一种用于建筑创作的光空间操作仪的制作方法

本发明属于逛空间模拟设备技术领域，尤其是涉及一种用于建筑创作的光空间操作仪。

背景技术：

在建筑及相关创作中，自然采光的设计是很重要的一部分，对于建筑自然采光的分析软件已经趋于成熟，但是能够辅助建筑创作中光环境设计的工具很少且不完善，在一般创作环境中难以进行，所以需要一种设备进行完成，但是目前并没有一种实际有效的设备来结合建筑自然采光设计的设计方法。能够完善建筑和相关教学中自然采光中的教学训练，能够辅助建筑师和其他设计师在设计创作中的自然采光的分析从而推动建筑和相关设计的发展。

中央美术学院所做的“灯箱”应用于光与材料的结合，孔洞等实验，局限于最终结果，并且是静态结果，非自然光的动态表现。同济大学的自然光模拟仪，用于对已完成模型的超精度测试，不侧重在建筑创作过程中光与空间的即使可视化推导应用和相关设计的应用。

区别于软件，软件仅仅是辅助检测的工具，并不是建筑师用来设计的工具。因为建筑师的创作过程中，需要手动随心动，靠着感性去完成这些设计，而不是靠这些简简单单的电脑软件。通过仪器把抽象的和隐藏在图纸之下的光的丰富变化进行可视化，能够在可视化基础上帮助建筑师进行有效分析，达到理想的建筑创作结果。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明要解决的问题是提供一种用于建筑创作的光空间操作仪，尤其适合辅助光空间设计与光环境模拟，能够精确模拟太阳运动行径轨迹，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。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于建筑创作的光空间操作仪，包括操作仪本体、轨道、日光模拟器、位移测量装置、影像采集装置和角度测量装置，轨道转动设于操作仪本体上，日光模拟器设于轨道上，日光模拟器可沿着轨道移动，位移测量装置与影像采集装置均设于操作仪本体的上部，角度测量装置设于操作仪本体的侧壁上。

具体地，日光模拟器包括灯具组件、灯具夹具和灯具移动装置，灯具夹具一端与灯具移动装置连接，灯具夹具的另一端与灯具组件连接，灯具移动装置设于轨道上，且灯具移动装置可沿着轨道移动。

进一步的，轨道的两端分别与操作仪本体的连接轴连接，连接轴通过同步带与轨道摆动装置连接。

进一步的，轨道为弧形轨道，轨道的侧面上设有时间刻度，时间刻度为均布的0-24点。

进一步的，轨道为半圆环形。

具体地，操作仪本体包括支撑架和作业台，作业台设于支撑架上，作业台上设有模型放置区，模型放置区上表面设有比例坐标网格。

进一步的，角度测量装置垂直设于模型放置区的周侧，角度测量装置为刻度板，刻度板的数量为多个。

具体地，影像采集装置包括影像采集器支撑架和影像采集器，影像采集器支撑架的一端与影像采集器连接，影像采集器支撑架另一端通过影像采集器夹具与支撑架连接。

进一步的，影像采集器的数量为多个，多个影像采集器均设于支撑架上。

进一步的，光空间操作仪还包括控制器，控制器分别与灯具移动装置和轨道摆动装置电连接，优选的，灯具移动装置与轨道摆动装置均为步进电机。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.由于采用上述技术方案，日光模拟装置可移动的设置在轨道上，且轨道能够进行0-180°进行摆动，采用此种设置方式，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呈现倾角关系，因此该光空间操作仪中的日光模拟器设置可180°内任意调整照射角度，方便准确模拟日光的照射方向，并选择点光源通过调整光线照射角度，转化成平行光进行模拟太阳光的投射，塑造近似人居住环境中的日光投射情景；

2.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，该光空间操作仪中设置可做180°转动的导轨与轨道上可任意调变角度与位置的影像采集装置，以控制不同视高于视角的影像采集；

