虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

吳俁錕

中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司建筑設(shè)計院 北京 100000

引言

建筑與人們的工作和生活都有密切關(guān)聯(lián)，建筑工程建設(shè)主要有籌劃立項、設(shè)計、施工及驗收等重要環(huán)節(jié)，而建筑設(shè)計是關(guān)鍵性的前期準(zhǔn)備工作，合理可行的建筑設(shè)計方案是后期施工及驗收的重要參考與指導(dǎo)，因此，必須保證建筑設(shè)計質(zhì)量的可靠性，但是由于建筑設(shè)計涉及工程材料、機械設(shè)備等諸多方面，因此很難保證建筑設(shè)計方案不存在一絲疏漏，要想有效轉(zhuǎn)變這種狀況，相關(guān)人員很有必要深入探討建筑設(shè)計對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實際應(yīng)用，以便助推建筑設(shè)計作業(yè)的高效開展。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用在建筑設(shè)計中的意義

在開展建筑設(shè)計的過程中，參與設(shè)計的設(shè)計人員首先會收集與建筑設(shè)計相關(guān)的工程信息，并通過工程信息來開展建筑結(jié)構(gòu)板塊構(gòu)建從而實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程基礎(chǔ)，然后完成工程圖紙的繪制流程，最后獲得工程相關(guān)的統(tǒng)計計算信息和數(shù)據(jù)。在一系列設(shè)計過程中，設(shè)計人員受到傳統(tǒng)設(shè)計流程的弊端限制，無法有效地將建筑工程結(jié)構(gòu)的各種屬性進(jìn)行全面的展示，的建筑工程在應(yīng)用設(shè)計內(nèi)容是，不能夠有效獲得建筑物的全方位信息，直接導(dǎo)致了設(shè)計過程中所存在的缺陷不能夠被直觀發(fā)現(xiàn)，開始進(jìn)入施工流程后才可能暴露相關(guān)問題，這對于建筑工程施工的順利展開產(chǎn)生了抑制作用。因為使用設(shè)計內(nèi)容的人員無法全面獲得建筑信息，由此可能產(chǎn)生嚴(yán)重的建筑問題而導(dǎo)致的各類糾紛。為了解決這種弊端帶來的設(shè)計施工影響，保證設(shè)計內(nèi)容以及思路和建筑相關(guān)的各類信息能夠得到全面的展示，設(shè)計人員可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來完成建筑模型的三維設(shè)計，通過虛擬的空間造型，將各類信息全方位的展示在三維建筑模型中，為后續(xù)的建筑施工流程提供更加豐富的信息。

1.1 幫助修改建筑設(shè)計中存在的問題

建筑物的設(shè)計過程本身涉及多種復(fù)雜的工作流程，這時的設(shè)計人在開展建筑設(shè)計的過程中常常出現(xiàn)錯誤，對于建筑物的結(jié)構(gòu)或者空間關(guān)系的表達(dá)存在模糊地帶，有時還可能出現(xiàn)技術(shù)參數(shù)標(biāo)注不清晰，使得建筑建造過程可能會存在結(jié)構(gòu)問題，甚至在某些建筑構(gòu)件安裝過程中出現(xiàn)錯誤。為了扭轉(zhuǎn)這種現(xiàn)象對建筑物施工所產(chǎn)生的影響，建筑物設(shè)計人員可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來有效降低建筑物設(shè)計過程中的復(fù)雜流程，通過建立三維虛擬場景來將設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行有效的展現(xiàn)，這更加容易將建筑設(shè)計過程中可能存在的問題或錯誤以較為直觀的方式可以發(fā)現(xiàn)，保證設(shè)計內(nèi)容更加科學(xué)合理。

