虛擬現(xiàn)實技術在老舊建筑“虛擬復原”或改造設計中的應用

周 磊 劉澤群

（沈陽理工大學藝術設計學院，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

老舊建筑實施改造和翻新設計，既要對其進行現(xiàn)代化改造，還要注重老舊建筑蘊含的歷史文化和意義，這是老城改造工程中的重難點。利用虛擬現(xiàn)實技術，對老舊建筑進行虛擬重構，可以構建出3D 虛擬互動系統(tǒng)，不但可以在系統(tǒng)中保存老舊建筑的原有樣貌，還可以在系統(tǒng)中進行改造設計，直觀展示老舊建筑改造后的效果[1]。如果對于改造的效果不滿意，還可以重新進行改造設計，變更方式簡便快捷，有利于提高改造設計的效率，為老舊建筑的改造設計提供了更加科學和直觀的方法。本文就虛擬現(xiàn)實技術在老舊建筑改造設計中的應用進行分析。

1 老舊建筑改造的定義及價值

1.1 老舊建筑改造的定義

國際室內標準部將老舊建筑改造設計定義為：“將一座老舊建筑通過修理或改造，在保留其重要的歷史、建筑和文化價值特征的同時，實現(xiàn)有效的、現(xiàn)時的用途，這一轉化的行為或過程”[2]。

《中國既有建筑改造政策和市場化運作》一文，對當前國內老舊建筑最常用的一些界定做了較為全面的梳理：

（1）在城鎮(zhèn)地區(qū)，建成并交付運營的新建筑物屬于老建筑；

（2）已建成且已使用超過兩年的為老樓；

（3）當一棟新的房屋完工并交付使用后，由于人類和自然等原因，房屋的物理性質與房屋用戶的要求和房屋的安全性標準之間有差異，需要進行維修、改建或者改建的房屋被稱作“老房屋”[3]。

1.2 老舊建筑改造的價值

對老舊建筑物進行改造，改造后的老舊建筑不僅有其歷史和藝術價值，還蘊藏著極大的經濟價值，并將其恢復再用，作為推動城市建設與社會振興的有效手段。

1.2.1 歷史價值——城市文脈的延續(xù)

與一些特定時期和特定人物有關的建筑，它們不但記載了有關歷史，更是民族奮斗的載體。在這些空置的老舊建筑中，有些是與重要的歷史事件、重要的人物相關，有些已成為“文化遺產”。這些老舊建筑折射出了一定時期人們的思維方式和技術水平。正因如此，這些老舊建筑就成了衡量城市歷史價值的重要組成部分。

1.2.2 社會經濟價值——舊有資源利用

廢棄的工廠大樓材質堅固、空間結構簡潔，有高挑的支撐和寬闊的空間，易于被改建和重新使用。若對產業(yè)結構進行更新，既能節(jié)約拆遷費用，又能為當?shù)貏?chuàng)造巨大的經濟效益。這可以為經濟發(fā)展提供新動力，同時還可以增加就業(yè)場所，有效減輕社會人口的增長帶來的就業(yè)壓力。

1.2.3 精神藝術價值——展示建筑美學

老舊建筑反映著一個地區(qū)在一定時期內的建筑風格，因此，對老舊建筑的改建和使用，就是一種藝術創(chuàng)造。在原來的陳設上，經過改建或加建，改變建筑的立面、空間和建筑的體量，引進新材料、新色彩等，讓這些老舊建筑在經過改建之后，不僅可以展現(xiàn)出原來的工業(yè)美學，還可以展現(xiàn)出古老的建筑韻味，同時還可以營造出濃郁的藝術氛圍。

2 虛擬現(xiàn)實技術概況

2.1 基本概念

“虛擬現(xiàn)實”的概念源于英語中的“Virtual Reality”，其簡稱為VR。虛擬現(xiàn)實技術，是在計算機的軟件和硬件及各類傳感器的支撐下，通過虛擬模擬的方法，為觀看者創(chuàng)建一個可以實時地反映出實體對象的改變與相互作用的虛擬世界，讓使用者可以在視覺、聽覺及觸覺等多種感知方式與虛擬世界展開更加自然的互動。

