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2020可视化技术在幕墙设计中的应用分析

来源:中国幕墙网 时间:2020-09-10 10:34 浏览次数:9123
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摘要:本文概述了现阶段建筑幕墙设计行业可视化技术渗透与应用现状,以及视频与图片渲染与制作技巧。分析了建筑幕墙可视化设计的特点和存在的问题。展望了可视化技术在幕墙设计中的应用未来发展方向。

  摘要:可视化设计是建筑幕墙设计领域崭新的表现形式。自从设计师在纸上画出概念草图以来,图像一直被用来表达某个建筑设计可能实现的最终效果。随着计算机辅助设计技术的发展与普及,从静帧图片渲染到建筑漫游动画,这些不断创新的设计表达方式给相关方面的沟通交流与决策带来巨大的便利。本文概述了现阶段建筑幕墙设计行业可视化技术渗透与应用现状,以及视频与图片渲染与制作技巧。分析了建筑幕墙可视化设计的特点和存在的问题。展望了可视化技术在幕墙设计中的应用未来发展方向。指出:可视化技术对建筑幕墙设计必将更为全面深入渗透、更为深入精细的处理方式以及与建筑信息管理(BIM)的全面融合,是可视化技术在建筑幕墙设计中应用的未来发展方向。

  关健词:可视化技术、建筑幕墙、虚拟现实技术、增强现实技术、交互式

  引言

  自生物界进化出第一个视觉细胞,进而发展为器官,感受到来自然界的第一缕光线以来,视觉便开始占据着生物体接收外界信息的最重要方式,而且这种方式的重要性程度随着生物体进化级别的提高而逐渐增加。同时生物体大脑对视觉信息的处理能力也经历了从二维到三维、间断到连续、静态到动态逐步进化和完善的过程,这也为生物视觉信息获取能力的提高提供了物质基础。而到了生物进化的最高级别生物体—人类—时,视觉信息占比值已经达到了极致。据研究表明,人类视觉信息接收量已经超过了人类总信息接收量的99%,占据着人类信息接收量的绝对主导地位,同时视觉也是视听嗅感等信息接受形式中最为高效快捷的方式(光速不可超越)。

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  建筑是现代人类视觉接收的最重要社会环境元素,它消耗和固化了人类社会生产活动创造财富的最大部分。建筑工程的庞大规模与消耗使得其试错成本高昂,这就要求建筑设计行业必须在设计阶段尽可能地真实模拟出建筑施工及后期使用中的状况与效果。以期在设计阶段尽可能地消除任何不满足人类需求的因素。

  人类视觉信息的重要性和建筑技术的客观需要,加上计算机信息技术发展所带来的可视化技术,一项新的技术――建筑设计可视化技术――便随之诞生。人类对客观物质世界的认知又经历一次从被动感知到主动预知的飞跃。

  1、 论述

  1.1、 建筑设计可视化技术

  建筑可视化设计是建筑设计领域的重要表现形式,有了几个世纪的历史了。在建筑建成之前,设计师在纸上画出概念草图以来,图像一直被用来表达某个设计可能实现的效果。从上个世纪90年代以来,随着计算机辅助设计技术CAD的发展与普及,从静帧图片渲染到建筑漫游动画,视频也被加入了进来,这些不断创新的设计方式对于沟通交流带来了巨大的便利。而建筑设计可视化,实时呈现有一个最基本的好处:为客户提供新型的演示文稿。成为建筑设计师与业主等相关方相等设计理念与设计意图沟通与交流的最直观高效的方式。

  现代的建筑可视化设计技术是指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、虚拟现实、多媒体宣传片等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,创造身临其境的感受。传统的建筑设计过程中,建筑师通过绘制二维草图和建立三维模型的方式对建筑方案的合理性进行推敲,这依赖于在长期设计实践中积累的经验。但由于不同的场地环境等因素,这种主观把握可能缺少准确性。方案表达方面从几何画法到透视法表达再到三维建模渲染效果图,对于建筑的表达一直在向真实性、直观性方向发展。现在的建筑设计表现通常有效果图、动画、三维实体模型三种方式,然而它们都有一定的局限性[1]。而传统的效果图和多媒体动画表现方式往往脱离了设计本身,过分注重效果和表现而忽略了设计的表达,在透视,光影和材质方面往往偏离现实,导致许多完成的实体建筑与最初设计阶段的效果图相去甚远。而且效果图仅仅从一个方面的一个视角对建筑进行表达,动画仅仅从一个路径来完成对建筑的表达,修改起来也相当困难。而实体模型制作麻烦,周期长,出现错误时的修改成本则更高。显然建筑可视化设计因其可提供多角度,全方位的效果展示,而视频媒体亦可实现多路径实时变换的表达能力,完全可以克服传统效果图和多媒体动画的缺点,而成为建筑效果展示的理想手段。建筑的可视化设计可使即便不太专业普通人也能够把碎片式的图画联系起来而形成一个整体,让各方对建筑形态及与周边环境关系的把握更加连贯,符合人类连贯性的认知习惯,降低了对建筑效果解读的专业度要求。极大节约了解全局的时间、提升认知效率,顺应快节奏的时代要求。