3.利用可做180°转动的导轨与轨道上可任意调变角度和位置的影像采集器，实现系统的静态图像与动态影像采集功能，可随时进行模拟观景的图片与影像的采集和制作；

4.该光空间操作仪设有可操作建筑设计研究缩尺模型的实验平台，并且方便操作，存在的计算量较小，方便于光学空间制作与推敲中的实验验证的需要；

5.考虑到实验装置的“便携性”，该光空间操作仪采用拼接的方式，且实验箱主体下方设有滑轮，方便收纳，容易移位；

6.该光空间操作仪可将模拟的结果通过数据传输直接及时输入计算机中进行记录，研究者可以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幕上进行辅助教学，其成效则有助于学生对于建筑空间的深入认识和对光影空间的尺度把握；

7.该光空间操作仪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。

8.经济、方便、可持续使用，并且在创作过程中进行光与形态的动态分析，因为人眼只能从有限的角度去分析光与影的变化，而且无法进行有效的记录，该光空间操作仪能够进行全面的分析，可以从任意角度分析光与影的变化。

附图说明

图1是本发明的一实施例的结构示意图；

图2是本发明的一实施例的轨道与作业台的转动连接结构示意图；

图3是本发明的一实施例的灯源的光线反射示意图。

图中：

1、灯具移动装置2、灯具组件3、刻度板

4、影像采集器支撑架5、作业台6、支撑架

7、角度测量装置8、轨道连接件9、导轨

10、时间刻度11、影像采集器12、刻度板夹具

13、灯具夹具14、连接轴15、轨道摆动装置

16、第二齿轮17、第一齿轮18、第三齿轮

19、安装壳体20、齿轮

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

图1示出了本发明的一实施例的结构示意图，具体示出了本实施例的结构，本实施例涉及一种用于建筑创作的光空间操作仪，能够辅助建筑设计创作时进行光空间设计与光环境模拟，该光空间操作仪对自然光进行模拟，辅助记录创作的过程，并研究建筑创作中光与空间的动态关系；通过大量创作数据和方法的验证，追寻快捷体验建筑光影变化在创作中的动态效果，并且能高效地进行动态分析帮助建筑师可视化地进行光影结果的判断。

该光空间操作仪可动态调节空间与光的关系，调整方便，用计算机来记录多次测验的结果，有助于实验的进行和可实施性，使最终结果达到令人满意的程度；同时，动态调整可从多个角度进行观察，并不限于一些方向去观察光与空间产生影的动态变化，能够从各个角度去详细透彻的测试光与建筑空间的关系和光对建筑空间的影响，从而可以采集到详细结果，方便研究者进行建筑设计过程中对光与空间之间的关系的研究，进而进行建筑创作。

具体地，上述的用于建筑创作的光空间操作仪包括操作仪本体、轨道9、日光模拟器、位移测量装置3、影像采集装置和角度测量装置7，操作仪本体起到支撑的作用，便于轨道9、位移测量装置3、影像采集装置和角度测量装置7的安装；轨道9转动安装于操作仪本体上，能够在操作仪本体上进行左右摆动，以模拟日光模拟器在经线上移动；日光模拟器滑动安装在轨道9上，且日光模拟器能够沿着在轨道9上进行前后移动，以模拟日光模拟器在纬线上移动，日光模拟器模拟的是太阳，散发出平行光，日光模拟器的移动和轨道9的摆动与太阳白天的光源与运动轨迹相似，日光模拟器与轨道9相配合动作模拟太阳在白天的运动轨迹，以使得照射在模型上的光线的角度及高度发生变化，使得模型上的光影发生变化，进而使得研究者对不同位置的日光模拟器对模型所产生的光影变化进行分析；位移测量装置3与影像采集装置均设于操作仪本体的上部，位移测量装置3用于测量模型由于日光模拟器的位置发生变化时，所产生的光影发生的变化，观测模型及其部件的位移；影像采集装置用于采集日光模拟器的位置发生变化时，对模型的光影及内部的光影变化进行数据的收集记录，便于研究者在进行建筑创作时进行光影的分析；角度测量装置7设于操作仪本体的侧壁上，用于测量轨道9摆动的角度，以保证轨道9的摆动角度与研究者所需要设定的角度相同。

