基于AR技术的建筑室内热环境可视化设计与工程

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报6（2019）179基于增强现实技术TomohiroFukuda，Kazuki Yokoi，Nobuyoshi Yabuki，Ali Motamedi大坂大学研究生院工学研究科可持续能源与环境工学部阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年2018年5月29日接受2018年6月2日在线发布保留字：环境设计室内热环境直观的可视化交互式环境计算流体动力学（CFD）增强现实（AR）A B S T R A C T建筑物和生活空间的改造项目旨在改善热环境，由于节能效果和居住者的健康考虑而变得越来越重要然而，室内热设计通常不是由利益相关者以非常有效的方式执行，由于顺序瀑布设计过程模型的限制，以及由于利益相关者难以理解CFD模拟结果。 另一方面，室内绿化已被引入建筑物作为调节热条件的方法。创建能够真实且直观地可视化热模拟模型的VR环境是非常耗时的，并且由3D计算机图形对象创建的所得VR环境与现实脱节，并且不允许设计利益相关者体验真实世界的感觉因此，本研究的目的是开发一种新的基于AR的方法，直观地可视化建筑改造项目的室内热环境在我们提出的系统中，易于理解的可视化计算流体动力学结果增强了真实场景，为用户提供有关他们的装修设计方案的热效应的信息交互。案例研究，以评估室内绿化替代品对热环境的影响。总之，CFD和AR的结合为用户提供了对未来热环境更自然的感受该方法是可行和有效的。©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍建筑物和生活空间的改造项目正在吸引建筑、工程和建筑行业（AEC）的关注，因为它们取代了新建筑的建设项目，降低了成本，减少了环境影响，并保持了邻里关系（Pombo，Rivela，Neila，2016;Kovacic，Summer，Achammer，2015）。近年来，改善建筑热环境性能的问题越来越受到人们的重视。节约建筑能源是防止全球变暖的手段 （ Voss ， 2000; Holopainen ， Milandru ， Ahvenniemi ，&Hakkinen，2016）。 对居住者健康的考虑由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 ： fukuda@see.eng.osaka-u.ac.jp （ T.Fukuda ） ，u759379c@alumni. osaka-u.ac.jp（韩国）Yokoi），yabuki@see.eng.osaka-u.ac.jp（N.Yabuki），ali. see.eng.osaka-u.ac.jp（A.Motamedi）。Jendritzky ， 2002; Albersen 等 人 ， 2016; Zhu ， Ouyang ， Cao ，Zhou，&Yu，2015）。为了解决节能问题，已经提出了用于可持续建筑改造的能源性能改进的决策支持系统（Juan，Gao，Wang，2010;Nielsen，Jensen，Larsen，Nissen，2016）。为了解决居住者然而，新建或翻新项目的室内热环境仍不令一些业主满意，对室内环境中人体舒适度的研究工作仍在继续（Rupp、Vasquez、Lamberts，2015年）。这部分是因为业主、建筑师、设施设计师和工程师通常不能以有效的方式进行室内热设计。在室内热环境设计过程中，业主参与讨论不够是问题之一原因之一是建筑设计通常遵循连续瀑布模型。由于热环境设计过程是最新的阶段之一，对热环境设计改进的设计进行重大修改是困难的，而且成本高昂。最近，集成的概念https://doi.org/10.1016/j.jcde.2018.05.0072288-4300/©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。180T. Fukuda et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）179项目交付（IPD）作为一种新的设计过程和瀑布模型的新替代方案被推广（Ghassemi和Gerber，2011）。