淺析虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

林 楠

(武漢工業(yè)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430023)

以計算機和信息技術(shù)為依托的數(shù)字時代使人們的生活和工作方式發(fā)生了巨大變化，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，信息技術(shù)也迅速滲透到各個領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種新興的、綜合性的信息技術(shù)，它是在計算機圖形學(xué)、計算機仿真、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等多學(xué)科交叉融合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合集成技術(shù)。它為人類提供了一種新的人-機界面模式，建立三維虛擬空間，并將人的視覺、聽覺、觸覺等感知功能融入環(huán)境體驗，給人以身臨其境的感覺［1］。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在方案設(shè)計與演示、項目技術(shù)論證等方面具有突出的優(yōu)勢，城市規(guī)劃和建筑設(shè)計也因此成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計的應(yīng)用

相對于傳統(tǒng)建筑表現(xiàn)方法，虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了強大的動態(tài)交互功能，實現(xiàn)了建筑由實體空間向虛擬空間的發(fā)展，其表達效果更為真實、全面，(見表1)。此外，在項目的技術(shù)論證，方案的比較與修改，提高項目規(guī)劃設(shè)計的質(zhì)量，降低成本與風(fēng)險方面也有很大優(yōu)勢。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷史雖然不長，但發(fā)展速度卻很快。在建筑設(shè)計的過程中，從設(shè)計前期項目論證到建筑設(shè)計方案展示及公眾評價，再到工程施工管理，其應(yīng)用已逐漸滲透到建筑設(shè)計的各個環(huán)節(jié)。

表1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)建筑表達的比較

1.1 設(shè)計項目的技術(shù)論證

大型建設(shè)項目由于成本高，建成后對環(huán)境的影響較大，因而在設(shè)計前期需要對其安全性、經(jīng)濟性、建設(shè)的可行性加以評估和論證［2］。目前采用較多的評價方式是建立在建筑微縮模型和計算機仿真模型基礎(chǔ)上的，雖然比較直觀，但對于建筑使用功能的評價很難達到滿意的效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用可以解決設(shè)計項目在技術(shù)論證上存在的問題。通過虛擬環(huán)境系統(tǒng)，可提供進行建筑性能評價的有效工具。如圖書館的閱覽室，對建筑內(nèi)部的采光要求較高，為了達到最佳的采光效果，設(shè)計人員可以把建筑物模型及各種環(huán)境條件輸入到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，通過對日照、燈光的模擬讓人感受到光照的質(zhì)量。應(yīng)用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)，便于設(shè)計人員對方案的實時比較和修改，并試驗不同種類的反光材料，直至得到最佳采光結(jié)果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于項目的技術(shù)論證有助于及時修正方案中的不當(dāng)設(shè)計，驗證合理的施工方案，從而節(jié)約項目投資和運行費用。

1.2 設(shè)計方案的動態(tài)展示

計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以幫助建筑師取得建筑物或規(guī)劃區(qū)域的三維數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的程序進行仿真，在仿真過程中可以根據(jù)設(shè)計的需要修改各種設(shè)計內(nèi)容，還可以引導(dǎo)客戶進入虛擬場景漫游，創(chuàng)造出更為生動的演示場景［3］。以小區(qū)建設(shè)為例，用戶可親身體驗三維虛擬環(huán)境，了解室內(nèi)空間、周邊環(huán)境、固定設(shè)施和配套情況，其直觀性強的特點，激發(fā)了用戶參與的積極性。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實語言可實現(xiàn)場景、多媒體信息和虛擬現(xiàn)實的無縫連接。

1.3 施工過程的模擬及調(diào)整

當(dāng)建設(shè)項目的施工方案比較復(fù)雜時，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可解決以下幾個問題：一，對施工過程進行動態(tài)模擬，對施工方案反復(fù)進行試驗以獲得最佳參數(shù)，提高工程質(zhì)量。二，將計算機輔助設(shè)計與人工智能技術(shù)結(jié)合，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動建模，并將施工的過程與城市管理、交通運輸?shù)认到y(tǒng)集成，調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計方案。三，實時顯示施工方案實施的全過程，便于工程技術(shù)人員全方位觀察施工現(xiàn)場情況，從而保障現(xiàn)場作業(yè)的安全。四，按時間模擬施工進度，可對施工工期進行較精確的計算和控制，有助于提高生產(chǎn)效率，有效統(tǒng)籌和調(diào)度生產(chǎn)設(shè)備和材料。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的工程應(yīng)用實例

2.1 古建筑的虛擬重建

聯(lián)合國教科文組織在1992年就提出“世界記憶工程”(Memory of the World)項目，在世界范圍內(nèi)推動文化遺產(chǎn)數(shù)字化，探索用新的方法和思路來解決文化遺產(chǎn)的保管和利用問題。傳統(tǒng)文物建筑的復(fù)原過去主要是依靠研究者的文物建筑歷史知識及圖紙的表達，建筑實體的修復(fù)則是依靠施工人員的技術(shù)和經(jīng)驗，因而不可避免地帶有設(shè)計者的主觀想象成分。在數(shù)字時代，面對同樣的問題和信息資源，可以通過計算機虛擬技術(shù)使復(fù)原的過程更為科學(xué)和客觀。

