VR技術在城市橋梁概念設計中的應用

程雪麒， 張 妍， 朱殷橋

(西南交通大學土木工程學院, 四川成都 611756)

VR技術在城市橋梁概念設計中的應用

程雪麒， 張 妍， 朱殷橋

(西南交通大學土木工程學院, 四川成都 611756)

橋梁概念設計在城市橋梁設計中有廣泛的應用，設計方式亦從傳統(tǒng)手繪設計演變?yōu)槎S設計，再到三維設計，并應用到了最新的VR技術當中。VR 即虛擬現(xiàn)實技術，目前已大量應用于各個行業(yè)當中，城市橋梁概念設計也通過VR圖形引擎實現(xiàn)了人機交互，更有人大膽地預言三維虛擬現(xiàn)實技術在計算機性能飛速提高的 21 世紀將會在土木及建筑工程行業(yè)得到更加廣泛的應用[1]。目前出現(xiàn)了大量的VR圖形引擎平臺，其中DVS3D是一款面向設計且具有很大優(yōu)勢的VR圖形引擎軟件，特別是在城市橋梁概念設計當中具有很好的適用性、豐富的素材庫以及極為強大的展示度。文章通過基于DVS3D平臺在城市橋梁概念設計的應用實例，即分別在異形橋梁結構、城市鋼拱橋與斜拉橋中的應用闡明了VR圖形引擎在城市橋梁概念設計中的新穎性和重要性，使城市橋梁概念設計方式由三維設計手段進入到了最新的VR設計時代。

VR技術； 橋梁概念設計； 圖形引擎軟件； 人機交互； 沉浸感

虛擬現(xiàn)實已經(jīng)廣泛地應用于城市規(guī)劃、室內設計、房地產(chǎn)開發(fā)、工業(yè)仿真、軍事模擬等各個方面[2]。現(xiàn)已有的計算機圖形軟件隨著人們要求的提高越來越難以滿足當今建筑工程和交通領域的需要，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)帶來新的視野。用虛擬現(xiàn)實既能表示真實的世界，也可以表示虛擬的世界[3]。它為工程設計提供了一個全新高效的工作平臺，讓行業(yè)之外的人能夠更加直觀地對橋梁概念模型進行評估。

目前國內外研究主要著眼于將VR技術與土木工程教育、監(jiān)測與施工管理相結合等，如對災害的事前準確模擬提供服務[4]。但對于其與城市橋梁概念設計相結合的研究實踐并不多見。

橋梁工程中運用VR技術是為了實現(xiàn)橋梁概念設計的信息共享最大化。所以結合橋梁概念設計本身具有的特點，分析現(xiàn)有的計算機輔助軟件的不足，再利用VR圖形引擎的優(yōu)勢，就能夠使橋梁概念設計的信息完整清晰地展現(xiàn)在人們眼前?；诖?，我們決定對VR圖形引擎在城市橋梁概念設計中的研究與應用展開探索。

1 概念設計在城市橋梁中的應用

1.1 傳統(tǒng)手繪設計到二維設計應用

傳統(tǒng)的城市橋梁概念設計方式為手繪。工程師們將橋梁的外貌通過手繪的方式展示在概念圖上，并輔以適當?shù)奈淖终f明完成其設計意圖的表達。這種方式具有難以多角度觀察、同時不便于修改、細節(jié)呈現(xiàn)難度大、不適于實際工程應用等缺點。于是，隨著計算機技術的出現(xiàn)與初步普及，手繪逐漸被二維平面設計取代。相比于前者，二維設計提高了設計效率，保證了圖紙在細節(jié)呈現(xiàn)上的精確度，更加適于工程應用。但由于呈現(xiàn)的為平面圖，展示度依舊不甚理想，對于設計師設計意圖的表達也不夠清晰。

1.2 二維設計到三維設計應用

進入20世紀80年代后，圖形處理技術迅猛發(fā)展，人們對于概念設計作品的視覺展示要求也越來越高，于是三維設計技術便應運而生。相較于二維設計，為了讓各個模塊集中于一個平面內而采用的浮動與相對定位手段，三維設計采用的則是絕對定位，圖形的兼容性更好，空間層次感更強。目前，三維設計為主的手段已取代了二維設計成為了實際項目中最常用的概念設計方式。

