Oprogramowanie

Archicad 28
– środowisko modelowania informacji o budynku (BIM)

W ramach realizacji projektu badawczego wykorzystuję najnowszą wersję programu Archicad 28 – zaawansowanego środowiska BIM, które umożliwia precyzyjne projektowanie architektury wraz z pełną dokumentacją techniczną i parametryzacją. Oprogramowanie to wspiera wdrażanie zasad Evidence-Based Design (EBD) na poziomie modelowania przestrzeni i analizy funkcjonalnej. Do kluczowych funkcji Archicada należą:
• możliwość integrowania danych projektowych i medycznych w czasie rzeczywistym,
• zaawansowane narzędzia do projektowania parametrycznego,
• usprawnienie współpracy interdyscyplinarnej poprzez funkcję Teamwork,
• eksport modeli do formatów kompatybilnych z silnikami renderującymi (m.in. .FBX, .SKP).

D5 Render 2.10.1
– silnik renderujący oparty na technologii ray tracingu

W celu realizacji wizualizacji architektonicznych wykorzystuję D5 Render 2.10.1 – nowoczesne oprogramowanie do renderingu w czasie rzeczywistym, oparte na technologii ray tracingu i akceleracji GPU (NVIDIA RTX).
Narzędzie to pozwala na tworzenie wysokiej jakości wizualizacji, zarówno statycznych, jak i interaktywnych, wspierających proces decyzyjny na etapie projektowania.

TECHNOLOGIA RENDERINGU W CZASIE RZECZYWISTYM JAKO NARZĘDZIE BADAWCZE W PROJEKTOWANIU ŚRODOWISKA OPIEKI MEDYCZNEJ

1.1. Wprowadzenie do technologii renderingu w czasie rzeczywistym

Współczesne projektowanie architektoniczne, w szczególności w kontekście środowisk opieki medycznej, wymaga narzędzi umożliwiających szybką iterację koncepcji projektowych oraz precyzyjną ewaluację proponowanych rozwiązań przestrzennych. Tradycyjne metody wizualizacji architektonicznej, oparte na długotrwałych procesach renderowania statycznego, stanowią istotne ograniczenie w procesie badawczym, uniemożliwiając dynamiczną weryfikację założeń Evidence-Based Design w czasie projektowania.

W odpowiedzi na te ograniczenia, technologia renderingu w czasie rzeczywistym stanowi istotny postęp metodologiczny, umożliwiający natychmiastową wizualizację zmian projektowych przy zachowaniu fotorealistycznej jakości obrazu.

Rendering w czasie rzeczywistym definiuje się jako proces generowania obrazów komputerowych z wystarczającą szybkością, aby umożliwić interaktywną manipulację scenerią 3D z natychmiastowym feedbackiem wizualnym. W kontekście niniejszego badania, technologia ta umożliwia bezpośrednią weryfikację hipotez badawczych dotyczących wpływu rozwiązań przestrzennych na jakość środowiska medycznego, eliminując czasochłonne cykle produkcyjne charakterystyczne dla tradycyjnych metod renderowania.

1.2. Architektura technologiczna D5 Render jako platformy badawczej

1.2.1. Fundament technologiczny: DirectX Raytracing (DXR)

D5 Render, wybrane jako podstawowe narzędzie badawcze w niniejszym projekcie, opiera swoją architekturę na technologii Microsoft DirectX Raytracing (DXR), stanowiącej implementację sprzętowo akcelerowanego śledzenia promieni w ekosystemie Windows (Microsoft, 2018). DXR stanowi zestaw interfejsów programistycznych (API) wprowadzonych w DirectX 12, umożliwiających bezpośredni dostęp do dedykowanych jednostek obliczeniowych kart graficznych odpowiedzialnych za kalkulacje ray tracingu.