虛擬現(xiàn)實的基本理念是：借助各種感知裝置，將使用者“投入”到一個仿真的場景中，從而實現(xiàn)使用者與這個場景之間的自然互動。

2.2 主要特點

虛擬現(xiàn)實技術作為一系列高新技術的組合體，具有感知性、交互性、抽象性和沉浸性的特點，為人們直觀地感受微觀和宏觀物體的運轉狀態(tài)或規(guī)律，提供了途徑。

2.2.1 感知性

虛擬現(xiàn)實技術的作用就是將人們的視覺、聽覺、觸覺等感官系統(tǒng)充分利用，以此來對物體進行認知，實現(xiàn)全方位觀察或操作的目的。當前，在虛擬現(xiàn)實技術中，人類的感官系統(tǒng)并未充分利用起來，而在將來，感官系統(tǒng)將會得到更多的利用。

2.2.2 交互性

“交互”是借助科技手段營造一個虛擬的環(huán)境，將信息從一個終端傳送到另一個終端，再由“大腦”做出反應，從而確保使用者體驗的真實、準確和及時性，同時也能滿足使用者與這個世界中的人物或物品的信息交互需求。

2.2.3 抽象性

通過虛擬環(huán)境的構造實現(xiàn)對現(xiàn)實的抽象，就是為了讓人能夠在虛擬環(huán)境中感受到“真實”的景象，從而擴大認識范圍。對于設計人員來說，他們要對現(xiàn)實世界中所發(fā)生的事情進行認識，并對其進行抽象，借助電腦來完成虛擬世界的構建。

2.2.4 沉浸性

沉浸性是當參與者置身于虛擬環(huán)境中時，其感覺系統(tǒng)以一種與在真實環(huán)境中相同的方式處理來自虛擬世界的視覺和其他感知數(shù)據，從而提高使用者在使用時的代入感。最好的沉浸性就是讓使用者的視覺、聽覺和其他感覺都融入到這個虛擬的環(huán)境中去。

3 虛擬現(xiàn)實技術在老舊建筑保護中的優(yōu)勢

利用虛擬現(xiàn)實技術，對老舊建筑進行虛擬重構，構建出一個3D 的虛擬互動系統(tǒng)，不但可以保存老舊建筑的原有影響，還可以在虛擬現(xiàn)實中進行改造設計，為老舊建筑的改造設計提供了更加科學和直接的手段。

3.1 提升對老舊建筑的認識

將虛擬現(xiàn)實技術用于對老舊建筑的改造設計，能夠通過該系統(tǒng)準確而逼真地模擬出老舊建筑的原貌，包括建筑的結構布局、材料、紋理，以及周圍的環(huán)境，甚至是不同季節(jié)、一天中的不同時間段的光影效果，都會在虛擬系統(tǒng)中被真實地顯現(xiàn)出來。觀看的人可以在這座老舊建筑中自由地穿梭，甚至還可以隨意地飛行，可以隨意地移動到任何一個地方，可以從各個角度觀察這座老舊建筑。這樣，就可以讓改造設計人員更加全面、深入地認識該建筑。

3.2 增強對老舊建筑的保護

作為文化遺產的老舊建筑中有很多的易損構造，在改造設計過程中很可能會出現(xiàn)脆化、脫色、剝落等問題，即使經過了人為的修補，也很難被長久地作為文化遺產應用到研究和展覽中去。通過虛擬現(xiàn)實技術的使用，可以將老舊建筑的各個方面都完整地、多角度地進行展示，能夠幫助改造設計人員清楚地掌握易損構造和易損部位，有利于老舊建筑的改造和保護，有助于延長文物建筑的使用期限。

3.3 深入挖掘歷史文化遺存

在虛擬現(xiàn)實技術中，可以以考古研究資料和文獻記錄為基礎，對還沒有發(fā)掘或已經泯滅了的建筑遺址、遺存進行仿真分析。并且通過互聯(lián)網技術將這些文物信息進行統(tǒng)一的集成，在不對建筑遺產自身的安全性造成任何影響的情況下，進行全方位的展示。

在虛擬的建造環(huán)境中，能夠容納大量的有關目標的信息，從而實現(xiàn)對信息的集成和共享[4]。可以根據具體的歷史建筑特點，構建與其有關的信息數(shù)據庫。借助電腦和互聯(lián)網，將大量的文物信息進行整合，再借助虛擬現(xiàn)實技術，對大量的文物信息進行更加全面、生動、逼真的展現(xiàn)，讓這些文物信息擺脫了地理上的局限，達到了信息的分享，讓這些信息能夠被所有的人所“擁有”。

