虛擬仿真技術(shù)在"索膜結(jié)構(gòu)"施工中的應(yīng)用研究

何棟梁

摘 要：虛擬仿真技術(shù)是在建筑設(shè)計(jì)的過程中，從三維出發(fā)對(duì)建筑及其環(huán)境，以至于施工過程中進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)與監(jiān)督的一項(xiàng)現(xiàn)代技術(shù)。索膜結(jié)構(gòu)是一種新型的、高效利用空間的空間張拉體系。而對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)來說，虛擬仿真技術(shù)對(duì)于其的實(shí)用性與外觀的把握十分重要。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；索膜結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；施工

索膜結(jié)構(gòu)是進(jìn)入21世紀(jì)以來最為流行的空間張拉結(jié)構(gòu)，其空間有效利用與成本節(jié)約的特征，被認(rèn)為是最有前途的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。而索膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過程中，要利用數(shù)學(xué)建模與力學(xué)模型，做到科學(xué)的線性設(shè)計(jì)與數(shù)值分析。虛擬仿真技術(shù)就是鎖模結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中過程中要利用的主要技術(shù)之一。

1 虛擬仿真技術(shù)與索膜結(jié)構(gòu)概述

虛擬仿真是通過情景模擬，相似原理、數(shù)學(xué)建模構(gòu)圖、計(jì)算機(jī)編程、通信及共同作用的領(lǐng)域的具體應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，通過測(cè)繪與物理測(cè)量工具，借助數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際的空間條件下，對(duì)未建造的項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)想與設(shè)計(jì)的一種學(xué)科。主要應(yīng)用于工程與地質(zhì)勘探等科研領(lǐng)域。虛擬仿真有多種具體方式，如有情景仿真、數(shù)值仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）仿真、結(jié)構(gòu)仿真等等。

索膜結(jié)構(gòu)源于帳篷結(jié)構(gòu)，美國杜邦公司開發(fā)出以聚四氟乙烯來為膜結(jié)構(gòu)涂層的玻璃纖維織物作為膜材料。隨著索膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用的增多與技術(shù)的改進(jìn)，由充氣結(jié)構(gòu)頂棚到張拉索膜結(jié)構(gòu)，都有很廣泛的應(yīng)用。索膜結(jié)構(gòu)從定義上講是由拉索、壓頂和膜材整體張拉組成的空間結(jié)構(gòu)體系。它的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的幾何非線性，因此對(duì)于其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要十分的科學(xué)，要用科學(xué)的數(shù)學(xué)模型建立其幾何非線性設(shè)計(jì)，同時(shí)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也起到十分關(guān)鍵的作用。索膜結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在的大型場(chǎng)館經(jīng)常見到，下圖為湖南大通湖高爾夫頂棚的一個(gè)實(shí)例。

2 虛擬仿真技術(shù)對(duì)索膜結(jié)構(gòu)施工的現(xiàn)實(shí)意義

虛擬仿真技術(shù)就是將現(xiàn)實(shí)情況與未來的建設(shè)情況結(jié)合在一起，可以使建筑設(shè)計(jì)與空間性在建筑設(shè)計(jì)階段就得到最接近實(shí)際的、全方位的展現(xiàn)，使得建筑設(shè)計(jì)中的空間設(shè)計(jì)更具交互性和可再升級(jí)性，場(chǎng)所的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)理念得到了充分的表現(xiàn)，大大加強(qiáng)其真實(shí)性。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，可以全面的從遠(yuǎn)至近的感受建筑的空間布局，在這個(gè)過程中還能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行推敲和調(diào)整。不用等待建造時(shí)間，能夠充分的釋放創(chuàng)造力和靈感，這些是傳統(tǒng)的圖表設(shè)計(jì)所無法比擬的。

索膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的時(shí)候主要考慮到兩個(gè)力學(xué)結(jié)構(gòu)。首先是索單元力學(xué)模型，索結(jié)構(gòu)主要是拉桿，其抗拉剛度除了與其本身截面特性有關(guān)外，還與其自重、內(nèi)拉力和外部拉力有關(guān)。對(duì)此，索單元的設(shè)計(jì)要注意高柔性與應(yīng)變的幾何非線性關(guān)系，要考慮荷載沿投影均布，要考慮荷載沿索長均布的曲索單元。第二是膜單元力學(xué)模型，膜結(jié)構(gòu)是一種抗拉，不抗彎和抗壓的柔性結(jié)構(gòu)，它靠薄膜表面的曲率變化，引起膜表面內(nèi)力重分布而產(chǎn)生剛度來抵抗垂直于曲面的外荷載的作用，要考慮到其幾何非線性效應(yīng)。第三，綜合兩個(gè)力學(xué)結(jié)構(gòu)，經(jīng)常要考慮索出現(xiàn)松弛和膜出現(xiàn)皺褶的情況，松弛與褶皺的出現(xiàn)是因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)處于不完全拉伸狀態(tài)，對(duì)于索松弛單元和膜皺褶單元的處理，是通過迭代計(jì)算中加入適應(yīng)的判斷準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)的。以上的三種基本的索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為問題，虛擬仿真技術(shù)中的數(shù)學(xué)模型都要考慮到，并且要通過CAD等軟件，將設(shè)計(jì)圖做到十分精細(xì)。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)設(shè)計(jì)、網(wǎng)格變形的松弛狀況、索膜彈簧--質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)、薄膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)調(diào)整等等細(xì)節(jié)上，都是要精密計(jì)算與模擬的。

3 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)中如何發(fā)揮效用

（1）虛擬仿真技術(shù)對(duì)建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)作階段能實(shí)現(xiàn)全方位的效果展現(xiàn)

虛擬仿真技術(shù)中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是虛擬現(xiàn)實(shí)，可以使建筑的空間的完整性在設(shè)想階段、建筑創(chuàng)作階段就得到充分的展現(xiàn)，使得建筑設(shè)計(jì)中的完整形象與完整性能更具交互性和靈活性，場(chǎng)所的設(shè)計(jì)理念與實(shí)用效果得到了充分的表現(xiàn)，建模與效果圖的真實(shí)性變得很高。在虛擬現(xiàn)實(shí)模仿系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者與參觀者可以通過模擬身臨其境地在建筑中體會(huì)，感受空間布局的結(jié)構(gòu)與比例，可以隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行推敲和方案調(diào)整。這一點(diǎn)對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)十分重要，索膜結(jié)構(gòu)的外觀要求也非常高，一項(xiàng)綜合建筑，要求外觀的協(xié)調(diào)，因此，模擬仿真技術(shù)能夠使索膜結(jié)構(gòu)施工之前，給主要的建筑設(shè)計(jì)師提供參考。

（2）建筑設(shè)計(jì)表達(dá)更全面

虛擬仿真技術(shù)提供給建筑師多角度、多維度、更大空間的人機(jī)交互設(shè)計(jì)的平臺(tái)與概念。設(shè)計(jì)者可以從靜止的狀態(tài)細(xì)致的觀察索膜結(jié)構(gòu)帳篷，或者以動(dòng)態(tài)地體驗(yàn)索膜結(jié)構(gòu)的特性。同時(shí)，設(shè)計(jì)者還可以根據(jù)物理環(huán)境與美觀設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)比較不同方案，隨時(shí)的進(jìn)行改進(jìn)與完善。虛擬仿真體系還可以模擬太陽光照、周圍設(shè)備設(shè)施等，使得建筑的整體表達(dá)的更全面、更真實(shí)、更科學(xué)、更有說服力。

（3）使索膜結(jié)構(gòu)與其他設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的互動(dòng)

如模擬索膜結(jié)構(gòu)整體的風(fēng)環(huán)境，來制約建筑的物理結(jié)構(gòu)與外部造型，改善索膜結(jié)構(gòu)頂棚形成的周邊風(fēng)環(huán)境造成的不利后果。此外，防火、防洪、照明、排煙控制和疏散通道等等的安全性進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)與統(tǒng)籌考慮。

4 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的具體步驟

（1）概念設(shè)計(jì)

任何建筑的設(shè)計(jì)都要從建造概念開始。對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用途、與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)、反應(yīng)的意向、膜外型的風(fēng)格等等，都要有鮮明的概念，是要復(fù)古，還是現(xiàn)代，是要體現(xiàn)獨(dú)特，還是要體現(xiàn)出功能，十分重要。例如索膜結(jié)構(gòu)帳篷，目前在海邊越來越多的看得到，白色的頂棚與構(gòu)架，在陽光的直射下，顯得十分耀眼，和白色的沙灘十分協(xié)調(diào)，這樣的設(shè)計(jì)可以說是代表了海邊的建筑概念。