IPD优化了建筑设计过程，其中业主或设计师等利益相关者从设计项目的开始到结束都相互合作。建筑信息 建 模 （ BIM ） 对 于 实 现 IPD 至 关 重 要 （ Eastman 、 Teicholz 、Sacks、Liston，2011）。BIM是一种标准的信息模型，可用于早期设计阶段与建筑物相关的各种模拟（Lee和Song，2010）。协作效率低下的另一个原因是，CFD（计算流体动力学）软件应用程序生成的可视化结果不容易被热环境设计的非专业人员解读CFD模拟用于在设计阶段预测和评估建筑物&CFD结果通常包括大量的数值数据，并且难以理解与三维（3D）空间的关系。这会影响与热设计相关的讨论的效率结果通常通过分析软件应用在三维中可视化。这些应用程序可以详细分析CFD结果;但是，它们无法真实地显示仿真模型。此外，在这样的应用中，场景只能以第三人称视图可视化。因此，使用游戏引擎在虚拟现实（VR）环境中对结果进行可视化已经被提倡作为用于解决上述问题的方法。游戏引擎是一个软件框架，用于创建和开发视频游戏，它包括3D图形渲染引擎，物理引擎和本地化支持。使用游戏引擎的VR可以在第一人称视图中提供逼真的3D图形。因此，使用游戏引擎的VR中的CFD可视化可以有效地 用 于 研 究 热 环 境 和 建 筑 环 境 设 计 （ Hosokawa ， Fukuda ，Yabuki，Shikawa，Motamedi，2016）。然而，制作包括现有建筑物组件和家具的数字3D建筑物模型以在VR环境中真实地表达是昂贵的并且非常耗时。此外，由3D计算机图形对象创建的VR环境与现实脱节，并且不允许设计利益相关者体验真实世界的感觉。增强现实（AR）使用视频或摄影显示器将图像、3D虚拟对象或计算机生成的数据叠加在真实世界图像上。具体而言，AR可以帮助在广告网站上可视化全尺寸设计项目。这项技术的优点是可以利用现有房间的真实场景.因此，使用AR技术的CFD可视化可以有效地用于检查改造项目的结果。室内绿化已被用于建筑物作为一种翻新改善热环境的方法（Beville，Urrestarazu，&Valera，2012）。室内绿化通过诸如在墙壁和/或天花板上安装植物、悬挂植物和在房间中安装盆栽植物的活动而被知晓。它通常用于提供因为绿色的影响，一个减压的环境。同时，已知植物可以改善室内热环境，因为它们可以用于调节 温 度 ， 并 且 由 于 植 物 的 蒸 腾 作 用而 对 房 间 的 湿 度 水 平 有 影 响（Asaumi，Nishina，Kei，Masui，Hashimoto，1994）。本研究的目的是开发一种新的基于AR的方法来可视化建筑改造项目的室内热环境。在我们提出的系统中，易于理解的可视化计算流体动力学结果增强了真实场景，为用户提供有关他们的装修设计方案的热效应的信息交互。案例研究，以评估室内绿化对热环境的影响。2. 以前的研究计算流体动力学能够分析热分布和气流，用于建筑热环境设计。研究人员和从业人员可以从设计阶段使用CFD来评估建筑性能，以解决问题并创建先进的设计（Gan，1995; Nielsen，2004）。由于CFD结果是巨大的数值数据集，因此有必要通过后处理将数值数据转换为可视化表示。可用的可视化软件应用程序的目标是熟悉CFD的工程师;因此，非专业人员很难评估CFD结果。因此，已经提出了在VR环境中使用BIM或3D-CAD中创建的模型来显示CFD结果，这是一种高度交互的介质（Savioja等人，2003; Bahar，Jeremie，Christian，&Nicolle，2015; Bille ， Smith ， Maund ， &Brewer ， 2014; Matthias andVeruna，2015）.在一些项目中，CFD结果在VR环境中可视化，其中表 示 建 筑 设 计 ， 以 便 在 更 复 杂 的 设 计 环 境 中 更 好 地 理 解 设 计 。Fukuda，Mori，&Imaizumi（2015）提出了一个系统，该系统集成了商业CFD和VR软件应用程序，以在VR环境中显示CFD结果。然而，研究显示了热模拟结果的VR呈现的一些问题。例如，从CFD转换为VR的矢量数据没有保留代表风流的箭头信息和代表温度分布的颜色信息。