是对简单结构建筑A的优化设计测试结果。由图5可知，2种优化设计方法，对于简单结构建筑空间，平均优化比例分别为97.17%和96.71%，均有较高的优化比例。再对复杂结构建筑B进行空间优化设计，图6为实验测试结果。由图6可知，面对复杂结构建筑空间，所提出的优化设计下，平均优化比例维持在94.34%;而传统空间优化设计下，平均优化比例则降到了85.32%，比所提出的优化设计方法的优化比例，低了9.02%。综合2组实验测试结果，可知所提出的空间优化设计方法的优化效果更好。

3结束语

利用VＲ技术对混凝土结构建筑空间进行优化，通过增加构件模型之间的契合度，增强虚拟建筑结构之间的匹配程度，实现更加全面的建筑空间优化，解决了传统空间优化设计方法由于建筑结构匹配差，导致优化比例偏低的问题。但此次提出的空间优化设计方法，并没有考虑地理位置信息等环境因素，今后的研究设计，可以再对这一点进行优化分析。

作者:裴欣 单位:六安职业技术学院城市建设学院