（2）方案設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是整體的、初步的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步的修改與調(diào)研十分關(guān)鍵。方案的設(shè)計(jì)與推敲程度決定了索膜結(jié)構(gòu)的實(shí)用性、美觀性、科學(xué)性。在虛擬仿真設(shè)計(jì)中通過不同的重要視角的把握和比較，可以提供更多的選擇方案，可以不斷的使自己造型構(gòu)思的發(fā)展能得到有效的想象與驗(yàn)證。對(duì)于設(shè)計(jì)過程的合理化，起了很大的作用。這種構(gòu)思表現(xiàn)的過程性和準(zhǔn)確性是其它方法所無法比擬的。

（3）方案優(yōu)化

隨著索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對(duì)于框架與風(fēng)格已經(jīng)不那么拘泥一種標(biāo)準(zhǔn)，更多的要求是設(shè)計(jì)的科學(xué)性與實(shí)用性，以及個(gè)性化。這就給了設(shè)計(jì)者在方案優(yōu)化的過程中出了難題，這就需要設(shè)計(jì)者與施工者在實(shí)地多考察與多交流，把實(shí)際情況摸清。把內(nèi)部、外部的轉(zhuǎn)換和延伸做到相輔相成，這樣才能促進(jìn)方案設(shè)計(jì)的最終完成。

（4）做出詳細(xì)的效果圖并驗(yàn)證

隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展，虛擬仿真工作的效果圖也慢慢的完善，對(duì)于外表與內(nèi)部，都要做的十分詳細(xì)，很多數(shù)據(jù)要精確，并且把設(shè)計(jì)原因與理念都要寫清，這樣在方案的檢驗(yàn)與回饋中，才能有章可查。找出在不同的概念和設(shè)計(jì)之間的出入，檢查方案從美觀到基本功能的有效實(shí)現(xiàn)等方面都要達(dá)標(biāo)，為其他項(xiàng)目的后續(xù)設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)整體效果的和諧。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中，已經(jīng)成為了一項(xiàng)十分重要的技術(shù)，尤其是索膜結(jié)構(gòu)，由于索膜結(jié)構(gòu)的個(gè)性化與差異化要求，虛擬仿真技術(shù)對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)工程能提供很多幫助。同時(shí)，發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)軟件與信息技術(shù)，也縮短了索膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)與施工中的時(shí)間與工程周期，提高了效率，節(jié)約了成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]藍(lán)天.當(dāng)代膜結(jié)構(gòu)發(fā)展概述[J].世界建筑，2000，（9）.

[2]衛(wèi)東，沈世釗.薄膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)確定的幾種分析方法研究[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33.

[3] 陳盈盈.基于仿真理論及虛擬化技術(shù)的虛擬覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

基金項(xiàng)目：益陽市科技局2010年度科學(xué)研究項(xiàng)目2010JZ13

摘 要：虛擬仿真技術(shù)是在建筑設(shè)計(jì)的過程中，從三維出發(fā)對(duì)建筑及其環(huán)境，以至于施工過程中進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)與監(jiān)督的一項(xiàng)現(xiàn)代技術(shù)。索膜結(jié)構(gòu)是一種新型的、高效利用空間的空間張拉體系。而對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)來說，虛擬仿真技術(shù)對(duì)于其的實(shí)用性與外觀的把握十分重要。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；索膜結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；施工

索膜結(jié)構(gòu)是進(jìn)入21世紀(jì)以來最為流行的空間張拉結(jié)構(gòu)，其空間有效利用與成本節(jié)約的特征，被認(rèn)為是最有前途的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。而索膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過程中，要利用數(shù)學(xué)建模與力學(xué)模型，做到科學(xué)的線性設(shè)計(jì)與數(shù)值分析。虛擬仿真技術(shù)就是鎖模結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中過程中要利用的主要技術(shù)之一。

1 虛擬仿真技術(shù)與索膜結(jié)構(gòu)概述

虛擬仿真是通過情景模擬，相似原理、數(shù)學(xué)建模構(gòu)圖、計(jì)算機(jī)編程、通信及共同作用的領(lǐng)域的具體應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，通過測(cè)繪與物理測(cè)量工具，借助數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際的空間條件下，對(duì)未建造的項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)想與設(shè)計(jì)的一種學(xué)科。主要應(yīng)用于工程與地質(zhì)勘探等科研領(lǐng)域。虛擬仿真有多種具體方式，如有情景仿真、數(shù)值仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）仿真、結(jié)構(gòu)仿真等等。