Architektura oparta na DXR wymaga spełnienia następujących wymagań systemowych:

System operacyjny: Windows 10 wersja 1809 lub nowsza (Fall Creators Update)
Karta graficzna wspierająca sprzętową akcelerację ray tracingu
Aktualne sterowniki graficzne z pełnym wsparciem DXR

Wybór architektury DXR jako fundamentu technologicznego D5 Render umożliwia:

Fizycznie poprawną symulację propagacji światła w środowisku architektonicznym
Sprzętową akcelerację obliczeń, zapewniającą interaktywną płynność pracy
Powtarzalność wyników wizualnych niezależnie od platformy sprzętowej (przy zachowaniu minimalnych wymagań systemowych)

1.2.2. Technologia śledzenia promieni (Ray Tracing) w kontekście badań nad środowiskiem medycznym

Ray tracing stanowi metodę renderowania komputerowego, symulującą fizyczne zachowanie światła poprzez śledzenie ścieżek promieni świetlnych od źródła, przez odbicia i załamania, aż do obserwatora (Whitted, 1980). W kontekście projektowania środowisk opieki medycznej, technologia ta posiada fundamentalne znaczenie ze względu na możliwość precyzyjnej symulacji następujących aspektów oświetleniowych:

Globalne oświetlenie (Global Illumination)

Algorytmy global illumination w D5 Render symulują pełną trajektorię światła w przestrzeni, uwzględniając wielokrotne odbicia od powierzchni. Jest to szczególnie istotne w kontekście badań Evidence-Based Design, gdzie jakość i charakter oświetlenia naturalnego stanowią udokumentowany czynnik wpływający na proces zdrowienia pacjentów (Ulrich, 1984; Beauchemin & Hays, 1996).

Technologia ray-traced global illumination umożliwia:

Symulację miękkiego, rozproszonego światła charakterystycznego dla środowisk medycznych
Modelowanie zjawiska ambient occlusion, wpływającego na percepcję głębi przestrzeni
Wizualizację subtelnych gradientów świetlnych, istotnych dla komfortu wizualnego

Dokładność odbić i refrakcji

Dedykowane jednostki RT Cores w kartach graficznych NVIDIA (lub ich odpowiedniki w architekturach AMD i Intel) umożliwiają obliczanie fizycznie poprawnych odbić na powierzchniach szklanych, polerowanych oraz wodnych. W projektowaniu środowisk medycznych ma to znaczenie przy:

Ewaluacji zastosowania powierzchni szklanych jako elementów przegród wizualnych
Ocenie wpływu refleksyjnych powierzchni na komfort wizualny pacjentów
Analizie rozwiązań związanych z elementami wodnymi (fontanny, akwaria) jako komponentów terapeutycznych

Cienie i ich charakterystyka

Fizycznie poprawne cienie, generowane przez algorytmy ray tracingu, umożliwiają precyzyjną ocenę jakości środowiska świetlnego. Miękkie, naturalne cienie stanowią udokumentowany element wpływający na redukcję stresu w środowiskach medycznych (Schweitzer et al., 2004).

Technologia D5 Render zapewnia:

Soft shadows z progresywnym rozmiękczeniem w funkcji odległości od obiektu
Dokładną symulację penumbry (strefy przejściowej cienia)
Realistyczne cienie kontaktowe (contact shadows) istotne dla percepcji przestrzeni

1.2.3. Technologia Path Tracing jako zaawansowana forma symulacji światła

W wersji 2.10 oprogramowania D5 Render (marzec 2025) wprowadzono funkcjonalność real-time path tracing, stanowiącą rozszerzenie klasycznego ray tracingu. Path tracing symuluje pełną fizyczną trajektorię fotonów w środowisku, uwzględniając:

Wielokrotne odbicia dyfuzyjne (diffuse bounces)
Zjawiska podpowierzchniowego rozpraszania światła (subsurface scattering)
Precyzyjną symulację zjawisk atmosferycznych (rozpraszanie Rayleigha, rozpraszanie Mie)

W kontekście badań nad środowiskiem medycznym, path tracing umożliwia:

Precyzyjną symulację oświetlenia naturalnego – możliwość dokładnej replikacji warunków świetlnych zgodnych z lokalizacją geograficzną i porą roku, co jest istotne przy weryfikacji założeń dotyczących dostępu do światła dziennego (daylight factor).

