程雪麒， 張 妍， 朱殷橋

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 611756)

VR技術(shù)在城市橋梁概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

程雪麒， 張 妍， 朱殷橋

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 611756)

橋梁概念設(shè)計(jì)在城市橋梁設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)方式亦從傳統(tǒng)手繪設(shè)計(jì)演變?yōu)槎S設(shè)計(jì)，再到三維設(shè)計(jì)，并應(yīng)用到了最新的VR技術(shù)當(dāng)中。VR 即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，目前已大量應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)當(dāng)中，城市橋梁概念設(shè)計(jì)也通過(guò)VR圖形引擎實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，更有人大膽地預(yù)言三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)性能飛速提高的 21 世紀(jì)將會(huì)在土木及建筑工程行業(yè)得到更加廣泛的應(yīng)用[1]。目前出現(xiàn)了大量的VR圖形引擎平臺(tái)，其中DVS3D是一款面向設(shè)計(jì)且具有很大優(yōu)勢(shì)的VR圖形引擎軟件，特別是在城市橋梁概念設(shè)計(jì)當(dāng)中具有很好的適用性、豐富的素材庫(kù)以及極為強(qiáng)大的展示度。文章通過(guò)基于DVS3D平臺(tái)在城市橋梁概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例，即分別在異形橋梁結(jié)構(gòu)、城市鋼拱橋與斜拉橋中的應(yīng)用闡明了VR圖形引擎在城市橋梁概念設(shè)計(jì)中的新穎性和重要性，使城市橋梁概念設(shè)計(jì)方式由三維設(shè)計(jì)手段進(jìn)入到了最新的VR設(shè)計(jì)時(shí)代。

VR技術(shù)； 橋梁概念設(shè)計(jì)； 圖形引擎軟件； 人機(jī)交互； 沉浸感

虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計(jì)、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、工業(yè)仿真、軍事模擬等各個(gè)方面[2]?，F(xiàn)已有的計(jì)算機(jī)圖形軟件隨著人們要求的提高越來(lái)越難以滿(mǎn)足當(dāng)今建筑工程和交通領(lǐng)域的需要，VR概念的產(chǎn)生以及現(xiàn)在圖形引擎的出現(xiàn)將可以為土木行業(yè)帶來(lái)新的視野。用虛擬現(xiàn)實(shí)既能表示真實(shí)的世界，也可以表示虛擬的世界[3]。它為工程設(shè)計(jì)提供了一個(gè)全新高效的工作平臺(tái)，讓行業(yè)之外的人能夠更加直觀地對(duì)橋梁概念模型進(jìn)行評(píng)估。

目前國(guó)內(nèi)外研究主要著眼于將VR技術(shù)與土木工程教育、監(jiān)測(cè)與施工管理相結(jié)合等，如對(duì)災(zāi)害的事前準(zhǔn)確模擬提供服務(wù)[4]。但對(duì)于其與城市橋梁概念設(shè)計(jì)相結(jié)合的研究實(shí)踐并不多見(jiàn)。

橋梁工程中運(yùn)用VR技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)橋梁概念設(shè)計(jì)的信息共享最大化。所以結(jié)合橋梁概念設(shè)計(jì)本身具有的特點(diǎn)，分析現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助軟件的不足，再利用VR圖形引擎的優(yōu)勢(shì)，就能夠使橋梁概念設(shè)計(jì)的信息完整清晰地展現(xiàn)在人們眼前?；诖?，我們決定對(duì)VR圖形引擎在城市橋梁概念設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用展開(kāi)探索。