1.2 幫助理解建筑設(shè)計中的各種思路和信息

當(dāng)建筑物工程項目進(jìn)入施工階段，施工人員的施工指引來自設(shè)計人員所給出的繪圖樣本，但不少施工人員對于傳統(tǒng)的二維或三維繪圖樣板認(rèn)識不足，無法通過這些繪圖樣板獲得建筑施工過程中的各類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或技術(shù)參數(shù)，這直接導(dǎo)致了施工過程中可能產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差，甚至引發(fā)嚴(yán)重的質(zhì)量或安全事故[1]。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計師能夠?qū)⒃O(shè)計過程中的各類考量以及細(xì)節(jié)進(jìn)行清晰的展示。施工人員可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)清晰的了解施工流程及其對應(yīng)的各種技術(shù)參數(shù)以及施工材料，建筑物的結(jié)構(gòu)比例和尺寸等等。這有效的建立了施工人員和設(shè)計人員之間的溝通橋梁。虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身具備明確的沉浸式特征，這不僅對于設(shè)計人員在開展建筑工程設(shè)計時提供了更加適合設(shè)計的環(huán)境，同時能夠?qū)⒔ㄖこ添椖康母黝愋畔⒑蛿?shù)據(jù)反映在三維建模中。所有與建筑項目相關(guān)的各類人員都能夠通過三維建模對設(shè)計過程中的思路以及建筑物自身的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行清晰的掌握。只有有效降低建筑物在施工過程中可能出現(xiàn)的各類問題，才能保證建筑工程施工能夠順利開展，最終實現(xiàn)建筑物的質(zhì)量提升。

1.3 使得建筑設(shè)計保持多樣化

設(shè)計人在開展一項建筑工程設(shè)計的過程中，常常面臨多種設(shè)計難題，傳統(tǒng)的設(shè)計過程是要求設(shè)計人員最終通過建筑模型以及建筑圖紙來將設(shè)計過程中的想法和思路進(jìn)行有效的表達(dá)，這能夠有效地將建筑設(shè)計中所存在的缺陷和問題可以發(fā)現(xiàn)。通過利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的沉浸式特征以及交互性特點，設(shè)計人員更加容易將建筑思維和建筑理念與設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行有效的聯(lián)系。使得所有參與建筑工程項目的各方人員都能夠在使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的過程中獲得更好的沉浸感，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的擴展性增強，通過先進(jìn)的傳感技術(shù)，人們能夠與虛擬環(huán)境中的各種元素進(jìn)行有效的交互。這也改變了傳統(tǒng)建筑工程設(shè)計中的多種弊端，使得建筑物在設(shè)計人員或建筑參與者的眼中更加具體和形象。設(shè)計人員能夠通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)與其他建筑工程項目相關(guān)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程溝通和交流，這使得身處不同地域的人們能夠通過該技術(shù)打破時空限制開展積極有效的交流，對于建筑工程項目的完善以及優(yōu)化有著非常重要的作用。

2 建筑設(shè)計中的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用方法

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容為建立有效的三維信息模型，并將三維信息模型放置于仿真空間，這使得建筑設(shè)計人員能夠更加直觀地將建筑物的空間關(guān)系結(jié)構(gòu)內(nèi)容進(jìn)行改動和完善。同時幫助其他建筑工程項目參與人員提供了遠(yuǎn)程溝通交流的平臺。

