四維設計在現代建筑工程中的運用

摘要：本文從四維設計理論出發，闡述了四維設計的目標及主要技術要求，并給出了四維設計在建筑設計中的應用。

關鍵詞：四維設計；技術要求；建筑設計

1四維設計的目標

所謂四維設計，是在建筑三維空間模型的基礎上引進時間軸度量的第四維度來協助完成建筑的設計與建造， 通常借助計算機技術用四維數字模型即4D模型來表達。在建筑業，4D模型作為設計和建筑施工計劃工具有嶄新的含義，并不簡單等同于我們經?？吹绞┕て髽I用計算機虛擬現實技術做的施工過程模擬效果圖。相比之下，4D模型需要達到更深入的技術水平，它要求空間和時間的元素在四維的環境下被更加有機整合，其中空間的建筑元素為三維模型，而時間序列指的是工程建設項目的施工進度，四維模型將空間元素在時間維度上展開以擬定合理的施工方案并確定工程各個施工過程的施工順序、施工持續時間以及相互銜接穿插配合關系。

不應單純認為4D模型僅僅起到取代設計行業的二維設計圖紙、模型或取代施工行業的橫條圖、網絡圖的作用。從更寬的視角看，未來的建筑設計應當是全生命周期的建設活動；在建造階段可能遇到的各種問題如何盡早在設計階段就加以考慮周全，這牽涉到建筑業中設計與建造兩大環節的更有效整合，以提高建造效率，降低建筑業成本；不當的設計會導致不合適的施工順序，最終也會導致建造周期延長，甚至重新返工設計，因此在概念設計階段就應對建筑的施工建造問題進行評估，而不必等到擴初階段或者更晚的施工圖設計階段。如果在建筑設計的初始階段就可以虛擬試驗施工方案的合理性，這樣就能盡量減少設計環節中的缺陷所導致的施工問題。因此， 四維設計模型追求的最終目標應當是能夠被充分整合在建筑全生命周期的設計任務中發揮作用。

四維設計的研究目標完全是針對提高建筑行業設計和建造效率而言，同時四維設計有著鮮明的建筑行業特征，與制造行業的三維設計模式差別較大。在制造業，3D模型已成為當前\"數字制造\"的基礎， 而建筑業的\"數字建造\"還是相當遙遠的理想。部分文獻提出了制造業三維模型在建筑業的應用，但迄今為止，只有CATIA軟件在國外個別建筑事務所有過成功的建筑實踐，主要也是應用它復雜曲面建模的能力，它所具有的制造業各流程的項目管理能力無法復制到建筑行業，相關施工管理和項目進度安排實際上還是借助于專業的建筑軟件進行。

2 四維設計的技術要求

2.1 四維設計的技術模塊

知識庫：儲存4D模型中的3D幾何數據以建立空間的關系并插入進度管理數據。進度數據可以根據專家的經驗取得或者進度計劃人員的專業知識獲得。

程序引擎：計算機調用專業的項目管理分析工具或管理模型，試驗進度和空間模型結合的合理程度并評估整合后的4D模型能否被看做建筑計劃的一個有效模擬。

用戶接口：使用者可以利用接口獲得控制4D模型的必要功能。

此外可能還需要一些擴展的功能， 如：

虛擬環境：要求模型能提供在計算機網絡上的傳輸和瀏覽的格式， 這主要是滿足多環節包括設計和施工人員的協作需要。

約束管理：定義建筑每一個組件如何被連接的關系，彼此的約束以及允許的運動自由度，具有這個功能，可以有效提高模型的智能程度。

2.2 四維設計的步驟

從技術特點上，實際用于四維設計的空間模型不同于常規的建筑3D模型，要求模型的幾何信息存儲分層的方式能相對靈活，以便于與項目施工的具體事件結合，隨時實現模型構件的重組。但目前在實際操作中采用了簡化模式，通常是基于通用建筑建模軟件生成實體模型，這時四維設計的具體步驟如下。

2.2.1 應用常規的建模軟件如Archicad軟件生成建筑3D模型

列舉Archicad而不是其他建筑設計軟件是因為其提出并實現的建筑信息模型（ＢＩＭ）技術比較成熟，其平臺提供建筑業通用數據交換模式ＩＦＣ的最新標準，使得生成模型可以在建筑業所有遵循該標準的信息平臺內復用。

