虚拟仿真技术在"索膜结构"施工中的应用研究

何栋梁

摘 要：虚拟仿真技术是在建筑设计的过程中，从三维出发对建筑及其环境，以至于施工过程中进行科学的设计与监督的一项现代技术。索膜结构是一种新型的、高效利用空间的空间张拉体系。而对于索膜结构来说，虚拟仿真技术对于其的实用性与外观的把握十分重要。

关键词：虚拟仿真技术；索膜结构；设计；施工

索膜结构是进入21世纪以来最为流行的空间张拉结构，其空间有效利用与成本节约的特征，被认为是最有前途的建筑结构形式之一。而索膜结构在设计的过程中，要利用数学建模与力学模型，做到科学的线性设计与数值分析。虚拟仿真技术就是锁模结构在设计中过程中要利用的主要技术之一。

1 虚拟仿真技术与索膜结构概述

虚拟仿真是通过情景模拟，相似原理、数学建模构图、计算机编程、通信及共同作用的领域的具体应用技术为基础，通过测绘与物理测量工具，借助数学模型，在实际的空间条件下，对未建造的项目进行预想与设计的一种学科。主要应用于工程与地质勘探等科研领域。虚拟仿真有多种具体方式，如有情景仿真、数值仿真、虚拟现实（VR）仿真、结构仿真等等。

索膜结构源于帐篷结构，美国杜邦公司开发出以聚四氟乙烯来为膜结构涂层的玻璃纤维织物作为膜材料。随着索膜结构应用的增多与技术的改进，由充气结构顶棚到张拉索膜结构，都有很广泛的应用。索膜结构从定义上讲是由拉索、压顶和膜材整体张拉组成的空间结构体系。它的设计具有很强的几何非线性，因此对于其结构的设计要十分的科学，要用科学的数学模型建立其几何非线性设计，同时虚拟仿真技术的应用对于索膜结构的设计也起到十分关键的作用。索膜结构在现在的大型场馆经常见到，下图为湖南大通湖高尔夫顶棚的一个实例。

2 虚拟仿真技术对索膜结构施工的现实意义

虚拟仿真技术就是将现实情况与未来的建设情况结合在一起，可以使建筑设计与空间性在建筑设计阶段就得到最接近实际的、全方位的展现，使得建筑设计中的空间设计更具交互性和可再升级性，场所的特点与设计理念得到了充分的表现，大大加强其真实性。在虚拟现实系统中，可以全面的从远至近的感受建筑的空间布局，在这个过程中还能对设计进行推敲和调整。不用等待建造时间，能够充分的释放创造力和灵感，这些是传统的图表设计所无法比拟的。

索膜结构在设计的时候主要考虑到两个力学结构。首先是索单元力学模型，索结构主要是拉杆，其抗拉刚度除了与其本身截面特性有关外，还与其自重、内拉力和外部拉力有关。对此，索单元的设计要注意高柔性与应变的几何非线性关系，要考虑荷载沿投影均布，要考虑荷载沿索长均布的曲索单元。第二是膜单元力学模型，膜结构是一种抗拉，不抗弯和抗压的柔性结构，它靠薄膜表面的曲率变化，引起膜表面内力重分布而产生刚度来抵抗垂直于曲面的外荷载的作用，要考虑到其几何非线性效应。第三，综合两个力学结构，经常要考虑索出现松弛和膜出现皱褶的情况，松弛与褶皱的出现是因为膜结构处于不完全拉伸状态，对于索松弛单元和膜皱褶单元的处理，是通过迭代计算中加入适应的判断准则来实现的。以上的三种基本的索膜结构设计中为问题，虚拟仿真技术中的数学模型都要考虑到，并且要通过CAD等软件，将设计图做到十分精细。同时，虚拟仿真技术在索膜结构的形态设计、网格变形的松弛状况、索膜弹簧--质点系统、薄膜结构的风振响应调整等等细节上，都是要精密计算与模拟的。

