幕墻行業(yè)的建筑可視化實(shí)踐

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　　摘要：建筑可視化技術(shù)已經(jīng)在幕墻設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，在畫面質(zhì)量和出圖效率上已經(jīng)較既往傳統(tǒng)的建筑表現(xiàn)方式有了很大的提升，但在結(jié)合VR/AR設(shè)備（詞條“設(shè)備”由行業(yè)大百科提供）實(shí)現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)的交互，以及與BIM打通實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全周期的視覺效果的生產(chǎn)和展示，還在持續(xù)探索中。隨著硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，國家層面上的推動(dòng)，BIM技術(shù)的提升以及數(shù)據(jù)平臺(tái)的逐漸完善，建筑可視化已是必然的趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：建筑可視化;BIM可視化;虛擬現(xiàn)實(shí);UE4;商業(yè)游戲引擎;數(shù)據(jù)平臺(tái)

　　1.引言

　　可視化(Visualization)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，再進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。建筑項(xiàng)目需要在其重點(diǎn)的環(huán)節(jié)或步驟上都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及模型的流動(dòng)與共享，以便于項(xiàng)目參與各方可以進(jìn)行最高效的溝通，通過可視化技術(shù)來滿足各方的需求，釋放數(shù)據(jù)的內(nèi)在價(jià)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(shè)計(jì)、施工的效率與質(zhì)量，增強(qiáng)管理的便捷性與透明性為目的。下文先對(duì)建筑可視化現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，之后會(huì)對(duì)作為建筑專業(yè)一個(gè)重要分支的幕墻，如何通過可視化技術(shù)，在設(shè)計(jì)和施工中實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)的合作與共贏做出分析。

　　2.建筑可視化

　　2.1建筑表現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)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(xiàn)建筑設(shè)計(jì)方案和構(gòu)思的手段被統(tǒng)稱為建筑表現(xiàn)，為的是能通過一切手段將建筑的體積、色彩和結(jié)構(gòu)等信息提前展示在項(xiàng)目參與者的眼前，以便更好的認(rèn)識(shí)這個(gè)建筑，理解建筑師想要傳遞的所有信息。

　　對(duì)于建筑可視化的探索，其中一個(gè)重要原因是傳統(tǒng)的效果圖和多媒體的表現(xiàn)方式已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)需求，具體表現(xiàn)在：

　　1. 設(shè)計(jì)師會(huì)因?yàn)檫^分追求建筑物的高大上，過分注重效果的表現(xiàn)而忽略了設(shè)計(jì)的真正表達(dá)，無法將建筑物內(nèi)部空間和材質(zhì)全面且真實(shí)的表達(dá)出來，在透視、光影和材質(zhì)方面也常常會(huì)有偏移，導(dǎo)致許多建筑成品與效果圖相差甚遠(yuǎn)。

　　2. 方案創(chuàng)作和研討階段，參與項(xiàng)目的各方特別是項(xiàng)目決策者會(huì)因信息不對(duì)稱出現(xiàn)理解的誤差，容易造成最終設(shè)計(jì)成果出現(xiàn)偏差。

　　3. 現(xiàn)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(diào)整，也不利于建筑設(shè)計(jì)整個(gè)周期的效率提升。

　　正因?yàn)榻ㄖ�設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所以如何讓有不同建筑學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備的各方都能準(zhǔn)確的理解建筑方案，高效溝通并最終確定方案，是所有設(shè)計(jì)師都會(huì)面對(duì)的問題。隨著VR,AR,MR等外設(shè)及GPU(圖形處理器)等硬件的發(fā)展，以及相關(guān)軟件的成熟，在進(jìn)行建筑表現(xiàn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在漫游中加入交互，營造沉浸式的體驗(yàn)，建筑可視化已隨之成為建筑表現(xiàn)的新形式。

圖1MR(混合現(xiàn)實(shí))能實(shí)現(xiàn)人，機(jī)與環(huán)境三者的交互

圖2 微軟對(duì)于MR的定義

圖3 VR=虛擬世界;AR=真實(shí)世界 + 數(shù)字化信息;MR=VR + AR=真實(shí)世界 + 虛擬世界+ 數(shù)字化信息

　　2.2建筑可視化

　　建筑可視化是一種升級(jí)的建筑表現(xiàn)手段，它充分依托數(shù)字虛擬圖像技術(shù)，通過工程設(shè)計(jì)模擬、建筑效果圖、建筑動(dòng)畫、多媒體宣傳片、虛擬現(xiàn)實(shí)等多種形式，對(duì)未來場景進(jìn)行虛擬呈現(xiàn)，把設(shè)計(jì)理念變成生動(dòng)、逼真的視覺效果，變抽象為具體，以最直觀的方式展現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，以及與方案對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目周期與項(xiàng)目成本。同時(shí)，可視化讓討論和修改方案都能變得更簡單易懂，大大節(jié)約了時(shí)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(jí)游戲EPIC公司開發(fā)的，該產(chǎn)品目前占有全球商業(yè)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(tǒng)或者一些交互式實(shí)時(shí)圖像應(yīng)用程序的核心組件，它可以為游戲設(shè)計(jì)者提供各種編寫游戲所需的工具，且支持跨平臺(tái)操作。UE4作為主流的商業(yè)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(tǒng)、音效、腳本引擎、電腦動(dòng)畫、人工智能、網(wǎng)絡(luò)引擎以及場景管理等模塊。