该用于建筑创作的光空间操作仪用于模拟不同的光照角度，使得模型产生不同的光影效果，进而对该光影进行研究分析，便于建筑创作的进行。在使用时，将模型放置在操作仪本体上，位于轨道9的下部，处于轨道9摆动的范围内部，通过改变轨道9的摆动角度和日光模拟器在轨道上的位置，使得日光模拟器对模型进行照射时，模型上和模型内部产生不同的光影位置，对不同位置的光影的分析使得研究者在进行建筑创作时能够充分考虑光照的角度的不同对建筑物采光的影响，方便研究者进行建筑创作；在研究分析不同的光影位置时，角度测量装置7对模型上和模型内部的光影进行测量，确定光照角度与光影位置的关系，角度测量装置用于确定导轨9摆动的角度，进而确定日光模拟器在经纬线上的位置，便于模拟太阳白天的运动轨迹。

具体地，操作仪本体包括支撑架6和作业台5，作业台5通过螺栓等连接部件安装在支撑架6上，操作仪本体能够水平的放置在地面上，且在支撑架6的底部安装有万向轮，使得该操作仪本体能够自由移动，使得光空间操作仪的使用不受使用空间和地点的限制；支撑架6可以是包括立柱和相互垂直连接的横梁，立柱的数量是多个，优选为，立柱的数量为四个，四个立柱竖直设置，相互平行，相互垂直连接的横梁通过螺栓等安装在四个相互平行的立柱上，在相对的两个立柱之间安装有连接板，便于轨道的安装，也可以是其他连接方式，根据实际需求进行选择；四个立柱的高度相同，作业台5安装在四个立柱和相互垂直连接的横梁构成的平面上，使得作业台5水平安装在支撑架6上，且作业台5与地面相互平行，便于该操作仪模拟地球半球的形状，模拟太阳的运行轨迹，对模型光影的变化进行观测；该支撑架6也可以是上下连通且内部有空腔的ㄈ形结构，且该支撑架6的数量为两个，一侧开口相对安装在作业台5的两侧，作业台5的两相互平行的长边分别与支撑架6连接，且支撑架6与作业台5之间留有间隙，方便导轨9穿过该间隙，且该导轨9插入支撑架6的空腔内与支撑架6安装。该支撑架6也可以是具有升降功能的结构，例如，可以是由升降气缸或升价液压缸构成，还可以是其他结构，根据实际需求进行选择。

上述的作业台5为平板状结构，在作业台5上设有模型放置区，该模型放置区用于放置房屋模型等模型，该模型放置区位于作业台5上，优选的，该模型放置区位于作业台5的中间位置，便于对模型上和模型内部的光影进行观测。

模型放置区上表面设有承载平台，该承载平台上刻画有比例坐标网格，这里比例坐标网格的比例根据实际需求进行选择，可以是1:50，也可以是1:100，还可以是其他比例坐标，用于对模型在承载平台上产生的光影位移进行测量，该承载平台的形状为矩形或方形，也可以是其他形状，这里不作具体限制，根据实际需求进行选择。承载平台通过螺栓等连接件安装在作业台5上，与作业台5上表面相平行，也可以通过粘胶进行粘接，还可以是其他连接方式，在承载平台的四周安装有刻度板夹具12，在刻度板夹具12上安装有竖直刻度板3，且竖直刻度板3竖直安装在刻度板夹具12上，则竖直刻度板3垂直于承载平台，竖直刻度板3上刻画有比例坐标网格，用于测量模型在侧面上产生的光影位移，这里刻度板夹具12具有滑槽，便于竖直刻度板3的安装与拆卸。优选的，这里承载平台的形状为方形，竖直刻度板3为透明刻度板，且竖直刻度板3的数量为四个，两两相互垂直安装在承载平台的四周，则承载平台与四个竖直的透明刻度板3构成的空间形成了模型放置区，模型放置在承载平台的中央位置，位于承载平台与透平刻度板3构成的空间内，模型在日光模拟器的光线的照射下在承载平台和竖直的透明刻度板上产生光影，便于对模型上的光影的位移进行测量，透明刻度板的设置便于研究者的观察。