另一方面，使用AR的设计可视化也得到了研 究 （ Webster ， Feiner ， MacIntyre ， Massie ， &Krueger ，1996;Goldsmith Liarokapis ， Malone ， &Kemp ， 2008; Uva ，Cristiano，Fiorentino，&Monno，2010; Gunnarsson，Rauhala，Henrysson ， &Ynnerman ， 2006; Re 等 人 ， 2014; Yabuki ，Miyashita，&Fukuda，2011）。Nakagawa等人（2015）使用AR可视化了物体温度的在线和离线热图。在他们的研究中，还显示了物体的温差，使用户能够了解热量变化。然而，该研究不支持CFD模拟。Malkawi和Srinivasan（Malkawi和Srinivasan，2005年）介绍了一种人-建筑交互（HBI）模型，该模型允许实时探索CFD数据集。一个沉浸式的AR模型，旨在可视化和互动的热模型被使用。但是，无法更改初始条件以输出不同的可视化。矢吹、古林、滨田、福田（2012）在大型室外空间实现了CFD分析结果的AR室内绿化作为一种环境，心理和社会友好的设计方法引起了人们的关 注 （ Tan ， Wong ， Tan ， Ismail ， Wee ， 2017; Montacchini ，Tedesco，&Rondinone，2017; Rogerson，Gladwell，Gallagher，Barton，2016）。利用数值分析方法预测绿化后室外热环境的研究在建筑和城市环境工程领域已有报道。 Yoshida，Ooka，Mochida，Tominaga，and Murakami（2000）建立了一个新的城市地区3D植物冠层模型，并计算了树木周围的热环境。将树木模型输入到城市区域的三维对流、辐射和水汽输送耦合分析中，研究了不同绿地类型和规模对夏季热环境的影响。Srivanit和Hokao（2013）进行了CFD分析，以测量大学校园内树木和绿地的冷却效果。结果，当树木从目前的条件增加20%时，平均温度下降了2.27 °C。本研究开发该系统可以同时可视化热环境和室内绿化的拟议改造计划的建筑空间外观。为了增强系统的可扩展性，采用开源软件作为CFDT. 福田等人/计算设计与工程学报6（2019）179181分析和游戏引擎用于AR模块的开发。此外，头戴式显示器（HMD）用于改善沉浸感。此外，设计并实现了一个界面，可以交互地改变参数，并产生不同的结果在AR运行时。为了在附接HMD时处理输入操作，使用游戏垫来代替键盘和鼠标。3. 基于AR的室内热环境设计系统在我们提出的系统中，CFD和AR集成。它包括五个步骤，即，BIM模型创建、网格生成、边界条件设置、CFD模拟和AR可视化。首先，使用BIM创作软件应用程序创建建筑物的BIM模型接下来，使用网格生成软件应用程序创建BIM模型的体积网格边界条件是根据模型信息设置的，例如墙壁的热通量和空调的气流量。在模拟步骤中，基于所定义的边界条件，使用CFD软件应用程序执行非稳态流体模拟在可视化步骤中，采用AR技术对CFD分析结果的3DCG模型和改造计划的建筑空间，以及当前空间的实时视频叠加在AR环境中。 CFD分析结果和AR可视化结果根据室内绿化等改造项目的变化而变化。AR环境可视化的系统流程如图所示。1.一、每个步骤的详细信息在以下小节中描述。3.1. BIM模型和网格生成使用BIM应用软件创建BIM模型。由于BIM模型用于CFD分析，因此还可以创建详细的建筑构件和家具的几何形状。此外，输入CFD分析所需的属性信息，例如墙壁的传热系数和窗户的透射率。基于所创建的模型，使用网格生成软件创建体积网格。首先，将模型拆分为结构化网格。接下来，网格被拆分为围绕对象（如空调）的较小网格。在室内热环境分析的情况下，没有必要创建不受计算影响的建筑构件的内部网格。创建详细的网格增加了CFD分析的时间，但提高了CFD分析的准确性。3.2. 边界条件设置和CFD模拟边界条件是基于模型信息来设置的，例如壁的热通量和来自壁的气流量。一台空调。采暖、通风和空调（HVAC）的设置是手动确定的，空调和通风设备的入口和出口的边界条件以VTK（可视化工具包）格式输入空调和通风设备的气流是根据箱法设定的（Nielsen，2004）。