专利名称：用于空间认知与光环境模拟的辅助实验教具的制作方法
技术领域：
本发明涉及建筑设计实验教学领域，具体为一种辅助建筑设计教学的 实验教具，用于空间认知与光环境模拟的教学研究。
背景技术：
目前，建筑设计教学多局限于功能与形式等范围的指导，对环境等问题 的探讨，也只关注建筑室外环境气候条件与建筑群组的设置安排关系。在 设计者所创造的室内环境中，对自然光所塑造的光影变化情形考虑较少。 然而，光影随时间变化与建筑环境创造的实验性设计是目前学生所关注并 感兴趣的方向。因此，在建筑设计教学的实践过程中，光、影和空间认知 的课题是设计启蒙教育中相当重要的课程内涵。
在过去的建筑设计课堂中，教师均会指导学生制作縮尺模型(Scaling Model )，便于学生直接以目视的方式观察模型内部建筑室内环境中的光影 情形。学生在观察的过程中，由于仅能从模型外部观察室内的环境情况， 无法让自身以进入模型之中的方式进行视觉体察，导致观察的结果仅能从 宏观的角度片面解释设计成效，而无法引导设计者自身置入模拟建成环境 中进行实质空间认知。这也是导致学生在学习设计环境创作过程中，无法 以细腻的方式探索设计环境的原因。
在建筑物理环境的光环境实验课程中，学生制作縮尺模型，利用人工天 穹(Sky Dome)或三参数日照仪，进行设计环境的室内光环境或室外日影 环境的模拟。但是实验所需作业环境较大，因此这些实验只能在静态的实 验室中进行，与设计研究所需的动态创作环境实有相悖。在戴维 科尔布 (David Kolb)的学习模式中，经验认知模型和设计创作的过程为抽象概念产生、行为实验、直接经验和观察反思的循环。因此，设计创造思维 程序是一种创作、认识、检讨、修改与再创作的反复创作与改正的螺旋向 上反馈过程。学生在建筑设计环境创作过程中的縮尺模型制作并非仅作为 设计成果最终展现的手段，而应作为设计创作过程中不断设计与改正的工 具。因此，倘若能一改过去传统的用模型来静态呈现，为可现场操作进行 设计创作与修改的动态呈现，则可提升学生对创作的学习兴致，更能激发 学生的设计创作潜能而创建意想不到的人造环境。
在现有的建筑设计实验技术中，发明专利号03256654.9，该专利是 用于建筑空间辅助设计的实验光箱，它详细地描述了如何解决过去建筑与 室内设计和光环境设计不能有机结合的问题，有助于实现建筑设计与光环 境设计的一体化，期使设计更为直观和准确。然而，该实验光箱由于仅能 满足建筑设计与光环境结合等部分的实验需求，就目前的设计教学应用仍
有诸多局限性，主要表现在以下几个方面
1、 该实验光箱体积较大、重量沉重，只能勉强在平面进行平缓推移， 并无法有效自由搬移，而使得该光箱无法顺畅地运用于现今多元化的设计 课堂。
2、 该实验光箱采用六面体的六向投射光源，仅能模拟环境漫射光，而
无法精确模拟太阳运动的行径轨迹进行直射光的模拟投射，即无法进行建 筑物室外的日影模拟。
3、 该实验光箱在实验进行时，研究者仅能从模型外来观察研究空间的 室内情况，而无法使研究者的观察视点伸入到研究模型之中，这导致研究 者的视点自由运动特性受限，无法获取动态的模拟结果。
4、 该实验光箱的影像采集输出方式，仅能由研究者目视或在模型外以 摄影方式取得影像。无法将模拟结果直接通过计算机屏幕进行研究环境的 观察，或通过投影设备将影像投射至投影屏上直接进行辅助教学。
5、 该实验光箱构造复杂，不易加工处理；且成本过高，不易进行普及
应用推广。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于空间认知研究与光环境模拟的辅助实验 教具，该教具能够精确模拟太阳运动的行径轨迹，获取模拟环境下静态或 动态的建筑模型影像，有效辅助建筑设计中空间认知以及光环境模拟的教 学研究。
一种用于空间认知与光环境模拟的辅助实验教具，包括实验箱主体、
日光模拟器、影像采集器、滑动作业台和遮光布罩；
实验箱主体包括箱体支撑架1和位于其下端的底板，在底板刻画有o
240角度的弧形方位角度标尺5;