进一步优化方案，如图2所示，作业台5优选为方形，在作业台5的纵向方向上安装有轨道9，轨道9的两端与作业台5纵向的两侧端的支撑架6转动连接，使得轨道9能够进行0-180°摆动，当轨道9处于0°或者180°时，轨道9与作业台5平行，也就是，作业台5模拟的是地球的赤道面，轨道9模拟的是地球半球上的一条经线，通过轨道9的摆动，构成地球半球的形状。这里，轨道9的直径与作业台5的纵向长度相同，便于轨道9沿着作业台纵向轴线转动，轨道9通过连接件与作业台5纵向两侧的支撑架6连接，连接件安装在支撑架6的连接板上，在连接件上安装有轴承座，在轴承座上固定安装有轴承，在轨道9的两端的端部之间沿着轨道9的直径方向设有连接轴14，且该连接轴14的两端延伸出轨道9的两端，该连接轴14的两端分别安装在固定轴承上，使得该连接轴14能够在轴承的作用下进行转动，进而使得轨道能够进行摆动，模拟不同角度的经线位置。该连接轴14上安装有齿轮，该齿轮通过同步带与轨道摆动装置15的输出轴上的齿轮连接，这里，轨道摆动装置15可以是电机，也可以是马达，还可以是其他动力旋转装置，根据实际需求进行选择，优选的，这里轨道摆动装置15为步进电机，步进电机与连接轴14还可以通过齿轮组进行传动，也可以通过链传动进行连接，或者通过带传动，根据实际需求进行选择。电机的主轴转动，通过同步带带动连接轴14上的齿轮转动，进而带动连接轴转动，进而使得轨道9进行左右摆动。

由于该用于建筑创作的光空间操作仪用于模拟太阳白天在地球上的运动轨迹，所以，这里轨道9的形状优选为半圆环形，在轨道的侧面上设有时间刻度10，该时间刻度10为0-24点不同时刻的时间刻度，也就是时间刻度10具有24个点，均匀布置在轨道9的侧面上，模拟一天的不同的时间点。此外，在操作仪本体的支撑架6的侧壁上安装有角度测量装置7，该角度测量装置7用于测量轨道9的摆动角度，通过角度测量装置7能够清楚的知道轨道9转动的角度，该角度测量装置7可以是角度刻度板，也可以是罗盘，还可以是其他角度测量装置，优选的，该角度测量装置7为罗盘，便于安装在支撑架6上。这里，罗盘的安装位置与轨道9相对应，固定在连接轴14端点，罗盘的中心线与轨道9的连接轴的轴线相重合，也就是轨道9所在的平面与罗盘所在的平面相垂直，当轨道9处于90°时，轨道9在罗盘所在平面上与罗盘90°线相重合，便于罗盘对轨道9摆动角度测量。

如图3所示，在轨道9上安装有日光模拟器，日光模拟器包括灯具组件2、灯具夹具13和灯具移动装置1，灯具夹具13一端与灯具夹具13连接，灯具夹具13的另一端与灯具组件2连接，灯具移动装置1设于轨9道上，且灯具移动装置1与灯具夹具13连接。灯具组件2通过灯具夹具13与灯具移动装置1连接，灯具移动装置1在轨道9上移动，进而带动灯具组件2在轨道9上移动，模拟灯具组件2一天的不同时刻的光照。