生成覆盖HVAC组件几何形状的体素网格，并将每个网格的热属性记录在VTK表格中。在太阳模型中加入了辐射模型，包括太阳一次热通量、墙壁反射通量和天空漫射辐射通量。水平和垂直墙壁的天空漫射辐射是根据ASHRAE手册（ASHRAE，2009）中的公平天气条件方 法 计 算 的 。 与 太 阳 方 向 相 关 的 信 息 ， 如 格 林 尼 治 标 准 时 间（GMT）、开始日期、开始时间、经度、纬度，以及建筑构件的辐射特性，如发射率、相对湿度根据ASHRAE手册（ASHRAE，2009）计算室内环境的热条件使用CFD软件应用程序（诸如OpenFOAM，其是开源CFD软件工具箱）来模拟。热模拟是在假设流体为非稳态且具有湍流的情况下进行的。CFD求解器使用固体热传导和流体热传递以及固体-流体热传递的耦合分析来计算热传递。固体和流体的每个区域从网格生成步骤中创建的网格中分配。详细地，进行流固热耦合的多区域热流体分析以用于包括太阳辐射的CFD分析。多区域热流体分析解决了流体传热、固体传热以及流体与固体之间的传热问题。对于压力和速度的耦合方法，在非稳态中使用PIMPLE方法（Holzmann，2017年）。湍流模型采用k-e模型。太阳辐射模型包括太阳热通量、墙体反射通量、辐射扩散通量。太阳辐射通量的计算采用面阴影算法。辐射扩散通量是根据公平天气条件方法（ASHRAE，2009）计算的。此外，湿度分析是在考虑浮力的不可压缩稳态下进行的。在执行模拟之后，执行使用诸如Paraview的可视化软件应用的后处理活动以检查结果。3.3. 使用AR进行利用AR技术将仿真结果可视化到真实室内环境的场景中。为了表示热分布，使用适于表示3D热分布的热图的XY、YZ和ZX平面。箭头用于表示空气特性;风向由箭头的方向表示，风速由箭头的长度表示。游戏手柄等输入设备Fig. 1. 拟议系统的数据流。182T. Fukuda et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）179控制器使得用户能够通过改变可视化参数来交互地操作可视化环境。为了准确地渲染AR，表1边界条件（建筑构件）。壁天花板地板窗口实时视频和3D对象必须被精确地跟踪，仍然是一个具有挑战性的问题。几何图形的参考点传热系数[W/（m）室内壁温[°C]2·K）]1.3820.01.8020.01.7020.05.6020.0配准对应于传感器中传感器的位置室外温度[°C]11.620.020.011.6基于方法（例如GPS或3D传感器）（Schall等人，2009;Hii，Zhou，Karlekar，Schneider，&Lu，2009; Fukuda，Zhang，Yabuki，埃镑0.7000.700 0.700零点一一三吸收率0.7000.700 0.700零点一一三超声波0.0100.010 0.010零点八一五2014）或基于标记的人工标记的位置表2边界条件（空调）。入口和出口风量[m3/min] 18 18面积[m2] 0.06×4 0.36速度[m/s] 2.5 1.2温度[°C] 28流入角[°] 60图二. BIM模型（M3-411）。方法（这是基于视觉的方法的一个例子）（Re等人，2014年）。在基于传感器的方法中，几何配准的参考点通常位于AR用户附近，因此感测误差显著影响3D对象配准的准确性。在基于人工标记的方法中，可以在目标对象附近放置大标记。然而，标记必须由AR相机适当地捕获，并且这对用户的可移动范围施加了限制，并且需要放置大的标记。因此，许多研究继续专注于开发不需要传感器和人工标记的无标记AR系统（Klein和Murray，2007; Ventura和Hollerer，2012; Schubert，Schattel，Tonnis，Klinker，Petzold，2015）。Yabuki，Yabuki，Hamada和Fukuda（2012）开发了一种无标记户外AR的鲁棒几何配准方法，该方法将点云数据与现实世界的自然特征相对应。然而，该系统需要特殊的设备，如3D激光扫描仪来检测这些点云。HMD作为AR显示器的优势在于，与其他类型的显示器（如手持显示器）相比，它们提供了身临其境的体验。那里图三. 网格生成（M3-411）。T. 