日光模拟器包括日光模拟弧形导轨13和灯具组件，日光模拟弧形导轨 13的竖直表面刻画有0 90度的角度标尺，在其沿边分布有导电触片15， 日光模拟弧形导轨13连接于箱体支撑架1的底框，且能在所述拼接底板上 作240弧度的转动，转动半径与所述弧形方位角度标尺5的半径相等，曰 光模拟弧形导轨13与箱体支撑架1的连接点处设有第一触头29;灯具组件 由平行光灯具和灯具夹具18构成，灯具夹具18能够沿日光模拟弧形导轨 13滑动，灯具夹具18内部设有一端与灯源连接，另一端与所述导电触片 15连接的第二触头16，第二触头16通过导电触片15与第一触头29相连 通；
影像采集器由视频支撑架和安放于视频支撑架的摄像头27构成，视频 支撑架连接在箱体支撑架1的底框上，用于调整摄像头27的空间位置；
滑动作业台包括承载平台和位于其底部的滑轮，遮光布罩用于套在实验 箱主体上遮蔽外光。
本发明的技术效果体现在以下几个方面
1、日光模拟器的设置方式，能够准确模拟直射日光的运动轨迹。由于 太阳在天球中行径的黄道面与赤道面间呈现倾角关系，因此实验装置中设 置可360度自由控制运转的弧型灯轨，用于控制和模拟不同时刻的光点定 位，并选择点光源的卤钨灯模拟太阳光投射，塑造近似人居环境的日光投射情景。
2、 本发明利用视觉体察转移的特性，将导轨模式分成轨道导引模式、 手持推进模式与固定设点模式三模式，以设定模拟不同视高的人眼视觉体
察方式。实验装置中设置可作360度转动的导轨与导轨上可任意调变角度
与位置的影像采集器，以控制不同视高与视角的影像采集。因此，发明中
所采用的技术方案为利用可作360度转动的导轨与导轨上可任意调变角
度与位置的影像采集器，实现系统的静态图像与动态影像采集功能，可随 时进行模拟环境的图片与影像的采集和制作。
3、 本发明设有可操作建筑设计研究縮尺模型的实验平台，此平台底安
置可滑动的底轮，便于平台进行任意方向的自由运动，满足模拟场所视觉 运动与互动现场随机变更设计模型的需要。
4、 由于在进行实验过程中，实验箱外的干扰光会对实验结果产生一定 程度的影响，需要隔绝减扰。因此，本发明在实验箱外，设置可四向开启 与封闭的遮光布罩，此遮光布罩可根据外光干扰程度而决定隔绝需求，进 行任意的遮盖与揭去。
5、 本发明考虑到实验装置的"便携性"，采用拼接和折叠方式，方便收 纳，容易移位，我们按照本发明技术方案制作了一个实验教具，收纳时其 箱体尺寸为750*1500*750mm (长*宽*高)，实验时箱体尺寸为 1500*1500*750,(长*宽*高)。
6、 本发明将模拟的结果可透过数据传输直接即时输入计算机中，研究 者可借助输入的图像直接进行研究模型的调整修正，此过程也可利用投影 设备直接将影像投射至投影屏上进行辅助教学，其成效则有助于学生对于 建筑环境的深入认识与空间构成的理解。
本发明将感性的直觉审美与理性分析相结合，将抽象的空间认知和形 象思维赋予直观的演示，将建筑技术实验与建筑设计创作有机结合，非常 有利于设计教学和相关分析研究。
图1为本发明实验教具箱体直立收纳示意图。
图2为本发明拼合前结构示意图。
图3为本发明拼合后俯视图。
图4为本发明侧视图。
图5为本发明剖视图。
图6为本发明灯具夹具结构图。
图7为本发明的日光模拟弧形导轨截面图。
图8为本发明灯具实施例一的结构示意图。
图9为本发明灯具实施例二的结构示意图。
图10为本发明下轴承处电路连接示意图。
图11为本发明与外接计算机、投影教学设备关系示意图。
图12为本发明实验教具箱体加遮光布罩半遮光的作业情况示意图。
具体实施例方式
本发明包括实验箱主体、日光模拟器、滑动作业台、影像采集器和遮光 布罩。
如图2所示，实验箱主体包括箱体支撑架1和位于其下端的主操作台 底板2。实验过程中，可按实验操作需要外增延伸操作环境，此环境可由增 设的副操作台底板3拼接主操作台底板2进行延伸，副操作台底板3以延 伸操作台底板支座4在其底部进行支撑加固。在主操作台底板2与副操作 台底板3构成的拼接底板上，刻划有0 240角度的弧形方位角度标尺5， 如图3所示，以便将日光模拟弧形导轨13，按模拟的太阳方位角关系进行 准确的定位。箱体支撑架1的顶框由两块平面框构成，两平面框的一侧通 过合页7连接，位于最上端的一块平面框为悬挑框架8。使用本教学工具时， 为了便于遮光布罩的展开，将悬挑框架8作180度翻转以延伸顶框面积， 如图2所示，教学完毕后再将其复位。在悬挑框架8与箱体支撑架1间设 有防撞橡胶垫片10，在复位收纳时起到防撞阻隔作用。为了支撑翻转后的悬挑框架8，增设了悬挑框架斜撑杆9，斜撑杆9的一端与箱体支撑架1的