以作者參與研究的湖北赤壁古鎮(zhèn)民居為例，當(dāng)?shù)赜幸恍┦冀ㄓ诿髑鍟r期的傳統(tǒng)建筑，以磚木結(jié)構(gòu)為主并具有文物建筑的保護價值。這些傳統(tǒng)建筑在過去大部分具有集商住為一體的綜合功能，沿縱深方向呈狹長的建筑布局，為配合商業(yè)空間的需要及增加室內(nèi)光線，多采用亮瓦及采光斗采光，從而也成為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居的特色之一。但現(xiàn)存的傳統(tǒng)建筑由于保護意識不夠，維修資金有限，破壞較嚴(yán)重，給古建研究和修復(fù)帶來了很多困難。針對上述問題，在當(dāng)?shù)卣{(diào)研過程中，我們多方面收集資料，包括書籍、圖片、影象等，以便了解古鎮(zhèn)的發(fā)展歷史及當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活方式對民居形式的影響。在此基礎(chǔ)上對重要建筑現(xiàn)場勘測并繪制草圖，作為古建復(fù)原的基礎(chǔ)資料(見圖1)。完成了基礎(chǔ)圖紙的繪制，可通過計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)將其復(fù)原，建立三維虛擬環(huán)境空間以便更為直觀地展示建筑(見圖2)。

圖1 建筑平面、剖面

圖2 建筑三維模型

建立三維虛擬環(huán)境空間的具體過程如下。

(1)通過數(shù)據(jù)采集建立模型數(shù)據(jù)庫。采集建筑物的平、立、剖面圖，采集能充分反映建筑物立面效果和空間關(guān)系的實景圖象，包括空間參照物、周圍建筑物。結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)，將資料數(shù)字化，通過實地拍攝采集素材，以塑造豐富真實的景觀。

(2)場景建模，賦以相應(yīng)材質(zhì)。

(3)動畫設(shè)置與三維環(huán)境的生成：包括路徑的設(shè)置、動畫的調(diào)節(jié)和實時渲染。

通過上述過程可虛擬重建古建筑，從而提高文物修復(fù)的精度和展示的逼真性(見圖3)。

圖3 虛擬重建古建筑

近期，由北京清華城市規(guī)劃設(shè)計研究院和清華偉景行數(shù)字展示科技有限公司合作的“再現(xiàn)圓明園”項目，綜合運用數(shù)據(jù)庫、三維模型、虛擬現(xiàn)實、地理信息系統(tǒng)技術(shù)，通過數(shù)字化復(fù)原圓明園22個景區(qū)，55個時空單元的三維場景，將空間與時間通過計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合，實現(xiàn)網(wǎng)上虛擬游園，將圓明園這一文化遺產(chǎn)以生動、直觀的方式展現(xiàn)在公眾面前。

2.2 5D模型工程管理

利用計算機虛擬技術(shù)，將傳統(tǒng)的三維模型與時間、成本相結(jié)合，形成五維(5D)模型，從而高效、全面地管理工程項目。國外在這方面已有廣泛應(yīng)用，如：世界500強企業(yè)日本鹿島建設(shè)集團堅持在設(shè)計前期利用5D模型對擬建工程進行模擬，從中發(fā)現(xiàn)設(shè)計的失誤和施工重點。該公司在英國牛津的Accordia住宅項目，在模擬過程中的一個設(shè)計漏洞的發(fā)現(xiàn)就為此工程節(jié)約了25萬英鎊［4］。由此可見虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工程實踐應(yīng)用中的重要性。

3 結(jié)束語

目前針對不同的使用目的，支持計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)的軟件和平臺有MultiGen Creator、World Tool Kit(WTK)等高端產(chǎn)品，也有主要以網(wǎng)絡(luò)3D虛擬社區(qū)及游戲場景開發(fā)作為其市場發(fā)展目標(biāo)的Cult3D、Shockwave 3D、Adobe Atmosphere、VR-Platform 系統(tǒng)等［5］。國內(nèi)在應(yīng)用方面也做了很多嘗試，比如再現(xiàn)圓明園項目、對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中數(shù)據(jù)與評價體系的研究等。隨著系統(tǒng)功能的完善及軟件技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用前景必將更加廣闊。

［1］ 陳子偉，石建和，張黎.實體建筑虛擬化［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，33(6)：93-96.

［2］ 楊麗，項秉仁.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用［J］.華中建筑，2007，25(9)：98-99.

［3］ 高建華.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計方面的實踐應(yīng)用［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2010，23(5)：72-73.

［4］ 任宏，趙冬.利用五維建筑模型構(gòu)建創(chuàng)新工程項目管理模式［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，29(9)：152-155.

［5］ 劉光然，張麗霞.虛擬現(xiàn)實技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.