3 虚拟仿真技术在索膜结构中如何发挥效用

（1）虚拟仿真技术对建筑设计创作阶段能实现全方位的效果展现

虚拟仿真技术中很重要的一项内容就是虚拟现实，可以使建筑的空间的完整性在设想阶段、建筑创作阶段就得到充分的展现，使得建筑设计中的完整形象与完整性能更具交互性和灵活性，场所的设计理念与实用效果得到了充分的表现，建模与效果图的真实性变得很高。在虚拟现实模仿系统中，设计者与参观者可以通过模拟身临其境地在建筑中体会，感受空间布局的结构与比例，可以随时对设计要素进行推敲和方案调整。这一点对于索膜结构十分重要，索膜结构的外观要求也非常高，一项综合建筑，要求外观的协调，因此，模拟仿真技术能够使索膜结构施工之前，给主要的建筑设计师提供参考。

（2）建筑设计表达更全面

虚拟仿真技术提供给建筑师多角度、多维度、更大空间的人机交互设计的平台与概念。设计者可以从静止的状态细致的观察索膜结构帐篷，或者以动态地体验索膜结构的特性。同时，设计者还可以根据物理环境与美观设计实时比较不同方案，随时的进行改进与完善。虚拟仿真体系还可以模拟太阳光照、周围设备设施等，使得建筑的整体表达的更全面、更真实、更科学、更有说服力。

（3）使索膜结构与其他设计环节的互动

如模拟索膜结构整体的风环境，来制约建筑的物理结构与外部造型，改善索膜结构顶棚形成的周边风环境造成的不利后果。此外，防火、防洪、照明、排烟控制和疏散通道等等的安全性进行科学设计与统筹考虑。

4 虚拟仿真技术在索膜结构设计时的具体步骤

（1）概念设计

任何建筑的设计都要从建造概念开始。对于索膜结构，从结构设计用途、与周边环境的协调、反应的意向、膜外型的风格等等，都要有鲜明的概念，是要复古，还是现代，是要体现独特，还是要体现出功能，十分重要。例如索膜结构帐篷，目前在海边越来越多的看得到，白色的顶棚与构架，在阳光的直射下，显得十分耀眼，和白色的沙滩十分协调，这样的设计可以说是代表了海边的建筑概念。

（2）方案设计

概念设计是整体的、初步的设计。在此基础上，对设计进一步的修改与调研十分关键。方案的设计与推敲程度决定了索膜结构的实用性、美观性、科学性。在虚拟仿真设计中通过不同的重要视角的把握和比较，可以提供更多的选择方案，可以不断的使自己造型构思的发展能得到有效的想象与验证。对于设计过程的合理化，起了很大的作用。这种构思表现的过程性和准确性是其它方法所无法比拟的。

（3）方案优化

随着索膜结构的发展，对于框架与风格已经不那么拘泥一种标准，更多的要求是设计的科学性与实用性，以及个性化。这就给了设计者在方案优化的过程中出了难题，这就需要设计者与施工者在实地多考察与多交流，把实际情况摸清。把内部、外部的转换和延伸做到相辅相成，这样才能促进方案设计的最终完成。

（4）做出详细的效果图并验证

随着设计的发展，虚拟仿真工作的效果图也慢慢的完善，对于外表与内部，都要做的十分详细，很多数据要精确，并且把设计原因与理念都要写清，这样在方案的检验与回馈中，才能有章可查。找出在不同的概念和设计之间的出入，检查方案从美观到基本功能的有效实现等方面都要达标，为其他项目的后续设计与施工提供技术支持，实现整体效果的和谐。

综上所述，虚拟仿真技术在建筑工程中，已经成为了一项十分重要的技术，尤其是索膜结构，由于索膜结构的个性化与差异化要求，虚拟仿真技术对于索膜结构工程能提供很多帮助。同时，发达的计算机软件与信息技术，也缩短了索膜结构在设计与施工中的时间与工程周期，提高了效率，节约了成本。

参考文献：

[1]蓝天.当代膜结构发展概述[J].世界建筑，2000，（9）.

[2]卫东，沈世钊.薄膜结构初始形态确定的几种分析方法研究[J].哈尔滨建筑大学学报，2000，33.

[3] 陈盈盈.基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究[D].上海：上海交通大学，2008.

