VR三維可視化技術(shù)在建筑方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究

于 露，沈辛怡

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 第四工程院，河南 鄭州 450007)

近年來，隨著建筑功能的多元化和復(fù)合化發(fā)展，建筑空間越來越復(fù)雜，建筑造型日趨數(shù)字化，傳統(tǒng)的二維建筑設(shè)計(jì)模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新時(shí)代的建造需求。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國建筑領(lǐng)域涌現(xiàn)出一批先進(jìn)的建造與設(shè)計(jì)技術(shù)，如虛擬建造、智慧城市、虛擬現(xiàn)實(shí)等，新技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了建筑領(lǐng)域的發(fā)展與變革。

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)是一種將仿真科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)融為一體的新技術(shù)。通過VR軟件平臺模擬“虛擬空間”，漫游者能穿著VR設(shè)備進(jìn)入“虛擬空間”，完成沉浸式空間體驗(yàn)。體驗(yàn)者通過計(jì)算機(jī)傳感技術(shù)、三維顯示技術(shù)，能夠與虛擬世界交互而獲得真實(shí)的空間體驗(yàn)。這完全顛覆了傳統(tǒng)的空間體驗(yàn)形式，帶來了建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的巨大變革[1]。

建筑理論研究的目的是工程實(shí)踐應(yīng)用，本文將VR三維可視化技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程，以某廠廠區(qū)改造項(xiàng)目為例來總結(jié)VR技術(shù)輔助設(shè)計(jì)決策的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用方法。

1 傳統(tǒng)建筑方案設(shè)計(jì)模式面臨困境

建筑設(shè)計(jì)師的一般工作模式為：首先通過搜集前期資料、匯總甲方設(shè)計(jì)需求，初步確實(shí)設(shè)計(jì)理念；然后借助Sketchup草圖大師等設(shè)計(jì)軟件深化方案構(gòu)思，并通過CAD繪圖軟件細(xì)化設(shè)計(jì)；最后采用Photoshop等后期設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行效果表達(dá)。在設(shè)計(jì)方案確定之前，這一設(shè)計(jì)過程會不斷循環(huán)[2]。

縱觀建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程，建筑設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)作方法與技術(shù)發(fā)展聯(lián)系密切，自計(jì)算機(jī)技術(shù)普及以來，圖紙媒介越來越無法滿足建筑設(shè)計(jì)需求，建筑設(shè)計(jì)從語言、文字、紙質(zhì)文件逐步轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的二維設(shè)計(jì)模式。新的建筑設(shè)計(jì)模式提高了工作效率，豐富了設(shè)計(jì)表達(dá)方式。目前的建筑設(shè)計(jì)過程多以二維設(shè)計(jì)平臺為基礎(chǔ)，僅輔助局部三維的效果表現(xiàn)方式，即使采用Sketchup模型、3Dmax渲染效果圖，也只是計(jì)算機(jī)屏幕中的三維表達(dá)方式，建筑設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)依據(jù)仍基本上是經(jīng)驗(yàn)式判斷，根本無法在建筑完成之前進(jìn)入建筑空間進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)、審視，也無法準(zhǔn)確判斷建筑的空間效果，建筑方案只能在使用后進(jìn)行評價(jià)而無法預(yù)先了解其效果。顯然，這樣的建筑方案設(shè)計(jì)模式必定存在經(jīng)驗(yàn)誤差和較大的局限性，以及設(shè)計(jì)效果圖無法反映真實(shí)建造效果、設(shè)計(jì)修改成本高、溝通不暢等問題。

2 VR三維可視化技術(shù)帶來了建筑方案的設(shè)計(jì)創(chuàng)新

VR三維可視化技術(shù)的沉浸式體驗(yàn)功能改變了建筑業(yè)傳統(tǒng)的思維和工作模式，為解決建筑設(shè)計(jì)所面臨的復(fù)雜性和協(xié)同性難題提供了契機(jī)，在建筑設(shè)計(jì)行業(yè)有廣闊的發(fā)展前景。沉浸式可互動的建筑空間體驗(yàn)方法，為客戶提供了更直接的、由宏觀到微觀詮釋方案的形式，在幫助用戶更好理解設(shè)計(jì)理念的同時(shí)，能促進(jìn)不同部門之間的高效溝通與協(xié)作[3]。