　　由于UE4的實(shí)時(shí)交互和渲染功能非常適用于各種非游戲應(yīng)用的項(xiàng)目，所以EPIC特別于2018年專門針對(duì)建筑和產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)布了融合了DataSmith的Unreal Studio，重點(diǎn)提升了它在建筑方案視覺效果，以及縮短方案修改迭代時(shí)間這兩個(gè)方面性能。目前UE4在建筑領(lǐng)域的運(yùn)用，相對(duì)于同類型其它軟件會(huì)有以下優(yōu)勢(shì)：

　　1. 高品質(zhì)的實(shí)時(shí)渲染

　　在眾多的商業(yè)引擎中，包括DCC(Digital Content Creation數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)作)軟件用的實(shí)時(shí)渲染插件在內(nèi)，虛幻引擎的畫質(zhì)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(shí)現(xiàn)的。

　　2. 高兼容的數(shù)據(jù)輸入接口

　　UE4中的Datasmith可以支持導(dǎo)入幾乎所有主流的DCC軟件的數(shù)據(jù)如:Sketchup、Revit、Rhino、Cad、3DSMax、Maya和C4D等。這些軟件創(chuàng)作的項(xiàng)目可以直接通過Datasmith導(dǎo)入U(xiǎn)E4進(jìn)行渲染，而不用倒出龐大的FBX，并且由于貼圖、動(dòng)畫、攝像機(jī)及燈光可以同時(shí)導(dǎo)入，可全場景的搬入U(xiǎn)E4，也不用擔(dān)心項(xiàng)目坐標(biāo)會(huì)有變化，讓設(shè)計(jì)師可以有更多的精力放在創(chuàng)作上。

圖4 多種DCC軟件可通過DATASMITH導(dǎo)入到UE4進(jìn)行渲染

　　3. 多通道的數(shù)據(jù)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(yīng)不同階段和場景的需求：

　　設(shè)計(jì)階段，可以結(jié)合VR和AR的設(shè)備與客戶進(jìn)行方案的討論及實(shí)時(shí)調(diào)整。

　　施工階段，可對(duì)重點(diǎn)工藝、施工步驟做演示，以便對(duì)方案進(jìn)行二次推敲。

　　維護(hù)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(duì)大量的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而保證交互的流暢和數(shù)據(jù)的時(shí)效。同時(shí)，UE4中高度優(yōu)化的延遲渲染管線能適應(yīng)大場景的運(yùn)維應(yīng)用，同時(shí)保障渲染質(zhì)量和運(yùn)行效率。

　　營銷階段，可以用數(shù)字沙盤來展示建筑，用虛擬制作實(shí)現(xiàn)云看房，讓客戶能直觀的感受到在不同時(shí)間，不同天氣下場景的區(qū)別。

　　4. 安全、開放

　　UE4是開源的，代碼受到用戶社區(qū)的監(jiān)督。這既可以保證引擎的漏洞可以更快速的被人發(fā)現(xiàn)、反饋與修復(fù)，也可以保證其代碼中無后門程序，保護(hù)隱私。同時(shí)也為行業(yè)中的有能力的高技術(shù)人才深度了解引擎原理，優(yōu)化使用表現(xiàn)提供了可能。

　　3.BIM可視化

　　3.1 BIM的定義

　　建筑行業(yè)的BIM(Builing Information Modeling建筑信息模型)技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)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(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫。借助這個(gè)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(xiàng)目的相關(guān)利益方提供一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)，從而提高參與各方的生產(chǎn)效率、達(dá)到節(jié)約成本和縮短工期的目的。

　　BIM的作用主要體現(xiàn)在：

　　1. 模擬性。

　　BIM不但可以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能模擬、緊急疏散模擬、日照模擬等，還可以實(shí)現(xiàn)4D及5D模擬，即在三維模型中加入項(xiàng)目的發(fā)展時(shí)間和造價(jià)控制的內(nèi)容。

　　2. 協(xié)調(diào)性。

　　項(xiàng)目參與的各方都可以基于BIM模型在建造前期對(duì)各專業(yè)的碰撞問題和重點(diǎn)部位進(jìn)行協(xié)調(diào)，生成協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化整個(gè)流程。