索膜結(jié)構(gòu)源于帳篷結(jié)構(gòu)，美國杜邦公司開發(fā)出以聚四氟乙烯來為膜結(jié)構(gòu)涂層的玻璃纖維織物作為膜材料。隨著索膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用的增多與技術(shù)的改進(jìn)，由充氣結(jié)構(gòu)頂棚到張拉索膜結(jié)構(gòu)，都有很廣泛的應(yīng)用。索膜結(jié)構(gòu)從定義上講是由拉索、壓頂和膜材整體張拉組成的空間結(jié)構(gòu)體系。它的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的幾何非線性，因此對(duì)于其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要十分的科學(xué)，要用科學(xué)的數(shù)學(xué)模型建立其幾何非線性設(shè)計(jì)，同時(shí)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也起到十分關(guān)鍵的作用。索膜結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在的大型場(chǎng)館經(jīng)常見到，下圖為湖南大通湖高爾夫頂棚的一個(gè)實(shí)例。

2 虛擬仿真技術(shù)對(duì)索膜結(jié)構(gòu)施工的現(xiàn)實(shí)意義

虛擬仿真技術(shù)就是將現(xiàn)實(shí)情況與未來的建設(shè)情況結(jié)合在一起，可以使建筑設(shè)計(jì)與空間性在建筑設(shè)計(jì)階段就得到最接近實(shí)際的、全方位的展現(xiàn)，使得建筑設(shè)計(jì)中的空間設(shè)計(jì)更具交互性和可再升級(jí)性，場(chǎng)所的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)理念得到了充分的表現(xiàn)，大大加強(qiáng)其真實(shí)性。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，可以全面的從遠(yuǎn)至近的感受建筑的空間布局，在這個(gè)過程中還能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行推敲和調(diào)整。不用等待建造時(shí)間，能夠充分的釋放創(chuàng)造力和靈感，這些是傳統(tǒng)的圖表設(shè)計(jì)所無法比擬的。

索膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的時(shí)候主要考慮到兩個(gè)力學(xué)結(jié)構(gòu)。首先是索單元力學(xué)模型，索結(jié)構(gòu)主要是拉桿，其抗拉剛度除了與其本身截面特性有關(guān)外，還與其自重、內(nèi)拉力和外部拉力有關(guān)。對(duì)此，索單元的設(shè)計(jì)要注意高柔性與應(yīng)變的幾何非線性關(guān)系，要考慮荷載沿投影均布，要考慮荷載沿索長均布的曲索單元。第二是膜單元力學(xué)模型，膜結(jié)構(gòu)是一種抗拉，不抗彎和抗壓的柔性結(jié)構(gòu)，它靠薄膜表面的曲率變化，引起膜表面內(nèi)力重分布而產(chǎn)生剛度來抵抗垂直于曲面的外荷載的作用，要考慮到其幾何非線性效應(yīng)。第三，綜合兩個(gè)力學(xué)結(jié)構(gòu)，經(jīng)常要考慮索出現(xiàn)松弛和膜出現(xiàn)皺褶的情況，松弛與褶皺的出現(xiàn)是因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)處于不完全拉伸狀態(tài)，對(duì)于索松弛單元和膜皺褶單元的處理，是通過迭代計(jì)算中加入適應(yīng)的判斷準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)的。以上的三種基本的索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為問題，虛擬仿真技術(shù)中的數(shù)學(xué)模型都要考慮到，并且要通過CAD等軟件，將設(shè)計(jì)圖做到十分精細(xì)。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)設(shè)計(jì)、網(wǎng)格變形的松弛狀況、索膜彈簧--質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)、薄膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)調(diào)整等等細(xì)節(jié)上，都是要精密計(jì)算與模擬的。

3 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)中如何發(fā)揮效用

（1）虛擬仿真技術(shù)對(duì)建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)作階段能實(shí)現(xiàn)全方位的效果展現(xiàn)

