建筑室內(nèi)外方案設(shè)計中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

胡小玲 陸茵

【摘 要】本文分析建筑室內(nèi)外方案設(shè)計中VR技術(shù)表達(dá)的優(yōu)越性，闡述基于VR技術(shù)的建筑方案設(shè)計中方案構(gòu)想、方案設(shè)計、方案建模、可視化表達(dá)等階段，從室內(nèi)外兩方面論述建筑設(shè)計方案從二維圖示到三維空間可視化的演進(jìn)過程，以及建筑方案設(shè)計中VR可視化表達(dá)的創(chuàng)作。

【關(guān)鍵詞】建筑室內(nèi)外方案 ?設(shè)計 ?虛擬現(xiàn)實技術(shù) ?應(yīng)用

【中圖分類號】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）07C-0190-03

建筑方案設(shè)計是一個漫長而曲折的過程，針對一個方案設(shè)計需要由設(shè)計準(zhǔn)備階段，包括接受業(yè)主委托、明確設(shè)計任務(wù)、實地現(xiàn)場勘測，到方案設(shè)計階段，包括功能性設(shè)計、光環(huán)境設(shè)計、節(jié)能、通風(fēng)等。建筑方案設(shè)計過程又包括草圖設(shè)計、施工方案設(shè)計、三維空間的設(shè)計等。盡管目前的計算機(jī)對建筑方案效果展示已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，特別是在美觀上，甚至堪稱到了極致，然而從本質(zhì)上，不管是CAD繪制的方案圖，還是3Dsmax渲染的效果圖，他們都屬于二維的平面圖。二維的平面圖只能通過顯示器觀察室內(nèi)環(huán)境的一角或者一個側(cè)面，卻不能反映方案的整體性。因此，要想更好地了解室內(nèi)方案效果，我們需要走進(jìn)空間中去觀看，感受空間環(huán)境設(shè)計。

虛擬現(xiàn)實（以下簡稱VR）技術(shù)是一個可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，作為一項綜合技術(shù)，融合了數(shù)字處理、計算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、傳感技術(shù)、并行處理等技術(shù)，通過多個傳感設(shè)備使用戶“投身于”虛擬的環(huán)境中，與環(huán)境直接進(jìn)行交互。利用VR技術(shù)，用戶不僅可以沉浸于虛擬的空間環(huán)境中，還可以進(jìn)行自由的漫游。VR技術(shù)下，反映了虛擬環(huán)境與真實環(huán)境的相互關(guān)系。通過可視化，能夠充分表達(dá)設(shè)計方案的整體效果，使錯綜復(fù)雜的室內(nèi)外環(huán)境變得簡單。通過VR的交互設(shè)計，能給客戶提供多個方案選擇，使得設(shè)計更科學(xué)、更可靠。

一、建筑室內(nèi)外方案設(shè)計中VR技術(shù)表達(dá)的優(yōu)越性

VR技術(shù)這一概念最早在20世紀(jì)中期由美國VPL探索公司和它的創(chuàng)始人JamnIJaIlier提出。最早將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計行業(yè)的是德國，如漢諾威世界博覽會德國館的建筑，就是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計的。美國燈光空間軟件公司開發(fā)了燈飾可視化軟件“LightscapeVisualizationSystem”和LEL居士室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)，開始將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于室內(nèi)設(shè)計中。時至今日，傳統(tǒng)的二維平面方案設(shè)計展示已經(jīng)不能滿足日益發(fā)展的需求，VR技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用也越來越廣泛。因為虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)的場景并非虛構(gòu)的，它是極高仿制現(xiàn)有的環(huán)境，盡可能逼真地讓人們體驗到真實環(huán)境的感受，讓自己置身于真實的空間中，這在本質(zhì)上已經(jīng)區(qū)別于傳統(tǒng)的二維方案展示。VR技術(shù)利用計算機(jī)的實時漫游、實時交互功能，讓用戶實現(xiàn)人與物的交互。通過沉浸于場景中，可以進(jìn)行實時漫游，通過改變場景的物體位置、大小、顏色、構(gòu)造構(gòu)建不同的方案展示。VR技術(shù)改變了傳統(tǒng)展示方式的單一乏味的信息傳遞，讓設(shè)計變得更形象、更直觀、更具體。