1 概念設(shè)計(jì)在城市橋梁中的應(yīng)用

1.1 傳統(tǒng)手繪設(shè)計(jì)到二維設(shè)計(jì)應(yīng)用

傳統(tǒng)的城市橋梁概念設(shè)計(jì)方式為手繪。工程師們將橋梁的外貌通過(guò)手繪的方式展示在概念圖上，并輔以適當(dāng)?shù)奈淖终f(shuō)明完成其設(shè)計(jì)意圖的表達(dá)。這種方式具有難以多角度觀察、同時(shí)不便于修改、細(xì)節(jié)呈現(xiàn)難度大、不適于實(shí)際工程應(yīng)用等缺點(diǎn)。于是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)與初步普及，手繪逐漸被二維平面設(shè)計(jì)取代。相比于前者，二維設(shè)計(jì)提高了設(shè)計(jì)效率，保證了圖紙?jiān)诩?xì)節(jié)呈現(xiàn)上的精確度，更加適于工程應(yīng)用。但由于呈現(xiàn)的為平面圖，展示度依舊不甚理想，對(duì)于設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)意圖的表達(dá)也不夠清晰。

1.2 二維設(shè)計(jì)到三維設(shè)計(jì)應(yīng)用

進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，圖形處理技術(shù)迅猛發(fā)展，人們對(duì)于概念設(shè)計(jì)作品的視覺(jué)展示要求也越來(lái)越高，于是三維設(shè)計(jì)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。相較于二維設(shè)計(jì)，為了讓各個(gè)模塊集中于一個(gè)平面內(nèi)而采用的浮動(dòng)與相對(duì)定位手段，三維設(shè)計(jì)采用的則是絕對(duì)定位，圖形的兼容性更好，空間層次感更強(qiáng)。目前，三維設(shè)計(jì)為主的手段已取代了二維設(shè)計(jì)成為了實(shí)際項(xiàng)目中最常用的概念設(shè)計(jì)方式。

1.3 三維設(shè)計(jì)到VR設(shè)計(jì)應(yīng)用

隨著當(dāng)今經(jīng)濟(jì)全球化，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，人們對(duì)于設(shè)計(jì)效率越來(lái)越重視，具體要求也大大提升。而目前的三維設(shè)計(jì)，因?yàn)闊o(wú)法有效快捷地傳達(dá)設(shè)計(jì)師與業(yè)主的需求，在部分橋型(尤其是異形橋上)的展示度上效果欠佳，因此無(wú)法很好進(jìn)行設(shè)計(jì)意圖與具體細(xì)節(jié)的溝通與討論，導(dǎo)致項(xiàng)目的設(shè)計(jì)完成效率不理想。所以，越來(lái)越多的人開(kāi)始追求體驗(yàn)更佳，設(shè)計(jì)更高效的設(shè)計(jì)方式。在此背景下，部分高校和設(shè)計(jì)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)于VR技術(shù)在概念設(shè)計(jì)中應(yīng)用的研究，希望其在視覺(jué)展示上的優(yōu)勢(shì)能與設(shè)計(jì)相結(jié)合，從而推動(dòng)設(shè)計(jì)方式的轉(zhuǎn)變。但此項(xiàng)技術(shù)目前仍然處于初步階段，其在實(shí)際工程案例中的應(yīng)用效果還有待檢驗(yàn)。

1.4 采用VR設(shè)計(jì)的特征及優(yōu)勢(shì)

為了證實(shí)VR技術(shù)在橋梁概念方面的應(yīng)用價(jià)值，我們調(diào)查了設(shè)計(jì)院與高校的工作人員與VR從業(yè)人員，搜集了大家看法，總結(jié)出VR技術(shù)與其他設(shè)計(jì)手段的優(yōu)缺點(diǎn)比較，并進(jìn)行打分(5表示最高，1表示最低)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果參見(jiàn)表1。

根據(jù)表中調(diào)查結(jié)果，我們可以看出VR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要在于沉浸感強(qiáng)、交互方便、真實(shí)感較強(qiáng)，且視覺(jué)體驗(yàn)效果佳。