VR三維可視化技術(shù)可以輔助設(shè)計(jì)決策，豐富建筑設(shè)計(jì)師認(rèn)知空間的手段，使設(shè)計(jì)師不再受經(jīng)驗(yàn)的制約，而能通過真實(shí)的空間感受來輔助設(shè)計(jì)決策。建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料和建筑施工要求可在VR中直觀地呈現(xiàn)。建筑設(shè)計(jì)師和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師可以在VR中準(zhǔn)確判斷空間尺度與建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)系，了解建筑材質(zhì)的質(zhì)感表現(xiàn)、建筑空間的光影效果，以及建筑體量改變帶來的表現(xiàn)力的變化，進(jìn)而幫助建筑師判斷設(shè)計(jì)是否適宜、建筑形象與周邊地塊的建筑是否契合、建筑與城市整體風(fēng)貌是否協(xié)調(diào)等。例如，在設(shè)計(jì)共享大廳層高與柱距時(shí)，建筑師可能會遇到尺度把控不精準(zhǔn)等問題，通過VR三維可視化技術(shù)能夠判斷哪種層高(如3.9 m、4.5 m、4.8 m)更符合使用者的主觀感受，以幫助建筑師在不同功能的建筑中選擇合適的尺度來滿足人對建筑空間的要求。

VR三維可視化建筑創(chuàng)作即利用VR技術(shù)輔助建筑創(chuàng)作。它包括：建筑師在建筑創(chuàng)作過程中穿戴VR硬件設(shè)備進(jìn)入VR軟件平臺的三維空間，沉浸式體驗(yàn)已建立草圖模型的場地環(huán)境、建筑內(nèi)外空間來推敲方案，形成“草圖構(gòu)思→計(jì)算機(jī)模型建立→VR空間方案體驗(yàn)→反饋修改構(gòu)思與建筑模型→VR空間體驗(yàn)……”循環(huán)評價(jià)創(chuàng)作模式，以達(dá)到用三維空間進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)作的完美境界。它要求以第一人稱的視角進(jìn)入自己創(chuàng)作的建筑空間，體驗(yàn)空間的尺度感是否合理；觀察空間的視線是否存在私密性干擾；計(jì)算房間的日照是否充足；查看建筑細(xì)部構(gòu)件尺寸是否合適；測試建筑功能是否滿足用戶使用需求；驗(yàn)證建筑在防火安全疏散方面是否存在問題……。

目前，利用VR軟件在虛擬世界的建筑空間中推敲方案，已成為建筑創(chuàng)作的全新模式，為建筑設(shè)計(jì)提供了新的思維方法和手段[4]。

3 以VR三維可視化技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)有建筑整合

某廠始建于1950年，位于南陽市新華東路，是南水北調(diào)中線工程起點(diǎn)、歷史文化名城南陽市的重要工業(yè)企業(yè)。由于現(xiàn)有廠區(qū)已不符合城市規(guī)劃要求，建筑布局與功能已不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)及安全生產(chǎn)的需要，亟需進(jìn)行廠區(qū)改造與環(huán)境治理。在方案設(shè)計(jì)時(shí)，可全程使用VR三維可視化技術(shù)輔助設(shè)計(jì)過程與決策，以改進(jìn)設(shè)計(jì)效果、提高工作效率；可根據(jù)圖紙和實(shí)景照片模擬廠區(qū)現(xiàn)狀，建立三維模型，通過VR三維可視化技術(shù)進(jìn)入模型進(jìn)行感知、創(chuàng)作，探討空間的具體安排是否能滿足功能要求；在確定設(shè)計(jì)現(xiàn)有條件的同時(shí)，分析現(xiàn)場的具體情況(它包括基地氣候、城市環(huán)境、街道輪廓天際線、容積率、建筑高度、結(jié)構(gòu)及空間形式等)，為建筑前期構(gòu)思提供充分的設(shè)計(jì)依據(jù)[5]。

