中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

一、研究緣起
風工程是一個多面向、跨領域與日常生活息息相關的應用學門，其涵蓋大氣邊界層特性、紊流特性、鈍體空氣動力學等。我國位於全球的強震與強風區，當建築物高度高達一定程度後，風力的影響就不容忽視。此外，低層建築物受風荷載特性與人民生命財產安全關係密切，部分結構如工廠廠房、大型棚架結構、體育館等氣動力特性與高層建築存在相當程度的差異性，受風振動反應亦不可忽視。另在宜居的城市空間環境的創建領域已逐漸成為當今建築和都市規劃學門的主題，對諸如城市風環境等微氣候的研究也已成為學術界關注的重要課題。作為城市微氣候的重要因素，城市自然通風在空氣污染物的擴散，消除熱島效應，感知開放空間的熱/風舒適度扮演重要角色，故目前在城市規劃和建築設計中應對氣候變化尤為迫切。
前述相關風工程議題可透過風洞實驗、計算流體力學(CFD)模擬來呈現或分析結果，並進行定性或定量討論分析。在21世紀之前，以物理模擬探討風工程相關問題，大多透過風洞實驗來進行有效率的研究。近十年來因電腦效能快速發展，平行化演算由電腦叢集(cluster)邁向圖形顯示單元(GPU)的加速，使得CFD進行風工程研究分析的目標逐漸趨於可實現。在風洞實驗中，由於受限於儀器性能與流體特性，進行流場可視化的技術門檻相當高。在高雷諾數狀況下，空氣在大氣邊界層以及建築周遭形成之渦流交互作用產生高頻運動特性，很難進行有效的視覺化觀測。相對於風洞實驗，CFD能獲得完整的資料，透過CFD專家在後處理中呈現可視化結果並進行探討。
近年隨著移動設備以及穿戴式裝置發達，加速了擴增實境(Augmented Reality，AR)與虛擬實境 (Virtual Reality，VR)的多方面應用，除了遊戲層面、乃至於工程應用與教學等領域，使得人們在理解或觀察物理現象或工程問題時，有一個更直觀且簡便的工具。整合多重物理資訊至AR平台，在相機追蹤實體物件技術上，仍有部分難題需要克服。
本研究利用CFD模擬建置之建築風場資訊，透過AR軟體整合至實體建築模型，據以呈現平均及瞬時風場的可視化結果，讓使用者可以在風洞實驗室中即時觀測流場及建築表面風壓。對於實驗室業務推廣以及研究成果展現將有極大的助益，透過互動式學習亦可深化國內建築風工程科普教育。
二、研究方法及過程
本研究針對本所風洞實驗室開發AR流場可視化APP，設計建立對應之AR模型。透過AR軟體整合至實體建築模型，據以呈現瞬時風場的可視化結果，讓使用者可以在風洞實驗室中即時觀測流場及建築表面風壓。主要工作項目為資料收集與理論整理，接下來分為4個分支進行工作，包含風場資料庫建置、伺服端軟體開發、用戶端軟體開發、數值模式驗證，說明如後：
一、風場資料庫建置
(1)實體與虛擬模型製作；
(2)數值模擬。
二、伺服端軟體開發
(1)數據資料傳輸介面整合；
(2)伺服端後處理影像技術開發；
(3)影像資料傳輸數據整合；
(4)影像資料傳輸整合優化。
三、客戶端軟體開發
(1)模型定位技術開發；
(2)客戶端選單介面開發；
四、數值模式驗證
(1)風洞實驗風壓量測；
(2)暫態大氣邊界層入流產生法研析；
(3)針對風洞試驗及數值模擬結果，交叉比對各項量測與模擬數據。
最後整合工作有工具整合和操作手冊撰寫、期末報告、成果報告等。執行期間另舉辦2次專家諮詢座談會，以徵詢學者專家對本案之建議。
三、重要發現
本研究之重要發現與完成工作如下：
(1)在AR可視化技術建構部分，客戶端鏡頭追蹤採用標記式追蹤方法進行模型定位，並成功套用至不同型態之建築模型，並可對應至不同平台之客戶端設備。
(2)測試VTK可視化工具組後發現，雖其提供許多可視化工具，但並非全然符合本計畫所規劃之可視化選項，且系統龐大，可能會造成後續製作之移動設備APP過於龐大的問題。加上流線定位上有技術問題需要克服，故本系統採用FLTK+OpenGL之AR可視化解決方案，朝向客製化方式將APP做精簡處理。
(3)在CFD模擬驗證方面，本研究針對高寬比6之高層建築風壓實驗資料進行比對。在以LES model為紊流模式的暫態模擬中，採用合適的紊流來流，方可模擬出合於風洞實驗的風力、風壓結果。否則在預估設計風力上，可能會發生低估的狀況。
(4)在流場資料庫匯入部分，為因應不同CFD軟體所產出之資料，伺服器資料讀入格式主要以ASCII純文字檔作為輸入格式，輸入資訊主要為空間資料(x、y、z)、速度資料(u、v、w)以及壓力(p)，不需做特定排列順序。
(5)為因應龐大的流場資料無法全部存放於記憶體中的問題，採用了Octree的結構進行資料串流。其具有同時兼顧切割空間，及快速定位鄰近點的功用。在運行時可透過鏡頭可見之範圍及距離，來決定動態透過硬碟或網路傳輸呈現所需之精細程度的資料，也同時節省了查找整筆資料造成運作過於緩慢的困擾。解決圖像傳輸資料過大的問題，提供使用者良好的體驗。
(6)為提供使用者簡易的顯示結果切換功能與細節調整，在畫面中即時渲染出疊加在鏡頭所照到真實建築模型上的壓力、流線、等值面等資料，採用對應之函數模組，呈現良好的即時動態效果。
四、主要建議事項
建議一
立即可行建議：應用AR可視化系統提升風洞實驗室技術以及服務
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：台灣科技大學台灣建築科技中心、社團法人中華民國風工程學會
本計畫完成後，除移交3組AR模型以及對應之風場資料庫外，後續本團隊可透過教育訓練，協助本所實驗室同仁完成自行建構AR可視化模型。包含實體模型建立、數位模型建立、CFD模擬資料庫建立以及匯入，乃至於伺服器與移動設備端的連線配對等完整流程。除有利於本所風洞實驗室之技術層面提升外，亦可提供相關服務，增加檢測案之誘因。
此外，對於國內風工程之推廣教育，提供一良好之工具以及平台。讓使用者透過本程式系統，建立各類3D AR模型。建議可針對建築業界、大專院校或教育相關產業進行推廣，讓建築風工程教育除觸及更廣，並向下扎根，採用更具親和力且友善的教具，協助教育或建築從業人員說明風害現象，讓風工程知識更普及以提高國人對風災的重視。
建議二
中長期建議：AR可視化技術精進
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：台灣科技大學台灣建築科技中心、台灣科技大學資訊工程學系
本年度計畫先以標記式追蹤方法進行AR模型定位，完善整體AR可視化之技術面問題。但對於實體模型本身，二維條碼標記的存在具有其突兀感。建議未來採用色彩標記式追蹤進行開發，或是可以針對模型的特定記號進行追蹤，以自然的方式整合實體模型定位。
將本年度開發之AR可視化技術做延伸，套用至實體建築之AR可視化技術，並開發建築特徵標記追蹤技術。除了建築外流場之外，亦可建立實體建築室內通風AR可視化技術，將其納入建築資訊模型的一環，以強化視覺化之技術。