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)周邊

要實現(xiàn)完善的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，同樣需要軟件和硬件的支持，其中所包含的網(wǎng)絡(luò)互動以及全景技術(shù)為當(dāng)前虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的重要技術(shù)組成，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的設(shè)計人員可以通過硬件設(shè)備諸如具備聲音和顯示系統(tǒng)的頭盔設(shè)備或其他顯示設(shè)備來開展設(shè)計過程，通過這些綜合性的硬件設(shè)備設(shè)計人員能夠通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)入還原度很高的虛擬仿真環(huán)境中，這些虛擬環(huán)境中的各種結(jié)構(gòu)通常具備還原度極高的真實性?，F(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實技術(shù)還能夠通過編程的方法來對三維虛擬結(jié)構(gòu)以及虛擬環(huán)境進(jìn)行改造[2]。設(shè)計人員可以通過將與建筑工程信息相關(guān)的各級參數(shù)輸入與虛擬現(xiàn)實設(shè)備相關(guān)的計算機硬件系統(tǒng)中，其中所包含的三維建模軟件也能夠依據(jù)這些數(shù)據(jù)和信息來完成三維建筑模型的生成過程，同時可以將該建筑所對應(yīng)的各類信息和數(shù)據(jù)組成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。完成這個前提條件之后技術(shù)人員便能夠通過驅(qū)動軟件來對之前完成建設(shè)的三維建筑模型給予相應(yīng)的操作，設(shè)計人員可以通過這些操作來對接信息技術(shù)，同時可以將設(shè)計方案在這種環(huán)境下進(jìn)行完善和微調(diào)。同時還能夠通過軟件對建筑模型添加光照，聲音，以及周邊環(huán)境等多種不同的虛擬現(xiàn)實元素。使得建筑物本身能夠處于更加真實的虛擬空間。

2.2 如何構(gòu)建建筑模型

相比較傳統(tǒng)的二維三維繪圖樣紙所形成的建筑模型構(gòu)成基礎(chǔ)需要耗費大量的時間以及資金投入，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)所建立的建筑模型不僅建立過程較為簡潔，更容易通過存儲設(shè)備來進(jìn)行保存，這使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的建筑模型具備較好的經(jīng)濟(jì)性，同時能夠使得建筑人員更加清晰的了解三維建筑模型中所標(biāo)示的各類信息和數(shù)據(jù)，更加容易通過這種方式來對建筑設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行修改和更新。

2.3 如何創(chuàng)造和完善仿真空間

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)完成制作的三維建筑模型，能夠通過各類硬件設(shè)備使得設(shè)計人員沉浸于仿真度較高的虛擬環(huán)境中。計算機系統(tǒng)可以通過人為操作來對客觀存在的現(xiàn)實世界開展模擬，通過這種模擬的過程使得設(shè)計人員能夠通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)沉浸于與現(xiàn)實世界幾乎相同的環(huán)境中，這不僅提升了設(shè)計流程的便捷性同時有效地降低了建筑操作過程中可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險[3]。同時這種三維虛擬模型能夠降低人們對于復(fù)雜建筑環(huán)境，以及通過肉眼無法觀察到的建筑結(jié)構(gòu)組成，這使得設(shè)計人員在開展建筑工程設(shè)計時大大降低了設(shè)計難度。虛擬現(xiàn)實技術(shù)其本身具備良好的沉浸性，也有效地降低了三維建筑模型的生產(chǎn)制造難度，通過將現(xiàn)實世界中的建筑尺寸以及建筑比例來完成建筑結(jié)構(gòu)以及外形，美觀度等多種元素的建筑特征。同時虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)⒔ㄖ锏木植?，如門窗陽臺樓梯進(jìn)行細(xì)節(jié)放大和精確展示，同時還能夠?qū)⒔ㄖ锔鱾€不同結(jié)構(gòu)所使用的材料以及尺寸有效的展示在三維建筑模型中。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將建筑物內(nèi)部所包含的照明排水以及暖通系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的展示，同時能夠通過這種展示過程來對建筑物內(nèi)部的附屬設(shè)施進(jìn)行布局設(shè)計。通過這種方式設(shè)計人員利用更加簡單的方式將建筑物內(nèi)部復(fù)雜的系統(tǒng)組成進(jìn)行了清晰的設(shè)置和展示，例如對建筑內(nèi)部管線的布局設(shè)計有效地降低了傳統(tǒng)設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的管線布局沖突。同時能夠利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備管線進(jìn)行精度較高的展示過程，通過縮放的方法能夠?qū)⒔ㄖ飪?nèi)部的結(jié)構(gòu)清晰的展示給建筑施工等不同的參與方，使得利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的工作人員能夠更加直觀和細(xì)致的了解建筑工程項目的各個細(xì)節(jié)。

