基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合保稅區(qū)城市更新設(shè)計探析

山東科技大學(xué) 付冠男

中潤浩科工程咨詢（山東）集團(tuán)有限公司 朱赫 張樹仁

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是一種集計算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)，以及仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)發(fā)展起來的新技術(shù)[1]，具有沉浸式、想象性、交互性等特征[2]。近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的價值與優(yōu)勢在設(shè)計行業(yè)中被越來越多的專業(yè)人士所認(rèn)同。在城市設(shè)計中，該技術(shù)為創(chuàng)建和體驗城市三維空間提供了全新視野。設(shè)計師的思維不再被長時間的等待所打斷，不僅能在高速公路上飛馳感受城市的輪廓線，在電視塔上俯瞰全城，也可以在漫游過程中對建筑、環(huán)境、道路、廣場等設(shè)計要素進(jìn)行推敲和方案調(diào)整[3]。

2 綜合保稅區(qū)

綜合保稅區(qū)是設(shè)立在內(nèi)陸地區(qū)的，具有保稅港區(qū)功能的海關(guān)特殊監(jiān)管區(qū)域，海關(guān)參照有關(guān)規(guī)定對綜合保稅區(qū)進(jìn)行管理，執(zhí)行保稅港區(qū)的稅收與外匯政策[4]。綜合保稅區(qū)將我國現(xiàn)有的保稅區(qū)、出口加工區(qū)、保稅物流園（中心）等海關(guān)特殊監(jiān)管區(qū)域的功能進(jìn)行全面整合，并將有關(guān)政策進(jìn)行疊加，是目前國內(nèi)功能最全、政策最優(yōu)惠的海關(guān)特殊監(jiān)管區(qū)域。

3 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合保稅區(qū)城市更新設(shè)計意義

城市更新設(shè)計項目的圖紙表達(dá)一般運用Sketchup 建模、渲染軟件渲染出圖、PS 后期處理等方法，這些方法仍將三維效果局限在二維圖面上，很難帶給人們真實的空間體驗，同時會帶來前瞻性不足、修改成本高、與客戶溝通不便等問題。近20 年來計算機(jī)圖形技術(shù)快速發(fā)展，以仿真科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)傳感為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為解決上述問題的有效技術(shù)手段。

3.1 以運動方式感受城市空間

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要通過建立一種動態(tài)、直觀的城市環(huán)境仿真模型，讓使用者置身其中，對視點和游覽路線進(jìn)行控制，以動態(tài)交互的方式，從任意角度、距離、速度和尺度觀察仿真環(huán)境中的目標(biāo)對象，記錄仿真體驗的全過程[5]。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行建筑漫游，建立對保稅區(qū)建筑空間序列連續(xù)不斷地整體感受。

3.2 以整體視角建立區(qū)域更新統(tǒng)籌

保稅區(qū)空間環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計師難以在腦海中建立起完整的空間想象。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可用于建筑室內(nèi)外空間環(huán)境設(shè)計的模型中，有助于創(chuàng)建設(shè)計的空間和拓?fù)潢P(guān)系，為設(shè)計師提供設(shè)計組件空間關(guān)系的完整圖像，而不是依賴于原始想象進(jìn)行設(shè)計工作[6]。

3.3 輔助決策及公眾參與

在方案匯報過程中使用虛擬現(xiàn)實（VR）或虛擬現(xiàn)實增強(qiáng)（AR）技術(shù)，為決策者及使用者提供沉浸式的建筑空間體驗，在幫助用戶更好地理解設(shè)計理念的同時，促進(jìn)不同部門之間的高效溝通與協(xié)作[7]。

4 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合保稅區(qū)城市更新設(shè)計流程

綜合保稅區(qū)在我國僅發(fā)展了十余年，現(xiàn)有研究對于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建筑形式多樣的綜合保稅區(qū)如何進(jìn)行城市更新，城市更新“改什么”“如何改”等問題尚未形成系統(tǒng)化的方法。文章從綜合保稅區(qū)發(fā)展更新需求出發(fā)，針對工業(yè)建筑設(shè)計展開研究，選用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助設(shè)計，探索綜合保稅區(qū)的城市更新設(shè)計方法。此外，沉浸式的展示過程能夠高效地吸引社會資本，引導(dǎo)公眾參與，做到?jīng)Q策共謀、發(fā)展共建、建設(shè)共管、成果共享，共同推進(jìn)城市更新。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合保稅區(qū)城市更新設(shè)計分為前期準(zhǔn)備、初步方案、方案匯報、方案優(yōu)化四個階段，技術(shù)路線圖如圖1 所示。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合保稅區(qū)城市更新技術(shù)路線圖