灯具移动装置包括安装壳体19、动力驱动装置和传动装置，安装壳体19与灯具夹具13固定连接，动力驱动装置固定安装在安装壳体19上，动力驱动装置与传动装置连接，具体地，这里动力驱动装置可以是电机，也可以是马达，还可以是其他移动装置，根据实际选择，这里优选的，动力驱动装置为步进电机，步进电机固定在安装壳体19上，步进电机的输出轴上安装有主动齿轮，在步进电机的下方，安装壳体上安装有传动轴，该传动轴通过轴承与安装壳体19连接，使得传动轴可以转动，在传动轴上安装有从动齿轮和与轨道相啮合的齿轮20，主动齿轮通过同步带与从动齿轮连接，通过步进电机，带动从动齿轮转动，进而使得与轨道相啮合的齿轮20转动，在轨道9的内侧面和外侧面均设有齿牙，使得与轨道相啮合的齿轮20与轨道9相啮合，通过与轨道相啮合的齿轮20的转动，在轨道9上行走，进而带动整个灯具移动装置1移动，进而实现灯具组件2的移动，模拟不用时刻的光照。为了使得灯具移动装置1运动平稳，在安装壳体19上安装有转动轴，该转动轴通过轴承与安装壳体19转动连接，转动轴可以自由转动，在转动轴上安装有第一齿轮17，该转动轴与传动轴位于同一平面上，且两者平行设置，第一齿轮17与轨道9的齿牙相啮合，在与轨道相啮合的齿轮20通过转动在轨道9上移动时，使得第一齿轮17转动，在轨道9上移动；该灯具夹具13包括第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和横杆，第一连接杆与第二连接杆分别与横杆的两端固定连接，且第一连接杆与第二连接杆分别与横杆垂直设置，第一连接杆与第二连接杆平行设置，第一连接杆的一端与传动轴连接，第二连接杆的一端与转动轴连接，第一连接杆的另一端与第一传动轴连接，第二连接杆的另一端与第二转动轴连接，在第一传动轴上安装有第二齿轮16，在第二转动轴上安装有第三齿轮18，第二齿轮16与第三齿轮18均与轨道9相啮合，且第二齿轮16相对第一传动轴转动，第三齿轮18相对第一转动轴转动，第二齿轮16与第三齿轮18均位于轨道9的内侧面，且第二齿轮16与齿轮20位置相对应，齿轮20位于轨道9的外侧面，第三齿轮18与第一齿轮17位置相对应，第一齿轮17位于轨道9的外侧面，也就是，轨道9位于第一齿轮17与第三齿轮18之间，同时轨道9位于齿轮20与第二齿轮16之间，通过齿轮20的转动，进而带动第一齿轮17、第二齿轮16和第三齿轮18转动，使得整个灯具移动装置1在轨道9上移动；第三连接杆一端与横杆垂直连接，第三连接杆另一端与灯具组件2连接，使得灯具组件2随着灯具移动装置1的移动而移动。通过齿轮与轨道9的啮合实现灯具移动装置1在轨道9上移动，进而使得灯具夹具13在轨道9上移动，进而实现灯具组件2在轨道上移动，实现灯具组件2在轨道9上的不同高度。

该用于建筑创作的光空间操作仪还包括控制器，该控制器分别与灯具移动装置1和轨道摆动装置15电连接，也就是控制器分别与灯具移动装置1的步进电机和轨道摆动装置15的步进电机电连接，这里控制器为plc控制器，在plc控制器中预设有编辑好的程序，控制两个步进电机的动作，plc控制器与计算机连接，计算机中设有观测模型的程序软件，通过在计算机端输入轨道摆动装置15摆动的角度和灯具移动装置1移动的距离，plc控制器控制两个步进电机转动，进而使得灯具组件2移动和轨道9摆动达到研究者的要求，通过plc控制器自身程序的设定，进而控制两个步进电机的动作，实现灯具移动装置1的步进电机按照轨道上的时间刻度移动，每一次移动的距离为一个时间刻度，轨道摆动装置的步进电机按照需要摆动的角度进行动作，实现轨道9的摆动角度可调节，以此实现在不同光照角度下对模型上光影的观测。另外的，还可以通过串口控制单片机，让单片机控制电机脉冲移动，已达到利用电脑控制仪器的效果。实现日光模拟器与导轨智能化操作，利用电脑控制电机实现日光模拟器与导轨的相对移动。

