虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析

毛振華

摘 要：在數(shù)字化時(shí)代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于各大尖端領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大，設(shè)計(jì)人員通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高建筑設(shè)計(jì)的有效性，使設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)能夠于在視、聽、觸感等方面高度仿真的數(shù)字化環(huán)境中生成。在建筑上利用各種科學(xué)技術(shù)來完成建筑設(shè)計(jì)工作，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)建筑物時(shí)，能夠更直觀立體地展示各種外部條件、周圍環(huán)境、內(nèi)部裝飾、外觀的藝術(shù)效果、城市規(guī)劃及使用者對(duì)建筑物的要求，尤其在建筑物的使用材料、工程估算、施工技術(shù)和裝備上有著更為精確的呈現(xiàn)，在節(jié)約材料、節(jié)約投資、節(jié)約時(shí)間、節(jié)約勞動(dòng)力方面有著極大優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計(jì);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);應(yīng)用

課題項(xiàng)目：本文系“‘項(xiàng)目帶動(dòng)教學(xué)模式下建筑模型課程模塊改革研究”（19-XJ21041）研究成果。

隨著建筑設(shè)計(jì)的智能化和建筑業(yè)的迅速發(fā)展，設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)作水平和設(shè)計(jì)效率都有所提高，同時(shí)使用者的建筑要求也逐漸復(fù)雜多樣化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以更好地為使用者提供多元化的服務(wù)與體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將設(shè)計(jì)人員的建筑設(shè)計(jì)模型以直觀立體的三維形式展示出來，設(shè)計(jì)人員能更精準(zhǔn)地找出錯(cuò)誤并加以改正，彌補(bǔ)二維平面工程圖紙的不足，有效降低了時(shí)間成本。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的立體呈現(xiàn)

設(shè)計(jì)人員運(yùn)用工程信息與建筑設(shè)計(jì)信息構(gòu)建建筑板塊、繪制工程圖紙、設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)、統(tǒng)算工程信息與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，因?yàn)榧夹g(shù)限制，無法完全展示設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)屬性，全面客觀地展示整個(gè)建筑物的信息，使得建筑問題不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，往往在施工后才暴露出來，阻礙后續(xù)各項(xiàng)施工活動(dòng)的開展。此外，由于使用者對(duì)設(shè)計(jì)人員的建筑信息難以透徹了解，所以容易產(chǎn)生錯(cuò)誤理解導(dǎo)致施工糾紛等。設(shè)計(jì)人員應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建三維建筑模型、營(yíng)造虛擬空間，其他建筑參與者通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的三維圖像建構(gòu)虛擬場(chǎng)景。

（一）修正建筑設(shè)計(jì)錯(cuò)誤

設(shè)計(jì)一個(gè)建筑物或建筑群所要做的工作紛繁復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員在建筑整體設(shè)計(jì)中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，如建筑、結(jié)構(gòu)說明有互相矛盾或者表意不清楚的地方，尺寸標(biāo)注下清楚，建筑、結(jié)構(gòu)、安裝圖紙對(duì)照出現(xiàn)問題等。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用降低建筑設(shè)計(jì)師的工作難度，將設(shè)計(jì)效果以三維圖像建構(gòu)的虛擬場(chǎng)景形式呈現(xiàn)，以便設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤，完善建筑設(shè)計(jì)成果。

（二）正確理解建筑設(shè)計(jì)理念及信息

施工人員面對(duì)單一的二維或三維的過于專業(yè)的繪圖樣板，不能對(duì)建筑施工操作做出正確的理解，使設(shè)計(jì)與實(shí)際建筑產(chǎn)生偏差，致使施工無法進(jìn)行，造成多方嚴(yán)重?fù)p失。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用幫助設(shè)計(jì)師把設(shè)計(jì)理念及細(xì)節(jié)處理完整地展現(xiàn)在其他建筑參與者面前，如墻體和門窗和比例、尺寸，以及玻璃材質(zhì)、龍骨材質(zhì)等，真正實(shí)現(xiàn)了相互溝通。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式特點(diǎn)，有助于設(shè)計(jì)人員構(gòu)建三維建筑模型、營(yíng)造虛擬空間。參與者可以浸入虛擬空間，直觀了解設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑物或建筑群的主體結(jié)構(gòu)、空間布局、細(xì)節(jié)的描畫，從而掌握工作中的細(xì)節(jié)要求，避免施工問題反復(fù)出現(xiàn)，對(duì)后續(xù)施工造成無法修補(bǔ)的損失，立體感官呈現(xiàn)讓參與者在建筑施工時(shí)更好地完成施工要求和任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)建筑物的適用、經(jīng)濟(jì)、堅(jiān)固、美觀。