4 虛擬現(xiàn)實技術在老舊建筑改造中的應用案例

在老舊建筑改造設計中，往往會遇到一些很難符合客戶要求的工程項目，要經過反復修改，最終使其符合客戶要求。而在計算機輔助下，建立3D 模型，不但能模擬出老舊建筑的樣子，還可以利用虛擬現(xiàn)實技術對老舊建筑的改造升級，能夠突破現(xiàn)實的壁壘在虛擬建筑中大膽構想；對于歷史建筑，還能夠完整地還原歷史風貌。

4.1 虛擬現(xiàn)實技術在圓明園遺址修復中的作用

1860 年至1928 年，圓明園遭遇了“火劫”“木劫”和“石劫”，徹底蕩然無存，留下的只有瓦礫。2012年在原址上對劫后圓明園的遺址進行了修繕（見圖1 所示），虛擬現(xiàn)實技術在其中起到了重要的作用。

圖1 圓明園遺址

圖2 巴黎圣母院

圓明園的“虛擬復原”計劃由梁思成的弟子郭黛姮率領的清華研究小組展開，歷時15 年，將所有已知的景區(qū)資料進行整理，到現(xiàn)在為止，已經有六成以上的景區(qū)在虛擬世界中被精確地還原出來。通過分析各樓閣的形態(tài)特點和建筑構造，并找出整個園林中各大水系的變動模式。同時，虛擬現(xiàn)實技術也被運用到了圓明園的“虛擬復原”中，每一個建筑都需要經過電腦編程，建筑的每一個角落都要經過精心的設計，再加上虛擬現(xiàn)實技術的實時渲染，讓視頻中的整個建筑看起來更加的宏偉壯觀。經過上萬份歷史文件的收集與修復、數(shù)千份設計手稿的整理，近2000 個模擬圓明園的建筑模型的建立，以及120 個不同的六個歷史時期的場景的整合，終于讓這個被稱為“萬園之園”的圓明園，再次通過視頻呈現(xiàn)出來。

研究人員將數(shù)字模擬和虛擬現(xiàn)實技術與傳統(tǒng)建筑技術結合起來，以數(shù)字圖像與資訊的方式，盡可能地在視頻中恢復圓明園的原始風貌，讓參觀者可以在圓明園的廢墟中，通過特定的互動裝置，體驗到曾經的圓明園風采。

4.2 用虛擬現(xiàn)實技術還原巴黎圣母院

巴黎圣母院坐落在塞納河畔的法國巴黎城的中心，巴黎的教堂是在1163 年開始建造的，1345 年竣工。2018 年4 月發(fā)生的一起火災，導致巴黎大教堂的尖塔和圓頂全部被焚毀。按照相關部門和專家的估計，整個維修工作還需要5 年左右的時間，但是，因為目前的技術難度，整個維修工作還會被推遲。

這場大火造成巴黎圣母院的整個圓頂都被焚毀、三個主梁拱門坍塌、之前用來加固圓頂?shù)闹Ъ芤脖环贇Р⒃斐纱罅拷Y構部件的損壞[5]。在施工過程中，從零散的建筑構件、雕塑、裝飾線腳等材料中，識別出可以進行修補再利用并進行替換的構件，是一件十分復雜而困難的工作。

運用虛擬現(xiàn)實技術，在計算機中錄入各種建筑構件、結構部件信息，可以讓工匠們在以后的工作中明確需要開展的工作。在虛擬現(xiàn)實的模擬重建中進行建筑建模假設，模擬可能發(fā)生的狀況，以最大限度地加速修繕進程。在此過程中還能建立網上旅游線路，是減少建筑物損壞、保存文物的最佳途徑。

5 結束語

虛擬現(xiàn)實技術由于具有感知性、交互性、抽象性和沉浸性，能夠使老舊建筑在3D虛擬世界中更加完整、更加全面地展現(xiàn)出來，實現(xiàn)對老舊建筑的改造設計。在“虛擬世界”中對老舊建筑物進行改造，不但可以再現(xiàn)真實的建筑物，而且還可以幫助人們在虛擬世界中進行創(chuàng)作。未來，人們對建筑物的認識會越來越深刻，這對建筑師提出了更高的要求，促使他們在老舊建筑改造過程中積極地運用各種先進技術，合理選擇設計方法、提高設計質量，滿足對于老建筑改造設計的需求。