表1 不同設(shè)計(jì)手段對(duì)比

而這些優(yōu)點(diǎn)可以幫助設(shè)計(jì)師展現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)意圖、調(diào)整概念設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，讓客戶(hù)更加清晰地了解、體驗(yàn)建筑效果，相對(duì)三維設(shè)計(jì)可以大幅度提升工作效率，提高展示度與感官感受。同時(shí)，其便于修改、制作簡(jiǎn)單的特性也將使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)化。

2 基于VR的DVS3D圖形引擎特點(diǎn)及對(duì)比

2.1 現(xiàn)階段VR圖形引擎簡(jiǎn)介

現(xiàn)階段的VR圖形引擎主要應(yīng)用于游戲領(lǐng)域。這些引擎更適合PC或移動(dòng)端VR游戲，具有畫(huà)面精美、運(yùn)行效率高、能夠兼容各式VR硬件等優(yōu)勢(shì)。但是，由于無(wú)法很好和建筑建模軟件兼容，且本身也不具備建筑建模功能，這些VR圖形引擎并不適用于的橋梁概念設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，我們選擇了一款適合于橋梁工程的VR圖形引擎—DVS3D。

2.2 圖形引擎DVS3D的特點(diǎn)

DVS3D(Design & Virtual Reality & Simulation)由曼恒數(shù)字有限公司開(kāi)發(fā)，是首個(gè)集設(shè)計(jì)、虛擬和仿真功能于一體的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)，具備協(xié)同設(shè)計(jì)、可視管理、交互性好等特點(diǎn)。它的圖形編輯功能可以支持多種格式模型的導(dǎo)入和獲取，便于數(shù)據(jù)整合，設(shè)計(jì)好的橋梁概念模型無(wú)需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，并且能夠進(jìn)入引擎中快速搭建場(chǎng)景和進(jìn)行設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)者帶來(lái)極大的便利。同時(shí)，它可以支持三維圖形及數(shù)據(jù)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中1∶1沉浸式立體顯示與交互操作，使模型完整而直觀地顯示在人們眼前，便于評(píng)估和修改。

2.3 現(xiàn)有圖形引擎與DVS3D的對(duì)比

根據(jù)搜集到的資料，我們將DVS3D同其余兩款VR圖形引擎進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果參見(jiàn)表2。

表2 VR圖形引擎對(duì)比

結(jié)果表明，與現(xiàn)有VR圖形引擎相比，DVS3D是一款可以較好和目前主流橋梁建模軟件兼容的軟件。而且該軟件能進(jìn)行一定程度上的建筑建模，同時(shí)其素材庫(kù)和場(chǎng)景庫(kù)可以滿(mǎn)足大多數(shù)橋梁的實(shí)景再現(xiàn)要求，整體沉浸感強(qiáng)，漫游效果真實(shí)，而且可以兼容不同文件格式，總體符合橋梁工程的要求。

2.4 橋梁工程領(lǐng)域DVS3D的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用上，DVS3D可以提供較為真實(shí)的沉浸式體驗(yàn)，從而可以給設(shè)計(jì)師和客戶(hù)有效的反饋。它也可以方便設(shè)計(jì)師與客戶(hù)從多角度體驗(yàn)、感受，甚至是實(shí)時(shí)觀察模型。操作者可以自行調(diào)整觀察結(jié)構(gòu)的展示角度，實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)感受到主動(dòng)感受的改變，從而方便設(shè)計(jì)師與客戶(hù)交換討論想法，提高生產(chǎn)效率，提升工程品質(zhì)，而不用再通過(guò)多角度的截圖來(lái)獲取橋梁結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)修改信息，提升溝通效率。與主流橋梁建模軟件良好的兼容性也使數(shù)據(jù)信息的完整得到保證。綜上可知，該VR圖形引擎的應(yīng)用將從不同方面提升設(shè)計(jì)師的工作效率與客戶(hù)的體驗(yàn)感，也讓橋梁模型在建成前有了一個(gè)被直觀體驗(yàn)的機(jī)會(huì)，因此有機(jī)會(huì)給整個(gè)橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程帶來(lái)效果明顯的提升。