二、基于VR技術(shù)的建筑方案設(shè)計階段

（一）方案構(gòu)想。方案構(gòu)想是一個朦朧到清晰的狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)有的基本條件，如建筑的地理位置、環(huán)境情況、客戶需求進(jìn)行構(gòu)想得到的一種初步的、概念性的想法。方案構(gòu)想是最初的、也是最基本的設(shè)計靈感，為方案設(shè)計做準(zhǔn)備。

（二）方案設(shè)計。初步方案構(gòu)思完成后，進(jìn)行方案設(shè)計。方案設(shè)計是方案的表達(dá)，將設(shè)計構(gòu)思的精髓高度提煉出來進(jìn)行整合。方案設(shè)計從分析需求出發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)品的功能性、技術(shù)性，從性能到技術(shù)都在設(shè)計方案中體現(xiàn)出來。因此，方案設(shè)計是整個設(shè)計的重要階段，是極富創(chuàng)造性的階段，也是一個復(fù)雜的階段，它體現(xiàn)出設(shè)計者的水平、靈感、經(jīng)驗，還有想象力。建筑室內(nèi)外方案設(shè)計不僅要考慮形體、空間布局及復(fù)雜空間的位置關(guān)系，更要考慮精細(xì)化處理，如空間尺度、比例、材料、光影等的完整性。

（三）方案建模。方案建模是根據(jù)設(shè)計方案完成的建筑的外觀或者內(nèi)部模型的構(gòu)建。以建筑的總平面圖、平面圖、立面圖、大樣圖為依據(jù)，按照真實勘測的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。

（四）可視化表達(dá)。模型構(gòu)建的最終目的是反映設(shè)計的風(fēng)格、色彩、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、光影等外觀與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，最后對整個設(shè)計有個完整的表達(dá)。VR可視化階段進(jìn)行沉浸性的虛擬場景漫游，能為觀察者提供多角度、多方案的體驗。同時，VR系統(tǒng)還包括模擬的太陽光照對環(huán)境的影響，讓建筑的整體表達(dá)更全面、更真實、更有說服力。

三、設(shè)計方案從二維圖示到三維空間可視化的演進(jìn)

圖示作為建筑方案的重要表達(dá)方式，固然有著極其重要的作用，但由于二維圖形的局限性，它僅僅能展示方案的局部或者其中的幾個面，針對細(xì)部構(gòu)造依然無法進(jìn)行全面展示，更別提多個方案同時進(jìn)行展示。設(shè)計者希望超越傳統(tǒng)的圖示方式，通過多個角度展示多個方案，并且動態(tài)展示設(shè)計者的構(gòu)思、設(shè)計、意圖，則VR技術(shù)正好能實現(xiàn)這樣的視覺表達(dá)。

（一）建筑室外設(shè)計方案可視化演進(jìn)過程。建筑室外可視化表達(dá)，從二維圖形到三維場景空間轉(zhuǎn)化，可以沉浸性地自由漫游，重在展示建筑的造型、色彩、立面肌理、光影等相互之間的關(guān)系及作品的完整性。以現(xiàn)代建筑室外虛擬場景表達(dá)為例，首先對虛擬場景的對象進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及處理，繪制CAD底圖，再進(jìn)行3Dsmax建模并進(jìn)行優(yōu)化處理，最后導(dǎo)入可視化平臺進(jìn)行材質(zhì)貼圖及交互、燈光交互。具體操作步驟如下：CAD方案設(shè)計圖→導(dǎo)入到3Dsmax平臺→選擇相應(yīng)樣條線或者多邊形線進(jìn)行勾勒輪廓→利用擠出命令得出三維模型→創(chuàng)建樓層地面和陽臺→創(chuàng)建建筑的墻壁及矮樓→創(chuàng)建建筑樓頂→導(dǎo)入可視化平臺（Unity、UnrealEngine4、Mars平臺）→添加材質(zhì)貼圖并進(jìn)行交互設(shè)置→添加燈光并進(jìn)行交互設(shè)置→漫游場景導(dǎo)出。

