數(shù)字化虛擬仿真技術應用在特色建筑中的前景發(fā)展分析

荊崇浩 李玉萍

引言

歷史文化建筑是城市的寶貴資源，是塑造城市形象的重要組成部分。大連歷史文化悠久、近代歷史建筑文化更具特色，將建筑進行數(shù)字化虛擬仿真設計并做外延產(chǎn)品進行應用和推廣，不僅可以宣傳大連城市形象，帶動旅游品牌的發(fā)展，還可以傳承歷史文化，展現(xiàn)大連獨特的城市風貌。創(chuàng)造的這一空間環(huán)境既具有使用價值，能滿足相應的功能要求，同時也能反映建筑風格、環(huán)境氣氛等精神因素，現(xiàn)代虛擬的廣泛普及，新的3D軟件被用于建筑設計，這無疑對建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。計算機數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實技術對建筑設計的影響是其他任何行業(yè)都無法比擬的。視頻架構、數(shù)字仿真和虛擬場景為用戶提供了更加真實的感覺和體驗。建筑設計本身在過去已經(jīng)發(fā)生了巨大改變，無論是設計方法，還是工具和媒介，都發(fā)生了變化。分析數(shù)字虛擬現(xiàn)實技術在建筑設計中的應用可以幫助闡明建筑模型如何適應這種變化，如何將傳統(tǒng)建筑設計的優(yōu)勢與計算機數(shù)字和虛擬現(xiàn)實技術的應用。

一、虛擬現(xiàn)實的現(xiàn)狀研究：

數(shù)字化虛擬技術指的是存在于計算機中的虛擬空間，是由各種計算機的網(wǎng)絡技術創(chuàng)建的空間，包括一些視覺、聽覺和觸覺的虛擬環(huán)境。通過某種連接，人們可以在這種環(huán)境中擁有身臨其境的體驗，并且通過人機連接，實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境之間的交流。虛擬現(xiàn)實技術是人工智能等通過AutoCAD、3DMAX和AI等軟件設計制作效果圖，懂得室內(nèi)設計裝飾材料的性能和選擇、施工流程以及工程預算，以及展位搭建流程等實踐技術。為客戶提供最大的便利化。

二、數(shù)字化虛擬技術的定義：

數(shù)字虛擬技術是基于虛擬在線技術，能夠實現(xiàn)超越3D建模的真實再現(xiàn)能力，以達到對環(huán)境或物體對象進行情景的逼真再現(xiàn)。通過后期制作，使文件能夠通過鼠標或鍵盤控制使畫面實現(xiàn)全方位的視角觀看，以達到身臨其境的視覺感受。是博物館、美術館等實現(xiàn)數(shù)字展示的最佳方式 ，對城市的建設建筑都有很大的現(xiàn)實影響意義。

（一）數(shù)字化虛擬技術的特點與發(fā)展

產(chǎn)品設計過程是一個對信息進行采集、傳遞、加工處理的過程。在傳統(tǒng)設計模式下，我們的設計信息一般是通過實物來傳遞的，這種方式往往效率低，成本高，周期長且質(zhì)量差，已經(jīng)很難滿足企業(yè)當前生存和發(fā)展的需要。為了能在競爭中處于有利位置，企業(yè)實現(xiàn)設計數(shù)字化勢在必行。與其傳統(tǒng)設計相比較，數(shù)字化設計更易于完成設計意圖、修改設計錯誤、傳遞設計信息和共享設計數(shù)據(jù)。數(shù)字化設計是指將計算機技術應用于產(chǎn)品設計領域，通過基于產(chǎn)品描述的數(shù)字化平臺，建立數(shù)字化產(chǎn)品模型并在產(chǎn)品開發(fā)過程應用，數(shù)字化虛擬設計技術的發(fā)展，兩個顯著優(yōu)點：

（1）可以減少設計過程中實物模型的制造。傳統(tǒng)設計在產(chǎn)品研制中需經(jīng)過反復多次的"樣機生產(chǎn)—樣機測試—修改設計”的過程，這不僅耗費物力、財力，還使得產(chǎn)品研制周期延長。數(shù)字化設計則在制造物理樣機之前，針對數(shù)字化模型進行仿真分析與測試，可排除某些設計不合理性;