3 DVS3D在城市橋梁概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 在概念設(shè)計(jì)中的交互性

設(shè)計(jì)者可以通過(guò)DVS3D設(shè)計(jì)好模型，佩戴體感設(shè)備觀察橋梁模型，并且在切實(shí)的體驗(yàn)之后提出修改方案，進(jìn)一步完善模型。而非專(zhuān)業(yè)人員可以通過(guò)DVS3D親身感受模型的整體設(shè)計(jì)，與設(shè)計(jì)者進(jìn)行交流和修改模型，設(shè)計(jì)者不再需要二維圖形的多角度展示。所以DVS3D可以減少交流的誤差，節(jié)約時(shí)間，讓工作人員高效率地完成工作。關(guān)于本部分證明詳細(xì)可見(jiàn)于下文。

3.2 基于DVS3D的城市橋梁概念設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

我們與西南交通大學(xué)土木工程設(shè)計(jì)有限公司合作，運(yùn)用DVS3D作為VR圖形引擎，將三種不同類(lèi)型的真實(shí)橋梁模型VR化，作一定程度的細(xì)節(jié)修改后佩戴VR眼鏡觀看，同時(shí)調(diào)整不同環(huán)境因素與觀看視角，體驗(yàn)VR建模相較于傳統(tǒng)三維建模的不同處。

3.2.1 在異形結(jié)構(gòu)城市橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

VR技術(shù)對(duì)于異形結(jié)構(gòu)城市橋梁的提升效果最為明顯。我們選用的是一個(gè)莫比烏斯環(huán)形橋梁。若用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)師與客戶(hù)都不能很好感知橋梁整體造型與細(xì)節(jié)，但經(jīng)過(guò)VR化處理，這類(lèi)問(wèn)題便可以迎刃而解。

圖1(a)為該橋的3D建模圖，圖1(b)為3D渲染圖。從中可以看出在目前已有的技術(shù)下人們可以較好感知橋型，但是關(guān)于拱高在滿(mǎn)足受力條件的情況下，怎么才能使車(chē)內(nèi)人員的舒適感達(dá)到最好，仍然不好解決。

(a) 3D建模圖

(b) 3D渲染圖

而在VR的情境下，上述問(wèn)題可以得到充分的解決。我們通過(guò)視頻模擬在行車(chē)速度為20～60 km/h時(shí)，不同拱高帶給觀察者的不同感受。

如圖2所示(重影是因?yàn)閳D像是為戴VR眼鏡觀察所調(diào)試的，在眼鏡中觀察并無(wú)任何重影)，該試驗(yàn)中，屏幕高度為h0=2.56 m，代表視野高度，我們調(diào)節(jié)拱高相對(duì)于屏幕高度，使其相對(duì)原高度偏矮(H1=0.4h0)，相對(duì)原圖偏高(H2=h0)，約等于原圖(H3=0.6h0)。通過(guò)外設(shè)觀察，操作者可以自行調(diào)整觀察結(jié)構(gòu)的展示角度，實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)感受到主動(dòng)感受的改變。結(jié)果顯示，觀察者可以明顯感覺(jué)到第一組拱高帶來(lái)的壓迫感過(guò)大，第二組也有很強(qiáng)不適感。

(a) 拱高正常

(b) 拱高偏低

(c) 拱高偏高圖2 體驗(yàn)VR動(dòng)態(tài)模擬下不同拱高

由上可知，利用VR技術(shù)沉浸感好、交互性強(qiáng)、真實(shí)感強(qiáng)的特質(zhì)，我們可以很清晰直觀地模擬出觀察者在橋上經(jīng)過(guò)時(shí)拱高的變化給人感覺(jué)，并比較其不同。這是任何傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式都不能帶來(lái)的?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在VR技術(shù)的參與下，建筑物的尺寸、高度將不再是一串?dāng)?shù)字，設(shè)計(jì)將更人性化，效率也將更高。