福田等人/计算设计与工程学报6（2019）179183见图4。 M3-411室：平面图，两个红外线发射器（左），实际照片（右）。图五. 室内绿化场景：（b）窗户，（c）天花板，（d）隔断。184T. Fukuda et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）179× × ××××××表3边界条件（有绿化的组件）。窗户天花板隔断绿化面积[m2] 30.77 143.86 35.54导热系数[W/（m2·K）] 4.43 1.66 1.382008年12月31日吸光系数0.101 0.408 0.408运输费是两种类型的HMD，即，视频透视型和光学透视型。在本研究中，由于AR是在室内环境中使用的，因此使用了一种基于标记的配准方法，该方法具有易用性和1/1尺度下的高配准精度。另外，为了在大规模室内环境中使用AR系统，使用允许视点自由移动的基于传感器的注册方法。3.4. 设计反馈设计过 程中使用的建 议系统，使计 算流体动力学 结果的com-constant。用户分析在AR环境中可视化的CFD结果以及建筑特征，并讨论更改建筑和HVAC组件的配置。用户可以更改参数，系统相应地执行新的模拟和可视化。用户可以通过在可视化输出之间切换来比较场景。用户可以通过从系统提供的预定义值中进行选择或通过更改CFD参数来更改设置。预定义的设置结果由系统预先计算，并随时提供给用户。相比之下，改变单个参数需要处理时间来进行可视化。因此，通过反复改变设置，可以在会议中由利益相关者实现、分析和比较室内热环境的各种AR可视化。这有助于确定更好的设计方案，从而提高建筑性能。4. 执行开发了一个原型系统，用于验证本研究中提出的验证实验在房间411（L形房间：最大尺寸：18.5 10.42.6 m （ 宽 度深 度大 坂 大 学 吹 田 校 区 M3楼（34.822°N，135.521°E）的天花板高度）。实验于2017年1月在日本冬季进行。系统流程如图1所示。BIM模型使用Autodesk Revit Architecture2016创建（参见图2）。在Revit中，可以输入与计算流体动力学相关的属性（如传热系数、热阻和吸收率）来计算传热。创建的模型作为工业基础类（IFC）文件导出，并转换为STL格式，用于生成CFD模拟的网格。定义分析区域以及三个空调区域与窗曲面之间的界面。在分析区域中，通过blockMesh软件定义大小直角平行六面体后，可以通过组合它们来定义对于空调，表4模拟结果（温度）。没有绿色植物窗口天花板分区最大值[°C]28.0028.0028.0030.71最小值[°C]21.1021.4821.9424.05平均值[°C]21.9822.2522.8027.19表5模拟结果（湿度）。没有绿色植物窗口天花板分区湿度[%]26.2130.1934.0026.40在中央设置一个面积为0.36m2的进口，在进口两侧各设置4个面积为0.36m2的在整个空间内均匀生成13.5 cm的网格间距（见图3）。建筑构件的边界条件，包括传热系数、室内壁温、室外温度和传热率，如表1所示。空气调节单元的边界条件，包括流速、面积、速度、湍流强度、温度和送风角度，如表2所示设置。CFD模拟使用OpenFOAM（版本2.2，版本1606+）执行。模拟结果以VTK文件格式导出并导入Unity（版本5.3.2.f）。在主要实验之前，将CFD模拟的温度与实际温度值进行比较，以评估CFD性能。在房间M3-411的五个位置的十个数据采集点安装了七个温度传感器和三个温度和湿度传感器，以测量温度和湿度。传感器的位置在房间中几乎以相等的间隔排列。然而，室内温度变化很大的位置，如PC附近被排除在外。实际温度值是在2017年1月25日至2月6日的12：00至17：00期间测量的。对于10个感测点，实际温度测量值与CFD模拟结果之间的差异在1 °C以内。通过室内CFD分析将湿度计算为一个值。三个湿度传感器的相对湿度的平均值为33.1%，CFD分析的平均值为26.21%。对于AR可视化，HMD for AR将Ovrvision Pro安装为Oculus RiftDK2中的USB3.0立体实时摄像头，并使用HTC预先校准AR相机（Ovrvision Pro）以进行失真校正。