虛擬仿真技術(shù)中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是虛擬現(xiàn)實(shí)，可以使建筑的空間的完整性在設(shè)想階段、建筑創(chuàng)作階段就得到充分的展現(xiàn)，使得建筑設(shè)計(jì)中的完整形象與完整性能更具交互性和靈活性，場(chǎng)所的設(shè)計(jì)理念與實(shí)用效果得到了充分的表現(xiàn)，建模與效果圖的真實(shí)性變得很高。在虛擬現(xiàn)實(shí)模仿系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者與參觀者可以通過模擬身臨其境地在建筑中體會(huì)，感受空間布局的結(jié)構(gòu)與比例，可以隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行推敲和方案調(diào)整。這一點(diǎn)對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)十分重要，索膜結(jié)構(gòu)的外觀要求也非常高，一項(xiàng)綜合建筑，要求外觀的協(xié)調(diào)，因此，模擬仿真技術(shù)能夠使索膜結(jié)構(gòu)施工之前，給主要的建筑設(shè)計(jì)師提供參考。

（2）建筑設(shè)計(jì)表達(dá)更全面

虛擬仿真技術(shù)提供給建筑師多角度、多維度、更大空間的人機(jī)交互設(shè)計(jì)的平臺(tái)與概念。設(shè)計(jì)者可以從靜止的狀態(tài)細(xì)致的觀察索膜結(jié)構(gòu)帳篷，或者以動(dòng)態(tài)地體驗(yàn)索膜結(jié)構(gòu)的特性。同時(shí)，設(shè)計(jì)者還可以根據(jù)物理環(huán)境與美觀設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)比較不同方案，隨時(shí)的進(jìn)行改進(jìn)與完善。虛擬仿真體系還可以模擬太陽光照、周圍設(shè)備設(shè)施等，使得建筑的整體表達(dá)的更全面、更真實(shí)、更科學(xué)、更有說服力。

（3）使索膜結(jié)構(gòu)與其他設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的互動(dòng)

如模擬索膜結(jié)構(gòu)整體的風(fēng)環(huán)境，來制約建筑的物理結(jié)構(gòu)與外部造型，改善索膜結(jié)構(gòu)頂棚形成的周邊風(fēng)環(huán)境造成的不利后果。此外，防火、防洪、照明、排煙控制和疏散通道等等的安全性進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)與統(tǒng)籌考慮。

4 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的具體步驟

（1）概念設(shè)計(jì)

任何建筑的設(shè)計(jì)都要從建造概念開始。對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用途、與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)、反應(yīng)的意向、膜外型的風(fēng)格等等，都要有鮮明的概念，是要復(fù)古，還是現(xiàn)代，是要體現(xiàn)獨(dú)特，還是要體現(xiàn)出功能，十分重要。例如索膜結(jié)構(gòu)帳篷，目前在海邊越來越多的看得到，白色的頂棚與構(gòu)架，在陽光的直射下，顯得十分耀眼，和白色的沙灘十分協(xié)調(diào)，這樣的設(shè)計(jì)可以說是代表了海邊的建筑概念。

（2）方案設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是整體的、初步的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步的修改與調(diào)研十分關(guān)鍵。方案的設(shè)計(jì)與推敲程度決定了索膜結(jié)構(gòu)的實(shí)用性、美觀性、科學(xué)性。在虛擬仿真設(shè)計(jì)中通過不同的重要視角的把握和比較，可以提供更多的選擇方案，可以不斷的使自己造型構(gòu)思的發(fā)展能得到有效的想象與驗(yàn)證。對(duì)于設(shè)計(jì)過程的合理化，起了很大的作用。這種構(gòu)思表現(xiàn)的過程性和準(zhǔn)確性是其它方法所無法比擬的。

（3）方案優(yōu)化

隨著索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對(duì)于框架與風(fēng)格已經(jīng)不那么拘泥一種標(biāo)準(zhǔn)，更多的要求是設(shè)計(jì)的科學(xué)性與實(shí)用性，以及個(gè)性化。這就給了設(shè)計(jì)者在方案優(yōu)化的過程中出了難題，這就需要設(shè)計(jì)者與施工者在實(shí)地多考察與多交流，把實(shí)際情況摸清。把內(nèi)部、外部的轉(zhuǎn)換和延伸做到相輔相成，這樣才能促進(jìn)方案設(shè)計(jì)的最終完成。