　　3. 可出圖性。

　　BIM模型不僅能繪制常規(guī)的建筑設(shè)計(jì)圖紙及構(gòu)件加工的圖紙，還能通過對(duì)建筑物進(jìn)行可視化展示、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化，并出具各專業(yè)圖紙及深化圖紙，使工程表達(dá)更加詳細(xì)。

圖5 可視化的部分應(yīng)用場景

　　3.2 BIM可視化

　　BIM可視化指的是呈現(xiàn)和表達(dá)包含建筑信息的三維模型以及可以利用的建筑數(shù)據(jù)。現(xiàn)階段BIM可視化主要的應(yīng)用點(diǎn)包括：

　　1. 可視化的圖紙會(huì)審

　　即各專業(yè)都對(duì)本專業(yè)的模型進(jìn)行檢查，對(duì)重難點(diǎn)施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交底討論并生成問題報(bào)告及工程量統(tǒng)計(jì)。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(shè)計(jì)及技術(shù)交底

　　對(duì)一些二維圖紙無法表達(dá)的位置，或者多專業(yè)作業(yè)密集的位置，通過可視化的BIM模型，可以根據(jù)材料特點(diǎn)、工藝技術(shù)及甲方的要求對(duì)重點(diǎn)施工部位進(jìn)行重點(diǎn)討論和明確落實(shí)。同時(shí)，在與施工進(jìn)行技術(shù)交底時(shí)，不僅僅是通過其他類似工程的經(jīng)驗(yàn)與效果圖以及方案進(jìn)行工作，不僅依靠既往的經(jīng)驗(yàn)和二維圖紙進(jìn)行施工，避免了信息不對(duì)稱問題，提高了溝通效率以及準(zhǔn)確度。

　　3. 可視化漫游

　　通過漫游可以直觀的表達(dá)以及展示建筑物的形態(tài)和位置等信息。同時(shí)，通過BIM的虛擬建造，原有的3D靜態(tài)模型可被加上一個(gè)描述變化的時(shí)間軸，以便展現(xiàn)模型構(gòu)建的生命周期變化過程。后期在施工中，通過總控計(jì)劃的導(dǎo)入，可周期性的觀察施工進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度的區(qū)別，找出原因，及時(shí)做好補(bǔ)救措施。

　　4.幕墻行業(yè)的可視化實(shí)踐

　　幕墻是建筑的外衣，最能直觀的展現(xiàn)一座建筑的特色。幕墻設(shè)計(jì)作為建筑物的裝飾性外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，無論是在民用建筑還是在工業(yè)建筑（詞條“工業(yè)建筑”由行業(yè)大百科提供）的設(shè)計(jì)中，都對(duì)建筑師想要實(shí)現(xiàn)的建筑外觀、建筑功能發(fā)揮著積極的作用。

　　現(xiàn)階段，有幕墻公司已經(jīng)在使用Twinmotion,Lumion等軟件進(jìn)行方案的輸出。相對(duì)UE4,這些都是比較輕量化的可視化軟件，在方案的調(diào)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(diǎn)，收獲了非常好的口碑。

　　目前，浙江中南幕墻設(shè)計(jì)研究院在建筑行業(yè)特別是幕墻行業(yè)可視化的進(jìn)程中，無疑是走在行業(yè)的最前端。設(shè)計(jì)院設(shè)有可視化工作室，及方案創(chuàng)作工作室，近年來通過方案優(yōu)化及可視化技術(shù)，在為客戶解決精準(zhǔn)建模和還原方案，內(nèi)外裝不同專業(yè)的碰撞檢測及項(xiàng)目整體效果呈現(xiàn)等痛點(diǎn)上，獲得了客戶的一致好評(píng)，并取得了良好的業(yè)界口碑。

　　在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)會(huì)用到BIM技術(shù)，具體方式是：三維建模軟件創(chuàng)建項(xiàng)目模型，加載自適應(yīng)的幕墻系統(tǒng)產(chǎn)品，自動(dòng)生成材料訂購表，根據(jù)三維模型自動(dòng)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?yàn)楫愋文粔σ话愣荚煨蛷?fù)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(duì)設(shè)計(jì)、加工和安裝等方面都有很高的技術(shù)要求、質(zhì)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(shè)計(jì)院也設(shè)有專門的BIM團(tuán)隊(duì)，為客戶量身解決施工過程中的痛點(diǎn)。前期通過可視化技術(shù)輔助客戶決策，項(xiàng)目深化中通過BIM技術(shù)高效和完善的將項(xiàng)目落地。為客戶提供全周期的數(shù)據(jù)及可視化服務(wù)。