（三）建筑設(shè)計(jì)中的多樣化應(yīng)用

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)面臨多重矛盾，設(shè)計(jì)人員用圖紙、建筑模型將設(shè)計(jì)意圖表達(dá)出來，從而發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性和構(gòu)想性，與建筑理念充分結(jié)合。首先建筑參與者在使用過程中產(chǎn)生身臨其境的感覺，其次建筑參與者可利用傳感設(shè)備與虛擬環(huán)境中的大部分對(duì)象進(jìn)行交互。這就使得復(fù)雜抽象的建筑設(shè)計(jì)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用下變得具體形象，更大的好處在于設(shè)計(jì)人員可以和其他建筑參與者進(jìn)行遠(yuǎn)程溝通，從而減少時(shí)間成本，打破地域限制，使建筑設(shè)計(jì)更加廣域化。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的構(gòu)想性對(duì)設(shè)計(jì)者修復(fù)不完整的建筑設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用，建筑人員通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)彌補(bǔ)古建筑缺失部分，并加以完善，這對(duì)社會(huì)的影響極其深遠(yuǎn)。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在創(chuàng)建建筑信息模型、仿真空間環(huán)境方面具有較大優(yōu)勢(shì)，合理完整的虛擬空間包含建筑設(shè)計(jì)者的每個(gè)細(xì)小設(shè)計(jì)。精密的布局、仿真模擬環(huán)境為建筑設(shè)計(jì)提供了便利的溝通交流條件。

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的配套設(shè)施

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的全景技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)三維互動(dòng)等離不開系統(tǒng)的相關(guān)硬件與軟件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的實(shí)施主要依靠傳感手套、三維立體聲音生成裝置、頭盔顯示器、立體顯示系統(tǒng)等硬件設(shè)備，使參與者體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的仿真建筑環(huán)境，在聽覺系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、虛擬環(huán)境系統(tǒng)等若干電子系統(tǒng)下感受建筑模型的立體聲音、仿真環(huán)境。虛擬環(huán)境中的建筑模型的信息與特征具有實(shí)時(shí)性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由功能編程軟件、三維建模軟件以及模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)組成。技術(shù)人員將建筑設(shè)計(jì)的工程信息及設(shè)計(jì)參數(shù)通過計(jì)算機(jī)錄入三維建模軟件，三維建模軟件依據(jù)錄入數(shù)據(jù)構(gòu)建三維建筑模型與配套數(shù)據(jù)庫(kù)。技術(shù)人員通過計(jì)算機(jī)對(duì)模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)下達(dá)操作命令，調(diào)整建筑模型信息，實(shí)時(shí)顯示建筑工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)程，跟進(jìn)工程，及時(shí)調(diào)整模型參數(shù)。運(yùn)用功能編程軟件協(xié)調(diào)其他軟件，使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的建筑模型、場(chǎng)景、聲音、燈光等在硬件中實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景轉(zhuǎn)換、模塊運(yùn)行停止、聲音和燈光轉(zhuǎn)變，保持虛擬仿真模擬空間的真實(shí)性。建筑參與者沉浸于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營(yíng)造的虛擬仿真模擬空間，感受虛擬仿真模擬空間的燈光變化、建筑格局、造型結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境的真實(shí)性，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)效性都有較高要求。虛擬三維模型直觀展現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、理念，在前期準(zhǔn)備階段，項(xiàng)目的模型交付標(biāo)準(zhǔn)及各專業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)建立都對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟件提出了嚴(yán)格要求。

（二）模型的構(gòu)建

與單一的二維或三維繪圖樣紙的基礎(chǔ)模式相比，虛擬建筑模型不僅節(jié)省成本、易于保存，還能使工程參與者更好地理解建筑設(shè)計(jì)方案，更為清楚地了解建筑各部位組合、搭建細(xì)節(jié)以及施工要求。在模型構(gòu)建過程中，設(shè)計(jì)人員著重把點(diǎn)線面的數(shù)值標(biāo)注在三維建筑信息模型上，明確標(biāo)注建筑各部位的設(shè)計(jì)參數(shù)。在建筑工程中避免因建筑圖紙讀取不當(dāng)造成的施工事故和操作不當(dāng)或不到位造成的工期拖延。為設(shè)計(jì)人員在施工后期修改建筑設(shè)計(jì)方案提供便利，同時(shí)便于保存建筑設(shè)計(jì)，有利于今后的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比更新。虛擬建筑模型是構(gòu)建虛擬真實(shí)場(chǎng)景的基礎(chǔ)，模型的計(jì)量單位與真實(shí)場(chǎng)景的尺寸比例、整個(gè)模型的參數(shù)值都影響著虛擬真實(shí)場(chǎng)景的最終呈現(xiàn)效果。虛擬真實(shí)場(chǎng)景根據(jù)設(shè)計(jì)人員提供的參數(shù)值在計(jì)算機(jī)上生成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體仿真圖像。在建立模型的過程中通常以毫米（mm）為單位，設(shè)計(jì)人員通過調(diào)整建筑比例，提高建筑模型的仿真性和客觀性。