Realistyczną wizualizację materiałów – właściwa reprezentacja materiałów stosowanych w środowiskach medycznych (laminaty HPL, powierzchnie antystatyczne, materiały tekstylne) z uwzględnieniem ich właściwości optycznych (BRDF – Bidirectional Reflectance Distribution Function).

Symulację atmosfery przestrzeni – możliwość ewaluacji subtelnych aspektów jakości przestrzeni, takich jak „ciepło” środowiska, będące przedmiotem badań w nurcie Evidence-Based Design (Dijkstra et al., 2006).

1.3. Architektura obliczeniowa i wymogi sprzętowe

1.3.1. Rendering oparty na GPU jako paradygmat technologiczny

D5 Render reprezentuje paradygmat GPU-based rendering, w którym dominujący udział w procesie kalkulacji obrazu przypada procesorowi graficznemu (GPU – Graphics Processing Unit), w przeciwieństwie do tradycyjnych rendererów opartych na procesorze centralnym (CPU – Central Processing Unit). To fundamentalne rozróżnienie ma istotne implikacje dla metodologii badawczej.

Zalety architektury GPU-based w kontekście badań:

Skrócenie czasu iteracji projektowej – zmiany w modelu 3D są wizualizowane w czasie rzeczywistym (latencja < 100ms), co umożliwia prowadzenie sesji badawczych z udziałem respondentów bez opóźnień związanych z procesem renderowania
Interaktywność – możliwość dynamicznej modyfikacji parametrów sceny (pozycja kamery, parametry oświetlenia, materiały) podczas sesji ewaluacyjnych
Powtarzalność – sprzętowa akceleracja zapewnia deterministyczne wyniki renderowania przy zachowaniu identycznych parametrów wejściowych

Ograniczenia i wymagania:

Wymagania sprzętowe – konieczność dysponowania kartą graficzną wspierającą sprzętową akcelerację ray tracingu (minimalne wymaganie: NVIDIA GTX 1060 6GB, zalecane: NVIDIA RTX 3060 lub równoważne)
Zależność od pamięci wideo (VRAM) – złożoność sceny limitowana jest dostępną pamięcią karty graficznej. Dla kompleksowych modeli środowisk medycznych (np. wizualizacje oddziałów szpitalnych) zalecane jest minimum 12GB VRAM

1.3.2. Specyfikacja sprzętowa stanowiska badawczego

Dla zapewnienia powtarzalności wyników badawczych oraz możliwości replikacji metodologii, proponowana jest następująca specyfikacja sprzętowa stanowiska renderingu:

Konfiguracja minimalna (umożliwiająca przeprowadzenie badania):

Procesor: Intel Core i5-11400 lub AMD Ryzen 5 5300G
Karta graficzną: NVIDIA RTX 3060 (12GB VRAM) lub AMD Radeon RX 6700 XT
Pamięć RAM: 32GB DDR4
System operacyjny: Windows 10 ver. 1809 lub nowszy

Konfiguracja rekomendowana (zapewniająca optymalną płynność pracy):

Procesor: Intel Core i9-13900K lub AMD Ryzen 9 7950X
Karta graficzna: NVIDIA RTX 4080 (16GB VRAM) lub nowsza
Pamięć RAM: 64GB DDR5
System operacyjny: Windows 11

Uzasadnienie wymagań:

Wymóg 12GB VRAM dla karty RTX 3060 jest podyktowany specyfiką wizualizacji architektonicznych środowisk medycznych, które charakteryzują się:

Wysoką złożonością geometryczną (detale wyposażenia medycznego, kompleksowe układy komunikacyjne)
Rozbudowanymi bibliotekami tekstur wysokiej rozdzielczości
Wielością źródeł światła (oświetlenie naturalne + sztuczne + oświetlenie medyczne)