2.2.2 利用編制項目進度計劃的計算機軟件如Microsoft Project軟件產生進度 若采用橫條圖的方式建立項目進度計劃，Microsoft Project首先列出實現項目目標的所有步驟，將每塊工作分配到各項任務中，收集并輸入工期的估計值，創建任務列表并按大綱的形式將其組織起來，給各個任務配置資源，決定這些任務之間的相互關系并指定日期，然后檢查甘特圖是否符合要求。

編制項目進度計劃軟件除Microsoft Project軟件外，可挑選的施工項目管理類軟件很多，只要具有用橫條圖、單代號網絡圖、日歷視圖、資源工作表等多種方式顯示項目進度計劃的能力即可。

2.2.3 將3D模型的構件與進度表聯系，以直觀展示施工進程

對計算機而言，這是一個將對象與事件相聯系的連接軟件的編程實現。通常用ＶＣ或ＶＢ等基于Ｗｉｎｄｏｗｓ圖形界面的編程軟件完成該4D連接工具的開發，最終實現將3D物體和相應任務相聯的圖形界面。

以上技術實現的4D模型，適用于中小規模的工程，目前4D模型用于大型建筑工程的實踐不多，比較典型的例子是著名的美國蓋里事務所最近完成的迪斯尼音樂廳建筑群，其工程數據量巨大，3D模型采用CATIA軟件，項目進度管理采用P3（Primaveras Project Planner）軟件，不過這兩個軟件都是相關領域相當昂貴的高端軟件，普通建筑企業采用的可能性很小。

3 四維設計在家居裝飾設計中的應用

傳統居室裝修的設計思路，是僅考慮地面、墻面和屋頂的三位一體的和諧，是一種三維的設計，而沒有把家具的配置作為通盤考慮的內容。如能將家具的色調、品牌、款式作為居室裝修通盤考慮的內容，尋求居室空間的整體效果，則整個設計的效果必定會更加和諧，這就是裝潢的又一新思路--四維設計。具體來說，它有以下幾種：

3.1 一體式：

3.1.1如果采用暖色調的墻體涂料配合木質地板和現代歐式家具，再輔之以璀璨的燈光，就使居室的溫馨感得以充分體現。各種現代裝飾畫的鏡框在墻面裝飾中廣泛使用，雍容華貴的歐式平頂，給人以興奮向上的熱情，而新穎別致的頂棚，令人遐思翩翩。為增加空間的深度，也可以設計漸次遞進向上的頂棚。這樣的四維設計，如能配置名牌家具，將會是十分理想的選擇。

3.1.2 在選用淺色現代家具的同時，將室內裝潢通盤考慮，使之裝潢具有獨到之處，特點在于質樸、自然、富有原創的意味，頂和墻面采用乳膠漆，色彩靠近沙發布面的顏色，有渾然一體之感。吊頂和家具搭配講究造型簡潔、色彩明快、線條流暢，并與整個居室格調相呼應，那也是不錯的選擇。家具造型高低起伏，富有藝術性，更使室內充滿和諧的氣氛。

3.2 對照式：

3.2.1室內選用淺色的家具(如胡桃木色、乳白色家具)，乳白色的墻壁與深紅色的地面，形成了強烈的色彩對比，會產生較好的空間藝術效果。

3.2.2與一般臥室的色彩色調相反。不同往常的設計是家具與墻面均采用深色，而地面為淺色木地板，頂棚則采用淺色涂料涂飾，也會使室內空間充滿藝術情趣，給人以耳目一新的感覺。或采用深色的實木家具，配上白色的頂棚，湖藍色的墻紙，淺色的地板，將使居室洋溢古典風格，展現宮廷式的雍容華貴。

3.3溫馨和諧式：

居室裝修的總體效果要體現出溫馨協調的家庭氣息。主臥室、次臥室、客廳、兒童房、廚房、衛生間等，各空間互相分隔又融為一體，互不干擾但又聯系方便，每個房間都體現出特定的內容和方式，一切都恰如其分，井井有條。室內色調注意柔和協調。流行款式的兒童家具采用鑲拼亮麗的色調，要和居室的墻面，天頂等協調。特別要注意墻面顏色的選定，因為它是室內動和靜的背景，是襯托室內空間景象的屏幕。而現代廚房家具與地面、頂棚的和諧配套，則會創造出溫馨可人的廚房環境。

參考文獻

［1］劉滌宇。表皮作為方法--從四維分解到四維連續。建筑師，2004（8）。

［2］李紅波，王曉鳴?；冢眨侨S可視化仿真的建筑施工全程虛擬。建筑技術，2004，35（11）：808－ 810.

［3］戴涌，張志遠。形象進度技術在施工管理中的應用。第12屆全國工程建設計算機應用學術會議論文集， 2004.