基金项目：益阳市科技局2010年度科学研究项目2010JZ13

摘 要：虚拟仿真技术是在建筑设计的过程中，从三维出发对建筑及其环境，以至于施工过程中进行科学的设计与监督的一项现代技术。索膜结构是一种新型的、高效利用空间的空间张拉体系。而对于索膜结构来说，虚拟仿真技术对于其的实用性与外观的把握十分重要。

关键词：虚拟仿真技术；索膜结构；设计；施工

索膜结构是进入21世纪以来最为流行的空间张拉结构，其空间有效利用与成本节约的特征，被认为是最有前途的建筑结构形式之一。而索膜结构在设计的过程中，要利用数学建模与力学模型，做到科学的线性设计与数值分析。虚拟仿真技术就是锁模结构在设计中过程中要利用的主要技术之一。

1 虚拟仿真技术与索膜结构概述

虚拟仿真是通过情景模拟，相似原理、数学建模构图、计算机编程、通信及共同作用的领域的具体应用技术为基础，通过测绘与物理测量工具，借助数学模型，在实际的空间条件下，对未建造的项目进行预想与设计的一种学科。主要应用于工程与地质勘探等科研领域。虚拟仿真有多种具体方式，如有情景仿真、数值仿真、虚拟现实（VR）仿真、结构仿真等等。

索膜结构源于帐篷结构，美国杜邦公司开发出以聚四氟乙烯来为膜结构涂层的玻璃纤维织物作为膜材料。随着索膜结构应用的增多与技术的改进，由充气结构顶棚到张拉索膜结构，都有很广泛的应用。索膜结构从定义上讲是由拉索、压顶和膜材整体张拉组成的空间结构体系。它的设计具有很强的几何非线性，因此对于其结构的设计要十分的科学，要用科学的数学模型建立其几何非线性设计，同时虚拟仿真技术的应用对于索膜结构的设计也起到十分关键的作用。索膜结构在现在的大型场馆经常见到，下图为湖南大通湖高尔夫顶棚的一个实例。

2 虚拟仿真技术对索膜结构施工的现实意义

虚拟仿真技术就是将现实情况与未来的建设情况结合在一起，可以使建筑设计与空间性在建筑设计阶段就得到最接近实际的、全方位的展现，使得建筑设计中的空间设计更具交互性和可再升级性，场所的特点与设计理念得到了充分的表现，大大加强其真实性。在虚拟现实系统中，可以全面的从远至近的感受建筑的空间布局，在这个过程中还能对设计进行推敲和调整。不用等待建造时间，能够充分的释放创造力和灵感，这些是传统的图表设计所无法比拟的。

索膜结构在设计的时候主要考虑到两个力学结构。首先是索单元力学模型，索结构主要是拉杆，其抗拉刚度除了与其本身截面特性有关外，还与其自重、内拉力和外部拉力有关。对此，索单元的设计要注意高柔性与应变的几何非线性关系，要考虑荷载沿投影均布，要考虑荷载沿索长均布的曲索单元。第二是膜单元力学模型，膜结构是一种抗拉，不抗弯和抗压的柔性结构，它靠薄膜表面的曲率变化，引起膜表面内力重分布而产生刚度来抵抗垂直于曲面的外荷载的作用，要考虑到其几何非线性效应。第三，综合两个力学结构，经常要考虑索出现松弛和膜出现皱褶的情况，松弛与褶皱的出现是因为膜结构处于不完全拉伸状态，对于索松弛单元和膜皱褶单元的处理，是通过迭代计算中加入适应的判断准则来实现的。以上的三种基本的索膜结构设计中为问题，虚拟仿真技术中的数学模型都要考虑到，并且要通过CAD等软件，将设计图做到十分精细。同时，虚拟仿真技术在索膜结构的形态设计、网格变形的松弛状况、索膜弹簧--质点系统、薄膜结构的风振响应调整等等细节上，都是要精密计算与模拟的。