2.4 自動修改建筑設(shè)計的能力

在建筑工程設(shè)計過程中會涉及多個不同的領(lǐng)域，包含道路橋梁房屋建設(shè)等相關(guān)工程的各類過程以及技術(shù)，在針對這些工程開展設(shè)計的過程中設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)保證嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度避免出現(xiàn)因為較小的錯誤而導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)計缺陷，這些設(shè)計缺陷會在施工的過程中逐漸顯現(xiàn)出來，最終會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響不僅會導(dǎo)致成本上升，同時為了解決這些在設(shè)計過程中所存在的缺陷，就需要在后續(xù)的方案修改過程中增加大量的工作[4]。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來對這些建筑施工過程所涉及的各類模型進(jìn)行設(shè)計，首先需要參與設(shè)計的工作人員具備虛擬現(xiàn)實技術(shù)的專業(yè)背景，并且能夠通過與建筑工程項目相關(guān)的數(shù)據(jù)庫來不斷地調(diào)整建筑工程設(shè)計模型，同時需要設(shè)計人員了解不同建筑設(shè)計類型所包含的參數(shù)數(shù)值，這能夠保證虛擬模型能夠正確反映出建筑模型的實用性，能夠讓虛擬現(xiàn)實技術(shù)更好地服務(wù)于建筑工程項目的后續(xù)施工。

3 虛擬現(xiàn)實拓展應(yīng)用

首先設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)利用3DMAX以及AutoCAD相關(guān)軟件來開展建筑工程模型的建模過程，該建模過程能夠?qū)⒔ㄖこ添椖吭O(shè)計中的所有細(xì)節(jié)進(jìn)行有效的展示。建模過程通常需要耗費大量的時間，開展工作之前設(shè)計人員要對原設(shè)計方案進(jìn)行科學(xué)的拆解，然后將拆解的設(shè)計內(nèi)容重新組成建筑模型，其中核心的建模過程要點是要保證完成的模型面數(shù)與原設(shè)計中的技術(shù)參數(shù)保持一致。

完成建模之后，設(shè)計人員還應(yīng)當(dāng)做好未發(fā)現(xiàn)的拆解過程，通常會將模型拆解為兩層UV，這兩層UV通常由紋理和光照信息組成[5]。紋理通常由設(shè)計師選擇材質(zhì)紋理貼圖，并將這些材質(zhì)紋理貼圖與模型表面進(jìn)行有效的聯(lián)系，同時保證紋理貼圖的尺寸與走向和建模保持一致、光照信息則需要通過3DMAX軟件來進(jìn)行拆分，這是因為采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)中所包含的引擎來進(jìn)行拆分時錯誤數(shù)量較多，無法實現(xiàn)較為合理的光照效果。

完成優(yōu)化線以及模型的建模之后便可以把具備光照信息和紋理貼圖的模型與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引擎進(jìn)行早日工作，此時便可以通過在建筑結(jié)構(gòu)和建筑物周邊設(shè)置相應(yīng)的場景以及場景所包含的材質(zhì)來完成虛擬場景的建立過程[6]。同樣為了提高環(huán)境的真實度可以通過3DMAX來進(jìn)行模型制作，完成場景優(yōu)化工作。

最后一步則是在模型中增加交互信息內(nèi)容，其實需要用到Bp程序來編寫交互內(nèi)容，通過完善視線角分析在不斷調(diào)整虛擬現(xiàn)實空間中模擬數(shù)值的大小，完成調(diào)整后模型備案具備了更加真實的光照模擬，同時可以增加和完善IES信息至建模場景中。

4 結(jié)束語

從總體上說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)屬于一種先進(jìn)技術(shù)，將該項技術(shù)合理融入建筑設(shè)計中，設(shè)計人員能夠借助該項技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，更好的改進(jìn)與完善建筑設(shè)計方案，從而保證建筑設(shè)計方案的科學(xué)合理性，為了實現(xiàn)對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的充分利用，借此發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最大應(yīng)用價值，我們應(yīng)深入開展該項技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用研究。