4.1 前期準(zhǔn)備

模型搭建主要使用Sketchup 和Rhino 軟件，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要通過Mars 平臺實現(xiàn)，Mars 具有模型直讀功能，并支持場景模型的實時更新。

在前期準(zhǔn)備階段，通過航拍視頻和部分效果圖模擬廠區(qū)現(xiàn)狀，還原廠區(qū)現(xiàn)狀模型，同時檢索相關(guān)文獻(xiàn)研究和實際項目案例。通過建筑漫游和實地考察對建筑現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，進(jìn)入VR 模型觀察廠區(qū)的建筑高度、空間布局，以及廠區(qū)與周邊環(huán)境道路的關(guān)系，結(jié)合廠區(qū)現(xiàn)狀條件和客戶要求，確定更新設(shè)計空間的節(jié)點。

4.2 初步方案生成

在方案生成階段，主要采用VR 沉浸式體驗技術(shù)，該技術(shù)需要借助Steam VR 以及VR 設(shè)備進(jìn)行，通過一鍵切換VR 模式，在創(chuàng)作階段體驗項目建成的真實效果。在方案匯報階段，采用VR沉浸式體驗、3D 漫游網(wǎng)絡(luò)匯報、全景圖三種方式，使公眾與相關(guān)部門在聆聽方案匯報時擁有沉浸式的建筑體驗。

利用Mars 軟件輔助方案生成過程演示如下：首先在Mars 中創(chuàng)建項目，導(dǎo)入已經(jīng)建好的SU 模型；然后通過在濾鏡庫里選取濾鏡、調(diào)整HDR、開啟SSGI 與光線追蹤等操作進(jìn)行真實環(huán)境的構(gòu)筑，應(yīng)用筆刷進(jìn)行周邊配景與資源布置；最后利用SU 插件同步總平、立面、分析圖視角，一鍵切換VR 模式，從不同視角出發(fā)進(jìn)行建筑漫游。具體操作過程，如圖2 所示。

圖2 Mars 輔助設(shè)計過程演示

4.2.1 以虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助建筑模型比選

對于新建建筑，可以利用VR 沉浸式體驗技術(shù)輔助建筑模型的比選：首先進(jìn)入VR 模型，觀察整個廠區(qū)的建筑高度和空間布局，結(jié)合廠區(qū)現(xiàn)狀條件和客戶要求，確定空間節(jié)點位置、建筑功能定位及建筑空間布局；然后輔助建筑模型比選，通過多次建筑外部漫游進(jìn)行環(huán)境感知，選擇虛擬現(xiàn)實效果更佳的設(shè)計方案。

在VR 場景漫游過程中，遇到的主要問題是如何調(diào)整視點和目標(biāo)點以達(dá)到真實的觀看效果。對于高度較高的建筑物要想獲得更加真實的觀看效果，需適當(dāng)調(diào)整模型尺度。

4.2.2 以虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助建筑立面改造

綜合保稅區(qū)建筑功能具有多樣性，包括倉儲、廠房、辦公、居住等，針對不同的建筑類型，需采用不同的改造方法，較難統(tǒng)一整體形象。對于保稅區(qū)的舊工業(yè)建筑，改造方法主要分為立面改造和空間改造，為避免大拆大建，在更新改造中主要進(jìn)行建筑立面的維修翻新和新舊對比[8]。在VR 模型中反復(fù)漫游，梳理主要道路兩側(cè)的建筑立面形式，發(fā)現(xiàn)通過協(xié)調(diào)建筑的整體色調(diào)可達(dá)到風(fēng)格統(tǒng)一的效果。主要運用白色進(jìn)行造型和立面改造，增強(qiáng)工業(yè)建筑的科技感和現(xiàn)代感。相鄰建筑之間以相似的立面造型進(jìn)行協(xié)調(diào)，建筑整體沿用原有的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，充分利用原有窗墻。強(qiáng)調(diào)建筑立面的細(xì)部，配合彈性涂料，打造細(xì)節(jié)耐看、特色鮮明的城市立面形象（圖3）。