（4）做出詳細(xì)的效果圖并驗(yàn)證

隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展，虛擬仿真工作的效果圖也慢慢的完善，對(duì)于外表與內(nèi)部，都要做的十分詳細(xì)，很多數(shù)據(jù)要精確，并且把設(shè)計(jì)原因與理念都要寫清，這樣在方案的檢驗(yàn)與回饋中，才能有章可查。找出在不同的概念和設(shè)計(jì)之間的出入，檢查方案從美觀到基本功能的有效實(shí)現(xiàn)等方面都要達(dá)標(biāo)，為其他項(xiàng)目的后續(xù)設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)整體效果的和諧。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中，已經(jīng)成為了一項(xiàng)十分重要的技術(shù)，尤其是索膜結(jié)構(gòu)，由于索膜結(jié)構(gòu)的個(gè)性化與差異化要求，虛擬仿真技術(shù)對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)工程能提供很多幫助。同時(shí)，發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)軟件與信息技術(shù)，也縮短了索膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)與施工中的時(shí)間與工程周期，提高了效率，節(jié)約了成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]藍(lán)天.當(dāng)代膜結(jié)構(gòu)發(fā)展概述[J].世界建筑，2000，（9）.

[2]衛(wèi)東，沈世釗.薄膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)確定的幾種分析方法研究[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33.

[3] 陳盈盈.基于仿真理論及虛擬化技術(shù)的虛擬覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

基金項(xiàng)目：益陽市科技局2010年度科學(xué)研究項(xiàng)目2010JZ13

摘 要：虛擬仿真技術(shù)是在建筑設(shè)計(jì)的過程中，從三維出發(fā)對(duì)建筑及其環(huán)境，以至于施工過程中進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)與監(jiān)督的一項(xiàng)現(xiàn)代技術(shù)。索膜結(jié)構(gòu)是一種新型的、高效利用空間的空間張拉體系。而對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)來說，虛擬仿真技術(shù)對(duì)于其的實(shí)用性與外觀的把握十分重要。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；索膜結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；施工

索膜結(jié)構(gòu)是進(jìn)入21世紀(jì)以來最為流行的空間張拉結(jié)構(gòu)，其空間有效利用與成本節(jié)約的特征，被認(rèn)為是最有前途的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。而索膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過程中，要利用數(shù)學(xué)建模與力學(xué)模型，做到科學(xué)的線性設(shè)計(jì)與數(shù)值分析。虛擬仿真技術(shù)就是鎖模結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中過程中要利用的主要技術(shù)之一。

1 虛擬仿真技術(shù)與索膜結(jié)構(gòu)概述

虛擬仿真是通過情景模擬，相似原理、數(shù)學(xué)建模構(gòu)圖、計(jì)算機(jī)編程、通信及共同作用的領(lǐng)域的具體應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，通過測(cè)繪與物理測(cè)量工具，借助數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際的空間條件下，對(duì)未建造的項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)想與設(shè)計(jì)的一種學(xué)科。主要應(yīng)用于工程與地質(zhì)勘探等科研領(lǐng)域。虛擬仿真有多種具體方式，如有情景仿真、數(shù)值仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）仿真、結(jié)構(gòu)仿真等等。

索膜結(jié)構(gòu)源于帳篷結(jié)構(gòu)，美國杜邦公司開發(fā)出以聚四氟乙烯來為膜結(jié)構(gòu)涂層的玻璃纖維織物作為膜材料。隨著索膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用的增多與技術(shù)的改進(jìn)，由充氣結(jié)構(gòu)頂棚到張拉索膜結(jié)構(gòu)，都有很廣泛的應(yīng)用。索膜結(jié)構(gòu)從定義上講是由拉索、壓頂和膜材整體張拉組成的空間結(jié)構(gòu)體系。它的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的幾何非線性，因此對(duì)于其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要十分的科學(xué)，要用科學(xué)的數(shù)學(xué)模型建立其幾何非線性設(shè)計(jì)，同時(shí)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也起到十分關(guān)鍵的作用。索膜結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在的大型場(chǎng)館經(jīng)常見到，下圖為湖南大通湖高爾夫頂棚的一個(gè)實(shí)例。

