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幕墻行業的建筑可視化實踐

來源:2021論文集  作者:梁曙光 黃秀峰 胡博 范思宇  日期:2021-6-29
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    摘要:建筑可視化技術已經在幕墻設計中得到了應用,在畫面質量和出圖效率上已經較既往傳統的建筑表現方式有了很大的提升,但在結合VR/AR設備實現與虛擬現實的交互,以及與BIM打通實現項目全周期的視覺效果的生產和展示,還在持續探索中。隨著硬件和軟件技術的發展,國家層面上的推動,BIM技術的提升以及數據平臺的逐漸完善,建筑可視化已是必然的趨勢。
    關鍵詞:建筑可視化;BIM可視化;虛擬現實;UE4;商業游戲引擎;數據平臺

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  摘要:建筑可視化技術已經在幕墻設計中得到了應用,在畫面質量和出圖效率上已經較既往傳統的建筑表現方式有了很大的提升,但在結合VR/AR設備(詞條“設備”由行業大百科提供)實現與虛擬現實的交互,以及與BIM打通實現項目全周期的視覺效果的生產和展示,還在持續探索中。隨著硬件和軟件技術的發展,國家層面上的推動,BIM技術的提升以及數據平臺的逐漸完善,建筑可視化已是必然的趨勢。

  關鍵詞:建筑可視化;BIM可視化;虛擬現實;UE4;商業游戲引擎;數據平臺

  1.引言

  可視化(Visualization)是利用計算機圖形學和圖像處理技術,將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來,再進行交互處理的理論、方法和技術。建筑項目需要在其重點的環節或步驟上都能實現數據及模型的流動與共享,以便于項目參與各方可以進行最高效的溝通,通過可視化技術來滿足各方的需求,釋放數據的內在價值。

  建筑可視化貫穿了從建筑方案到施工竣工的全周期,以提高設計、施工的效率與質量,增強管理的便捷性與透明性為目的。下文先對建筑可視化現狀進行總結,之后會對作為建筑專業一個重要分支的幕墻,如何通過可視化技術,在設計和施工中實現跨行業的合作與共贏做出分析。

  2.建筑可視化

  2.1建筑表現

  設計草圖、建筑效果圖、包括建筑方案階段的圖紙和必要的分析圖表及文字說明,所有這些用來展現建筑設計方案和構思的手段被統稱為建筑表現,為的是能通過一切手段將建筑的體積、色彩和結構等信息提前展示在項目參與者的眼前,以便更好的認識這個建筑,理解建筑師想要傳遞的所有信息。

  對于建筑可視化的探索,其中一個重要原因是傳統的效果圖和多媒體的表現方式已經不能完全滿足現階段的設計需求,具體表現在:

  1. 設計師會因為過分追求建筑物的高大上,過分注重效果的表現而忽略了設計的真正表達,無法將建筑物內部空間和材質全面且真實的表達出來,在透視、光影和材質方面也常常會有偏移,導致許多建筑成品與效果圖相差甚遠。

  2. 方案創作和研討階段,參與項目的各方特別是項目決策者會因信息不對稱出現理解的誤差,容易造成最終設計成果出現偏差。

  3. 現階段效果圖和視頻均采用離線渲染,制作周期長,成本也較高,不能高效的支持方案調整,也不利于建筑設計整個周期的效率提升。

  正因為建筑設計是一個復雜的系統工程,所以如何讓有不同建筑學知識儲備的各方都能準確的理解建筑方案,高效溝通并最終確定方案,是所有設計師都會面對的問題。隨著VR,AR,MR等外設及GPU(圖形處理器)等硬件的發展,以及相關軟件的成熟,在進行建筑表現時,可實現在漫游中加入交互,營造沉浸式的體驗,建筑可視化已隨之成為建筑表現的新形式。

