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摘要: 建筑可视化技术已经在幕墙 设计中得到了应用,在画面质量和出图效率上已经较既往传统的建筑表现方式有了很大的提升,但在结合VR/AR设备 实现与虚拟现实的交互,以及与BIM 打通实现项目全周期的视觉效果的生产和展示,还在持续探索中。随着硬件和软件技术的发展,国家层面上的推动,BIM技术的提升以及数据平台的逐渐完善,建筑可视化已是必然的趋势。
关键词: 建筑可视化;BIM可视化;虚拟现实;UE4;商业游戏引擎;数据平台
1.引言
可视化(Visualization)是利用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来,再进行交互处理的理论、方法和技术。建筑项目需要在其重点的环节或步骤上都能实现数据及模型的流动与共享,以便于项目参与各方可以进行最高效的沟通,通过可视化技术来满足各方的需求,释放数据的内在价值。
建筑可视化贯穿了从建筑方案到施工竣工的全周期,以提高设计、施工的效率与质量,增强管理的便捷性与透明性 为目的。下文先对建筑可视化现状进行总结,之后会对作为建筑专业一个重要分支的幕墙,如何通过可视化技术,在设计和施工中实现跨行业的合作与共赢做出分析。
2.建筑可视化
2.1建筑表现
设计草图、建筑效果图、包括建筑方案阶段的图纸和必要的分析图表及文字说明,所有这些用来展现建筑设计方案和构思的手段被统称为建筑表现,为的是能通过一切手段将建筑的体积、色彩和结构等信息提前展示在项目参与者的眼前,以便更好的认识这个建筑,理解建筑师想要传递的所有信息。
对于建筑可视化的探索,其中一个重要原因是传统的效果图和多媒体的表现方式已经不能完全满足现阶段的设计需求,具体表现在:
1. 设计师会因为过分追求建筑物的高大上,过分注重效果的表现而忽略了设计的真正表达,无法将建筑物内部空间和材质全面且真实的表达出来,在透视、光影和材质方面也常常会有偏移,导致许多建筑成品与效果图相差甚远。
2. 方案创作和研讨阶段,参与项目的各方特别是项目决策者会因信息不对称出现理解的误差,容易造成最终设计成果出现偏差。
3. 现阶段效果图和视频均采用离线渲染,制作周期长,成本也较高,不能高效的支持方案调整,也不利于建筑设计整个周期的效率提升。
正因为建筑设计是一个复杂的系统工程,所以如何让有不同建筑学知识储备的各方都能准确的理解建筑方案,高效沟通并最终确定方案,是所有设计师都会面对的问题。随着VR,AR,MR等外设及GPU(图形处理器)等硬件的发展,以及相关软件的成熟,在进行建筑表现时,可实现在漫游中加入交互,营造沉浸式的体验,建筑可视化已随之成为建筑表现的新形式。
图1MR(混合现实)能实现人,机与环境三者的交互
图2 微软对于MR的定义
图3 VR=虚拟世界;AR=真实世界 + 数字化信息;MR=VR + AR=真实 世界 + 虚拟世界+ 数字化信息
2.2建筑可视化
建筑可视化是一种升级的建筑表现手段,它充分依托数字虚拟图像技术,通过工程设计模拟、建筑效果图、建筑动画、多媒体宣传片、虚拟现实等多种形式,对未来场景进行虚拟呈现,把设计理念变成生动、逼真的视觉效果,变抽象为具体,以最直观的方式展现设计方案,以及与方案对应的项目周期与项目成本。同时,可视化让讨论和修改方案都能变得更简单易懂,大大节约了时间和沟通成本。
2.3基于UE4的建筑可视化
UE4(Unreal Engine4)中文翻译为虚幻引擎,是由全球顶级游戏EPIC公司开发的,该产品目前占有全球商业游戏引擎80%市场份额。
游戏引擎是指一些已编写好的可编辑电脑游戏系统或者一些交互式实时图像应用程序的核心组件,它可以为游戏设计者提供各种编写游戏所需的工具,且支持跨平台操作。UE4作为主流的商业游戏引擎,包含了:渲染引擎(即“渲染器”,含二维图像引擎和三维图像引擎)、物理引擎、碰撞检测系统、音效、脚本引擎、电脑动画、人工智能、网络引擎以及场景管理等模块。
由于UE4的实时交互和渲染功能非常适用于各种非游戏应用的项目,所以EPIC特别于2018年专门 针对建筑和产品设计行业发布了融合了DataSmith的Unreal Studio,重点提升了它在建筑方案视觉效果,以及缩短方案修改迭代时间这两个方面性能。目前UE4在建筑领域的运用,相对于同类型其它软件会有以下优势:
1. 高品质的实时渲染
在众多的商业引擎中,包括DCC(Digital Content Creation数字内容创作)软件用的实时渲染插件在内,虚幻引擎的画质是最好的,而且能快速出图,这些功能都是离线渲染所无法实现的。