2 虛擬仿真技術(shù)對(duì)索膜結(jié)構(gòu)施工的現(xiàn)實(shí)意義

虛擬仿真技術(shù)就是將現(xiàn)實(shí)情況與未來的建設(shè)情況結(jié)合在一起，可以使建筑設(shè)計(jì)與空間性在建筑設(shè)計(jì)階段就得到最接近實(shí)際的、全方位的展現(xiàn)，使得建筑設(shè)計(jì)中的空間設(shè)計(jì)更具交互性和可再升級(jí)性，場(chǎng)所的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)理念得到了充分的表現(xiàn)，大大加強(qiáng)其真實(shí)性。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，可以全面的從遠(yuǎn)至近的感受建筑的空間布局，在這個(gè)過程中還能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行推敲和調(diào)整。不用等待建造時(shí)間，能夠充分的釋放創(chuàng)造力和靈感，這些是傳統(tǒng)的圖表設(shè)計(jì)所無法比擬的。

索膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的時(shí)候主要考慮到兩個(gè)力學(xué)結(jié)構(gòu)。首先是索單元力學(xué)模型，索結(jié)構(gòu)主要是拉桿，其抗拉剛度除了與其本身截面特性有關(guān)外，還與其自重、內(nèi)拉力和外部拉力有關(guān)。對(duì)此，索單元的設(shè)計(jì)要注意高柔性與應(yīng)變的幾何非線性關(guān)系，要考慮荷載沿投影均布，要考慮荷載沿索長均布的曲索單元。第二是膜單元力學(xué)模型，膜結(jié)構(gòu)是一種抗拉，不抗彎和抗壓的柔性結(jié)構(gòu)，它靠薄膜表面的曲率變化，引起膜表面內(nèi)力重分布而產(chǎn)生剛度來抵抗垂直于曲面的外荷載的作用，要考慮到其幾何非線性效應(yīng)。第三，綜合兩個(gè)力學(xué)結(jié)構(gòu)，經(jīng)常要考慮索出現(xiàn)松弛和膜出現(xiàn)皺褶的情況，松弛與褶皺的出現(xiàn)是因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)處于不完全拉伸狀態(tài)，對(duì)于索松弛單元和膜皺褶單元的處理，是通過迭代計(jì)算中加入適應(yīng)的判斷準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)的。以上的三種基本的索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為問題，虛擬仿真技術(shù)中的數(shù)學(xué)模型都要考慮到，并且要通過CAD等軟件，將設(shè)計(jì)圖做到十分精細(xì)。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)設(shè)計(jì)、網(wǎng)格變形的松弛狀況、索膜彈簧--質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)、薄膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)調(diào)整等等細(xì)節(jié)上，都是要精密計(jì)算與模擬的。

3 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)中如何發(fā)揮效用

（1）虛擬仿真技術(shù)對(duì)建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)作階段能實(shí)現(xiàn)全方位的效果展現(xiàn)

虛擬仿真技術(shù)中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是虛擬現(xiàn)實(shí)，可以使建筑的空間的完整性在設(shè)想階段、建筑創(chuàng)作階段就得到充分的展現(xiàn)，使得建筑設(shè)計(jì)中的完整形象與完整性能更具交互性和靈活性，場(chǎng)所的設(shè)計(jì)理念與實(shí)用效果得到了充分的表現(xiàn)，建模與效果圖的真實(shí)性變得很高。在虛擬現(xiàn)實(shí)模仿系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者與參觀者可以通過模擬身臨其境地在建筑中體會(huì)，感受空間布局的結(jié)構(gòu)與比例，可以隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行推敲和方案調(diào)整。這一點(diǎn)對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)十分重要，索膜結(jié)構(gòu)的外觀要求也非常高，一項(xiàng)綜合建筑，要求外觀的協(xié)調(diào)，因此，模擬仿真技術(shù)能夠使索膜結(jié)構(gòu)施工之前，給主要的建筑設(shè)計(jì)師提供參考。

（2）建筑設(shè)計(jì)表達(dá)更全面

虛擬仿真技術(shù)提供給建筑師多角度、多維度、更大空間的人機(jī)交互設(shè)計(jì)的平臺(tái)與概念。設(shè)計(jì)者可以從靜止的狀態(tài)細(xì)致的觀察索膜結(jié)構(gòu)帳篷，或者以動(dòng)態(tài)地體驗(yàn)索膜結(jié)構(gòu)的特性。同時(shí)，設(shè)計(jì)者還可以根據(jù)物理環(huán)境與美觀設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)比較不同方案，隨時(shí)的進(jìn)行改進(jìn)與完善。虛擬仿真體系還可以模擬太陽光照、周圍設(shè)備設(shè)施等，使得建筑的整體表達(dá)的更全面、更真實(shí)、更科學(xué)、更有說服力。