采用VR三維可視化技術(shù)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的具體技術(shù)路線如下：實(shí)地調(diào)研測繪→還原廠區(qū)建筑現(xiàn)狀模型→建筑現(xiàn)狀問題整理→提出改造策略→前期構(gòu)思→三維模型創(chuàng)建→將模型導(dǎo)入Mars軟件，以VR三維可視化技術(shù)輔助修正設(shè)計(jì)過程→深入構(gòu)思、修改方案→輸出成果→通過VR三維可視化技術(shù)向甲方匯報(bào)。

4 以VR三維可視化技術(shù)進(jìn)行建筑單體改造和環(huán)境塑造

4.1 建筑單體改造

(1) 列入改造的科技綜合樓是1996年8月建成的。其主體建筑為16層，建筑高度為57.15 m，建筑面積為9 252 m2，裙房為3層，主入口位于裙房東側(cè),南立面朝向新華路。科技綜合樓現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 科技綜合樓現(xiàn)狀

進(jìn)入VR模型觀察發(fā)現(xiàn)，該科技綜合樓是廠區(qū)內(nèi)最高的建筑，與周邊地塊上建筑相比也屬于較高的建筑，對廠區(qū)形象和城市街景街容具有較大影響?？萍季C合樓的4個角部為凸出的弧形體塊；外立面為白色瓷磚貼面、鋁合金框的藍(lán)色玻璃幕墻及老式鋁合金窗框的藍(lán)色玻璃窗。實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，其立面造型較為陳舊，面磚已出現(xiàn)脫落，具有安全隱患，根本無法滿足現(xiàn)代城市和現(xiàn)代科技企業(yè)的形象展示要求，必須進(jìn)行改造。VR視角的科技綜合樓現(xiàn)有建筑效果如圖2所示。

圖2 VR視角的科技綜合樓現(xiàn)有建筑效果

(2) 列入改造的煙葉醇化庫共6層，高度為22.4 m，建筑面積為25 400 m2，其平面呈工字形布置(圖3)。通過VR漫游發(fā)現(xiàn)，該建筑體量較大，距離城市道路交叉口較近，且面向城市的主立面十分明顯。實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，其外立面為白色瓷片，整體陳舊，裝飾效果較差，與現(xiàn)代化工廠的形象定位不符。VR視角的煙葉醇化庫現(xiàn)有建筑效果如圖4所示。

圖3 煙葉醇化庫現(xiàn)狀

圖4 VR視角的煙葉醇化庫現(xiàn)有建筑效果

為了讓煙葉醇化庫的建筑形象與廠區(qū)整體風(fēng)貌協(xié)調(diào)統(tǒng)一，擬在改造時(shí)將立面原有白色瓷片清洗后噴涂米白色外墻涂料，并在建筑四角局部采用外包鋼結(jié)構(gòu)龍骨后，干掛陶板，噴涂“黃金麻”真石漆，使該建筑在色彩上與廠區(qū)其他建筑保持一致。

4.2 建筑環(huán)境塑造

溫涼河是南陽市區(qū)的主要內(nèi)河，從該廠廠區(qū)中間穿過，將廠區(qū)一分為二。溫涼河的景觀對廠區(qū)內(nèi)環(huán)境塑造的影響很大。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前的沿河景觀并不是很好。因此，改造工程應(yīng)在改善廠區(qū)環(huán)境的同時(shí)對沿河景觀效果進(jìn)行提升，可通過VR三維可視化技術(shù)進(jìn)入建筑環(huán)境中進(jìn)行感知，在得到空間反饋后進(jìn)行景觀植物及組團(tuán)搭配的優(yōu)化設(shè)計(jì)。VR視角的溫涼河沿河景觀如圖5所示。