2. 高兼容的数据输入接口
UE4中的Datasmith可以支持导入几乎所有主流的DCC软件的数据如:Sketchup、Revit、Rhino、Cad、3DSMax、Maya和C4D等。这些软件创作的项目可以直接通过Datasmith导入UE4进行渲染,而不用倒出庞大的FBX,并且由于贴图、动画、摄像机及灯光可以同时导入,可全场景的搬入UE4,也不用担心项目坐标会有变化,让设计师可以有更多的精力放在创作上。
图4 多种DCC软件可通过DATASMITH导入到UE4进行渲染
3. 多通道的数据输出接口
UE4除了能与多种格式的软件做连接外,它的输出还可以适应不同阶段和场景的需求:
设计阶段,可以结合VR和AR的设备与客户进行方案的讨论及实时调整。
施工阶段,可对重点工艺、施工步骤做演示,以便对方案进行二次推敲。
维护阶段,用UE4做智慧大楼甚至智慧城市 ,并用Ndisplay做多屏的展示。其中,UE4中的Task Graph能帮助用户对大量的实时监控数据进行处理,从而保证交互的流畅和数据的时效。同时,UE4中高度优化的延迟渲染管线能适应大场景的运维应用,同时保障渲染质量和运行效率。
营销阶段,可以用数字沙盘来展示建筑,用虚拟制作实现云看房,让客户能直观的感受到在不同时间,不同天气下场景的区别。
4. 安全、开放
UE4是开源的,代码受到用户社区的监督。这既可以保证引擎的漏洞可以更快速的被人发现、反馈与修复,也可以保证其代码中无后门程序,保护隐私。同时也为行业中的有能力的高技术人才深度了解引擎原理,优化使用表现提供了可能。
3.BIM可视化
3.1 BIM的定义
建筑行业的BIM(Builing Information Modeling建筑信息模型)技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具,其核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型,利用数字化技术,为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。借助这个包含建筑工程信息的三维模型,提高建筑工程的信息集成化程度,从而为建筑工程项目的相关利益方提供一个工程信息交换和共享的平台,从而提高参与各方的生产效率、达到节约成本和缩短工期的目的。
BIM的作用主要体现在:
1. 模拟性。
BIM不但可以实现建筑节能 模拟、紧急疏散模拟、日照模拟等,还可以实现4D及5D模拟,即在三维模型中加入项目的发展时间和造价控制的内容。
2. 协调性。
项目参与的各方都可以基于BIM模型在建造前期对各专业的碰撞问题和重点部位进行协调,生成协调数据,从而优化整个流程。
3. 可出图性。
BIM模型不仅能绘制常规的建筑设计图纸及构件 加工的图纸,还能通过对建筑物进行可视化展示、协调、模拟、优化,并出具各专业图纸及深化图纸,使工程表达更加详细。
图5 可视化的部分应用场景
3.2 BIM可视化
BIM可视化指的是呈现和表达包含建筑信息的三维模型以及可以利用的建筑数据。现阶段BIM可视化主要的应用点包括:
1. 可视化的图纸会审
即各专业都对本专业的模型进行检查,对重难点施工节点 进行交底讨论并生成问题报告及工程量统计。但如果要将模型分享给客户观看,客户需要安装Navisworks以查看BIM输出的NWD文件,查看模型的门槛较高。
2. 可视化的深化设计及技术交底
对一些二维图纸无法表达的位置,或者多专业作业密集的位置,通过可视化的BIM模型,可以根据材料特点、工艺技术及甲方的要求对重点施工部位进行重点讨论和明确落实。同时,在与施工进行技术交底时,不仅仅是通过其他类似工程的经验与效果图以及方案进行工作,不仅依靠既往的经验和二维图纸进行施工,避免了信息不对称问题,提高了沟通效率以及准确度。
3. 可视化漫游
通过漫游可以直观的表达以及展示建筑物的形态和位置等信息。同时,通过BIM的虚拟建造,原有的3D静态模型可被加上一个描述变化的时间轴,以便展现模型构建的生命周期变化过程。后期在施工中,通过总控计划的导入,可周期性的观察施工进度与实际进度的区别,找出原因,及时做好补救措施。
4.幕墙行业的可视化实践
幕墙是建筑的外衣,最能直观的展现一座建筑的特色。幕墙设计作为建筑物的装饰性外围护结构 ,无论是在民用建筑 还是在工业建筑 的设计中,都对建筑师想要实现的建筑外观、建筑功能发挥着积极的作用。