（二）建筑室內(nèi)設(shè)計方案可視化演進(jìn)過程。室內(nèi)多角度、多方案的可視化表達(dá)，重在展示方案的功能性、裝飾性。制作過程首先是收集并整理數(shù)據(jù)，從功能需求、設(shè)計的風(fēng)格、家具的造型、色彩搭配、材料肌理多要素考慮，構(gòu)建室內(nèi)設(shè)計的方案思路，繪制CAD方案設(shè)計圖，導(dǎo)入三維場景建模，將三維模型導(dǎo)入可視化平臺，最后導(dǎo)出效果。具體操作步驟如下：室內(nèi)方案的構(gòu)思→繪制CAD平面方案設(shè)計圖→CAD導(dǎo)入到3Dsmax平臺→繪制墻體輪廓→將墻線擠出得到墻體→繪制地板→繪制天花板→繪制裝飾構(gòu)件（吊頂造型，對景造型等）→添加家具→把模型另存在.FBX模式導(dǎo)入可視化平臺（Unity、UnrealEngine4、Mars平臺）→添加材質(zhì)、貼圖并進(jìn)行交互設(shè)置→添加燈光及陰影并進(jìn)行交互設(shè)置→漫游場景導(dǎo)出。

四、建筑室內(nèi)外方案設(shè)計中VR可視化表達(dá)的創(chuàng)作

針對建筑室內(nèi)外方案設(shè)計，筆者認(rèn)為應(yīng)遵循以下幾個原則：功能需求與建筑尺度相結(jié)合、材料肌理與設(shè)計主題相結(jié)合、色彩搭配與風(fēng)格相結(jié)合、燈光多樣性與視覺環(huán)境相結(jié)合。在創(chuàng)作過程中，利用VR可漫游、可沉浸、可視化交互功能，力求做到靈活、多樣，讓效果更具體、更直觀。

（一）建筑室外方案設(shè)計的VR可視化表達(dá)。隨著人們生活質(zhì)量的提高，建筑不再滿足于功能的使用，充滿視覺享受的建筑外觀造型、材料質(zhì)感、設(shè)計色彩、光影變幻，大大增強(qiáng)了建筑的藝術(shù)欣賞性。因此，建筑外觀設(shè)計要從造型、材料、肌理、質(zhì)感、光與色等幾方面進(jìn)行考慮。豐富的建筑外觀，不僅保證建筑物造型的生動，還要在一定程度上體現(xiàn)建筑物價值，使其與城市特色相符合。通過VR技術(shù)可漫游、可沉浸的特性，使用戶進(jìn)入虛擬場景中，將外觀的造型是否美觀、比例是否協(xié)調(diào)、虛實結(jié)合是否合理一覽無余盡收眼底。