圖3 保稅區(qū)立面改造策略

4.3 方案匯報

在傳統(tǒng)的方案成果表達(dá)中，效果圖公司的技術(shù)人員無法完全理解設(shè)計師的意圖，不僅會延長設(shè)計周期，還會導(dǎo)致效果圖或動畫無法達(dá)到預(yù)期效果。可以使用Mars 平臺的VR 沉浸式體驗、3D 漫游網(wǎng)絡(luò)匯報、全景圖三種技術(shù)手段，嘗試新的成果輸出和匯報方式。（1）VR 沉浸式體驗所需要的設(shè)備和設(shè)計階段相同，只是使用者由設(shè)計師轉(zhuǎn)向客戶與公眾，進(jìn)入項目場景中體驗空間尺度、推敲細(xì)部，可將獲得的實時反饋直接與設(shè)計師溝通，完成效果修改。（2）通過試點動畫交互技術(shù)找到最佳漫游路徑進(jìn)行3D 漫游網(wǎng)絡(luò)匯報，沿路徑對現(xiàn)狀與規(guī)劃進(jìn)行沉浸式對比，使設(shè)計過程可視化，給人身臨其境之感。（3）全景圖可以實時輸出高清全景圖，形成全景圖的二維碼，客戶用手機(jī)掃描二維碼就可以進(jìn)入設(shè)計師提前設(shè)定好的場景路線，全方位地觀看建筑的外觀造型，感受高仿真的城市空間。這幾種方式在很大程度上提高了設(shè)計成果展示的效率。

4.4 方案修改

方案修改階段采用“評價—修改—檢驗”的動態(tài)過程，通過跨學(xué)科組織、機(jī)構(gòu)組織多元決策參與，對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化或?qū)崿F(xiàn)對多設(shè)計方案的選擇決策[9]。針對方案匯報反饋的問題對方案進(jìn)行優(yōu)化修改，并建立項目優(yōu)化后的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。之后再次重復(fù)動態(tài)過程，組織進(jìn)行方案匯報，處理匯報反饋信息、檢驗優(yōu)化效果。

5 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合保稅區(qū)城市更新設(shè)計實踐

5.1 項目概況

文章以山東省某外向型綜合保稅區(qū)為例。綜合保稅區(qū)作為城市新門戶、產(chǎn)業(yè)新高地，亟需具有活力和特色鮮明的形象與之相匹配，但該綜合保稅區(qū)的整體廠區(qū)形象并不理想，主要表現(xiàn)為：（1）產(chǎn)業(yè)布局不合理，缺乏配套服務(wù)設(shè)施；（2）建筑整體風(fēng)格缺乏協(xié)調(diào)性，部分建筑由于建成年限較長，受風(fēng)雨侵蝕嚴(yán)重，表面破碎脫落、銹跡斑斑，需對立面進(jìn)行修繕整改；（3）少量建筑結(jié)構(gòu)破損坍塌或已被棄用，建筑質(zhì)量較差，需拆除重建。

整體更新改造思路為：更新工業(yè)業(yè)態(tài)，實現(xiàn)低效閑置用地的盤活開發(fā)，將傳統(tǒng)工業(yè)更新為新興產(chǎn)業(yè)（新型產(chǎn)業(yè)用地是指為適應(yīng)傳統(tǒng)工業(yè)向新技術(shù)、協(xié)同生產(chǎn)空間、組合生產(chǎn)空間及總部經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級需要而提出的新型產(chǎn)業(yè)用地[10]）。另外，針對建筑整體形象老舊、風(fēng)格不協(xié)調(diào)等問題，提出改造策略，對中心路兩側(cè)建筑進(jìn)行立面風(fēng)格引導(dǎo)。

5.2 工業(yè)業(yè)態(tài)更新

5.2.1 管委會建筑組群設(shè)計

管委會建筑組群地塊位于綜合保稅區(qū)主入口附近。首先利用VR 漫游進(jìn)行建筑現(xiàn)狀梳理，然后充分利用現(xiàn)存建筑、基礎(chǔ)設(shè)施集中配置降低建設(shè)成本，實現(xiàn)資源集約利用，方案提出分兩期增建管委會辦公樓的方案。（1）一期建設(shè)場地現(xiàn)狀為利用率低的停車場。設(shè)計上，客戶提出了限高50 m 的要求，且一期建設(shè)應(yīng)滿足管委會近期的辦公需求。經(jīng)過VR 漫游確定建筑空間與地塊的關(guān)系，選擇了一種布局靈活、造型簡約的方案，建筑形象風(fēng)格與二期管委會主樓相協(xié)調(diào)；（2）二期建設(shè)方案采用中軸對稱的布局模式，南面臨街的多層辦公樓用作保稅區(qū)服務(wù)大廳，設(shè)置接待咨詢、會議洽談等功能，北側(cè)的主樓，以及裙房側(cè)面向內(nèi)部工作人員開放。通過虛擬現(xiàn)實建筑漫游可以發(fā)現(xiàn)，圍合式的建筑群體組合能夠很好地體現(xiàn)政府辦公建筑莊嚴(yán)穩(wěn)重的特點，南側(cè)兩座多層建筑的弧形片墻具有吸引人們進(jìn)入其中的作用。虛擬現(xiàn)實視角的建筑效果，如圖4、圖5 所示。