侧框支柱固定连接，另一端与悬挑框架8活动连接，采用固定螺丝ll穿插 在斜撑杆9与悬挑框架8的固定孔6中。
日光模拟器包括日光模拟弧形导轨13和灯具组件。如图5所示，曰光 模拟弧形导轨13能够精确模拟太阳行径路径240°的方位角度运动。日光模 拟弧形导轨13竖直面的弧度值为90弧度，在其表面刻画角度标尺，太阳 行径过程中高度角的变化利用弧形导轨13的0 90角度刻画来精确控制其 变化关系。日光模拟弧形导轨13通过轴承14连接于箱体支撑架1的底框 上，且可在前述拼接底板上作240角度的转动，转动半径与前述弧形方位 角度标尺5的半径大小相等。日光模拟弧形导轨13上布设有两股导电触片 15，其端口截面结构如图7所示，在灯具组件滑动过程中，灯具内部的第 一触头16和导电触片15保持良好的接触，形成电流回路。灯具组件由灯 具17和灯具夹具18构成，图6示出了灯具夹具结构图，灯具夹具18可沿 日光模拟弧形导轨13滑动，灯具17由灯具夹具18支撑，灯具17的结构 如图8和图9所示，利用卤钨灯、氖灯或LED灯等作为光源，灯具17与灯 具夹具18内部的第一触头16接触良好。灯具17用于模拟太阳光源，因此 其发出的光必须为平行指向光，利用菲涅尔透镜22或网状金属格栅33将 灯泡的发散光转化为平行指向光。通过日光模拟弧形导轨13上的高度角度 标尺19和前述弧形方位角度标尺5，按照太阳光模拟需求确定灯具的高度 角和方位角，确定后分别将日光模拟弧形导轨13和灯具夹具18在对应位 置通过导轨定位螺丝12固定。灯具17通过第一触头16、导电触片15连通 外接电源，获得电源。为了保证日光模拟弧形导轨13转到任何位置都能与 外接电源较好地连通，所以在其日光模拟弧形导轨13与箱体支撑架1间的 轴承连接处设有两个滑槽，如图10所示，两导电触片15始终分别与两滑 槽里预设的第二触头29紧密接触，触头与外接电源连通。由于LED灯和氖 灯等灯具额定电压小于220V或110V，故需要对常规电流进行变压处理，例 如灯具所需的电力为12V直流电，由220V或110V外接电源线20作电力引 入，采用12V直流变压器21作电压转换后，直接输电至埋设于活动导轨中 的灯具导电触片15上作灯具的电力输送。 .为适应各种研究环境的体察需求，影像采集器需能自由转动运动以及
前后拉伸。影像采集器由视频支撑架和无线针孔摄像头CCD 27构成。如图 5所示，视频支撑架包括周向运动导轨24、滑杆25和连杆26，周向运动导 轨24通过轴承14连接于箱体支撑架1的底框上，并能以轴承连接点为中 心在前述拼接底板上作360度自由转动。滑杆25和连杆26的固定端分别 与周向运动导轨24的上部固定连接，两杆的自由端活动连接，滑杆25的 表面开有空槽，使得滑杆25的截面呈"C"型，位于连杆26自由端上的滑 轮嵌入空槽中，并可在空槽内滑动。摄像头CCD 27通过摄像头夹具28安 放在滑杆25上，摄像头夹具28可沿滑杆25滑动。摄像头的空间位置按照 如下方式确定通过调节周向运动导轨24的转动，确定摄像头的平面位置； 操作连杆26带动滑轮在空槽内滑动，确定滑杆25的角度，从而确定摄像 头的高度位置；调整摄像头夹具28在滑杆25的位置，确定调整摄像头与 目标的远近距离。可利用摄像头自身的自重让摄像头始终维持平视状态， 或利用摄像头的可调变螺丝而进行摄像头视角的仰俯视微调。当摄像头位 置达到拍摄要求时，固定视频支撑架内各杆间的相对位置，可采用导轨定 位螺丝定位。如图11所示，摄像头27还通过计算机与投影设备连接，方 便教学研究者实时获取图像进行分析。
滑动作业台用于置放模型，如图4所示，其底部安置万向滑轮30，便 于作业台自由运动。