现阶段,有幕墙公司已经在使用Twinmotion,Lumion等软件进行方案的输出。相对UE4,这些都是比较轻量化的可视化软件,在方案的调整和输出的效率上,较以往的软件有了很大的提升,并且能够解决客户既往的痛点,收获了非常好的口碑。
目前,浙江中南幕墙设计研究院在建筑行业特别是幕墙行业可视化的进程中,无疑是走在行业的最前端。设计院设有可视化工作室,及方案创作工作室,近年来通过方案优化及可视化技术,在为客户解决精准建模和还原方案,内外装不同专业的碰撞检测及项目整体效果呈现等痛点上,获得了客户的一致好评,并取得了良好的业界口碑。
在设计中,幕墙施工图通常都是二维图纸,为了解决异形的工程,幕墙设计会用到BIM技术,具体方式是:三维建模软件创建项目模型,加载自适应的幕墙系统产品,自动生成材料订购表,根据三维模型自动生成幕墙材料 加工图。BIM在幕墙工程中的核心就是后期的下料工作。因为异形幕墙一般都造型复杂,都是三维空间造型,所有骨架和面板 都要在工地三维定位,三维安装,对设计、加工和安装等方面都有很高的技术要求、质量要求和工期要求。
为了更好的贯通上下游,浙江中南幕墙设计院也设有专门的BIM团队,为客户量身解决施工过程中的痛点。前期通过可视化技术辅助客户决策,项目深化中通过BIM技术高效和完善的将项目落地。为客户提供全周期的数据及可视化服务。
建筑行业可以利用商业游戏引擎这个成熟的平台,在以数据为中心的辅助设计系统的开发中,降低图形系统开发的门槛,同时,淘汰掉传统繁琐的盲猜渲染,缩短客户等待时长,助力建筑和工程施工行业从频繁的设计修改当中解脱,这是游戏引擎在建筑可视化中最大的意义。也是浙江中南幕墙设计院的战略目标之一。
在浙江中南幕墙设计院看来,建筑可视化围绕的是建筑的全生命周期,根据其阶段性会有不同的可视化服务需求,这些可视化的数据纬度会由3D扩展到4D(时间信息)甚至5D(量价信息);特别是作为专业的可视化服务商,还需要在项目的调整效率与可视化质量之间找到平衡点,这也是浙江中南幕墙设计院下面将继续探索的方向。
5.总结
建筑可视化的实现是一个漫长而复杂的过程。在可视化软件的后面,是一个大的数据平台。在BIM方面,从2014年7月1日的住建部《关于建筑业发展和改革的若干意见》到2018年11月12日的《“多规合一”业务协同平台技术标 准》公开征求意见稿,国家一直在政策层面上推动着BIM向前。如果要在数据和建筑之间搭一座桥,BIM是必然的选择。AEC行业针对工程建设的不同阶段,都要有入库标准和分别对应结果的编码。不仅如此,进入平台的所有成果数据,从跨专业标准数据的转换,到跨阶段的数据流动,都要遵循XDB这个统一的数据转化标准,以实现和总平台的对接,现在这一标准也正在不断完善。BIM虽然也能将数据及模型可视化呈现,但在还不能与VR/AR设备连接,在输出的界面上观感也较差。需要与专业可视化软件的结合发展才能实现更多的可能性。
现代社会,学科和专业之间的壁垒会越来越低,竞争对手也完全会来自另一个行业,AEC行业工序繁琐,任务量庞大且涉及的内容十分广泛,所以如何把要解决的问题和专业的知识融入软件系统中,开发出适应这个行业的高效快捷的可视化工具,轻量级易上手的建模工具以及便捷的量化分析工具等,实现启发设计,辅助施工,高效精准的完成项目全周期服务工作,是值得每个干系企业或个人去深入思考的问题。
随着越来越多新技术、新材料 (词条“新材料”由行业大百科提供) 的出现,幕墙设计也变得更加多元化、智能化,并在发展中也不断尝试与其它行业交互,探索着更多的可能性。在建筑行业中,可视化是手段,数据平台是基础,BIM是核心。5G要开始了,当不用担心流量延迟等问题时,手机上利用UE4的Pixel Streaming随时可以让你无论身处何处,都可以通过手机可以看到3A级画面表现效果的建筑可视化场景,值得让我们每AEC从业者期待。
浙江中南幕墙设计院是一家综合的设计院,设有方案创作工作室,可视化工作室,BIM工作室,以及光伏幕墙 所,灯光照明所,幕墙钢构 所,施工图深化所等内容,致力为客户提供业内最全面的全周期的项目服务,可以完善对接项目各方。由于设计院还承接了不少海外工程的咨询和设计工作,所以在对接境外建筑方案工作室上也有丰富的经验。
作者单位:浙江中南建设集团有限公司
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专家介绍 梁曙光
铝门窗幕墙委员会专家组
工作单位: 浙江中南建设集团有限公司
技术职称: 高级工程师
专业: 幕墙设计、幕墙施工
专长: 幕墙设计、幕墙施工、光伏幕墙、建筑幕墙照明一体化