1.3.3. Rola pamięci operacyjnej (RAM) w procesie renderowania

Choć D5 Render jest rendererem opartym na GPU, pamięć operacyjna (RAM) pełni istotną funkcję w procesie wizualizacji. System Windows automatycznie konwertuje do 50% dostępnej pamięci RAM na współdzieloną pamięć GPU (Shared GPU Memory) w przypadku wyczerpania dedykowanej pamięci wideo. To mechanizm fallback zapewniający stabilność działania przy obsłudze scen przekraczających dostępną VRAM.

W kontekście badań nad środowiskiem medycznym, gdzie typowe modele obejmują:

Kompleksowe układy przestrzenne (wielooddziałowe struktury)
Rozbudowane biblioteki elementów wyposażenia
Wysokorozdzielcze tekstury materiałów

zalecane jest wyposażenie stanowiska badawczego w minimum 32GB RAM, co zapewnia bufor bezpieczeństwa i stabilność podczas długotrwałych sesji badawczych.

1.4. Możliwości technologiczne a metodologia badawcza Evidence-Based Design

1.4.1. Real-time rendering jako enabler metod badawczych

Technologia renderingu w czasie rzeczywistym stanowi kluczowy element umożliwiający implementację określonych metodologii badawczych w obszarze Evidence-Based Design:

1. Badania eksperymentalne z partycypacją użytkowników

Interaktywny charakter D5 Render umożliwia prowadzenie badań z udziałem respondentów (pacjentów, personelu medycznego, opiekunów) w czasie rzeczywistym. Możliwość natychmiastowej modyfikacji parametrów projektowych podczas sesji badawczej pozwala na:

Testy A/B wariantów projektowych z natychmiastowym feedbackiem
Badania preferencji kolorystycznych i materiałowych
Ewaluację rozwiązań oświetleniowych w różnych warunkach (pora dnia, pora roku)
Analizę czytelności systemu informacji wizualnej

2. Symulacje warunków środowiskowych

D5 Render oferuje precyzyjną symulację następujących parametrów środowiskowych:

Lokalizacja geograficzna i orientacja budynku (symulacja trajektorii słońca zgodna z danymi astronomicznymi)
Pora roku i pora dnia (z dokładnością do minuty)
Warunki atmosferyczne (zachmurzenie, opady atmosferyczne, mgła)
Parametry oświetlenia sztucznego (temperatura barwowa, intensywność, rozsył światła)

Ta funkcjonalność umożliwia weryfikację hipotez badawczych dotyczących wpływu czynników środowiskowych na jakość przestrzeni medycznej, będących przedmiotem licznych badań w nurcie EBD (Ulrich et al., 2008; Joseph, 2006).

3. Dokumentacja i archiwizacja wariantów projektowych

Możliwość szybkiego generowania obrazów wysokiej rozdzielczości (do 16K) oraz sekwencji wideo umożliwia systematyczną dokumentację procesu badawczego i ewolucji koncepcji projektowej. Jest to istotne z perspektywy:

Transparentności procesu badawczego
Możliwości replikacji badania
Komunikacji wyników z interesariuszami projektu

1.4.2. Ograniczenia technologiczne i ich implikacje metodologiczne

Pomimo zaawansowanych możliwości, technologia renderingu w czasie rzeczywistym posiada określone ograniczenia, które należy uwzględnić w planowaniu metodologii badawczej:

1. Aproksymacja vs. precyzja symulacji

Rendering w czasie rzeczywistym, nawet z wykorzystaniem path tracingu, stosuje określone uproszczenia algorytmiczne w porównaniu z offline rendererami (np. V-Ray, Corona Renderer). Dotyczy to w szczególności:

Liczby odbić światła (bounce limit) – D5 Render limituje liczbę odbić dyfuzyjnych w celu zachowania interaktywności
Próbkowania (sampling) – niższa liczba próbek per pixel w porównaniu z produkcyjnymi rendererami
Symulacji zjawisk optycznych drugiego rzędu (caustics, volumetric scattering)

Implikacje dla badania:

Dla celów ewaluacji jakościowej środowiska medycznego, poziom precyzji oferowany przez D5 Render jest wystarczający, ponieważ różnice są marginalne i nieuchwytne dla nietrenowanego oka. Niemniej, w przypadku badań wymagających precyzyjnej fotometrii (pomiary natężenia oświetlenia), konieczne jest wykorzystanie dedykowanych narzędzi symulacyjnych (np. Radiance, DIALux).

2. Dependencja od jakości modelu 3D

Jakość wizualizacji jest bezpośrednio zależna od jakości modelu 3D stanowiącego podstawę renderowania. Obejmuje to:

Dokładność geometryczną modelu
Właściwości materiałów (albedo, roughness, metalness)
Jakość i rozdzielczość tekstur
Poprawność skali i proporcji

Implikacje dla badania:

Konieczne jest opracowanie standardów modelowania 3D dla potrzeb badania, zapewniających jednolitą jakość wizualizacji różnych wariantów projektowych.

3. Percepcyjna wierność vs. obiektywna dokładność

Rendering komputerowy, niezależnie od zaawansowania algorytmów, stanowi reprezentację rzeczywistości, nie jej replikację. Badania percepcji przestrzeni w oparciu o wizualizacje komputerowe muszą uwzględniać ograniczenia medium:

Brak stereoskopowej percepcji głębi (przy wizualizacjach 2D)
Ograniczenia zakresu dynamicznego ekranu (w porównaniu z rzeczywistym środowiskiem)
Brak kontekstu dźwiękowego, haptycznego i olfaktorycznego

Implikacje dla badania:

Wyniki badań opartych na wizualizacjach komputerowych powinny być traktowane jako dane wspomagające proces projektowy, komplementarne wobec tradycyjnych metod badawczych (obserwacje w istniejących obiektach, badania post-occupancy evaluation).

1.5. Integracja z procesem projektowym

1.5.1. Workflow projektowo-badawczy

D5 Render umożliwia bezpośrednią integrację z popularnymi platformami CAD i BIM (Building Information Modeling), w tym:

Autodesk Revit
McNeel Rhinoceros 3D
Trimble SketchUp
Graphisoft ArchiCAD
Autodesk 3ds Max

Synchronizacja modelu BIM z środowiskiem renderingu odbywa się poprzez dedykowane wtyczki (plugins), umożliwiające:

Import geometrii z zachowaniem hierarchii obiektów
Transfer informacji o materiałach
Aktualizację modelu renderingu przy zmianach w modelu źródłowym (live sync)

Ta funkcjonalność jest kluczowa dla metodologii badawczej, ponieważ umożliwia:

Zachowanie ciągłości między procesem projektowania a procesem badawczym
Szybką iterację wariantów projektowych
Zapewnienie spójności dokumentacji projektowej

1.5.2. Biblioteki zasobów jako standaryzacja elementów środowiska medycznego

D5 Render oferuje rozbudowane biblioteki predefiniowanych zasobów (materiały, obiekty 3D, modele roślin), które mogą być wykorzystane do standaryzacji elementów środowiska medycznego w badaniu. Pozwala to na:

Kontrolowanie zmiennych w badaniach porównawczych (identyczne elementy wyposażenia w różnych wariantach przestrzennych)
Efektywność czasową (eliminacja konieczności modelowania każdego elementu od podstaw)
Powtarzalność (możliwość wykorzystania identycznych elementów w replikacjach badania)

Istotne jest jednak krytyczne podejście do gotowych bibliotek – elementy wyposażenia medycznego wymagają często indywidualnego modelowania z uwagi na specyfikę i wymogi normatywne środowiska opieki zdrowotnej.