1.3 三維設計到VR設計應用

隨著當今經(jīng)濟全球化，行業(yè)競爭加劇，人們對于設計效率越來越重視，具體要求也大大提升。而目前的三維設計，因為無法有效快捷地傳達設計師與業(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，因此無法很好進行設計意圖與具體細節(jié)的溝通與討論，導致項目的設計完成效率不理想。所以，越來越多的人開始追求體驗更佳，設計更高效的設計方式。在此背景下，部分高校和設計企業(yè)已經(jīng)開始了對于VR技術在概念設計中應用的研究，希望其在視覺展示上的優(yōu)勢能與設計相結合，從而推動設計方式的轉變。但此項技術目前仍然處于初步階段，其在實際工程案例中的應用效果還有待檢驗。

1.4 采用VR設計的特征及優(yōu)勢

為了證實VR技術在橋梁概念方面的應用價值，我們調查了設計院與高校的工作人員與VR從業(yè)人員，搜集了大家看法，總結出VR技術與其他設計手段的優(yōu)缺點比較，并進行打分(5表示最高，1表示最低)，統(tǒng)計結果參見表1。

根據(jù)表中調查結果，我們可以看出VR技術的優(yōu)點主要在于沉浸感強、交互方便、真實感較強，且視覺體驗效果佳。

表1 不同設計手段對比

而這些優(yōu)點可以幫助設計師展現(xiàn)自己的設計意圖、調整概念設計細節(jié)，讓客戶更加清晰地了解、體驗建筑效果，相對三維設計可以大幅度提升工作效率，提高展示度與感官感受。同時，其便于修改、制作簡單的特性也將使整個設計過程簡化。

2 基于VR的DVS3D圖形引擎特點及對比

2.1 現(xiàn)階段VR圖形引擎簡介

現(xiàn)階段的VR圖形引擎主要應用于游戲領域。這些引擎更適合PC或移動端VR游戲，具有畫面精美、運行效率高、能夠兼容各式VR硬件等優(yōu)勢。但是，由于無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計。經(jīng)過仔細研究，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

DVS3D(Design & Virtual Reality & Simulation)由曼恒數(shù)字有限公司開發(fā)，是首個集設計、虛擬和仿真功能于一體的虛擬現(xiàn)實軟件平臺，具備協(xié)同設計、可視管理、交互性好等特點。它的圖形編輯功能可以支持多種格式模型的導入和獲取，便于數(shù)據(jù)整合，設計好的橋梁概念模型無需數(shù)據(jù)轉換，不會造成數(shù)據(jù)丟失，并且能夠進入引擎中快速搭建場景和進行設計，為設計者帶來極大的便利。同時，它可以支持三維圖形及數(shù)據(jù)在虛擬現(xiàn)實環(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，便于評估和修改。

2.3 現(xiàn)有圖形引擎與DVS3D的對比

根據(jù)搜集到的資料，我們將DVS3D同其余兩款VR圖形引擎進行對比，結果參見表2。

表2 VR圖形引擎對比

結果表明，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。而且該軟件能進行一定程度上的建筑建模，同時其素材庫和場景庫可以滿足大多數(shù)橋梁的實景再現(xiàn)要求，整體沉浸感強，漫游效果真實，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 橋梁工程領域DVS3D的應用優(yōu)勢

在橋梁工程領域的應用上，DVS3D可以提供較為真實的沉浸式體驗，從而可以給設計師和客戶有效的反饋。它也可以方便設計師與客戶從多角度體驗、感受，甚至是實時觀察模型。操作者可以自行調整觀察結構的展示角度，實現(xiàn)從被動感受到主動感受的改變，從而方便設計師與客戶交換討論想法，提高生產(chǎn)效率，提升工程品質，而不用再通過多角度的截圖來獲取橋梁結構與細節(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圖形引擎的應用將從不同方面提升設計師的工作效率與客戶的體驗感，也讓橋梁模型在建成前有了一個被直觀體驗的機會，因此有機會給整個橋梁設計過程帶來效果明顯的提升。

3 DVS3D在城市橋梁概念設計中的應用

3.1 在概念設計中的交互性

設計者可以通過DVS3D設計好模型，佩戴體感設備觀察橋梁模型，并且在切實的體驗之后提出修改方案，進一步完善模型。而非專業(yè)人員可以通過DVS3D親身感受模型的整體設計，與設計者進行交流和修改模型，設計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)約時間，讓工作人員高效率地完成工作。關于本部分證明詳細可見于下文。

3.2 基于DVS3D的城市橋梁概念設計應用實例

我們與西南交通大學土木工程設計有限公司合作，運用DVS3D作為VR圖形引擎，將三種不同類型的真實橋梁模型VR化，作一定程度的細節(jié)修改后佩戴VR眼鏡觀看，同時調整不同環(huán)境因素與觀看視角，體驗VR建模相較于傳統(tǒng)三維建模的不同處。