圖1MR(混合現實)能實現人,機與環境三者的交互

圖2 微軟對于MR的定義

圖3 VR=虛擬世界;AR=真實世界 + 數字化信息;MR=VR + AR=真實世界 + 虛擬世界+ 數字化信息

  2.2建筑可視化

  建筑可視化是一種升級的建筑表現手段,它充分依托數字虛擬圖像技術,通過工程設計模擬、建筑效果圖、建筑動畫、多媒體宣傳片、虛擬現實等多種形式,對未來場景進行虛擬呈現,把設計理念變成生動、逼真的視覺效果,變抽象為具體,以最直觀的方式展現設計方案,以及與方案對應的項目周期與項目成本。同時,可視化讓討論和修改方案都能變得更簡單易懂,大大節約了時間和溝通成本。

  2.3基于UE4的建筑可視化

  UE4(Unreal Engine4)中文翻譯為虛幻引擎,是由全球頂級游戲EPIC公司開發的,該產品目前占有全球商業游戲引擎80%市場份額。

  游戲引擎是指一些已編寫好的可編輯電腦游戲系統或者一些交互式實時圖像應用程序的核心組件,它可以為游戲設計者提供各種編寫游戲所需的工具,且支持跨平臺操作。UE4作為主流的商業游戲引擎,包含了:渲染引擎(即“渲染器”,含二維圖像引擎和三維圖像引擎)、物理引擎、碰撞檢測系統、音效、腳本引擎、電腦動畫、人工智能、網絡引擎以及場景管理等模塊。

  由于UE4的實時交互和渲染功能非常適用于各種非游戲應用的項目,所以EPIC特別于2018年專針對建筑和產品設計行業發布了融合了DataSmith的Unreal Studio,重點提升了它在建筑方案視覺效果,以及縮短方案修改迭代時間這兩個方面性能。目前UE4在建筑領域的運用,相對于同類型其它軟件會有以下優勢:

  1. 高品質的實時渲染

  在眾多的商業引擎中,包括DCC(Digital Content Creation數字內容創作)軟件用的實時渲染插件在內,虛幻引擎的畫質是最好的,而且能快速出圖,這些功能都是離線渲染所無法實現的。

  2. 高兼容的數據輸入接口

  UE4中的Datasmith可以支持導入幾乎所有主流的DCC軟件的數據如:Sketchup、Revit、Rhino、Cad、3DSMax、Maya和C4D等。這些軟件創作的項目可以直接通過Datasmith導入UE4進行渲染,而不用倒出龐大的FBX,并且由于貼圖、動畫、攝像機及燈光可以同時導入,可全場景的搬入UE4,也不用擔心項目坐標會有變化,讓設計師可以有更多的精力放在創作上。

圖4 多種DCC軟件可通過DATASMITH導入到UE4進行渲染

  3. 多通道的數據輸出接口

  UE4除了能與多種格式的軟件做連接外,它的輸出還可以適應不同階段和場景的需求:

  設計階段,可以結合VR和AR的設備與客戶進行方案的討論及實時調整。

  施工階段,可對重點工藝、施工步驟做演示,以便對方案進行二次推敲。

  維護階段,用UE4做智慧大樓甚至智慧城市,并用Ndisplay做多屏的展示。其中,UE4中的Task Graph能幫助用戶對大量的實時監控數據進行處理,從而保證交互的流暢和數據的時效。同時,UE4中高度優化的延遲渲染管線能適應大場景的運維應用,同時保障渲染質量和運行效率。

  營銷階段,可以用數字沙盤來展示建筑,用虛擬制作實現云看房,讓客戶能直觀的感受到在不同時間,不同天氣下場景的區別。

  4. 安全、開放

  UE4是開源的,代碼受到用戶社區的監督。這既可以保證引擎的漏洞可以更快速的被人發現、反饋與修復,也可以保證其代碼中無后門程序,保護隱私。同時也為行業中的有能力的高技術人才深度了解引擎原理,優化使用表現提供了可能。

  3.BIM可視化

  3.1 BIM的定義

  建筑行業的BIM(Builing Information Modeling建筑信息模型)技術是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具,其核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型,利用數字化技術,為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。借助這個包含建筑工程信息的三維模型,提高建筑工程的信息集成化程度,從而為建筑工程項目的相關利益方提供一個工程信息交換和共享的平臺,從而提高參與各方的生產效率、達到節約成本和縮短工期的目的。