（2）相對與傳統(tǒng)設計過程的串行化，數(shù)字化設計可以讓一項設計工作由多個設計隊伍在不同的地域分頭并行設計、共同裝配，這在提高產(chǎn)品設計質(zhì)量與速度方面具有重要的意義。

（二）數(shù)字化虛擬技術在特色建筑中的應用價值

通過數(shù)字化虛擬技術的各種應用特點，有利于特色建筑方面的研究以及發(fā)展，保護讓數(shù)字化虛擬技術也能夠在實踐中發(fā)展，對數(shù)字化制造技術應用價值的討論，我認為是非常重要的。這不僅僅是對提高效率、減低成本之類的常規(guī)評估，還必須看到數(shù)字化制造技術有兩點革命性的突破：

其一是填平了人的思維與工程表達之間鴻溝。用二維平面工程視圖來描述產(chǎn)品的方法大約沿用了200多年。但是，人的思維是多維的，工程師們在創(chuàng)意新產(chǎn)品時，首先涌現(xiàn)的是多維的實體形象而不是一個個的平面視圖。為了向制造它的人傳遞產(chǎn)品的信息，必須將這個活生生的實體變成為復雜的、但為工程界所共識的平面圖形。

三、特色建筑及歷史文化建筑對城市的意義：

在中國，“標志性景觀”這一概念最早出現(xiàn)于1999年，但提出者當時并未對其作出明確的定義。普遍認為，城市標志性景觀應該指的是，一個城市中用來濃縮、凝聚、集中反映和折射、代表城市總體特征的特定地段是城市的縮影區(qū)，是城市的代表性區(qū)域，是城市的窗口，是外來游客的必游之地。所以"城市標志性建筑"和“城市標志性景觀”都具有公眾指示和“航標燈”的作用。而在當代人的認知里"城市地標”已經(jīng)兼具"城市標志性建筑"和"城市標志性景觀"的功能與作用。百度百科中提到：“城市地標"是指每個城市的標志性區(qū)域或地點，或者能夠充分體現(xiàn)該城市（地區(qū)）風貌及發(fā)展建設的區(qū)域。所以“城市地標"在新的時代背景下已經(jīng)完全能夠體現(xiàn)“城市標志性建筑"和“城市標志性景觀”所具有的含義。

綜上，城市地標的概念應該為一個城市中用來濃縮、凝聚、集中反映和折射、在現(xiàn)代，地標建筑在城市中占據(jù)的重要位置以及獨特的造型與體量，使得人們無論從觀察上還是從認知上對于這些建筑的理解基本遵循古代城市的傳統(tǒng)意義，得出的城市意象也是屬于傳統(tǒng)的形態(tài)。大致來講地標建筑具有以下五方面作用：

（1）空間標識作用。

（2）空間參照物作用。用于標定距離、高度、方位等，這種標定不但確定自己所處位置與標志物之間的空間關系，而且傳達著環(huán)境安全性方面的信息。

（3）空間向導作用。地標建筑提供的空間信息是固定的和公認的，人們可以充分利用這些信息判斷方向和距離，實現(xiàn)各種空間活動的目的，這個作用似乎在現(xiàn)代城市中顯得更為強烈。

（4）空間統(tǒng)轄作用;標志性建筑利用其特殊的體量和形式，對周圍環(huán)境的建筑形體進行統(tǒng)轄，使得城市空間更加有秩序，美化視覺環(huán)境，強化視覺感受。

（5）多樣的文化意義;由于地標建筑能夠表示城市的性質(zhì)與功能，因此可以蘊含或者傳達城市的文化意義，古代城市的地標建筑是自然地形與城市文化之間完美結合的創(chuàng)造。