一个大的AR标记（0.72 0.72 m2（高度和宽度））用于基于标记的AR，1/1可视化设置在房间M3-411的中心，用户戴着Oculus Rift DK2和Ovrvision Pro站在东侧的墙壁标记的高度设置为1.75 m为更好的能见度。对于基于传感器的AR，两个红外传感器安装在房间的中心，创建4.3 3.8 m2（宽长）的操作区域。每个传感器的高度被设置为2.1米，以检测站立的用户。传感器垂直倾斜约10°，以便能够捕获地板（参见图4）。使用Ovrvision Pro SDK Unity插件可视化3DCG模型。该系统使用Logicool f710游戏板控制器操作。具有IntelCore i5 4670 K@3.40 GHz CPU、16.0 GB双通道DDR3@798 MHzRAM、2047 MB NVIDIA GeForce GTX 650 GPU、运行Windows8.1 Enterprise 64位的台式PC用于CFD分析。M3-411室的装修方案分析了以下四种室内绿化方案：（a）无绿化，（b）窗边绿化，（c）天花板绿化，及（d）绿化分区。各改造方案的绿化面积见图。绿化面积及绿化边界条件的资料载于表3。5. 结果5.1. CFD分析结果绿化情景的温度模拟结果如表4所示。将平均气温与T. 福田等人/计算设计与工程学报6（2019）179185见图6。 M3-411房间室内热环境AR可视化结果在没有绿化的情况下，平均气温上升了大约在窗口方案中为0.27 °C，在天花板方案中为0.82°C，分区情况下为5.21 °C。湿度的模拟结果如表5所示。与无绿化情况下的湿度相比，窗户情况下的湿度增加了3.98%，天花板情况下增加了7.79%，分区情况下增加了0.19%。5.2. AR可视化结果图6显示了使用Oculus Rift DK 2的M3-411房间室内热环境的AR可视化快照。该系统识别AR标记，并在空间上叠加和跟踪热环境的3DCG模型。在3DCG模型中，风向由箭头符号表示，热图表示温度。代表风向的箭头符号根据风速着色，从红色代表高速，蓝色代表低速。 如图6、热图与颜色空调附近的红色箭头表示高温和高风速。用户可以使用该系统直观地理解这样的信息。图图7示出了AR可视化结果，其中热环境和绿化的3DCG模型叠加在室内绿化场景的真实场景上（即，窗侧有绿化，天花板侧有绿化，分区有绿化）。绿化模式的叠加使室内景观研究此外，在可视化的空气流动，用户可以看到，气流的方向是通过放置在房间里的绿化分区改变。图8示出了使用HTC ViVE的房间M3-411的室内热环境的AR可视化结果，HTC ViVE是基于传感器的配准方法。6. 讨论实验结果表明，该方法在室内热环境设计186T. Fukuda et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）179见图7。 M3-411房间室内热环境AR可视化结果分析.用户（例如，所有者、建筑师、设施设计师和工程师）可以使用AR来创建和研究室内热环境和翻新计划的建筑空间的外观。易于理解的CFD结果可视化增强了真实场景，为用户提供有关其翻新设计方案的热效应信息，旨在更好地进行环境设计。6.1. CFD分析CFD 分 析 结 果 表 明 ， 室 内 温 度 和 湿 度 增 加 。 在 （ Asaumi ，Nishina，Kei，Masui，Hashimoto，1994）中提出的实验报告了温度和湿度都随着室内绿化而增加，本研究中的CFD分析结果证实了这一效果。温度升高的原因是绿化表面受到太阳辐射的加热，热量传递到空气对绿化的遮挡作用大于阳光。此外，在没有绿化的情况下，由于太阳辐射直接到达地板和墙壁而不会被绿化阻挡，因此传递到室内空气的热量很小，地板和墙壁的传热系数小。湿度增加的原因是考虑了蒸腾效应的参数是为有绿化的表面定义的。在有绿化的分区的情况下，湿度的增加很小。其原因是，饱和水蒸气和饱和水蒸气压由于室内温度的上升。温度升高与安装的隔板影响室内空气的热量有关。计算时间长被认为是CFD分析作为早期设计研究工具的局限性。在我们的实验中，CFD分析的一个场景的计算时间在CPU时间中约为3小时，在实际运行时间中约为15小时作为T. 福田等人/计算设计与工程学报6（2019）179187图8.第八条。