3.2.1 在異形結構城市橋梁設計中的應用

VR技術對于異形結構城市橋梁的提升效果最為明顯。我們選用的是一個莫比烏斯環(huán)形橋梁。若用傳統(tǒng)設計方法，設計師與客戶都不能很好感知橋梁整體造型與細節(jié)，但經(jīng)過VR化處理，這類問題便可以迎刃而解。

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下人們可以較好感知橋型，但是關于拱高在滿足受力條件的情況下，怎么才能使車內人員的舒適感達到最好，仍然不好解決。

(a) 3D建模圖

(b) 3D渲染圖

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

如圖2所示(重影是因為圖像是為戴VR眼鏡觀察所調試的，在眼鏡中觀察并無任何重影)，該試驗中，屏幕高度為h0=2.56 m，代表視野高度，我們調節(jié)拱高相對于屏幕高度，使其相對原高度偏矮(H1=0.4h0)，相對原圖偏高(H2=h0)，約等于原圖(H3=0.6h0)。通過外設觀察，操作者可以自行調整觀察結構的展示角度，實現(xiàn)從被動感受到主動感受的改變。結果顯示，觀察者可以明顯感覺到第一組拱高帶來的壓迫感過大，第二組也有很強不適感。

(a) 拱高正常

(b) 拱高偏低

(c) 拱高偏高圖2 體驗VR動態(tài)模擬下不同拱高

由上可知，利用VR技術沉浸感好、交互性強、真實感強的特質，我們可以很清晰直觀地模擬出觀察者在橋上經(jīng)過時拱高的變化給人感覺，并比較其不同。這是任何傳統(tǒng)設計方式都不能帶來的?？梢灶A見，在VR技術的參與下，建筑物的尺寸、高度將不再是一串數(shù)字，設計將更人性化，效率也將更高。

3.2.2 在城市鋼拱橋設計中的應用

本模型為鋼拱橋天寶灣大橋。通過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計與二維設計中觀看的區(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?？梢钥闯觯琕R技術在觀察橋梁時可以使設計物與環(huán)境結合，十分真實具體，而三維則達不到類似想過，至于二維圖紙則更是抽象。因此我們認為，通過VR技術，設計作品可以更清晰地被大家理解接受，非專業(yè)人員也可以從大到宏觀小到局部的多層次中體驗研究橋梁在不同時空中的形態(tài)，因此能夠方便觀看者和設計人員間溝通，對項目做出調整。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 在城市鋼拱橋設計中的應用

建模模型為廣東省一座城市景觀斜拉橋——依依橋，經(jīng)過VR化處理展示不同場景下的效果見圖4。通過VR眼鏡觀看，我們可以較為真實地感受到橋梁在不同場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)橋梁在真實情況下能否融入周圍環(huán)境。

(a) 場景一整體效果圖

(b) 場景二局部效果圖

(c) 場景三效果圖圖4 依依橋在不同場景下的效果圖

4 結論

(1)高新技術的發(fā)展也推動著土木行業(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，人們對設計的整體和細節(jié)的認知越來越深。機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構城市橋梁設計，分析了現(xiàn)階段VR技術的優(yōu)勢，根據(jù)橋梁概念模型的設計和使用需求進行分析。

(2)VR圖形引擎在橋梁概念設計上的應用，可以提高沉浸感、真實感與交互性，讓設計過程更加貼近實際，便于大家交流模型。同時較方便修改、便與制作的特性也將簡化整個設計過程，提高效率。

(3)VR技術在橋梁概念設計中具有良好的應用前景，其應用將會從多方面提升橋梁概念設計效果，是有巨大價值的。

[1] 何征.虛擬現(xiàn)實技術在土木工程及避難模擬中的應用與程序實現(xiàn)[C]//中國土木工程學會計算機應用分會，中國建筑學會建筑結構分會計算機應用專業(yè)委員會，浙江省土木建筑學會.第十四屆全國工程設計計算機應用學術會議論文集.2008:6.

[2] 周洪玉,王惠英,周巖.虛擬現(xiàn)實及應用的研究[J].哈爾濱理工大學學報，2000，5(4):49-51.

[3] 荊季東.虛擬現(xiàn)實技術在土木工程中的應用[C]//河南省土木建筑學會.河南省土木建筑學會2009年學術大會論文集.2009:2.

[4] 魏振華,劉強.VR技術在土木工程防災中的應用[J].工程管理學報,2016(2):81-85.

程雪麒(1996～)，男，本科，研究方向為橋梁工程；張妍(1996～)，女，本科，研究方向為建筑工程；朱殷橋(1991～)，男，碩士研究生，研究方向為橋梁概念設計。

U442.5+4

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[定稿日期]2017-04-10