为了避免实验操作过程中外光对实验环境所产生的干扰，本发明设置一 用于外光遮蔽的遮光布罩，该遮光布罩能达到减小外光干扰的目的，在布 罩周边设置开合拉链31，如图12所示，使实验在遮光进行过程中可自由开 启进行调试，布罩上还设置有折叠缝线32，以便实验结束后布罩的折叠收
具体应用实施步骤如下
1.实验前的基础准备作业本发明实验装置在未进行实验前为收纳状 态，如图1所示。实验进行前需将实验箱水平放置，如图2所示，并将操 作副操作台底板3拼接主操作台底板2进行底板延伸，如图3所示。后可 将延伸实验环境悬挑框架8从实验箱体进行翻转延伸，翻转后的实验环境悬挑框架8，则以悬挑框架斜撑杆9进行斜撑加固，再以固定螺栓11将斜
撑杆9固定于穿插孔6中。再将灯具接通电源，同时将实验研究模型放置 在滑动作业台上，并将此台置于副操作台底板3上，即完成实验前的基础 准备作业，如图2所示。
2. 实验前的调试准备作业实验进行前尚需进行简单的调试。首先，需
进行体察影像调试。将计算机开启，驱动无线针孔摄像头CCD影像采集程 序，调试影像至完全清晰的程度。其次，开启平行指向光灯具17的开关23， 调整日光投射模拟的合适投射亮度。调节视频支撑架与日光模拟弧形导轨 13，直到计算机中所截取的影像能符合实验需求，即完成实验前的调试准 备作业。若实验箱外光线对实验结果产生干扰较大，则可在实验箱外罩上 遮光布罩，并可就实验进行过程的需要来开合布罩周边的开合拉链31，进 行作业环境调整。
3. 室外日影环境测试方式为了进行室外日影模拟作业，首先可依照太 阳轨迹线图(Sundial Diagram)确认太阳的行径路径。从太阳轨迹线图中， 可按模拟的时间查询相应的方位角与高度角。确认方位角后，可转动曰光 模拟弧形导轨13在方位角度标尺5上找寻合适的方位角，以导轨定位螺丝 12作定位固定，以进行方位角的确定。高度角定位，系以日光模拟弧形导 轨上的高度角度标尺19来控制定位，以精确描述高度角变化关系。定位后 的灯具，可用弧形导轨灯具夹具18将灯具与导轨进行夹合。定位后灯具所 投射的光与影，即为研究时刻的日影关系，可直接在计算机的成形影像中 进行采集和剪辑图像的应用。此外，也可转动日光模拟弧形导轨13与移动 灯具夹具18，形成日光投射的可变动关系，以模拟全天的日影活动影像。 此过程可拍摄动态的影像影片，也可通过影像投影设备进行建筑设计或建 筑物理的辅助教学应用。
4. 室内光影环境测试方式室内光影研究操作，可分成两种类型进行测 试。 一类为室内观测点不动，变动室外的日光投射，研究室内光影的变化 关系。具体操作方法为将研究模型置于滑动作业台上，滑移至实验箱中 央处。调整视频支撑架，使无线针孔摄像头CCD 27的体察方位符合研究者 的观察需求，调整摄像头夹具在滑杆25的适当高度位置，来完成摄像头的定位操作。将平行指向光灯具17调整至合适的光照投射角度，.扭松导轨定 位螺丝12使日光模拟弧形导轨13能自由转动，将导轨从研究模型东侧慢 慢转动至西侧以进行研究模拟。二类为室外日光投射不变，转动或移动室 内体察观测点，以研究人体在室内环境移动的视觉效果。具体操作方法为 将研究模型置于滑动作业台上，滑移至实验箱中央处。调整转动日光模拟 弧形导轨13至模拟的投射角度，调整好平行指向光灯具17至合适的光照
投射角度，并拧紧导轨定位螺丝12作定位固定。观察过程中，转动周向运 动导轨24，调整摄像头在滑杆25的高度位置。不论何类测试均可直接在计 算机的成形影像中进行采集与剪辑图像的应用，也可拍摄成动态的影像影 片，或透过影像投影设备进行建筑设计或建筑物理的辅助教学应用。
5.研究室内空间认知测试方式在建筑与室内空间设计学习过程中，一
般学生对于研究空间的尺度与比例关系难以掌握，本发明便于研究者通过 视觉体察过程直接调整研究模型，形成互动学与教的过程。具体操作方法
为首先，将日光模拟弧形导轨13与视频支撑架均调整设定成一假设模式，