  可视化即“所见所得”的形式,对于建筑行业来说,可视化的真正运用在建筑业的作用是非常大的,例如经常拿到的施工图纸,只是各个构件的信息在图纸上采用线条绘制表达,但是其真正的构造形式就需要建筑业从业人员去自行想象了。可视化的思路,让人们将以往的线条式的构件形成一种三维的立体实物图形展示在人们的面前;现

  在建筑业也有设计方面的效果图。但是这种效果图不含有除构件的大小、位置和颜色以外的其他信息,缺少不同构件之间的互动性和反馈性。而可视化是一种能够同构件之间形成互动性和反馈性的可视化,由于整个过程都是可视化的,可视化的结果不仅可以用效果图展示及报表生成,更重要的是,项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。

  1.1、 建筑可视化文件的制作流程与技巧

  可视化设计师需要具有长期艺术训练经历、一定艺术审美天赋和丰富的设计能力。需要具备长期工作积累的经验,对各种材质在不同光线下的质感的表现、色彩感觉的把握能力以及选取合适且具美感的视觉角度的能力。

  目前,建筑可视化设计需要可视化设计师在充分熟悉和掌握建筑师设计意图与设计文件(CAD蓝图)基础上进行。它的流程主要如下:建筑三维模型的建立――图形的渲染――视频的生成与编辑(包含音频的配置)。对应于建筑可视化设计的三阶段流程,建筑可视化设计应用到的软件主要包括以下三类:

  (1)、三维建模软件:Sketch up、3D Max、Rhinoceros。

  (2)、图形渲染软件:,Twinmotion、UE4、3D Max、Lumion。

  (3)、 视频制作与编辑软件:After Effects、Premiere、PhotoShop。

  可视化设计最重要和最有技术含量的部分就是其第二阶段:图形的渲染阶段。这是生成符合设计要求,且兼具视觉美感图片和视频的关键环节。目前渲染软件常用的核心引擎是UE4虚幻引擎。它也是目前主流的游戏引擎(另一主流引擎为Unity) [1]。它可以让使用者轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型的互动内容。该引擎具备脚本开发编写能力,使不具备编程能力的设计师也能够熟练应用,降低了可视化设计师的技能要求,因此深受设计师的喜爱。

  建筑可视化设计时,建筑效果色彩的采用与搭配应与建筑周边环境协调与融合,并同建筑的具体功能相一致。具体来说,对于文化、教育、医疗、体育功能的建筑应优先采用色彩相对纯净的淡色基调为准,不宜有强烈的色彩对比。而政府、法院类的权力机关建筑应选择相对厚实、凝重的渲染色彩效果。而商业建筑则可利用广告牌、宣传海报、长幅字条这类色彩热烈且对比相对强烈的元素,外加相对密集、喧闹的人群来着重烘托其商业气氛。

  可视化视频视角的选择,应注重加强对建筑信息的表达能力,且力图避免采用让人容易产生视觉错觉的角度。例如,除特别方正的建筑外,应尽量避免采用对建筑幕墙立面正视图或者接近正视的视角方向(常规的光影效果无法很好的表现其景深浅与立体感),而应采用相对斜视或者轴测角度的视角,这相对更容易产生效果良好的视觉效果,使建筑的表现更加富有层次感、参差感,以期传达最为丰富有效的视觉信息,而镜头的推进方向与推进速度则应符合人对视觉信息的接受能力。

  可视化视频可以进行音频的配置,对于音频流的配置,一般遵循“视听一体,影音合一”的原则,即声音的听感必须同视觉的感受高度融合起来。在具体的实践中,对于展现大体量,远视点的整体体现宏观磅礴之势视频表现时,音频的配置可偏重选择低重音成份较多的特征,可让人心灵产生震撼之感。而对于局部细节的表达上,应以舒缓的背景轻音乐为准。而音乐的节奏感也应该随着视角变换与镜头推进的快慢而快速或舒缓。而内装漫游视频的音频配置也应以舒缓轻音乐为准。

  1.3、建筑幕墙设计的可视化技术

  幕墙设计作为建筑设计中的一部分――立面设计――的细化和完善,幕墙设计的可视化除了继承建筑设计可视化技术的共性外,尚且有其自身的特性,主要有如下方面:

  (1)、建筑幕墙本身是建筑同外界联系与区隔的媒介,所以建筑幕墙设计的可视化主要是建筑外围立面的可视化问题,故其可视化设计的建模与渲染主要表现空间面的可视化建模与渲染,即平面或者空间曲面(或者平面与空间曲面以各种形式的组合),整体呈现出宏观的面和局部的体相结合的特征。

  (2)、建筑幕墙可视化问题就是在各类自然环境:光照、风雨、不同视角条件下的渲染与逼真预现问题。这就要求不同于内装等专业窄光谱、单光源、定光强照度的视觉特点,建筑幕墙的渲染必须即要考虑自然光线多光谱(从紫外光到红外光的全光谱)、多光源(除了自然界外光源,还要考虑建筑自身内透光以及其它临近建筑的反射光问题),以及变光强照度等问题。还有玻璃幕墙玻璃的透光、反光、折射光特性,所有这一切因素使得玻璃幕墙的渲染异常的复杂。

  (3)、 由于自然光的变化特性,使得建筑幕墙的光照特性呈现出相当强烈的时间相关性,即一年中的不同季节,一天中的不同时刻,均会呈现出不同的视觉特征。这就要求幕墙的渲染除了考虑空间的光影效果外,尚且必须考虑时间因子变化时对这些光影效果的影响。

  2、建筑设计可视化技术目前存在的问题

  建筑设计可视化技术,作为一项全新的技术,和任何新生事物一样,需要一个成熟与完善的过程。目前建筑可视化设计尚且存在如下问题:

  (1)、作为一个新兴的数字信息技术与建筑技术交叉学科的建筑可视化设计专业,人才是制约其发展的最大瓶颈因素。建筑幕墙可视化设计师,是拥有专业、丰富幕墙知识的3D可视化艺术家,用现代3D数字手段代替传统的画笔,把项目可视化,表现出令所有项目参与方满意的成果,这对建筑可视化设计师提出极高的要求。目前高端人才严重匮乏,高校也尚未形成系统性的专业人才基础培养体系。故建筑可视化设计人才的培养已经成为该专业发展最为迫切的当务之急。

  (2)、建筑可视化设计工具尚且不够强大,无法满足现实需求。建筑设计可视化应用所进行的动态渲染需要强大的机算机硬件功能,特别是对计算机图形处理器(GPU)的要求甚高,普通的(即便是配置最高的)个人计算机在进行大型项目复杂三维模型的建模与渲染常常出现卡顿甚至死机,无法流畅工作。制作软件的也有诸多不尽完善与专业的地方,诸如无法自动实现时间相关性特征与自然气候不同场景下的背景铺衬之类问题不少,使得目前的建筑可视化设计效率不高,周期较长。

  (3)、 建筑设计可视化技术的应用普及程度尚且不高,仅仅一些重要的大项目进行了建筑设计可视化应用。进行建筑设计可视化应用的项目比例严重偏低。可视化应用的深度尚且不够,多停留在视频创作方面,其目的也着眼于向业主汇报设计,展示项目而来。建筑可视化技术应用的广度尚且不够,目前的建筑可视化技术多应用于建筑设计可视化技术方面,而对于可视化施工(包括可视化施工工艺流程预演,危险建筑施工岗位的可视化预操作与安全培训教育等)等方面的可视化工作的开展尚且是空白,或者仅仅进行了初期的探索。

  (4)、用于可视化设计与交互设备尚不够丰富,展示建筑可视化数据流的媒介设备种类有限,体验较差。且常用的可视化工具,如VR眼镜,VR头盔等体验不好,长期使用容易让人产生眩目,头晕等不良反应。故在可视化工具体验改进与优化方向尚有很长的路要走。

  3、建筑幕墙可视化设计工程案例

  经过幕墙设计界的共同努力,幕墙设计可视化技术取得了一定的成就,已经被不少工程项目采纳和应用,取得了相当好的经济技术效益。具体案例如下:

  (1)、杭州绿城西溪深蓝广场:该工程位于浙江省杭州市西湖区石祥路和蒋敦路口,建筑总面积36000平方米,建筑总高度76米。由浙江绿城集团投资开发,绿城建筑设计院进行建筑设计。幕墙设计由浙江中南幕墙科技股份有限公司幕墙设计研究院设计完成,幕墙设计院可视化所进行了成功的幕墙可视化设计。作品满足了客户内部上下级汇报沟通需求的同时,亦实现全面还原设计师的构想的目标。建筑幕墙和室内全体量建模,供各方推敲,以纠正设计前期各方信息传达的错误。背靠幕墙深化团队,100%把落地模型效果表现出来,将业主方、建筑师的要求合并成一个数据模型实体,各取所需。整个项目建筑幕墙可视化设计成果共形成了高达3.6G的数据资料,包括效果图57张,视频资料时长16分钟(微信扫描文尾二维码可以观看该视频)。形成了让人叹为观之的全景型的动态展示,可以在任何天气光源条件下,以任何的视角对整个建筑的幕墙外观进行多维360度无死角环视,形成强烈的视觉冲击。得到业主与相关建筑设计院,顾问等专业的一致认可,取得了良好的经济技术效益。


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  (2)、杭州望潮中心工程:该工程位于浙江省杭州市萧山区鸿宁路和盈丰路交叉口,总建筑面积169040平方米,建筑总高度288米,由杭州国逸实业有限公司投资开发。幕墙设计由浙江中南幕墙科技股份有限公司幕墙设计研究院完成,幕墙设计院可视化所进行了成功的幕墙可视化设计。该项目幕墙可视化设计共形成了高达4.3G的数据资料,包括效果图86张,视频资料时长27分钟,逼真地预现了建筑整体幕墙效果。配合大屏幕显示设备的使用,整体呈现出极具视觉冲击力的震撼效果。实现了动态交互式的视频操作,准确而又精细地展示了建筑从宏观整体到微观细节建筑效果。同时在模型建立过程中发现和修改原建筑设计错误多处,问题反馈给相关专业后对设计进行了大量的优化工作,为后期建筑施工的顺利提供了有力保证。

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  4、展望

  显然,建筑幕墙可视化技术的现状不是该技术发展的终点,随着建筑技术发展所提出的新的需求以及可视化技术本身发展进步提供新的机会与可能性。此融合了建筑技术与可视化技术的新技术必将有自身的进化与发展,主要表现如下:

  (1)、建筑可视化设计技术自身必将进一步发展,强大专业的硬件能力和优秀高效的视频处理工具软件必将出现。同时结合云技术的发展,完成终端计算模型处理和渲染能力的云端化改造。使得每一个大型设计项目可利用云端超级计算机的强大计算资源,高效地进行建筑可视化设计。同时建筑可视化设计亦会从目前注重三维空间的可视化设计到时空并重四维空间的建筑可视化设计(时间轴参与其中),甚至考虑幕墙材料在外部气候环境因素作用下的老化褪色问题、不同的自然气候场景问题(阴、晴、风、雨、雪等),对整个幕墙效果进行全生命周期的可视化设计。

  (2)、可视化技术在建筑方面的应用必将全面化。从建筑效果的概念设计到施工图设计,到构件的加工、制造、安装、施工全链条的可视化应用。同时从当前注重建筑效果的可视化到水电、设备、智能化、内装、幕墙多专业共同的可视化应用。即可视化技术向建筑设计、加工、施工全链条与各专业全面性的渗透与融合。

  (3)、可视化技术的必将向更加深入化精细化的方向发展。虚拟现实技术(VR)、增强现实技术(AR:一种可实现现实场景与虚拟场景无缝对接的视频处理技术)等新技术是可视化技术在幕墙设计可视化方面得到全面的应用和发展。当这些实时渲染引擎已经达到了一定的质量和逼真程度,这会使其成为建筑设计的理想选择。建筑可视化将可以包括沉浸式体验,如虚拟现实旅行,交互式、游戏式操作和洞察自动虚拟环境(洞穴),成为以前所未有的设计方法。

  (4)、建筑可视化技术的未来发展必然会与建筑信息技术(BIM)进行深度的拥抱与融合。配合幕墙企业标准化建设的完成,以及可视化技术多逻辑交互式操作技术的实现,未来的可视化技术不再仅仅只是一个建筑效果的展示和施工流程的预演,而是一个含概建筑结构细节、经济技术指标、施工时间周期、甚至施工岗位、工位配置的全方位的建筑信息技术成果出口。例如,在流媒体展示效果的同时可适时实现对某一或者某类幕墙板块的更换,并且在建筑效果更换的同时和此板块更换相关的结构构造细节,经济成本,施工周期等建筑信息也适时实现更新与可视化展示。成为建筑信息技术(BIM)高效、生动的信息成果出口,为项目决策者提供适时、准确、全面的建筑项目信息。

  来源:2020论文集

  作者:梁曙光 符旭晨 闵捷

  参考文献:

  1、 高国源,俞传飞. 增强现实技术在建筑可视化中的应用初探[M]. 2018年全国建筑院系建筑数字技术教学与研究学术研讨会





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