（一） VR虛擬技術與特色建筑產(chǎn)業(yè)文化的融合：

虛擬現(xiàn)實，VR技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統(tǒng)。、，也稱靈境技術或人工環(huán)境。虛擬環(huán)境是由計算機生成的，通過一定的配套設備使得視、聽、觸覺等感覺作用于用戶，使其產(chǎn)生身臨其境的感覺的交互式視景仿真?！?虛擬環(huán)境系統(tǒng)包括了以下幾個學科技術：其中計算機圖形學、圖象處理與模式識別、智能接口技術、人工智能技術、多傳感器技術、語音處理與音像技術、網(wǎng)絡技術作為基礎，通過計算機系統(tǒng)對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行處理和高性能計算，對不同功能、不同層次的具有相當規(guī)模的子系統(tǒng)所構成的大型綜合集成環(huán)境進行建模，是新型的綜合性極強的高新信息技術+1。

虛擬現(xiàn)實手藝是按照人類的視覺、聽覺、觸覺的生理心理特點，由計算機產(chǎn)生真實的可視的三維立體圖象，使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互裝備，甚至將本身置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。在虛擬世界中的體驗者與虛擬環(huán)境中的各種對象或者場景的相互作用，就會產(chǎn)生相互影響，就如同在現(xiàn)實世界中人與自然相互作用相互影響的一樣，一切感覺都是那么逼真，甚至是真實、身臨其境的體驗。最炫酷的莫過于在科幻電影《復仇者聯(lián)盟：奧創(chuàng)時代》中小羅伯特唐尼飾演的鋼鐵俠所擁有的人工智能，不需要頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套就能達到虛擬與顯示結合的效果，這種技術稱之為增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，簡稱AR），這也是VR技術最終達到的目標。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是人通過使用的設備比如鍵盤、鼠標、模擬顯示器、觸屏等輸入計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)通過高速計算和分析作出一種類人為的行為，也就是人工智能的初步體現(xiàn)。體驗者通過自身的語言、肢體語言或觸摸鍵盤、界面等自然動作，就能對虛擬環(huán)境中的對象進行考察、操作、研究、計算，而且還能使之生成大數(shù)據(jù)記錄存檔。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)安裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應的配套裝置，就可以讓體驗者在虛擬環(huán)境中體會到“耳聽為真、眼見為實”的境界，及獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，使得體驗者分不清虛擬與現(xiàn)實。

運用虛擬現(xiàn)實技術可以將建筑概念、形狀、特點等均以真實的角度展現(xiàn)在投資方，設計方，施工方以及后期的物業(yè)管理和更高層次的政府，這也是對二維平面表達方式或者動畫表現(xiàn)方式的升級提高，使用者可以全方位的感受建筑的空間，尺度和材質(zhì)，居住或者使用的舒適度，這對于非設計人員參與到設計當中很有幫助，這使得未來我們的建筑將綜合更多環(huán)境因素、區(qū)域因素、人文因素，將使得建筑更加合理化、人性化?，F(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實技術是很好的一種大數(shù)據(jù)的表達方式，我們目前的BIM技術，可以最大限度的存儲數(shù)據(jù)，并指導后期施工，但BIM作為建筑行業(yè)數(shù)據(jù)的表達沒起到關鍵作用，如何表達它的數(shù)據(jù)，并且為相關項目所運用還有所欠缺，通過以往的二維平面表達方式顯然不夠，這時借助虛擬現(xiàn)實技術，將線上項目的展示與線下的實際的地理信息，空間信息，結構信息，材質(zhì)信息，內(nèi)部裝飾信息甚至未來項目所包括的商品信息相結合，可以時時的將未來的建筑運營情況展現(xiàn)在我們的面前，并且為相關項目的建造和設計起到很好的參考作用。