在建筑外觀設(shè)計過程中，設(shè)計者要對材料有充分的認(rèn)識，這與最終的室外方案展示有直接的聯(lián)系。在建筑外觀設(shè)計表達(dá)上，通過搭配不同的材料，達(dá)到更好地詮釋并表達(dá)建筑物價值的目的。建筑外觀設(shè)計材料通常包括混凝土、大理石、有機(jī)玻璃、墻磚、金屬等，運用不同的材料給人不同的視覺感受，如花崗巖材料給人一種豪華、堅固的感覺，透明的玻璃材質(zhì)營造出晶瑩、通透的感覺，金屬材料富貴、大氣的感覺。針對不同性格愛好及審美需求的客戶，VR系統(tǒng)能夠做到通過多個材料搭配對比表達(dá)多種效果。另外，在建筑外觀設(shè)計上，色與光是相輔相成的，結(jié)合建筑的特點，選擇適當(dāng)?shù)念伾?，進(jìn)行有效的組合，能凸顯建筑的特色、風(fēng)格，或者顯示簡潔、精致或者大氣、肅靜的特點，賦予建筑生命力。燈光也能為建筑再添精彩。具體做法是在VR平臺中，將所需的材料做成材質(zhì)庫，將不同的材料分別賦予在建筑上，通過交互功能使不同材料在建筑外觀得以展示。如“光輝城市建筑VR軟件Mars”展現(xiàn)的建筑外觀設(shè)計，首先建立以外墻漆、木板類飾面、墻磚類飾面、金屬、玻璃等材質(zhì)庫，將這些材料分別賦予在建筑物外部，可以展示不同的個性。通過飽和度、灰度、粗糙度、高光強(qiáng)度等進(jìn)行調(diào)制，可以調(diào)節(jié)出不同的效果，反映出相同材料不同明暗的視覺。VR系統(tǒng)中，可構(gòu)建數(shù)千種材質(zhì)，形成高精的材質(zhì)庫，所有的材質(zhì)都可進(jìn)行紋理尺寸、紋理方向、色彩、UV等參數(shù)的高度編輯，可以實時顯示，實時渲染出圖，滿足了所見即所得的效果，這為建筑設(shè)計提供無數(shù)的可能。VR系統(tǒng)下的光照可自由調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度、明暗、色溫、衰減等，不同的光照環(huán)境對建筑的光設(shè)計與選擇提供重要的參考，豐富的光環(huán)境下，建筑尤顯金碧輝煌。另外，VR系統(tǒng)還可以進(jìn)行自然光照度模擬，包括晴天、多云、黃昏、黎明、滿月、繁星等的光照效果，這可以為自然光照下的建筑外觀設(shè)計提供重要參考。

VR技術(shù)下，用戶能夠沉浸于虛擬的建筑環(huán)境中，能夠?qū)崿F(xiàn)多設(shè)計方案、多環(huán)境效果的實時切換，用動態(tài)交互的方式對建筑外觀設(shè)計進(jìn)行身臨其境的全方位的審視，給用戶帶來強(qiáng)烈、逼真的視覺沖擊。

（二）建筑室內(nèi)方案設(shè)計的VR可視化表達(dá)。建筑室內(nèi)方案設(shè)計與建筑室外方案設(shè)計相比，則更細(xì)膩，特別在空間尺寸、比例的要求體現(xiàn)上。以居室設(shè)計為例，居室設(shè)計不僅要具備居住、美學(xué)功能，也要滿足社會文化和心理功能要求，同時也反映環(huán)境氣氛等精神因素。

如何檢驗設(shè)計是否符合用戶需求，首先VR技術(shù)能夠讓用戶走進(jìn)居室，720°環(huán)繞空間，近距離感受室內(nèi)設(shè)計的結(jié)構(gòu)及整體效果。其次VR技術(shù)能進(jìn)行室內(nèi)材料及家具切換。裝飾材料包括地面材料、墻面材料、頂面材料。地面材料有拋光磚、木地板、地毯等，拋光效果好的地面給人整潔、清涼之感，木地板有冬暖夏涼之感，鋪裝地毯讓室內(nèi)環(huán)境溫暖、柔和;對于室內(nèi)家具品裝飾，堅實的木質(zhì)沙發(fā)營造出中式韻味，而紡織品家具給人現(xiàn)代、溫柔的感覺。材料的顏色更是影響室內(nèi)設(shè)計的一個重要因素，暖色調(diào)給人熱情、愉快的感覺，冷色調(diào)給人肅靜、安靜、沉穩(wěn)的感覺。室內(nèi)家具多種多樣，風(fēng)格、顏色、形狀不一，如沙發(fā)按材質(zhì)分類，就有布藝沙發(fā)、木制沙發(fā)等，按風(fēng)格分又有中式風(fēng)格、歐式風(fēng)格等。各種裝飾材料的色彩、質(zhì)感、觸感、光澤、樣式等的綜合運用，將極大地影響到室內(nèi)環(huán)境。同時，室內(nèi)設(shè)計在表達(dá)上應(yīng)做到光、影、色的相互結(jié)合。光是營造室內(nèi)氛圍的重要因素。室內(nèi)光包括自然光照和人工照明。自然光照反映了自然條件下，從日出到日落的光照效果。VR技術(shù)能將室內(nèi)環(huán)境的光照由清晨日出東方到黃昏日落西山的效果表現(xiàn)得淋漓盡致。自然光照為后期的人工照明提供依據(jù)。

