VR技术在城市桥梁概念设计中的应用

程雪麒， 张 妍， 朱殷桥

(西南交通大学土木工程学院, 四川成都 611756)

VR技术在城市桥梁概念设计中的应用

程雪麒， 张 妍， 朱殷桥

(西南交通大学土木工程学院, 四川成都 611756)

桥梁概念设计在城市桥梁设计中有广泛的应用，设计方式亦从传统手绘设计演变为二维设计，再到三维设计，并应用到了最新的VR技术当中。VR 即虚拟现实技术，目前已大量应用于各个行业当中，城市桥梁概念设计也通过VR图形引擎实现了人机交互，更有人大胆地预言三维虚拟现实技术在计算机性能飞速提高的 21 世纪将会在土木及建筑工程行业得到更加广泛的应用[1]。目前出现了大量的VR图形引擎平台，其中DVS3D是一款面向设计且具有很大优势的VR图形引擎软件，特别是在城市桥梁概念设计当中具有很好的适用性、丰富的素材库以及极为强大的展示度。文章通过基于DVS3D平台在城市桥梁概念设计的应用实例，即分别在异形桥梁结构、城市钢拱桥与斜拉桥中的应用阐明了VR图形引擎在城市桥梁概念设计中的新颖性和重要性，使城市桥梁概念设计方式由三维设计手段进入到了最新的VR设计时代。

VR技术； 桥梁概念设计； 图形引擎软件； 人机交互； 沉浸感

虚拟现实已经广泛地应用于城市规划、室内设计、房地产开发、工业仿真、军事模拟等各个方面[2]。现已有的计算机图形软件随着人们要求的提高越来越难以满足当今建筑工程和交通领域的需要，VR概念的产生以及现在图形引擎的出现将可以为土木行业带来新的视野。用虚拟现实既能表示真实的世界，也可以表示虚拟的世界[3]。它为工程设计提供了一个全新高效的工作平台，让行业之外的人能够更加直观地对桥梁概念模型进行评估。

目前国内外研究主要着眼于将VR技术与土木工程教育、监测与施工管理相结合等，如对灾害的事前准确模拟提供服务[4]。但对于其与城市桥梁概念设计相结合的研究实践并不多见。

桥梁工程中运用VR技术是为了实现桥梁概念设计的信息共享最大化。所以结合桥梁概念设计本身具有的特点，分析现有的计算机辅助软件的不足，再利用VR图形引擎的优势，就能够使桥梁概念设计的信息完整清晰地展现在人们眼前。基于此，我们决定对VR图形引擎在城市桥梁概念设计中的研究与应用展开探索。

1 概念设计在城市桥梁中的应用

1.1 传统手绘设计到二维设计应用

传统的城市桥梁概念设计方式为手绘。工程师们将桥梁的外貌通过手绘的方式展示在概念图上，并辅以适当的文字说明完成其设计意图的表达。这种方式具有难以多角度观察、同时不便于修改、细节呈现难度大、不适于实际工程应用等缺点。于是，随着计算机技术的出现与初步普及，手绘逐渐被二维平面设计取代。相比于前者，二维设计提高了设计效率，保证了图纸在细节呈现上的精确度，更加适于工程应用。但由于呈现的为平面图，展示度依旧不甚理想，对于设计师设计意图的表达也不够清晰。

1.2 二维设计到三维设计应用

进入20世纪80年代后，图形处理技术迅猛发展，人们对于概念设计作品的视觉展示要求也越来越高，于是三维设计技术便应运而生。相较于二维设计，为了让各个模块集中于一个平面内而采用的浮动与相对定位手段，三维设计采用的则是绝对定位，图形的兼容性更好，空间层次感更强。目前，三维设计为主的手段已取代了二维设计成为了实际项目中最常用的概念设计方式。

1.3 三维设计到VR设计应用

随着当今经济全球化，行业竞争加剧，人们对于设计效率越来越重视，具体要求也大大提升。而目前的三维设计，因为无法有效快捷地传达设计师与业主的需求，在部分桥型(尤其是异形桥上)的展示度上效果欠佳，因此无法很好进行设计意图与具体细节的沟通与讨论，导致项目的设计完成效率不理想。所以，越来越多的人开始追求体验更佳，设计更高效的设计方式。在此背景下，部分高校和设计企业已经开始了对于VR技术在概念设计中应用的研究，希望其在视觉展示上的优势能与设计相结合，从而推动设计方式的转变。但此项技术目前仍然处于初步阶段，其在实际工程案例中的应用效果还有待检验。