3.2.2 在城市鋼拱橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本模型為鋼拱橋天寶灣大橋。通過(guò)VR眼鏡觀看，我們可以清晰比較出在VR視野中觀看同在三維設(shè)計(jì)與二維設(shè)計(jì)中觀看的區(qū)別。如圖3所示，我們截取出同一座橋的局部，采用三種不同方式觀察。可以看出，VR技術(shù)在觀察橋梁時(shí)可以使設(shè)計(jì)物與環(huán)境結(jié)合，十分真實(shí)具體，而三維則達(dá)不到類(lèi)似想過(guò)，至于二維圖紙則更是抽象。因此我們認(rèn)為，通過(guò)VR技術(shù)，設(shè)計(jì)作品可以更清晰地被大家理解接受，非專(zhuān)業(yè)人員也可以從大到宏觀小到局部的多層次中體驗(yàn)研究橋梁在不同時(shí)空中的形態(tài)，因此能夠方便觀看者和設(shè)計(jì)人員間溝通，對(duì)項(xiàng)目做出調(diào)整。不同建模方法的局部效果如圖3所示。

(a)VR局部效果圖

(b) 3D建模效果圖

3.2.3 在城市鋼拱橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

建模模型為廣東省一座城市景觀斜拉橋——依依橋，經(jīng)過(guò)VR化處理展示不同場(chǎng)景下的效果見(jiàn)圖4。通過(guò)VR眼鏡觀看，我們可以較為真實(shí)地感受到橋梁在不同場(chǎng)景下從不同視角觀看的效果。與傳統(tǒng)三維建模相比，橋梁在動(dòng)態(tài)環(huán)境中模擬出的效果更加逼真，更能夠體現(xiàn)橋梁在真實(shí)情況下能否融入周?chē)h(huán)境。

(a) 場(chǎng)景一整體效果圖

(b) 場(chǎng)景二局部效果圖

(c) 場(chǎng)景三效果圖圖4 依依橋在不同場(chǎng)景下的效果圖

4 結(jié)論

(1)高新技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)著土木行業(yè)的發(fā)展，從手繪到二維、三維甚至全息影像，工作效率逐步提高，模擬度增加，人們對(duì)設(shè)計(jì)的整體和細(xì)節(jié)的認(rèn)知越來(lái)越深。機(jī)器代替手工提高效率到現(xiàn)在的VR沉浸提升感知，土木行業(yè)的需求也在加深。本文依托城市斜拉橋、城市鋼拱橋和異形結(jié)構(gòu)城市橋梁設(shè)計(jì)，分析了現(xiàn)階段VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)橋梁概念模型的設(shè)計(jì)和使用需求進(jìn)行分析。

(2)VR圖形引擎在橋梁概念設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，可以提高沉浸感、真實(shí)感與交互性，讓設(shè)計(jì)過(guò)程更加貼近實(shí)際，便于大家交流模型。同時(shí)較方便修改、便與制作的特性也將簡(jiǎn)化整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，提高效率。

(3)VR技術(shù)在橋梁概念設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景，其應(yīng)用將會(huì)從多方面提升橋梁概念設(shè)計(jì)效果，是有巨大價(jià)值的。

[1] 何征.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程及避難模擬中的應(yīng)用與程序?qū)崿F(xiàn)[C]//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用分會(huì)，中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑結(jié)構(gòu)分會(huì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，浙江省土木建筑學(xué)會(huì).第十四屆全國(guó)工程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2008:6.

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程雪麒(1996～)，男，本科，研究方向?yàn)闃蛄汗こ蹋粡堝?1996～)，女，本科，研究方向?yàn)榻ㄖこ?；朱殷?1991～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄焊拍钤O(shè)計(jì)。

U442.5+4

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[定稿日期]2017-04-10