3 虚拟仿真技术在索膜结构中如何发挥效用

（1）虚拟仿真技术对建筑设计创作阶段能实现全方位的效果展现

虚拟仿真技术中很重要的一项内容就是虚拟现实，可以使建筑的空间的完整性在设想阶段、建筑创作阶段就得到充分的展现，使得建筑设计中的完整形象与完整性能更具交互性和灵活性，场所的设计理念与实用效果得到了充分的表现，建模与效果图的真实性变得很高。在虚拟现实模仿系统中，设计者与参观者可以通过模拟身临其境地在建筑中体会，感受空间布局的结构与比例，可以随时对设计要素进行推敲和方案调整。这一点对于索膜结构十分重要，索膜结构的外观要求也非常高，一项综合建筑，要求外观的协调，因此，模拟仿真技术能够使索膜结构施工之前，给主要的建筑设计师提供参考。

（2）建筑设计表达更全面

虚拟仿真技术提供给建筑师多角度、多维度、更大空间的人机交互设计的平台与概念。设计者可以从静止的状态细致的观察索膜结构帐篷，或者以动态地体验索膜结构的特性。同时，设计者还可以根据物理环境与美观设计实时比较不同方案，随时的进行改进与完善。虚拟仿真体系还可以模拟太阳光照、周围设备设施等，使得建筑的整体表达的更全面、更真实、更科学、更有说服力。

（3）使索膜结构与其他设计环节的互动

如模拟索膜结构整体的风环境，来制约建筑的物理结构与外部造型，改善索膜结构顶棚形成的周边风环境造成的不利后果。此外，防火、防洪、照明、排烟控制和疏散通道等等的安全性进行科学设计与统筹考虑。

4 虚拟仿真技术在索膜结构设计时的具体步骤

（1）概念设计

任何建筑的设计都要从建造概念开始。对于索膜结构，从结构设计用途、与周边环境的协调、反应的意向、膜外型的风格等等，都要有鲜明的概念，是要复古，还是现代，是要体现独特，还是要体现出功能，十分重要。例如索膜结构帐篷，目前在海边越来越多的看得到，白色的顶棚与构架，在阳光的直射下，显得十分耀眼，和白色的沙滩十分协调，这样的设计可以说是代表了海边的建筑概念。

（2）方案设计

概念设计是整体的、初步的设计。在此基础上，对设计进一步的修改与调研十分关键。方案的设计与推敲程度决定了索膜结构的实用性、美观性、科学性。在虚拟仿真设计中通过不同的重要视角的把握和比较，可以提供更多的选择方案，可以不断的使自己造型构思的发展能得到有效的想象与验证。对于设计过程的合理化，起了很大的作用。这种构思表现的过程性和准确性是其它方法所无法比拟的。

（3）方案优化

随着索膜结构的发展，对于框架与风格已经不那么拘泥一种标准，更多的要求是设计的科学性与实用性，以及个性化。这就给了设计者在方案优化的过程中出了难题，这就需要设计者与施工者在实地多考察与多交流，把实际情况摸清。把内部、外部的转换和延伸做到相辅相成，这样才能促进方案设计的最终完成。

（4）做出详细的效果图并验证

随着设计的发展，虚拟仿真工作的效果图也慢慢的完善，对于外表与内部，都要做的十分详细，很多数据要精确，并且把设计原因与理念都要写清，这样在方案的检验与回馈中，才能有章可查。找出在不同的概念和设计之间的出入，检查方案从美观到基本功能的有效实现等方面都要达标，为其他项目的后续设计与施工提供技术支持，实现整体效果的和谐。

综上所述，虚拟仿真技术在建筑工程中，已经成为了一项十分重要的技术，尤其是索膜结构，由于索膜结构的个性化与差异化要求，虚拟仿真技术对于索膜结构工程能提供很多帮助。同时，发达的计算机软件与信息技术，也缩短了索膜结构在设计与施工中的时间与工程周期，提高了效率，节约了成本。

参考文献：

[1]蓝天.当代膜结构发展概述[J].世界建筑，2000，（9）.

[2]卫东，沈世钊.薄膜结构初始形态确定的几种分析方法研究[J].哈尔滨建筑大学学报，2000，33.

[3] 陈盈盈.基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究[D].上海：上海交通大学，2008.

