裴 欣

(六安職業(yè)技術學院 城市建設學院，安徽 六安 237001)

混凝土是目前我國建筑施工的主要基礎材料，它具有結構強度高、剛度大、使用壽命長等優(yōu)點，同時，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際運用中充分利用混凝土的優(yōu)點，就必須進行結構的優(yōu)化。對于高層建筑來說，由于其層數多、空間結構變化多，對于安全性、耐久性和抗震性有著特別的要求，混凝土結構設計狀態(tài)對于建筑施工的質量有著很大的影響。因此，在高層建筑施工中，對混凝土結構的設計十分重視。

目前相關領域學者針對混凝土結構優(yōu)化進行了研究，曾學禮[1]設計了鋼筋混凝土結構的建筑內部空間。隨著混凝土與鋼筋材料的性能不斷提高，以及結構理論與施工技術的發(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用。李志華[2]提出了高層鋼筋混凝土結構設計優(yōu)化研究。根據筆者多年的工程實踐，通過大量的文獻資料，系統(tǒng)地分析了高層建筑的結構優(yōu)化問題。

隨著技術水平的發(fā)展、人們審美眼光不斷提升，設計的建筑空間結構趨向多樣化、復雜化[3]。在保證建筑空間結構美觀的基礎上，為保證空間發(fā)揮其最大效用，本文提出利用虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術，對建筑空間進行優(yōu)化設計。

1 優(yōu)化設計混凝土結構建筑空間

1.1 VR技術改進建筑空間基本結構

目前建筑空間分為多個層次和區(qū)域，每一層或每一區(qū)域的功能也有所不同，表1詳細介紹了常規(guī)建筑空間的基本功能構成[4]。

表1 常規(guī)建筑空間基本功能構成

建筑空間形態(tài)特征包括：對外集合內部開放、邊界模糊空間靈活結構以及模塊分區(qū)形式感強的特點，因此按照上述特點，利用VR技術的相似性原理，改進建筑空間基本結構[5]。

相似性原理是指一組物理過程中，其各項參數之間存在固定的比例關系，其中就包括了它的幾何相似性。在相似性虛擬改進過程中，已知物理量的比例常數被稱為相似常數，其表達式為：

(1)

式中：PA為建筑結構A的相似常數；x1為改進特征量；x2為建筑結構原有特征量。利用上式完成對建筑空間形態(tài)特征的改進[6]。

同時對建筑環(huán)境特征進行調查，通過了解建筑用途，明確建筑整體氛圍、局部細節(jié)的人性化特點以及智能科技設備節(jié)點。將上述特征與建筑形態(tài)特征相融合，利用VR技術設置建筑的空間結構與幾何尺寸，并在建筑結構上附著于建筑用途相對應的顏色與花紋，保證建筑空間的原有屬性[7]。

f(1，2，…，n)=PA×f()，

(2)

式中：f()為改進前的建筑空間結構計算函數。

根據建筑基本空間形態(tài)特征、環(huán)境特征改進建筑空間結構，其中部分改進結果，如圖1所示。

圖1 改進后的建筑空間基本結構

由圖1可知，利用VR技術建立改進后的建筑空間基本結構，隨時拆分調整結構不恰當或不匹配的銜接位置，根據上述操作，實現對建筑空間基本結構的改進[8]。

1.2 優(yōu)化設計混凝土結構建筑空間功能

改進基本結構的混凝土建筑空間，需要優(yōu)化混凝土結構建筑空間功能，進而通過VR技術進行結構匹配，最終生成完整的、可投入使用的建筑空間模型。根據建筑空間模型，對不同空間的使用功能重新優(yōu)化設計，賦予每一個區(qū)域新的使用功能，迎合時代發(fā)展的潮流和設計目的。圖2為空間功能優(yōu)化設計基本策略示意圖[9]。

圖2 功能優(yōu)化設計基本策略

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立空間，滿足對增加使用空間數量的要求。這種拆分不會對已經改進的建筑空間基本結構進行改動，通過非結構性的處理就可以實現。垂直空間的拆分適用于建筑空間內部高度較高的建筑，通過對垂直方向進行分隔，增加使用空間數量、提高空間利用率[10-11]。此時容易造成垂直拆分的新舊結構不匹配的問題，因此VR技術利用式(3)設置拆分比例：

k2=k1×c，

(3)