(a) 遠(yuǎn) 景

(b) 近 景圖5 VR視角的溫涼河沿河景觀

廠前區(qū)的中心廣場是廠區(qū)景觀形象最重要的一部分，設(shè)計(jì)時(shí)可引入中軸對稱的景觀水系來突出廠區(qū)的中軸線，使金葉廣場在原有植被基礎(chǔ)上提升景觀效果。VR視角的金葉廣場景觀效果如圖6所示。VR視角的廠區(qū)中心廣場夜景如圖7所示。

圖6 VR視角的金葉廣場景觀效果

圖7 VR視角的廠區(qū)中心廣場夜景

5 以VR三維可視化技術(shù)輔助建筑比選和細(xì)節(jié)推敲

在初步確定建筑設(shè)計(jì)方案之后，對方案進(jìn)一步推敲、比較、細(xì)化是相對關(guān)鍵的步驟。一個設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣與方案設(shè)計(jì)時(shí)的推敲程度有密切關(guān)系。采用VR三維可視化技術(shù)，從幾個重要視角進(jìn)行把握和比較，可以不斷檢驗(yàn)造型構(gòu)思，完善功能布局，推進(jìn)并深化設(shè)計(jì)過程。

5.1 建筑立面對比

采用建筑設(shè)計(jì)中常用的設(shè)計(jì)軟件Sketch up是無法模擬立面材質(zhì)效果的，只有在效果圖公司完成效果圖渲染才能比對立面材質(zhì)紋理的最終效果。這種設(shè)計(jì)方法在修改設(shè)計(jì)時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。以VR三維可視化技術(shù)輔助建筑設(shè)計(jì)時(shí)，建筑設(shè)計(jì)師可置身于VR虛擬世界，在同一個觀察點(diǎn)或同一個觀察序列中感受不同的建筑環(huán)境，比較不同方案的特點(diǎn)和優(yōu)劣，并進(jìn)一步進(jìn)行決策。這樣，建筑設(shè)計(jì)師能更明晰地認(rèn)知所設(shè)計(jì)建筑的細(xì)節(jié)，了解建筑與地形、環(huán)境之間的關(guān)系，隨時(shí)比對建筑的立面效果，以節(jié)省反復(fù)渲染的時(shí)間和精力[6]。

在該廠科技綜合樓改造立面造型設(shè)計(jì)的兩個比選方案中，方案一采取現(xiàn)代建筑手法，以玻璃幕墻為主，融入豎向線條，使得沿城市道路方向的主立面更加挺拔連貫(圖8)；方案二以實(shí)墻為主進(jìn)行設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有建筑立面材質(zhì)紋理的基礎(chǔ)上，采用外掛陶板方式對樓體角部弧形體塊進(jìn)行遮擋，以突出改造效果(圖9)。通過VR三維可視化技術(shù)進(jìn)行兩個方案比選，并以此方式向客戶匯報(bào)，考慮造價(jià)及效果等因素后，本文確定采用方案二的科技綜合樓改造立面形式。

圖8 科技綜合樓改造方案一的VR視角效果

圖9 科技綜合樓改造方案二的VR視角效果

5.2 建筑空間尺度推敲

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中，建筑設(shè)計(jì)師無法以真實(shí)視角觀察體驗(yàn)建筑，難以在設(shè)計(jì)階段感知方案模型的空間尺度。因此，建成后建筑空間尺度往往與圖紙要求存在偏差。以VR三維可視化技術(shù)輔助推敲建筑設(shè)計(jì)時(shí)，建筑設(shè)計(jì)師能進(jìn)入VR 空間推敲建筑方案，以人本視角和人體尺度體驗(yàn)建筑空間，直觀感受建筑的高度、寬度等空間尺度，并獲得建筑內(nèi)、外的空間感受[7]。