这里灯具组件2为白炽灯，通过灯罩将点光源反射成平行光源，也可以是其他能够发出平行光的光源，根据实际需求进行选择。

上述的影像采集装置包括影像采集器支撑架4和影像采集器11，影像采集器支撑架4的一端与影像采集器11连接，影像采集器支撑架4另一端通过影像采集器夹具与支撑架6连接。该影像采集器夹具为夹扣，将影像采集器支撑架4固定安装在操作仪本体的支撑架6上，且该影像采集器支撑架4为弯折管，能够任意改变形状和位置，便于将影响采集器11放置在需要观察的位置，这里影像采集器11为摄像头，该摄像头与计算机电连接，时时将观测到的模型上的光影数据传输到计算机中，便于研究者对数据进行分析和存储。影像采集器中摄像头采集的图像，可以通过microsoftvisualstudio软件在电脑上显示，便于实时观察。

进一步的，该影像采集器11的数量为多个，影像采集器支撑架4的数量为多个，每一个影像采集器11安装在一个影像采集器支撑架4上，且多个影像采集器11均布分布在模型的四周，便于各个角度对模型上和模型内部的光影进行观测。

本实施例的工作过程：研究者在实用该用于建筑创作的光空间操作仪时，将模型放置在模型放置区，设置好灯具移动装置1的步进电机的移动距离，同时设置好轨道摆动装置15的步进电机的转动的角度，影像采集器11将观测到的模型上和模型内部的光影数据传递给计算机，研究者多次改变两个步进电机的移动距离和转动角度，多次观察模型上和模型内部的光影数据，影像采集器11时时观测不同时刻和不同高度的日光模拟器的光照在模型上和模型内部的光影数据，时时传递给计算机，便于研究者对不同高度角的光照对模型的光影的效果，并进行分析研究。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，日光模拟装置可移动的设置在轨道上，且轨道能够进行0-180°进行摆动，采用此种设置方式，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呈现倾角关系，因此该光空间操作仪中的日光模拟器设置可180°内任意调整照射角度，方便准确模拟日光的照射方向，并选择点光源通过调整光线照射角度，转化成平行光进行模拟太阳光的投射，塑造近似人居住环境中的日光投射情景；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，该光空间操作仪中设置可做180°转动的导轨与轨道上可任意调变角度与位置的影像采集装置，以控制不同视高于视角的影像采集；利用可做180°转动的导轨与轨道上可任意调变角度和位置的影像采集器，实现系统的静态图像与动态影像采集功能，可随时进行模拟观景的图片与影像的采集和制作；该光空间操作仪设有可操作建筑设计研究缩尺模型的实验平台，并且方便操作，存在的计算量较小，方便于光学空间制作与推敲中的实验验证的需要；考虑到实验装置的“便携性”，该光空间操作仪采用拼接的方式，且实验箱主体下方设有滑轮，方便收纳，容易移位；该光空间操作仪可将模拟的结果通过数据传输直接及时输入计算机中进行记录，研究者可以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幕上进行辅助教学，其成效则有助于学生对于建筑空间的深入认识和对光影空间的尺度把握；该光空间操作仪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；经济、方便、可持续使用，并且在创作过程中进行光与形态的动态分析，因为人眼只能从有限的角度去分析光与影的变化，而且无法进行有效的记录，该光空间操作仪能够进行全面的分析，可以从任意角度分析光与影的变化。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。