虛擬現實技術下的裝配式結構剪力墻參數化設計

張 澤 元

(太原市惠新建筑設計有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

一般而言，裝配式建筑在施工圖繪制結束后，應對其設計予以分化，即將其中的預制柱梁、樓板等進行拆分，在此基礎上經由工廠進行預制構件的生產。但實質上，建筑體型較為多元、構件尺寸各不相同、型號類別眾多，假設借助人力區分，便存在龐大的工作量。因現階段我國裝配式結構設計規范尚不健全，各地選擇的結構體系、設計方式等均有較大差異，匱乏統一指標，故其運用具有較多不足。譬如裝配式構件深化設計匱乏合理性、作業人員經驗尚淺等，此類不足的存在只借助BIM技術難以解決。因而，本文以虛擬現實技術為基礎，結合BIM技術，出具了一項新的裝配式結構剪力墻參數化設計方法。

1 以Unity3d為基礎的虛擬現實技術概述

虛擬現實即Virtual Reality，簡稱VR，可視為是兼具多項學科的綜合性技術手段。我們對其拆開理解，“虛擬”就是借助圖形技術這一信息手段模擬生成，“現實”便是宏觀層面具有的全部事物與環境，其不僅可為實際存在的，也可是虛無的。就VR技術而言，具備沉浸式、交互式兩大特性，前者具體借助VR設備讓使用者沉浸于場景當中，為其營造真實的感覺；后者則借助此類設備對場景物體移動、聲音加以控制，促使使用者就像在現實生活中一樣。現階段，該技術已于汽車制造、軍事模擬、建筑設計等領域廣泛運用。

就Unity3d而言，即一個可以高效構建互動內容的多平臺綜合型開發工具，認可所有主要文件格式資源，且可以與較多相關應用程序聯合辦公，其具有的地形引擎能于寬闊繁雜的地形條件、低端硬件中高效作業。借助虛擬現實引擎Unity3d享有的優勢特性，既可以渲染出震撼的現場效果，同時在C#編程語言的協同作用下，也可對邏輯繁雜的程序響應等作出科學有效的設計。在借助此技術手段對裝配式結構虛擬、仿真期間，往往選擇如Recit等建模軟件實行BIM建模之后經由FBX導入模型。

2 裝配式結構剪力墻參數化設計模型

位于Unity3d這一虛擬軟件中，對裝配式剪力墻構建模型，也相當于對混凝土和鋼筋建設模型，由于此類剪力墻外形比較復雜，具備各種變化，在內部會存在數量、位置各不相同的洞口，因而對混凝土建設相應模型時是沒有規律可以遵循的，這對軟件自動化建模構成了阻礙。并且，針對形體具備多元變化的混凝土來講，剪力墻配筋是難以琢磨的。在對結構設計標準相關規制有效解讀與對裝配式構件工業化生產、實際裝置、虛擬現實技術建立模型特征的充分掌握下，融合以往的工程設計經驗、理念，此次研究提出了新的設計思路，即把裝配式剪力墻設計劃分成混凝土和鋼筋這兩個模塊分開建模的參數化設計模型。

2.1 混凝土墻參數化設計模型

若是具有雙洞口的矩形裝配式剪力墻，那么其模型建立所設定的坐標原點就應位于矩形的左下角，參數化模型詳如圖1所示。

其間，剪力墻端點可經由寬(B0)、高(H0)顯示，內部洞口頂點則經由兩者中心(xc1，yc1)點與洞口寬(b1，b2)顯示。該模型定位點坐標函數關系詳見表1。

表1 混凝土模型定位點坐標函數關系

2.2 縱向鋼筋域的參數化設計模型

模型中設定的鋼筋定位點即Unity3d構建模型的先行條件，縱向鋼筋域參數化模型詳見圖2。

圖2只屬于示意圖，所繪鋼筋數量僅為虛擬數量，與實際數量具備較大出入，只能將其視為每個模塊中的鋼筋代表。在此階段，把鋼筋所在位置區分為7大模塊，針對構件設計如上參數化模型，里面1點～4點也就是剪力墻構件頁面外部的控制點，5點～20點即縱向鋼筋內部控制點。依照幾何關系獲知鋼筋控制點坐標函數關系，詳見表2。

表2 縱向鋼筋定位點坐標函數關系

2.3 橫向鋼筋域的參數化設計模型

該環節，將鋼筋所處區域劃分成5大塊，對構件出具相應參數化模型，詳見圖3。

圖3只屬于示意圖，所繪鋼筋數量并非實際數量，僅為各區域鋼筋代表。其間，1點～4點即剪力墻構件界面外部控制點，5點～12點即縱向鋼筋內部控制點。橫向鋼筋定位點坐標函數關系詳見表3。

表3 橫向鋼筋定位點坐標函數關系

3 虛擬現實技術下的裝配式剪力墻參數化設計

3.1 執行方案

要確保裝配式剪力墻參數化設計工作落到實處，便應運用以對象為主的程序設計形式，在參數化模型的協同作用下，對虛擬現實技術如Unity3d等作出二次開發，并在此基礎上運用SQL Server對數據庫予以建設以存儲相應控制參數，而后借助PKPM,AutoCAD等平臺軟件中對裝配式剪力墻予以設計。

3.2 混凝土模型創建

就Unity3d而言，任意面均為三角形所繪，不管是何形狀均可以借助若干三角形拼湊所得。而Mesh即構成Unity的一大組件，通常被稱作網格組件。在其中放置了三維模型數據，也就是vertices,normals,uv。位于該軟件中建模需借助上述組件中具有的網格劃分開展工作，因而混凝土參數化模型理所應當應用耳切法對網絡劃分。細致而言，Unity3d建模步驟為：

1)為對內部洞口問題加以解決，把1點、5點，8點、9點通過重合線連接(詳見圖1)，于上述四個點上各設定重疊點，即16點,15點,14點,13點，如此一來便能經由封閉的簡單多邊形對混凝土模型予以展現。

2)經由復連通多邊形法、編程對多邊形實施網格區分，區分結果詳見圖4。

3)于網格內部加設與之對應的材質等輔助工具，對相應模型予以建設。

3.3 鋼筋模型創建

Unity3d中對鋼筋模型的建立也能經由三角網格劃分進行，具體流程為：最初經由鋼筋的中心線繪制多短線，而后經由鋼筋頁面所具有的半徑對六邊形予以繪制，并將其豎向放置到鋼筋軸多短線拐角處，對鋼筋網絡予以區分。具備彎鉤的鋼筋網格詳見圖5。

經由此次研究出具的參數模型，提取AutoCAD圖的構件信息、PKPM計算結果，于Unity3d里面可出現相應裝配式剪力墻模型。

4 結語

本文對AutoCAD,Unity3d等進行了二次開發，在參數化模型的輔助下，位于PKPM,AutoCAD等平臺對裝配式剪力墻作出了相應設計。通過論證獲知，借助虛擬現實技術的裝配式剪力墻參數化設計模式效果較好，可將結構設計、工業化制造合理互融，對裝配式剪力墻獲取更好的發展具備促進作用。