圖4 管委會現(xiàn)狀

圖5 管委會更新設(shè)計方案

5.2.2 招商大廈設(shè)計

場地東側(cè)為高速出口，北側(cè)緊鄰立交橋，是綜合保稅區(qū)的門戶。招商大廈作為廠區(qū)的標(biāo)志，應(yīng)起到對外展示綜合保稅區(qū)形象的作用。方案最初由一座塔樓和與之相連的裙房構(gòu)成，在總平面上順應(yīng)狹長的基地形狀（圖6），但經(jīng)過VR 模擬后發(fā)現(xiàn)建筑形體無法滿足多個視角的美觀性。對比不同模型的空間效果，最終選擇螺旋上升的塔樓形象（圖7）。

圖6 招商大廈初始方案

圖7 招商大廈最終設(shè)計方案

5.2.3 M0 建筑組群設(shè)計

現(xiàn)狀化工企業(yè)位于地塊北部，其產(chǎn)業(yè)落后、產(chǎn)值低，缺少經(jīng)濟(jì)活力；建筑立面風(fēng)化嚴(yán)重，廠房破敗，環(huán)境單調(diào)，不符合園區(qū)的整體風(fēng)貌。設(shè)計綜合考慮保稅區(qū)門戶形象的塑造、與周邊景觀環(huán)境的融合、交通組織的梳理，以及建筑功能的需求等多方面因素，突出重要節(jié)點的形象，以提升片區(qū)的整體風(fēng)貌。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，最終提供了兩種不同的更新方案：（1）第一個方案建筑組合錯落有致，與西側(cè)高壓走廊形成的景觀綠帶相互貫通，功能上融合研發(fā)、創(chuàng)意、設(shè)計、中試和無污染生產(chǎn)。地塊內(nèi)實行無車化交通，規(guī)劃建設(shè)地下停車場，進(jìn)行地下空間開發(fā)（圖8）；（2）第二個方案更多考慮了廠區(qū)內(nèi)企業(yè)員工的住宿問題，保留了場地南側(cè)的兩個廠房。北側(cè)建筑由5 座塔樓及其裙房構(gòu)成，外形主要采用水平線條，簡約現(xiàn)代。功能布置為對外貿(mào)易及研發(fā)辦公，與西側(cè)職工公寓共同營造安全舒適的環(huán)境（圖9）。

圖8 M0 建筑組群第一種方案VR 視角

圖9 M0 建筑組群第二種方案VR 視角

5.3 立面風(fēng)格引導(dǎo)

5.3.1 某廢棄廠房改造

該建筑質(zhì)量較差，需拆除重建工業(yè)廠房。通過VR 漫游協(xié)調(diào)與周邊建筑之間的立面造型。采用金屬穿孔板包裹建筑，并在表皮上噴涂企業(yè)LOGO。使用穿孔板作為建材，具有時尚簡約的氣質(zhì)，符合工業(yè)建筑的特質(zhì)（圖10）。

圖10 某廢棄廠房改造前后對比

5.3.2 某現(xiàn)狀廠房改造

該建筑目前使用淺紅色大理石貼面。立面改造策略為清洗、刷新大理石，定制造型鋁材百葉覆蓋在建筑表面，使建筑整體色調(diào)與周圍相協(xié)調(diào)。同時更換建筑內(nèi)窗和窗框，將網(wǎng)格狀窗改為橫向條窗，在立面上形成趣味的錯落關(guān)系，打破原來框架網(wǎng)格立面的單調(diào)感，并給予室內(nèi)充分的采光。百葉式鋁材安裝方便，不會破壞原有的建筑結(jié)構(gòu)，銀白的金屬色與廠區(qū)內(nèi)其他建筑的色彩統(tǒng)一和諧（圖11）。

圖11 某現(xiàn)狀廠房改造前后對比

6 結(jié)語

文章利用VR 技術(shù)進(jìn)行綜合保稅區(qū)城市更新，既從城市規(guī)劃層面統(tǒng)籌不同類型綜合保稅區(qū)工業(yè)建筑的區(qū)域性更新，又從建筑設(shè)計層面滿足不同使用人群的實際需求與審美體驗。但VR 技術(shù)應(yīng)用存在一些推廣難題，如大范圍、高精度的建筑模型需要較高配置的軟硬件支持。人在環(huán)境中的運動、行為無法以具象、定量的方式呈現(xiàn)，虛擬體驗與真實體驗存在一定偏差。相信隨著技術(shù)的更新，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將在建筑行業(yè)得到更廣泛的運用，提高設(shè)計師與甲方的溝通效率，讓設(shè)計回歸創(chuàng)意本身。