四、VR虛擬技術在特色建筑中的應用：

運用三維建模和建筑信息模型（BIM）技術，建立用于進行虛擬施工和施工過程控制、成本控制的施工模型。該模型能將工藝參數(shù)與影響施工的屬性聯(lián)系起來，以反應施工模型與設計模型之間的交互作用，施工模型要具有可重用性，因此必須建立施工產(chǎn)品主模型描述框架，隨著產(chǎn)品開發(fā)和施工過程的推進，模型描述日益詳細。通過BIM技術，保持模型的一致性及模型信息的可繼承性，實現(xiàn)虛擬施工過程各階段和各方面的有效集成，去挖掘歷史文化建筑帶給城市的寶貴資源，塑造城市形象，例如大連歷史文化悠久、近代歷史建筑文化更具特色，將建筑進行數(shù)字化虛擬仿真設計并做外延產(chǎn)品進行應用和推廣，不僅可以宣傳大連城市形象，帶動旅游品牌的發(fā)展，還可以傳承歷史文化，展現(xiàn)大連獨特的城市風貌。創(chuàng)造的這一空間環(huán)境既具有使用價值，能滿足相應的功能要求，同時也能反映建筑風格、環(huán)境氣氛等精神因素。前景市場可觀。建筑VR是利用虛擬現(xiàn)實技術對現(xiàn)實中的建筑進行三維仿真，具有人機交互性、真實建筑空間感、大面積三維地形仿真等特性。人們能夠在一個虛擬的三維環(huán)境中用動態(tài)交互的方式對未來的建筑或城區(qū)進行身臨其境的全方位的審視。VR可以增強建筑及室內(nèi)設計的設計成果的展示效果，還可以以沉浸式的方式進行施工模擬演練，幫助施工方了解施工過程。室內(nèi)設計師可以利用VR完成沉浸式的家裝設計，同時VR設計軟件的支持下，建筑師有望在不久的將來實現(xiàn)VR建筑設計。

全方位優(yōu)化建筑設計的效率、成本、流程

1、VR 中創(chuàng)作工作

身臨其境的體驗，便于設計師快速決策，大幅度提升效率

2.節(jié)約一些建筑表現(xiàn)成本

相比于傳統(tǒng)效果圖和三維動畫，可節(jié)約建筑表現(xiàn)成本

3、新賦能設計院成為 VR 內(nèi)容提供商

4、全景視頻體驗匯報，輸出高清全景動畫后無需再手動，通過簡單VR設備，便可在固定路徑中沉浸式體驗。

5、賦能設計院成為 VR 內(nèi)容供應商，向甲方提供 VR成果，獲得更高的設計溢價

6、全景輔助匯報，通過二維碼快速展示分享，平板、手機等設備都能進行360°全方位方案。

7、文本直接匯報，新發(fā)布的光輝城市APP可實現(xiàn)傳統(tǒng)匯報文本的三維呈現(xiàn)，并且把方案更加直觀地與一年四季、陰晴雨雪、動態(tài)環(huán)境等實際場景融合展示。

結束語 ：

虛擬建造是在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)的，虛擬現(xiàn)實技術是虛擬建造系統(tǒng)的核心技術，虛擬現(xiàn)實技術是一門融合了很多人工智能、計算機學、人機接口技術、多媒體工業(yè)建筑技術、網(wǎng)絡技術、電子技術、機械技術等高新技術的綜合信息技術。目的是利用計算機軟件以及各種傳感器打造出一個融合視覺、聽覺、觸覺，讓人身臨其境的虛擬環(huán)境。操作者沉浸其中與之交互作用，通過多媒體對感官的刺激，來獲得對所需解決問題的清晰和直觀的認識。進入新的發(fā)展階段，建筑設計既是一項藝術性很強的創(chuàng)作，同時也是一項技術性很強的設計工作。隨著經(jīng)濟和建筑設計業(yè)的發(fā)展，建筑設計已將變成一項信息量很大、系統(tǒng)性和綜合性很強的工作，涉及到建筑物的使用功能、技術路線、經(jīng)濟指標、藝術形式等一系列數(shù)據(jù)的自然科學和社會科學問題，需要采用一種能容納大量信息的系統(tǒng)性方法和技術去運作。數(shù)字技術有很強的能力去解決上述問題。在建筑設計信息的采集、分類、存貯、檢索、分析、傳輸?shù)确矫妫ㄖ?shù)字技術也可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

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作者簡介：

李玉萍：遼寧對外經(jīng)貿(mào)學院藝術學院教師， 該項目指導教師

荊崇浩：遼寧對外經(jīng)貿(mào)學院藝術學院學生，該項目組成員

本文為遼寧對外經(jīng)貿(mào)學院2021年度大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃省級立項項目系列成果之一。

項目名稱：“印象·大連”特色建筑數(shù)字化虛擬仿真設計工作室

項目編號：2021XJDCB046