1.6. Podsumowanie i wnioski

Technologia renderingu w czasie rzeczywistym, reprezentowana przez platformę D5 Render, stanowi istotne narzędzie badawcze w kontekście projektowania środowisk opieki medycznej w paradygmacie Evidence-Based Design.

Kluczowe cechy technologiczne – sprzętowo akcelerowany ray tracing, rendering oparty na GPU, możliwość precyzyjnej symulacji warunków oświetleniowych – umożliwiają prowadzenie badań wymagających interaktywnej wizualizacji wariantów projektowych.

Architektura oparta na DirectX Raytracing zapewnia fizyczną poprawność symulacji światła, co jest fundamentalne dla badań nad jakością środowiska medycznego, gdzie oświetlenie stanowi udokumentowany czynnik wpływający na proces zdrowienia. Wprowadzenie technologii path tracing w najnowszej wersji oprogramowania dodatkowo rozszerza możliwości dokładnej symulacji zjawisk świetlnych.

Niemniej, świadomość ograniczeń technologicznych – w szczególności aproksymacyjnego charakteru renderingu w czasie rzeczywistym oraz zależności od jakości modelu wejściowego – jest kluczowa dla właściwej interpretacji wyników badawczych. Technologia renderingu powinna być postrzegana jako narzędzie wspomagające, komplementarne wobec tradycyjnych metod badawczych w architekturze.

W kontekście niniejszego badania, D5 Render stanowi platformę umożliwiającą systematyczną ewaluację wpływu założeń Evidence-Based Design na jakość artystyczną projektowanej przestrzeni, poprzez umożliwienie szybkiej iteracji wariantów projektowych i ich wizualizacji w kontrolowanych warunkach badawczych.

Bibliografia

Beauchemin, K. M., & Hays, P. (1996). Sunny hospital rooms expedite recovery from severe and refractory depressions. Journal of Affective Disorders, 40(1-2), 49-51.

Dijkstra, K., Pieterse, M., & Pruyn, A. (2006). Physical environmental stimuli that turn healthcare facilities into healing environments through psychologically mediated effects: systematic review. Journal of Advanced Nursing, 56(2), 166-181.

Joseph, A. (2006). The role of the physical and social environment in promoting health, safety, and effectiveness in the healthcare workplace. The Center for Health Design.

Microsoft Corporation. (2018). DirectX Raytracing (DXR) Functional Specification. Redmond, WA: Microsoft.

Schweitzer, M., Gilpin, L., & Frampton, S. (2004). Healing spaces: elements of environmental design that make an impact on health. Journal of Alternative & Complementary Medicine, 10(supplement 1), S-71.

Ulrich, R. S. (1984). View through a window may influence recovery from surgery. Science, 224(4647), 420-421.

Ulrich, R. S., Zimring, C., Zhu, X., DuBose, J., Seo, H. B., Choi, Y. S., … & Joseph, A. (2008). A review of the research literature on evidence-based healthcare design. HERD: Health Environments Research & Design Journal, 1(3), 61-125.

Whitted, T. (1980). An improved illumination model for shaded display. Communications of the ACM, 23(6), 343-349.

Kluczowe cechy D5 Render obejmują:
• intuicyjne środowisko pracy, umożliwiające szybkie przygotowanie realistycznych scen,
• obsługę materiałów PBR i dynamicznych źródeł światła,
• bezproblemową integrację z Archicadem oraz innymi narzędziami projektowymi (SketchUp, Revit),
• możliwość generowania interaktywnych wizualizacji wspierających ocenę jakości artystycznej przestrzeni.

Kombinacja Archicada i D5 Render umożliwia realizację pełnego cyklu projektowego – od koncepcji opartej na danych EBD po zaawansowane testy jakości wizualnej z wykorzystaniem renderingu w czasie rzeczywistym.

Dokumentacja / raport

Parametry GPU
Platforma hardware
Software
Materiały wizualne
Wnioski
Bibliografia