式中：k2為拆分調整后的虛擬模型尺寸；k1為實際混凝土結構建筑空間尺寸；c為比例尺。

利用式(3)可實現建筑空間的拆分。根據拆分后的虛擬模型進行重組，主要包括3種形式：完全獨立重組、互容重組和完全包容重組，如圖3所示[12]。

(1)完全獨立 (2)互容

由圖3可知，完全獨立是將2個拆分空間完全隔開；而互容是一個空間內包含了另一個子空間；完全包容則為一個面積較大的空間，包容了結構形態(tài)完全不一致的空間。根據空間重組形式，優(yōu)化設計混凝土結構建筑空間功能，通過建立全新的排列順序，增強建筑空間的使用功能。結合式(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s0與實際混凝土建筑空間尺寸s之間的比例符合實際時，則證明優(yōu)化后的空間功能設計是可以實現的[13]。

1.3 VR技術設計混凝土結構匹配方式

當優(yōu)化的建筑空間功能符合建筑幾何設計要求時，利用VR技術設計混凝土結構匹配方式，通過混凝土之間的交互集成匹配，實現對混凝土結構建筑的空間優(yōu)化。VR技術下的交互集成，根據建筑與展示陳列、建筑與結構以及建筑與設備之間的關聯，通過形態(tài)對比與流線復合，實現建筑空間混凝土結構之間的匹配。圖4是VR技術的測試模型，通過該模型檢測混凝土模型之間的匹配狀態(tài)[14]。

圖4 虛擬現實技術測試模型

VR技術的3個分量分別為時間分量X、空間分量Y、屬性分量Z。其中時間分量描述空間設計的動態(tài)性；空間分量取值為0、1、2、3時，其分別對應真實建筑空間和虛擬建筑模型的點、線、面、體，充分描述了建筑的空間性；而屬性分量則對應特定時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。

(5)

式中：FX、FY、FZ分別為虛擬空間A1和實際建筑空間A2的匹配值；xi1、xi2、yi1、yi2、zi1、zi2分別為2個空間內，第i個混凝土結構的時間、空間以及屬性因子；ωi為建筑空間匹配權重[16]。

根據式(5)得出匹配度測試結果為：

(6)

式中：F為匹配值；N為參與匹配測試的加權系數。

根據F的計算結果可以判斷模型構件尺寸之間是否契合[17]。當F≥0.97時，表示模型構件之間高度契合；當0.95

2 實驗結果與分析

將此次提出的建筑空間優(yōu)化設計方法，與傳統(tǒng)的建筑空間優(yōu)化設計方法進行對比，分析不同建筑技術下，混凝土結構建筑空間的優(yōu)化效果。

隨機選取2處建筑作為實驗測試對象，其中對象A為簡單結構建筑空間，對象B為復雜結構建筑空間。已知建筑物的混凝土結構參數如表2所示。利用2種方法在改變混凝土結構參數的前提下，完成對建筑物空間的結構優(yōu)化。

表2 混凝土結構參數

根據表2中參數，分別利用2種優(yōu)化設計方法，對2組實驗測試對象進行空間優(yōu)化。將此次提出的優(yōu)化設計方法作為實驗組，將傳統(tǒng)空間優(yōu)化設計方法作為對照組。圖5是對簡單結構建筑A的優(yōu)化設計測試結果。

圖5 簡單結構建筑的空間優(yōu)化設計測試結果

由圖5可知，2種優(yōu)化設計方法，對于簡單結構建筑空間，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。再對復雜結構建筑B進行空間優(yōu)化設計，圖6為實驗測試結果。

由圖6可知，面對復雜結構建筑空間，所提出的優(yōu)化設計下，平均優(yōu)化比例維持在94.34%；而傳統(tǒng)空間優(yōu)化設計下，平均優(yōu)化比例則降到了85.32%，比所提出的優(yōu)化設計方法的優(yōu)化比例，低了9.02%。綜合2組實驗測試結果，可知所提出的空間優(yōu)化設計方法的優(yōu)化效果更好。

圖6 復雜結構建筑的空間優(yōu)化設計測試結果

3 結束語

利用VR技術對混凝土結構建筑空間進行優(yōu)化，通過增加構件模型之間的契合度，增強虛擬建筑結構之間的匹配程度，實現更加全面的建筑空間優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)空間優(yōu)化設計方法由于建筑結構匹配差，導致優(yōu)化比例偏低的問題。但此次提出的空間優(yōu)化設計方法，并沒有考慮地理位置信息等環(huán)境因素，今后的研究設計，可以再對這一點進行優(yōu)化分析。