浅析虚拟现实技术在建筑领域的应用

林 楠

(武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

以计算机和信息技术为依托的数字时代使人们的生活和工作方式发生了巨大变化，随着社会经济的快速发展，信息技术也迅速渗透到各个领域。虚拟现实技术是一种新兴的、综合性的信息技术，它是在计算机图形学、计算机仿真、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等多学科交叉融合的基础上发展起来的综合集成技术。它为人类提供了一种新的人-机界面模式，建立三维虚拟空间，并将人的视觉、听觉、触觉等感知功能融入环境体验，给人以身临其境的感觉［1］。虚拟现实技术在方案设计与演示、项目技术论证等方面具有突出的优势，城市规划和建筑设计也因此成为虚拟现实技术应用最为广泛的领域之一。

1 虚拟现实技术在建筑设计的应用

相对于传统建筑表现方法，虚拟现实技术提供了强大的动态交互功能，实现了建筑由实体空间向虚拟空间的发展，其表达效果更为真实、全面，(见表1)。此外，在项目的技术论证，方案的比较与修改，提高项目规划设计的质量，降低成本与风险方面也有很大优势。虚拟现实技术的发展历史虽然不长，但发展速度却很快。在建筑设计的过程中，从设计前期项目论证到建筑设计方案展示及公众评价，再到工程施工管理，其应用已逐渐渗透到建筑设计的各个环节。

表1 虚拟现实技术与传统建筑表达的比较

1.1 设计项目的技术论证

大型建设项目由于成本高，建成后对环境的影响较大，因而在设计前期需要对其安全性、经济性、建设的可行性加以评估和论证［2］。目前采用较多的评价方式是建立在建筑微缩模型和计算机仿真模型基础上的，虽然比较直观，但对于建筑使用功能的评价很难达到满意的效果。虚拟现实技术的应用可以解决设计项目在技术论证上存在的问题。通过虚拟环境系统，可提供进行建筑性能评价的有效工具。如图书馆的阅览室，对建筑内部的采光要求较高，为了达到最佳的采光效果，设计人员可以把建筑物模型及各种环境条件输入到虚拟现实系统中，通过对日照、灯光的模拟让人感受到光照的质量。应用计算机虚拟现实技术，便于设计人员对方案的实时比较和修改，并试验不同种类的反光材料，直至得到最佳采光结果。虚拟现实技术用于项目的技术论证有助于及时修正方案中的不当设计，验证合理的施工方案，从而节约项目投资和运行费用。

1.2 设计方案的动态展示

计算机虚拟现实技术可以帮助建筑师取得建筑物或规划区域的三维数据，通过相应的程序进行仿真，在仿真过程中可以根据设计的需要修改各种设计内容，还可以引导客户进入虚拟场景漫游，创造出更为生动的演示场景［3］。以小区建设为例，用户可亲身体验三维虚拟环境，了解室内空间、周边环境、固定设施和配套情况，其直观性强的特点，激发了用户参与的积极性。应用虚拟现实语言可实现场景、多媒体信息和虚拟现实的无缝连接。

1.3 施工过程的模拟及调整

当建设项目的施工方案比较复杂时，应用虚拟现实技术可解决以下几个问题：一，对施工过程进行动态模拟，对施工方案反复进行试验以获得最佳参数，提高工程质量。二，将计算机辅助设计与人工智能技术结合，根据采集的数据自动建模，并将施工的过程与城市管理、交通运输等系统集成，调整和优化设计方案。三，实时显示施工方案实施的全过程，便于工程技术人员全方位观察施工现场情况，从而保障现场作业的安全。四，按时间模拟施工进度，可对施工工期进行较精确的计算和控制，有助于提高生产效率，有效统筹和调度生产设备和材料。

2 虚拟现实技术的工程应用实例

2.1 古建筑的虚拟重建

联合国教科文组织在1992年就提出“世界记忆工程”(Memory of the World)项目，在世界范围内推动文化遗产数字化，探索用新的方法和思路来解决文化遗产的保管和利用问题。传统文物建筑的复原过去主要是依靠研究者的文物建筑历史知识及图纸的表达，建筑实体的修复则是依靠施工人员的技术和经验，因而不可避免地带有设计者的主观想象成分。在数字时代，面对同样的问题和信息资源，可以通过计算机虚拟技术使复原的过程更为科学和客观。