使用基于传感器的AR获得的可视化结果基于数值方案（Stam，1999）开发了一种替代的快速流体动力学（FFD）求解器，并使用FFD进行了室内环境模拟（Zuo，Wetter，Tian，Li，Jin，Chen，2015）。虽然FFD的精度较低，但其计算速度比CFD快。因此，应探索新技术，以更快的计算流体动力学计算，并具有令人满意的精度，从而为新的设计方案提供迭代设计反馈。6.2. AR可视化通过将目标的实际位置与目标的位置进行比较，验证了基于标记的AR配准的准确性。增强的3D模型。计算了10张不同照片的水平和垂直误差。结果表明，水平误差和垂直误差的平均值为2.49像素和3.06像素。这些误差很小，是由Ovrvision Pro相机的图像捕获问题等原因造成的。HMD上的摄像头总是轻微移动，或者因为振动而不稳定。此外，照明条件以及AR摄像头和标记之间的距离也会影响准确性。此外，观察区域有限，因为标记必须始终在视野内。关于这一限制，基于传感器的AR配准表现出更强的鲁棒性。只要用户停留在跟踪区域内，HMD（ViVE）中显示的3DCG就稳定且振动较小。类似于图1和图2中的可视化。图6和图7所示的基于标记的方法、热模型和绿化模型增强了真实世界场景。最大的跟踪区域直径为5 m。用户不能行走超过此范围，这会导致限制。所提出的室内热环境设计系统可以减少装修设计方案的说明时间，简化建筑设计与热环境关系的说明。此外，所提出的系统是特别有效的，当设计的空间，热环境预测是重要的和困难的，如大空间，大的大厅，服务器室与发热设备，复杂的结构，房间。7. 结论在这项研究中，一个新的方法来支持室内热环境设计，通过集成CFD和AR的建议和实施，以促进开发的利益相关者，如业主，建筑师，设施设计师和工程师之间的协同设计环境。BIM模型与考虑太阳辐射的CFD模拟一起使用CFD模拟的结果使用AR技术通过箭头和热图可视化对有室内绿化的改造项目进行了案例研究，并将模拟结果与无绿化的情况进行了比较。在使用原型系统时，热计算结果和绿化模型增强了实际环境的场景。使用者（例如业主、建筑师、设施设计师和工程师）可以使用所提出的系统创建和研究室内热环境和翻新计划的建筑空间的外观。CFD和AR的结合为用户提供了对未来热环境更自然的感受。易于理解的CFD结果可视化增强了真实场景，为用户提供有关其翻新设计方案的热效应信息，以实现更好的环境设计。作为未来的工作，将考虑更多的功能和详细的设置，以更准确的CFD模拟。此外，需要对其他因素（如空气质量或隔音）进行模拟和可视化，以进行更广泛的研究。案例研究应在较大的空间和其他场景（如拆墙）中进行。8. 利益冲突我们确认，这篇手稿没有发表在其他地方，也没有被其他期刊考虑。没有一位作者对手稿有任何竞争性的兴趣所有作者都已批准该手稿，并同意将其提交给JCDE（计算设计与工程杂志）特刊。我们相信本系统的设计和研究结果将为读者提供有价值的信息。188T. Fukuda et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）179确认本研究得到了野村基金会膜结构技术研究基金和JSPS基金号26-04368的部分支持引用Asaumi，H.，西那，H.，Kei，T.，Masui，Y.，桥本，Y.（1994年）。观叶植物对室内热环境及舒适性的影响--冬季实验分析。日本规划、环境和工程建筑研究所。ASHRAE（2009年）。ASHRAE手册- American Society of供暖、制冷和空调工程师公司。Bahar，Y. N.，杰里米湖，Christian，P.，&尼科勒角（2015年）。可持续建筑项目的热建筑模拟和VR技术的集成。2013年会议，1-8。比尔河史密斯，S。P.，Maund，K.，Brewer，G.（2014年）。将建筑信息模型扩展到游戏引擎中。在2014年交互式娱乐会议的会议记录中（pp. 第1-8段）。贝西，N. F.、Urrestarazu，M.，瓦莱拉，D。L. （2012年）。 垂直绿化系统对室内建筑物墙壁选择的热和声音缓解参数的影响。食品农业与环境杂志，10（3），1025-1027。Den Hartog，J. P.，Koutamanis，A.，&Luscuere，P. 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