1.4 采用VR设计的特征及优势

为了证实VR技术在桥梁概念方面的应用价值，我们调查了设计院与高校的工作人员与VR从业人员，搜集了大家看法，总结出VR技术与其他设计手段的优缺点比较，并进行打分(5表示最高，1表示最低)，统计结果参见表1。

根据表中调查结果，我们可以看出VR技术的优点主要在于沉浸感强、交互方便、真实感较强，且视觉体验效果佳。

表1 不同设计手段对比

而这些优点可以帮助设计师展现自己的设计意图、调整概念设计细节，让客户更加清晰地了解、体验建筑效果，相对三维设计可以大幅度提升工作效率，提高展示度与感官感受。同时，其便于修改、制作简单的特性也将使整个设计过程简化。

2 基于VR的DVS3D图形引擎特点及对比

2.1 现阶段VR图形引擎简介

现阶段的VR图形引擎主要应用于游戏领域。这些引擎更适合PC或移动端VR游戏，具有画面精美、运行效率高、能够兼容各式VR硬件等优势。但是，由于无法很好和建筑建模软件兼容，且本身也不具备建筑建模功能，这些VR图形引擎并不适用于的桥梁概念设计。经过仔细研究，我们选择了一款适合于桥梁工程的VR图形引擎—DVS3D。

2.2 图形引擎DVS3D的特点

DVS3D(Design & Virtual Reality & Simulation)由曼恒数字有限公司开发，是首个集设计、虚拟和仿真功能于一体的虚拟现实软件平台，具备协同设计、可视管理、交互性好等特点。它的图形编辑功能可以支持多种格式模型的导入和获取，便于数据整合，设计好的桥梁概念模型无需数据转换，不会造成数据丢失，并且能够进入引擎中快速搭建场景和进行设计，为设计者带来极大的便利。同时，它可以支持三维图形及数据在虚拟现实环境中1∶1沉浸式立体显示与交互操作，使模型完整而直观地显示在人们眼前，便于评估和修改。

2.3 现有图形引擎与DVS3D的对比

根据搜集到的资料，我们将DVS3D同其余两款VR图形引擎进行对比，结果参见表2。

表2 VR图形引擎对比

结果表明，与现有VR图形引擎相比，DVS3D是一款可以较好和目前主流桥梁建模软件兼容的软件。而且该软件能进行一定程度上的建筑建模，同时其素材库和场景库可以满足大多数桥梁的实景再现要求，整体沉浸感强，漫游效果真实，而且可以兼容不同文件格式，总体符合桥梁工程的要求。

2.4 桥梁工程领域DVS3D的应用优势

在桥梁工程领域的应用上，DVS3D可以提供较为真实的沉浸式体验，从而可以给设计师和客户有效的反馈。它也可以方便设计师与客户从多角度体验、感受，甚至是实时观察模型。操作者可以自行调整观察结构的展示角度，实现从被动感受到主动感受的改变，从而方便设计师与客户交换讨论想法，提高生产效率，提升工程品质，而不用再通过多角度的截图来获取桥梁结构与细节修改信息，提升沟通效率。与主流桥梁建模软件良好的兼容性也使数据信息的完整得到保证。综上可知，该VR图形引擎的应用将从不同方面提升设计师的工作效率与客户的体验感，也让桥梁模型在建成前有了一个被直观体验的机会，因此有机会给整个桥梁设计过程带来效果明显的提升。

3 DVS3D在城市桥梁概念设计中的应用

3.1 在概念设计中的交互性

设计者可以通过DVS3D设计好模型，佩戴体感设备观察桥梁模型，并且在切实的体验之后提出修改方案，进一步完善模型。而非专业人员可以通过DVS3D亲身感受模型的整体设计，与设计者进行交流和修改模型，设计者不再需要二维图形的多角度展示。所以DVS3D可以减少交流的误差，节约时间，让工作人员高效率地完成工作。关于本部分证明详细可见于下文。

3.2 基于DVS3D的城市桥梁概念设计应用实例

我们与西南交通大学土木工程设计有限公司合作，运用DVS3D作为VR图形引擎，将三种不同类型的真实桥梁模型VR化，作一定程度的细节修改后佩戴VR眼镜观看，同时调整不同环境因素与观看视角，体验VR建模相较于传统三维建模的不同处。

3.2.1 在异形结构城市桥梁设计中的应用

VR技术对于异形结构城市桥梁的提升效果最为明显。我们选用的是一个莫比乌斯环形桥梁。若用传统设计方法，设计师与客户都不能很好感知桥梁整体造型与细节，但经过VR化处理，这类问题便可以迎刃而解。