針對該廠下沉式庭院的設(shè)計(jì)方案，建筑設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)入虛擬世界，感受庭院內(nèi)的空間尺度是否滿足公共空間的心理需要；同時(shí)在室內(nèi)外的過渡空間體驗(yàn)自然風(fēng)光與景致，以便更合理地設(shè)置下沉式庭院的景觀組團(tuán)，讓設(shè)計(jì)與自然結(jié)合得更加緊密。圖10所示為下沉式庭院的VR視覺效果。以VR視角感知的庭院空間尺度如圖11所示。

圖10 下沉式庭院的VR視角效果

圖11 以VR視角感知的庭院空間尺度

6 以VR三維可視化技術(shù)輔助方案匯報(bào)

6.1 成果輸出

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)成果輸出方式離不開效果圖公司的渲染，需要專門的效果圖師建模并制作效果圖。效果圖師和建筑設(shè)計(jì)師之間可能存在溝通問題，若與建筑設(shè)計(jì)師對接的效果圖師理解力不夠，或者語言表達(dá)不到位，建筑設(shè)計(jì)師的想法就無法在效果圖上充分體現(xiàn)。模型在渲染前，只能依靠效果圖師的經(jīng)驗(yàn)來判斷渲染的效果，建筑設(shè)計(jì)師根本不可能完全把控效果圖的全部細(xì)節(jié)。

在該廠改造設(shè)計(jì)中，通過VR三維可視化技術(shù)直接輸出設(shè)計(jì)成果，在三維場景下可隨意調(diào)整環(huán)境形態(tài)、日照參數(shù)等，模擬建成后的建筑效果，并且能以同一視角的不同時(shí)間點(diǎn)體現(xiàn)設(shè)計(jì)效果[8]。以VR三維可視化技術(shù)輸出的同一視角不同時(shí)間點(diǎn)的聯(lián)合工房效果圖見圖12。

(a) 白 天

(b) 夜 晚圖12 以VR三維可視化技術(shù)輸出的同一視角不同時(shí)間點(diǎn)的聯(lián)合工房效果圖

6.2 多樣化匯報(bào)

由于該廠為原地改造建設(shè)，建設(shè)規(guī)模較大，與傳統(tǒng)改造項(xiàng)目擇址新建或異地搬遷不同，需在不影響生產(chǎn)、辦公的前提下進(jìn)行分步施工，因此設(shè)計(jì)過程中建筑設(shè)計(jì)師需要與客戶多次溝通，共同決策，確定分步施工建筑設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵和細(xì)節(jié)。而傳統(tǒng)的交流方式對于建筑空間的描述與信息全方位傳遞來說存在一定障礙。為此，建筑設(shè)計(jì)師采用“Mars+VR”的多維多樣化匯報(bào)方式，將三維模型應(yīng)用于虛擬空間，為客戶提供多個設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，使客戶能憑借VR設(shè)備身臨其境地感受不同方案的設(shè)計(jì)效果，選定最佳方案。建筑設(shè)計(jì)師利用VR三維可視化技術(shù)的硬件和軟件進(jìn)行方案匯報(bào)，通過全景效果圖全方位了解建筑效果，采用三維立體動畫，使靜態(tài)匯報(bào)變?yōu)閯討B(tài)的全方位匯報(bào)；同時(shí)，匯報(bào)現(xiàn)場的交互體驗(yàn)、實(shí)時(shí)修改，能大大提升交流溝通與修改完善建筑方案的效率[9]。

以VR三維可視化技術(shù)輔助方案匯報(bào)，能夠輸出全景效果圖二維碼。客戶通過手機(jī)即可進(jìn)入場景，按照建筑設(shè)計(jì)師預(yù)先設(shè)定的路線游走，以360°全方位地觀看建筑形態(tài)。輔助VR眼鏡等設(shè)備，客戶可進(jìn)入場景漫游，直接感受建筑設(shè)計(jì)效果(圖13)。這大為改善了成果展示的效果，提高了效率。

圖13 客戶佩戴VR眼鏡感受建筑設(shè)計(jì)效果的瞬間