基金项目：益阳市科技局2010年度科学研究项目2010JZ13

摘 要：虚拟仿真技术是在建筑设计的过程中，从三维出发对建筑及其环境，以至于施工过程中进行科学的设计与监督的一项现代技术。索膜结构是一种新型的、高效利用空间的空间张拉体系。而对于索膜结构来说，虚拟仿真技术对于其的实用性与外观的把握十分重要。

关键词：虚拟仿真技术；索膜结构；设计；施工

索膜结构是进入21世纪以来最为流行的空间张拉结构，其空间有效利用与成本节约的特征，被认为是最有前途的建筑结构形式之一。而索膜结构在设计的过程中，要利用数学建模与力学模型，做到科学的线性设计与数值分析。虚拟仿真技术就是锁模结构在设计中过程中要利用的主要技术之一。

1 虚拟仿真技术与索膜结构概述

虚拟仿真是通过情景模拟，相似原理、数学建模构图、计算机编程、通信及共同作用的领域的具体应用技术为基础，通过测绘与物理测量工具，借助数学模型，在实际的空间条件下，对未建造的项目进行预想与设计的一种学科。主要应用于工程与地质勘探等科研领域。虚拟仿真有多种具体方式，如有情景仿真、数值仿真、虚拟现实（VR）仿真、结构仿真等等。

索膜结构源于帐篷结构，美国杜邦公司开发出以聚四氟乙烯来为膜结构涂层的玻璃纤维织物作为膜材料。随着索膜结构应用的增多与技术的改进，由充气结构顶棚到张拉索膜结构，都有很广泛的应用。索膜结构从定义上讲是由拉索、压顶和膜材整体张拉组成的空间结构体系。它的设计具有很强的几何非线性，因此对于其结构的设计要十分的科学，要用科学的数学模型建立其几何非线性设计，同时虚拟仿真技术的应用对于索膜结构的设计也起到十分关键的作用。索膜结构在现在的大型场馆经常见到，下图为湖南大通湖高尔夫顶棚的一个实例。

2 虚拟仿真技术对索膜结构施工的现实意义

虚拟仿真技术就是将现实情况与未来的建设情况结合在一起，可以使建筑设计与空间性在建筑设计阶段就得到最接近实际的、全方位的展现，使得建筑设计中的空间设计更具交互性和可再升级性，场所的特点与设计理念得到了充分的表现，大大加强其真实性。在虚拟现实系统中，可以全面的从远至近的感受建筑的空间布局，在这个过程中还能对设计进行推敲和调整。不用等待建造时间，能够充分的释放创造力和灵感，这些是传统的图表设计所无法比拟的。

索膜结构在设计的时候主要考虑到两个力学结构。首先是索单元力学模型，索结构主要是拉杆，其抗拉刚度除了与其本身截面特性有关外，还与其自重、内拉力和外部拉力有关。对此，索单元的设计要注意高柔性与应变的几何非线性关系，要考虑荷载沿投影均布，要考虑荷载沿索长均布的曲索单元。第二是膜单元力学模型，膜结构是一种抗拉，不抗弯和抗压的柔性结构，它靠薄膜表面的曲率变化，引起膜表面内力重分布而产生刚度来抵抗垂直于曲面的外荷载的作用，要考虑到其几何非线性效应。第三，综合两个力学结构，经常要考虑索出现松弛和膜出现皱褶的情况，松弛与褶皱的出现是因为膜结构处于不完全拉伸状态，对于索松弛单元和膜皱褶单元的处理，是通过迭代计算中加入适应的判断准则来实现的。以上的三种基本的索膜结构设计中为问题，虚拟仿真技术中的数学模型都要考虑到，并且要通过CAD等软件，将设计图做到十分精细。同时，虚拟仿真技术在索膜结构的形态设计、网格变形的松弛状况、索膜弹簧--质点系统、薄膜结构的风振响应调整等等细节上，都是要精密计算与模拟的。