（3）使索膜結(jié)構(gòu)與其他設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的互動(dòng)

如模擬索膜結(jié)構(gòu)整體的風(fēng)環(huán)境，來制約建筑的物理結(jié)構(gòu)與外部造型，改善索膜結(jié)構(gòu)頂棚形成的周邊風(fēng)環(huán)境造成的不利后果。此外，防火、防洪、照明、排煙控制和疏散通道等等的安全性進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)與統(tǒng)籌考慮。

4 虛擬仿真技術(shù)在索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的具體步驟

（1）概念設(shè)計(jì)

任何建筑的設(shè)計(jì)都要從建造概念開始。對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用途、與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)、反應(yīng)的意向、膜外型的風(fēng)格等等，都要有鮮明的概念，是要復(fù)古，還是現(xiàn)代，是要體現(xiàn)獨(dú)特，還是要體現(xiàn)出功能，十分重要。例如索膜結(jié)構(gòu)帳篷，目前在海邊越來越多的看得到，白色的頂棚與構(gòu)架，在陽光的直射下，顯得十分耀眼，和白色的沙灘十分協(xié)調(diào)，這樣的設(shè)計(jì)可以說是代表了海邊的建筑概念。

（2）方案設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是整體的、初步的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步的修改與調(diào)研十分關(guān)鍵。方案的設(shè)計(jì)與推敲程度決定了索膜結(jié)構(gòu)的實(shí)用性、美觀性、科學(xué)性。在虛擬仿真設(shè)計(jì)中通過不同的重要視角的把握和比較，可以提供更多的選擇方案，可以不斷的使自己造型構(gòu)思的發(fā)展能得到有效的想象與驗(yàn)證。對(duì)于設(shè)計(jì)過程的合理化，起了很大的作用。這種構(gòu)思表現(xiàn)的過程性和準(zhǔn)確性是其它方法所無法比擬的。

（3）方案優(yōu)化

隨著索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對(duì)于框架與風(fēng)格已經(jīng)不那么拘泥一種標(biāo)準(zhǔn)，更多的要求是設(shè)計(jì)的科學(xué)性與實(shí)用性，以及個(gè)性化。這就給了設(shè)計(jì)者在方案優(yōu)化的過程中出了難題，這就需要設(shè)計(jì)者與施工者在實(shí)地多考察與多交流，把實(shí)際情況摸清。把內(nèi)部、外部的轉(zhuǎn)換和延伸做到相輔相成，這樣才能促進(jìn)方案設(shè)計(jì)的最終完成。

（4）做出詳細(xì)的效果圖并驗(yàn)證

隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展，虛擬仿真工作的效果圖也慢慢的完善，對(duì)于外表與內(nèi)部，都要做的十分詳細(xì)，很多數(shù)據(jù)要精確，并且把設(shè)計(jì)原因與理念都要寫清，這樣在方案的檢驗(yàn)與回饋中，才能有章可查。找出在不同的概念和設(shè)計(jì)之間的出入，檢查方案從美觀到基本功能的有效實(shí)現(xiàn)等方面都要達(dá)標(biāo)，為其他項(xiàng)目的后續(xù)設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)整體效果的和諧。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中，已經(jīng)成為了一項(xiàng)十分重要的技術(shù)，尤其是索膜結(jié)構(gòu)，由于索膜結(jié)構(gòu)的個(gè)性化與差異化要求，虛擬仿真技術(shù)對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)工程能提供很多幫助。同時(shí)，發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)軟件與信息技術(shù)，也縮短了索膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)與施工中的時(shí)間與工程周期，提高了效率，節(jié)約了成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]藍(lán)天.當(dāng)代膜結(jié)構(gòu)發(fā)展概述[J].世界建筑，2000，（9）.

[2]衛(wèi)東，沈世釗.薄膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)確定的幾種分析方法研究[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33.

[3] 陳盈盈.基于仿真理論及虛擬化技術(shù)的虛擬覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

基金項(xiàng)目：益陽市科技局2010年度科學(xué)研究項(xiàng)目2010JZ13