图1(a)为该桥的3D建模图，图1(b)为3D渲染图。从中可以看出在目前已有的技术下人们可以较好感知桥型，但是关于拱高在满足受力条件的情况下，怎么才能使车内人员的舒适感达到最好，仍然不好解决。

(a) 3D建模图

(b) 3D渲染图

而在VR的情境下，上述问题可以得到充分的解决。我们通过视频模拟在行车速度为20～60 km/h时，不同拱高带给观察者的不同感受。

如图2所示(重影是因为图像是为戴VR眼镜观察所调试的，在眼镜中观察并无任何重影)，该试验中，屏幕高度为h0=2.56 m，代表视野高度，我们调节拱高相对于屏幕高度，使其相对原高度偏矮(H1=0.4h0)，相对原图偏高(H2=h0)，约等于原图(H3=0.6h0)。通过外设观察，操作者可以自行调整观察结构的展示角度，实现从被动感受到主动感受的改变。结果显示，观察者可以明显感觉到第一组拱高带来的压迫感过大，第二组也有很强不适感。

(a) 拱高正常

(b) 拱高偏低

(c) 拱高偏高图2 体验VR动态模拟下不同拱高

由上可知，利用VR技术沉浸感好、交互性强、真实感强的特质，我们可以很清晰直观地模拟出观察者在桥上经过时拱高的变化给人感觉，并比较其不同。这是任何传统设计方式都不能带来的。可以预见，在VR技术的参与下，建筑物的尺寸、高度将不再是一串数字，设计将更人性化，效率也将更高。

3.2.2 在城市钢拱桥设计中的应用

本模型为钢拱桥天宝湾大桥。通过VR眼镜观看，我们可以清晰比较出在VR视野中观看同在三维设计与二维设计中观看的区别。如图3所示，我们截取出同一座桥的局部，采用三种不同方式观察。可以看出，VR技术在观察桥梁时可以使设计物与环境结合，十分真实具体，而三维则达不到类似想过，至于二维图纸则更是抽象。因此我们认为，通过VR技术，设计作品可以更清晰地被大家理解接受，非专业人员也可以从大到宏观小到局部的多层次中体验研究桥梁在不同时空中的形态，因此能够方便观看者和设计人员间沟通，对项目做出调整。不同建模方法的局部效果如图3所示。

(a)VR局部效果图

(b) 3D建模效果图

3.2.3 在城市钢拱桥设计中的应用

建模模型为广东省一座城市景观斜拉桥——依依桥，经过VR化处理展示不同场景下的效果见图4。通过VR眼镜观看，我们可以较为真实地感受到桥梁在不同场景下从不同视角观看的效果。与传统三维建模相比，桥梁在动态环境中模拟出的效果更加逼真，更能够体现桥梁在真实情况下能否融入周围环境。

(a) 场景一整体效果图

(b) 场景二局部效果图

(c) 场景三效果图图4 依依桥在不同场景下的效果图

4 结论

(1)高新技术的发展也推动着土木行业的发展，从手绘到二维、三维甚至全息影像，工作效率逐步提高，模拟度增加，人们对设计的整体和细节的认知越来越深。机器代替手工提高效率到现在的VR沉浸提升感知，土木行业的需求也在加深。本文依托城市斜拉桥、城市钢拱桥和异形结构城市桥梁设计，分析了现阶段VR技术的优势，根据桥梁概念模型的设计和使用需求进行分析。

(2)VR图形引擎在桥梁概念设计上的应用，可以提高沉浸感、真实感与交互性，让设计过程更加贴近实际，便于大家交流模型。同时较方便修改、便与制作的特性也将简化整个设计过程，提高效率。

(3)VR技术在桥梁概念设计中具有良好的应用前景，其应用将会从多方面提升桥梁概念设计效果，是有巨大价值的。

[1] 何征.虚拟现实技术在土木工程及避难模拟中的应用与程序实现[C]//中国土木工程学会计算机应用分会，中国建筑学会建筑结构分会计算机应用专业委员会，浙江省土木建筑学会.第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集.2008:6.

[2] 周洪玉,王惠英,周岩.虚拟现实及应用的研究[J].哈尔滨理工大学学报，2000，5(4):49-51.

[3] 荆季东.虚拟现实技术在土木工程中的应用[C]//河南省土木建筑学会.河南省土木建筑学会2009年学术大会论文集.2009:2.

[4] 魏振华,刘强.VR技术在土木工程防灾中的应用[J].工程管理学报,2016(2):81-85.

程雪麒(1996～)，男，本科，研究方向为桥梁工程；张妍(1996～)，女，本科，研究方向为建筑工程；朱殷桥(1991～)，男，硕士研究生，研究方向为桥梁概念设计。

U442.5+4

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[定稿日期]2017-04-10