3 虚拟仿真技术在索膜结构中如何发挥效用

（1）虚拟仿真技术对建筑设计创作阶段能实现全方位的效果展现

虚拟仿真技术中很重要的一项内容就是虚拟现实，可以使建筑的空间的完整性在设想阶段、建筑创作阶段就得到充分的展现，使得建筑设计中的完整形象与完整性能更具交互性和灵活性，场所的设计理念与实用效果得到了充分的表现，建模与效果图的真实性变得很高。在虚拟现实模仿系统中，设计者与参观者可以通过模拟身临其境地在建筑中体会，感受空间布局的结构与比例，可以随时对设计要素进行推敲和方案调整。这一点对于索膜结构十分重要，索膜结构的外观要求也非常高，一项综合建筑，要求外观的协调，因此，模拟仿真技术能够使索膜结构施工之前，给主要的建筑设计师提供参考。

（2）建筑设计表达更全面

虚拟仿真技术提供给建筑师多角度、多维度、更大空间的人机交互设计的平台与概念。设计者可以从静止的状态细致的观察索膜结构帐篷，或者以动态地体验索膜结构的特性。同时，设计者还可以根据物理环境与美观设计实时比较不同方案，随时的进行改进与完善。虚拟仿真体系还可以模拟太阳光照、周围设备设施等，使得建筑的整体表达的更全面、更真实、更科学、更有说服力。

（3）使索膜结构与其他设计环节的互动

如模拟索膜结构整体的风环境，来制约建筑的物理结构与外部造型，改善索膜结构顶棚形成的周边风环境造成的不利后果。此外，防火、防洪、照明、排烟控制和疏散通道等等的安全性进行科学设计与统筹考虑。

4 虚拟仿真技术在索膜结构设计时的具体步骤

（1）概念设计

任何建筑的设计都要从建造概念开始。对于索膜结构，从结构设计用途、与周边环境的协调、反应的意向、膜外型的风格等等，都要有鲜明的概念，是要复古，还是现代，是要体现独特，还是要体现出功能，十分重要。例如索膜结构帐篷，目前在海边越来越多的看得到，白色的顶棚与构架，在阳光的直射下，显得十分耀眼，和白色的沙滩十分协调，这样的设计可以说是代表了海边的建筑概念。

（2）方案设计

概念设计是整体的、初步的设计。在此基础上，对设计进一步的修改与调研十分关键。方案的设计与推敲程度决定了索膜结构的实用性、美观性、科学性。在虚拟仿真设计中通过不同的重要视角的把握和比较，可以提供更多的选择方案，可以不断的使自己造型构思的发展能得到有效的想象与验证。对于设计过程的合理化，起了很大的作用。这种构思表现的过程性和准确性是其它方法所无法比拟的。

（3）方案优化

随着索膜结构的发展，对于框架与风格已经不那么拘泥一种标准，更多的要求是设计的科学性与实用性，以及个性化。这就给了设计者在方案优化的过程中出了难题，这就需要设计者与施工者在实地多考察与多交流，把实际情况摸清。把内部、外部的转换和延伸做到相辅相成，这样才能促进方案设计的最终完成。

（4）做出详细的效果图并验证

随着设计的发展，虚拟仿真工作的效果图也慢慢的完善，对于外表与内部，都要做的十分详细，很多数据要精确，并且把设计原因与理念都要写清，这样在方案的检验与回馈中，才能有章可查。找出在不同的概念和设计之间的出入，检查方案从美观到基本功能的有效实现等方面都要达标，为其他项目的后续设计与施工提供技术支持，实现整体效果的和谐。

综上所述，虚拟仿真技术在建筑工程中，已经成为了一项十分重要的技术，尤其是索膜结构，由于索膜结构的个性化与差异化要求，虚拟仿真技术对于索膜结构工程能提供很多帮助。同时，发达的计算机软件与信息技术，也缩短了索膜结构在设计与施工中的时间与工程周期，提高了效率，节约了成本。

参考文献：

[1]蓝天.当代膜结构发展概述[J].世界建筑，2000，（9）.

[2]卫东，沈世钊.薄膜结构初始形态确定的几种分析方法研究[J].哈尔滨建筑大学学报，2000，33.

[3] 陈盈盈.基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究[D].上海：上海交通大学，2008.

基金项目：益阳市科技局2010年度科学研究项目2010JZ13