以作者参与研究的湖北赤壁古镇民居为例，当地有一些始建于明清时期的传统建筑，以砖木结构为主并具有文物建筑的保护价值。这些传统建筑在过去大部分具有集商住为一体的综合功能，沿纵深方向呈狭长的建筑布局，为配合商业空间的需要及增加室内光线，多采用亮瓦及采光斗采光，从而也成为当地传统民居的特色之一。但现存的传统建筑由于保护意识不够，维修资金有限，破坏较严重，给古建研究和修复带来了很多困难。针对上述问题，在当地调研过程中，我们多方面收集资料，包括书籍、图片、影象等，以便了解古镇的发展历史及当地生产生活方式对民居形式的影响。在此基础上对重要建筑现场勘测并绘制草图，作为古建复原的基础资料(见图1)。完成了基础图纸的绘制，可通过计算机虚拟现实技术将其复原，建立三维虚拟环境空间以便更为直观地展示建筑(见图2)。

图1 建筑平面、剖面

图2 建筑三维模型

建立三维虚拟环境空间的具体过程如下。

(1)通过数据采集建立模型数据库。采集建筑物的平、立、剖面图，采集能充分反映建筑物立面效果和空间关系的实景图象，包括空间参照物、周围建筑物。结合地理信息系统(GIS)，将资料数字化，通过实地拍摄采集素材，以塑造丰富真实的景观。

(2)场景建模，赋以相应材质。

(3)动画设置与三维环境的生成：包括路径的设置、动画的调节和实时渲染。

通过上述过程可虚拟重建古建筑，从而提高文物修复的精度和展示的逼真性(见图3)。

图3 虚拟重建古建筑

近期，由北京清华城市规划设计研究院和清华伟景行数字展示科技有限公司合作的“再现圆明园”项目，综合运用数据库、三维模型、虚拟现实、地理信息系统技术，通过数字化复原圆明园22个景区，55个时空单元的三维场景，将空间与时间通过计算机虚拟现实技术融合，实现网上虚拟游园，将圆明园这一文化遗产以生动、直观的方式展现在公众面前。

2.2 5D模型工程管理

利用计算机虚拟技术，将传统的三维模型与时间、成本相结合，形成五维(5D)模型，从而高效、全面地管理工程项目。国外在这方面已有广泛应用，如：世界500强企业日本鹿岛建设集团坚持在设计前期利用5D模型对拟建工程进行模拟，从中发现设计的失误和施工重点。该公司在英国牛津的Accordia住宅项目，在模拟过程中的一个设计漏洞的发现就为此工程节约了25万英镑［4］。由此可见虚拟现实技术在工程实践应用中的重要性。

3 结束语

目前针对不同的使用目的，支持计算机虚拟现实技术的软件和平台有MultiGen Creator、World Tool Kit(WTK)等高端产品，也有主要以网络3D虚拟社区及游戏场景开发作为其市场发展目标的Cult3D、Shockwave 3D、Adobe Atmosphere、VR-Platform 系统等［5］。国内在应用方面也做了很多尝试，比如再现圆明园项目、对虚拟现实系统中数据与评价体系的研究等。随着系统功能的完善及软件技术的发展，其应用前景必将更加广阔。

［1］ 陈子伟，石建和，张黎.实体建筑虚拟化［J］.合肥工业大学学报(自然科学版)，2010，33(6)：93-96.

［2］ 杨丽，项秉仁.虚拟现实技术在建筑设计中的应用［J］.华中建筑，2007，25(9)：98-99.

［3］ 高建华.虚拟现实技术在建筑设计方面的实践应用［J］.电脑开发与应用，2010，23(5)：72-73.

［4］ 任宏，赵冬.利用五维建筑模型构建创新工程项目管理模式［J］.重庆大学学报(自然科学版)，2006，29(9)：152-155.

［5］ 刘光然，张丽霞.虚拟现实技术［M］.北京：清华大学出版社，2010.