（三）創(chuàng)造仿真空間

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作三維建筑模型，從而構(gòu)建一個(gè)真實(shí)度較高的仿真模擬環(huán)境，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行模擬仿真，在仿真模擬環(huán)境中，除了三維場(chǎng)景還有立體聲音、仿真光線。對(duì)周圍環(huán)境的真實(shí)還原使建筑參與者了解施工現(xiàn)場(chǎng)，有效排除建筑操作中的安全隱患。面對(duì)復(fù)雜的建筑地形，設(shè)計(jì)人員以往的幾何平面、灰度圖象模型抽象難懂，增加了設(shè)計(jì)人員和其他建筑參與者的工作難度。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性使得建筑模型的三維建?；睘楹?jiǎn)，按照現(xiàn)實(shí)中建筑的實(shí)際尺寸和畫面的比例來調(diào)整建筑整體的外部構(gòu)造，細(xì)化內(nèi)外裝飾，添加內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)。如房屋建筑的墻體、門窗、陽(yáng)臺(tái)，橋梁建筑的樁基、承臺(tái)、墩柱、蓋梁、墊石、擋塊、箱梁，道路建筑的路基、路床、路面，水利電力建筑的水工建筑物、擋水建筑物、泄水建筑物等。對(duì)建筑物的采暖系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、照明設(shè)備等制定合理的方案，科學(xué)規(guī)劃布局。設(shè)計(jì)人員利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，用圖像、燈光、聲頻的組合呈現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)世界相同的虛擬仿真場(chǎng)景。為了有效提高虛擬仿真場(chǎng)景的真實(shí)度，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)置模型光源，使用戶仿佛置身于真實(shí)世界，色彩真實(shí)、光線柔和、聲音立體，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高了建筑模型的精準(zhǔn)度。雖然設(shè)計(jì)人員可以通過圖片的不同角度縮放圖紙，來展示建筑設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，但是這降低了模型的真實(shí)度，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)，創(chuàng)建虛擬仿真場(chǎng)景，可使建筑參與者直觀了解建筑的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

（四）自動(dòng)化修改

建筑設(shè)計(jì)工作涉及諸多專業(yè)領(lǐng)域，如建筑材料、基礎(chǔ)工程、房屋建筑工程、橋梁工程、水利工程、地下建筑工程等。一處細(xì)小的設(shè)計(jì)參數(shù)誤差，就會(huì)導(dǎo)致其他設(shè)計(jì)參數(shù)的變化，如施工中出現(xiàn)錯(cuò)誤施工，整體建筑工程的設(shè)計(jì)方案都要進(jìn)行修改。在虛擬真實(shí)環(huán)境中創(chuàng)建建筑立體模型，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求較高，應(yīng)構(gòu)建配套數(shù)據(jù)庫(kù)，持續(xù)不斷采集、分析數(shù)據(jù)庫(kù)中的建筑設(shè)計(jì)信息，對(duì)不同的建筑設(shè)計(jì)要求進(jìn)行科學(xué)合理的建筑參數(shù)值的設(shè)計(jì)，這樣在虛擬仿真情境中的建筑模型才更具實(shí)用性，才能更完善地實(shí)施建筑工程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)依靠計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)完成建模，提升建筑設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度。建筑備料、施工組織工作和各工種在整個(gè)建筑實(shí)施過程中相互配合，要以建筑設(shè)計(jì)為依據(jù)。在建筑工程實(shí)施過程中，建筑備料是建筑實(shí)施不可或缺的組成部分。要滿足適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)要符合建筑工業(yè)化及綠色建筑的要求。

三、結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如軍事、教育、醫(yī)療等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)，從技術(shù)人員到施工人員，再到建筑設(shè)計(jì)的參與者，都能體驗(yàn)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的建筑模型、仿真場(chǎng)景等對(duì)提高建筑工程設(shè)計(jì)質(zhì)量、優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)過程、控制建筑設(shè)計(jì)成本、直觀呈現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)效果有著深遠(yuǎn)影響。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用仍存在很多問題，需要優(yōu)化和完善，不斷探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值，提升虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟件和硬件性能，完善建筑設(shè)計(jì)模型的細(xì)節(jié)，提升模擬場(chǎng)景的真實(shí)性，建筑行業(yè)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用的擴(kuò)大，推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。

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作者單位：

牡丹江師范學(xué)院