  BIM的作用主要體現在:

  1. 模擬性。

  BIM不但可以實現建筑節能模擬、緊急疏散模擬、日照模擬等,還可以實現4D及5D模擬,即在三維模型中加入項目的發展時間和造價控制的內容。

  2. 協調性。

  項目參與的各方都可以基于BIM模型在建造前期對各專業的碰撞問題和重點部位進行協調,生成協調數據,從而優化整個流程。

  3. 可出圖性。

  BIM模型不僅能繪制常規的建筑設計圖紙及構件加工的圖紙,還能通過對建筑物進行可視化展示、協調、模擬、優化,并出具各專業圖紙及深化圖紙,使工程表達更加詳細。

圖5 可視化的部分應用場景

  3.2 BIM可視化

  BIM可視化指的是呈現和表達包含建筑信息的三維模型以及可以利用的建筑數據,F階段BIM可視化主要的應用點包括:

  1. 可視化的圖紙會審

  即各專業都對本專業的模型進行檢查,對重難點施工節點進行交底討論并生成問題報告及工程量統計。但如果要將模型分享給客戶觀看,客戶需要安裝Navisworks以查看BIM輸出的NWD文件,查看模型的門檻較高。

  2. 可視化的深化設計及技術交底

  對一些二維圖紙無法表達的位置,或者多專業作業密集的位置,通過可視化的BIM模型,可以根據材料特點、工藝技術及甲方的要求對重點施工部位進行重點討論和明確落實。同時,在與施工進行技術交底時,不僅僅是通過其他類似工程的經驗與效果圖以及方案進行工作,不僅依靠既往的經驗和二維圖紙進行施工,避免了信息不對稱問題,提高了溝通效率以及準確度。

  3. 可視化漫游

  通過漫游可以直觀的表達以及展示建筑物的形態和位置等信息。同時,通過BIM的虛擬建造,原有的3D靜態模型可被加上一個描述變化的時間軸,以便展現模型構建的生命周期變化過程。后期在施工中,通過總控計劃的導入,可周期性的觀察施工進度與實際進度的區別,找出原因,及時做好補救措施。

  4.幕墻行業的可視化實踐

  幕墻是建筑的外衣,最能直觀的展現一座建筑的特色。幕墻設計作為建筑物的裝飾性外圍護結構,無論是在民用建筑還是在工業建筑(詞條“工業建筑”由行業大百科提供)的設計中,都對建筑師想要實現的建筑外觀、建筑功能發揮著積極的作用。

  現階段,有幕墻公司已經在使用Twinmotion,Lumion等軟件進行方案的輸出。相對UE4,這些都是比較輕量化的可視化軟件,在方案的調整和輸出的效率上,較以往的軟件有了很大的提升,并且能夠解決客戶既往的痛點,收獲了非常好的口碑。

  目前,浙江中南幕墻設計研究院在建筑行業特別是幕墻行業可視化的進程中,無疑是走在行業的最前端。設計院設有可視化工作室,及方案創作工作室,近年來通過方案優化及可視化技術,在為客戶解決精準建模和還原方案,內外裝不同專業的碰撞檢測及項目整體效果呈現等痛點上,獲得了客戶的一致好評,并取得了良好的業界口碑。

  在設計中,幕墻施工圖通常都是二維圖紙,為了解決異形的工程,幕墻設計會用到BIM技術,具體方式是:三維建模軟件創建項目模型,加載自適應的幕墻系統產品,自動生成材料訂購表,根據三維模型自動生成幕墻材料加工圖。BIM在幕墻工程中的核心就是后期的下料工作。因為異形幕墻一般都造型復雜,都是三維空間造型,所有骨架和面板都要在工地三維定位,三維安裝,對設計、加工和安裝等方面都有很高的技術要求、質量要求和工期要求。