研究者观察研究空间所呈现的尺度与比例关系是否为研究所需，若为，则 不断调整日光模拟与视觉体察的各种可能模式，直到研究者完全满意为止。 若不为，则研究者直接调整模型的研究空间尺度与比例关系，直到研究者 满意，然后再不断调整日光模拟与视觉体察的各种可能模式，直到研究者 再次完全满意为止。此过程可直接在计算机的成形影像中进行采集与剪辑 图像的应用，也可拍摄成动态的影像影片，或透过影像投影设备进行建筑 设计或建筑物理的辅助教学应用，以达到多元互动的教学效果。
权利要求
1、一种用于空间认知与光环境模拟的辅助实验教具，其特征在于，包括实验箱主体、日光模拟器、影像采集器、滑动作业台和遮光布罩；实验箱主体包括箱体支撑架(1)和位于其下端的底板，在底板刻画有0～240角度的弧形方位角度标尺(5)；日光模拟器包括日光模拟弧形导轨(13)和灯具组件，日光模拟弧形导轨13的竖直表面刻画有0～90度的角度标尺，日光模拟弧形导轨(13)连接于箱体支撑架(1)的底框，且能在所述拼接底板上作240弧度的转动，转动半径与所述弧形方位角度标尺(5)的半径相等；日光模拟弧形导轨(13)的表面分布有导电触片(15)，日光模拟弧形导轨(13)与箱体支撑架(1)的连接点处设有第一触头(29)；灯具组件由平行光灯具和灯具夹具(18)构成，灯具夹具(18)能够沿日光模拟弧形导轨(13)滑动，灯具夹具(18)内部设有一端与灯源连接，另一端与所述导电触片(15)连接的第二触头(16)，第二触头(16)通过导电触片(15)与第一触头(29)相连通；影像采集器由视频支撑架和安放于视频支撑架的摄像头(27)构成，视频支撑架连接在箱体支撑架(1)的底框上，用于调整摄像头(27)的空间位置；滑动作业台包括承载平台和位于其底部的滑轮，遮光布罩用于套在实验箱主体上遮蔽外光。
2、 根据权利要求1所述的用于空间认知与光环境模拟的辅助实验教具， 其特征在于，所述实验箱主体的底板由主操作台底板(2)和副操作台底板(3)拼接而成，所述箱体支撑架(1)的顶框由两块平面框构成，两平面 框的一侧通过合页(7)连接，位于最上端的平面框能作180度翻转；另有 悬挑斜撑杆(9)的一端与箱体支撑架(1)的侧框支柱固定连接，悬挑斜 撑杆(9)的另一端与位于最上端的平面框活动连接。
3、 根据权利要求1或2所述的用于空间认知与光环境模拟的辅助实验教具，其特征在于，所述视频支撑架包括周向运动导轨(24)、滑杆(25) 和连杆(26)，周向运动导轨(24)连接于箱体支撑架(1)的底框上，并 能以连接点为中心在所述底板上作360度自由转动；滑杆(25)和连杆(26) 的固定端分别与周向运动导轨(24)的上部固定连接，滑杆(25)的表面 开有空槽，位于连杆(26)自由端上的滑轮嵌入空槽中，并能在空槽内滑 动；摄像头(27)通过摄像头夹具(28)安放在滑杆(25)上，摄像头夹 具(28)能够沿滑杆(25)滑动。
4、 根据权利要求1或2所述的用于空间认知与光环境模拟的辅助实验 教具，其特征在于，所述平行光灯具由灯具(17)和将灯光转变为平行光 的菲涅尔透镜(22)或网状金属格栅(33)构成。
5、 根据权利要求4所述的用于空间认知与光环境模拟的辅助实验教具， 其特征在于，所述灯具(17)采用卤钨灯或氖灯或LED灯。
6、 根据权利要求1或2所述的用于空间认知与光环境模拟的辅助实验 教具，其特征在于，所述摄像头(27)还与计算机相接。
全文摘要
本发明为一种用于空间认知与光环境模拟的辅助实验教具，包括实验箱主体、日光模拟器、影像采集器、滑动作业台和遮光布罩，滑动作业台承载研究模型，日光模拟器模拟不同时刻的日光投射情景，影像采集器选择适合的拍摄点并摄像，遮光布罩套在实验箱主体上用于遮挡外光。本发明能够精确模拟太阳运动的行径轨迹，获取模拟环境下静态或动态的建筑模型影像，有效辅助建筑设计中空间认知及光环境模拟的教学研究。
文档编号G09B25/00GK101436360SQ20081023680
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月10日 优先权日2008年12月10日
发明者勇 刘, 谭刚毅, 雷祖康 申请人:华中科技大学