　　建筑行業(yè)可以利用商業(yè)游戲引擎這個(gè)成熟的平臺(tái)，在以數(shù)據(jù)為中心的輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)中，降低圖形系統(tǒng)開發(fā)的門檻，同時(shí)，淘汰掉傳統(tǒng)繁瑣的盲猜渲染，縮短客戶等待時(shí)長，助力建筑和工程施工行業(yè)從頻繁的設(shè)計(jì)修改當(dāng)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(shè)計(jì)院的戰(zhàn)略目標(biāo)之一。

　　在浙江中南幕墻設(shè)計(jì)院看來，建筑可視化圍繞的是建筑的全生命周期，根據(jù)其階段性會(huì)有不同的可視化服務(wù)需求，這些可視化的數(shù)據(jù)緯度會(huì)由3D擴(kuò)展到4D(時(shí)間信息)甚至5D(量價(jià)信息);特別是作為專業(yè)的可視化服務(wù)商，還需要在項(xiàng)目的調(diào)整效率與可視化質(zhì)量之間找到平衡點(diǎn)，這也是浙江中南幕墻設(shè)計(jì)院下面將繼續(xù)探索的方向。

　　5.總結(jié)

　　建筑可視化的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)漫長而復(fù)雜的過程。在可視化軟件的后面，是一個(gè)大的數(shù)據(jù)平臺(tái)。在BIM方面，從2014年7月1日的住建部《關(guān)于建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》到2018年11月12日的《“多規(guī)合一”業(yè)務(wù)協(xié)同平臺(tái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》公開征求意見稿，國家一直在政策層面上推動(dòng)著BIM向前。如果要在數(shù)據(jù)和建筑之間搭一座橋，BIM是必然的選擇。AEC行業(yè)針對(duì)工程建設(shè)的不同階段，都要有入庫標(biāo)準(zhǔn)和分別對(duì)應(yīng)結(jié)果的編碼。不僅如此，進(jìn)入平臺(tái)的所有成果數(shù)據(jù)，從跨專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，到跨階段的數(shù)據(jù)流動(dòng)，都要遵循XDB這個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)和總平臺(tái)的對(duì)接，現(xiàn)在這一標(biāo)準(zhǔn)也正在不斷完善。BIM雖然也能將數(shù)據(jù)及模型可視化呈現(xiàn)，但在還不能與VR/AR設(shè)備連接，在輸出的界面上觀感也較差。需要與專業(yè)可視化軟件的結(jié)合發(fā)展才能實(shí)現(xiàn)更多的可能性。

　　現(xiàn)代社會(huì)，學(xué)科和專業(yè)之間的壁壘會(huì)越來越低，競爭對(duì)手也完全會(huì)來自另一個(gè)行業(yè)，AEC行業(yè)工序繁瑣，任務(wù)量龐大且涉及的內(nèi)容十分廣泛，所以如何把要解決的問題和專業(yè)的知識(shí)融入軟件系統(tǒng)中，開發(fā)出適應(yīng)這個(gè)行業(yè)的高效快捷的可視化工具，輕量級(jí)易上手的建模工具以及便捷的量化分析工具等，實(shí)現(xiàn)啟發(fā)設(shè)計(jì)，輔助施工，高效精準(zhǔn)的完成項(xiàng)目全周期服務(wù)工作，是值得每個(gè)干系企業(yè)或個(gè)人去深入思考的問題。

　　隨著越來越多新技術(shù)、新材料（詞條“新材料”由行業(yè)大百科提供）的出現(xiàn)，幕墻設(shè)計(jì)也變得更加多元化、智能化，并在發(fā)展中也不斷嘗試與其它行業(yè)交互，探索著更多的可能性。在建筑行業(yè)中，可視化是手段，數(shù)據(jù)平臺(tái)是基礎(chǔ)，BIM是核心。5G要開始了，當(dāng)不用擔(dān)心流量延遲等問題時(shí)，手機(jī)上利用UE4的Pixel Streaming隨時(shí)可以讓你無論身處何處，都可以通過手機(jī)可以看到3A級(jí)畫面表現(xiàn)效果的建筑可視化場景，值得讓我們每AEC從業(yè)者期待。

　　浙江中南幕墻設(shè)計(jì)院是一家綜合的設(shè)計(jì)院，設(shè)有方案創(chuàng)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(gòu)所，施工圖深化所等內(nèi)容，致力為客戶提供業(yè)內(nèi)最全面的全周期的項(xiàng)目服務(wù)，可以完善對(duì)接項(xiàng)目各方。由于設(shè)計(jì)院還承接了不少海外工程的咨詢和設(shè)計(jì)工作，所以在對(duì)接境外建筑方案工作室上也有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

　　作者單位：浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司

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