  為了更好的貫通上下游,浙江中南幕墻設計院也設有專門的BIM團隊,為客戶量身解決施工過程中的痛點。前期通過可視化技術輔助客戶決策,項目深化中通過BIM技術高效和完善的將項目落地。為客戶提供全周期的數據及可視化服務。

  建筑行業可以利用商業游戲引擎這個成熟的平臺,在以數據為中心的輔助設計系統的開發中,降低圖形系統開發的門檻,同時,淘汰掉傳統繁瑣的盲猜渲染,縮短客戶等待時長,助力建筑和工程施工行業從頻繁的設計修改當中解脫,這是游戲引擎在建筑可視化中最大的意義。也是浙江中南幕墻設計院的戰略目標之一。

  在浙江中南幕墻設計院看來,建筑可視化圍繞的是建筑的全生命周期,根據其階段性會有不同的可視化服務需求,這些可視化的數據緯度會由3D擴展到4D(時間信息)甚至5D(量價信息);特別是作為專業的可視化服務商,還需要在項目的調整效率與可視化質量之間找到平衡點,這也是浙江中南幕墻設計院下面將繼續探索的方向。

  5.總結

  建筑可視化的實現是一個漫長而復雜的過程。在可視化軟件的后面,是一個大的數據平臺。在BIM方面,從2014年7月1日的住建部《關于建筑業發展和改革的若干意見》到2018年11月12日的《“多規合一”業務協同平臺技術標準》公開征求意見稿,國家一直在政策層面上推動著BIM向前。如果要在數據和建筑之間搭一座橋,BIM是必然的選擇。AEC行業針對工程建設的不同階段,都要有入庫標準和分別對應結果的編碼。不僅如此,進入平臺的所有成果數據,從跨專業標準數據的轉換,到跨階段的數據流動,都要遵循XDB這個統一的數據轉化標準,以實現和總平臺的對接,現在這一標準也正在不斷完善。BIM雖然也能將數據及模型可視化呈現,但在還不能與VR/AR設備連接,在輸出的界面上觀感也較差。需要與專業可視化軟件的結合發展才能實現更多的可能性。

  現代社會,學科和專業之間的壁壘會越來越低,競爭對手也完全會來自另一個行業,AEC行業工序繁瑣,任務量龐大且涉及的內容十分廣泛,所以如何把要解決的問題和專業的知識融入軟件系統中,開發出適應這個行業的高效快捷的可視化工具,輕量級易上手的建模工具以及便捷的量化分析工具等,實現啟發設計,輔助施工,高效精準的完成項目全周期服務工作,是值得每個干系企業或個人去深入思考的問題。

  隨著越來越多新技術、新材料(詞條“新材料”由行業大百科提供)的出現,幕墻設計也變得更加多元化、智能化,并在發展中也不斷嘗試與其它行業交互,探索著更多的可能性。在建筑行業中,可視化是手段,數據平臺是基礎,BIM是核心。5G要開始了,當不用擔心流量延遲等問題時,手機上利用UE4的Pixel Streaming隨時可以讓你無論身處何處,都可以通過手機可以看到3A級畫面表現效果的建筑可視化場景,值得讓我們每AEC從業者期待。

  浙江中南幕墻設計院是一家綜合的設計院,設有方案創作工作室,可視化工作室,BIM工作室,以及光伏幕墻所,燈光照明所,幕墻鋼構所,施工圖深化所等內容,致力為客戶提供業內最全面的全周期的項目服務,可以完善對接項目各方。由于設計院還承接了不少海外工程的咨詢和設計工作,所以在對接境外建筑方案工作室上也有豐富的經驗。

  作者單位:浙江中南建設集團有限公司

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專家介紹

 梁曙光

鋁門窗幕墻委員會專家組

工作單位:浙江中南建設集團有限公司

技術職稱:高級工程師

專業:幕墻設計、幕墻施工

專長:幕墻設計、幕墻施工、光伏幕墻、建筑幕墻照明一體化

原文地址:http://www.idcps.cn/info/2021-6-29/48159-1.htm
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