通過室內(nèi)設(shè)計多方案可視化展示，可以高效滿足客戶需求。以Unity為例，具體做法是先完成常規(guī)的三維建模，如前期的CAD方案圖的繪制，3Dsmax三維模型的構(gòu)建，導(dǎo)入到Unity 3D平臺，完成可視化設(shè)置（包括材質(zhì)、燈光的設(shè)置與參數(shù)調(diào)整）、交互設(shè)置、效果發(fā)布等。在進(jìn)行材質(zhì)交互設(shè)置時，首先將需要展示的材料分別做成材質(zhì)球，大量的材質(zhì)球形成材質(zhì)庫。對需要交互材質(zhì)的物體增加一個感知碰撞。感知碰撞其實就是一個碰觸的范圍，當(dāng)鼠標(biāo)或者設(shè)備觸碰到設(shè)定的范圍即可進(jìn)行材料交替。如在客廳地面上設(shè)置木地板、仿古磚、拋光磚作為交互替換的材質(zhì)，當(dāng)鼠標(biāo)觸碰到地面時，即可進(jìn)行不同材料的展示效果。同理，景墻面設(shè)計作為家庭裝飾的亮點或者重點，可采用對景顏色和花紋不同來給用戶不同選擇。室內(nèi)燈光首先考慮日照光源，主要采用平行光。平行光用于模擬太陽光，當(dāng)太陽位置不同，則室內(nèi)受光角度不同則反映不同的光照效果。室內(nèi)人工照明采用點光源、聚光燈和面光源。點光源用于向四周發(fā)射的光線，如燈泡的光，也可以用于補(bǔ)光。聚光燈能夠產(chǎn)生錐形的照射區(qū)域，用于模擬筒燈、吊燈、落地?zé)舻墓庹招ЧM(jìn)行局部物品的照射，起到烘托的作用。面光源主要用于燈帶的制作。人工照明是為了彌補(bǔ)自然光照無法達(dá)到照明需求，或營造富有藝術(shù)效果的照明需求。

利用VR可視化技術(shù)對室內(nèi)空間裝飾進(jìn)行展示，能從風(fēng)格、色彩、材料、質(zhì)感、光環(huán)境等進(jìn)行方案對比，從而讓客戶選擇合適的方案設(shè)計。VR可視化為創(chuàng)造滿足人們物質(zhì)和精神生活的室內(nèi)環(huán)境提供更好的參考。

建筑方案設(shè)計與可視化表達(dá)是一個系統(tǒng)的過程。通過VR可視化來展示建筑室內(nèi)外方案，穿透二維圖示傳遞空間的內(nèi)涵，能夠?qū)⒍鄠€設(shè)計方案在不同的階段進(jìn)行展示，有效促進(jìn)設(shè)計中問題的解決，為方案的確定提供重要的依據(jù)。VR的可視化表達(dá)打破了傳統(tǒng)的思維局限，在未來的建筑室內(nèi)外設(shè)計將引領(lǐng)時尚，創(chuàng)造奇跡。

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【基金項目】2018年度廣西職業(yè)教育教學(xué)改革研究項目“基于虛擬交互視覺體驗的裝飾設(shè)計創(chuàng)新實踐教學(xué)改革研究”（GXGZJG2018B068）

【作者簡介】胡小玲（1984— ），女，廣西平南人，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：建筑裝飾與室內(nèi)設(shè)計;陸 茵（1978— ），女，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：自動化、建筑電氣工程技術(shù)。

（責(zé)編 蘇 洋）