基于VR的建筑与城市虚拟实验平台设计研究

刘铸

摘 要：随着科学技术不断进步，人们想象中的事物很多都进入了现代人的视线，其中最引人瞩目的是VR技术和人工智能技术。文章重点探讨VR技术应用，相对讲VR技术仍存在很大的发展空间，但是基于VR技术建筑与城市虚拟实验平台建设在2014年已开始，是最早提出“虚拟现实技术，搭建智慧城市平台的基础应用”观点的一年。基于VR建筑与城市虚拟实验平台具多优势，利用VR技术可使研究者在一个虚拟三维环境中，用动态交互的方式在建筑或城区规划中进行身临其境的全方位审视。VR技术是整个建筑规划，也是城市规划的设计者不断完善设计新技段，更是建筑专业学习教学的得力具，还能让学习更加贴近实际，是智慧城市运营者和管理者们在日常工作中的一项重要辅助手段。

关键词：VR技术；虚拟实验平台建设；建筑与城市规划

无论是对于大学生还是学校来说，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术应用的普及无疑都是拥有很深远的影响的。VR技术应用不仅仅能够在课堂上带来更多的互动属性，同时更加真实地模拟场景，也让学生们在课程设计的时候更加投入和高效。德国大学的VR技术应用是建筑和城市设计项目。他们利用InstaVR平台，在一个名为“历史开罗的虚拟现实”的项目中，创建了历史建筑的沉浸式旅行。在开罗，一些几千英里之外的最古老、最有趣的建筑通过VR虚拟现实技术应用可以栩栩如生地呈现在体验者眼前。因此，基于VR的建筑与城市虚拟实验平台设计研究能够将抽象的内容形象地展现在研究者学习者面前，能够为他们提供一个统一的画面，在高等教育中，虚拟现实的核心是利用这项技术来扩展和改进已经教授的内容，以及让课堂变得更有参与性。

1 基于VR的建筑与城市虚拟实验平台设计

1.1 辅助城市建筑设计创新模式功能

VR技术作为一项前沿科技，在建筑设计、景观设计、城市规划、房地产营销等领域已经体现出无可比拟的优势和前景[1]。本报告提出通过软硬件的一体化整合形成VR深度体验厅，项目特点包括：以深度体验为概念，硬件上将HTCVIVI头显，VR大屏映射，中央控制系统，全景音响系统进行一体化整合，形成了一套完整的硬件行业解决方案；软件方面以强大Unreal Engine 4为开发平台，呈现出逼真的画面，身临其境的沉静感和流畅的交互体验；内容方面打破VR就是样板间的一贯概念，扩展为融合区域规划，建筑外观/结构，园林景观，室内设计等行业内容全覆盖。城市VR技术的最大难点和工作量最大的地方就在于城市建模。由于城市建筑数量极多，规模极大，如果利用传统的建模技术去逐个建模，将会耗费极大的人工和物力，资金投入太大。所以，如何快速建模，是城市VR技术研究的一个重要课题。利用卫星的遥感DSM数据，是进行城市快速建模的一个最佳途径[2]。城市VR技术研究路线是，首先，利用卫星获取城市DSM数据，利用GIS软件快速将整个城市由二维的卫星图片转换成三维的立体图像数据。其次，针对GIS软件自动生成的立体图像数据导入3D软件，利用3D软件进行材质贴图美化以及渲染、烘焙，形成VR的基础三维数据。再次，将该基础三维数据模型利用VR交互引擎进行交互设计。最后，将已制作完毕的城市VR内容在平台上进行发布并应用。

针对建筑设计行业领域现状，在VR+建筑设计这一细分领域，整合VR服务输出、软件平台、硬件设备，为建筑设计提供VR服务能力。主要表现为建筑设计院在成果表现形式上将从传统平面图形和立体模型过渡到利用VR技术升级为沉浸式的三维空间。这将有效提高设计院方案沟通效率，节省成果表现成本。同时，通过开设VR教学实验平台，开发VR教学内容，培养VR专业人才，全面助力建筑设计服务升级。

1.2 BIM与VR可视化项目和信息管理功能

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是建筑行业当前最热门技术新贵。VR，仿真技术，计算机图形学与人机交互的新革命。如果将VR+BIM两者结合，会对建筑行业产生怎样颠覆性的化学反应？基于BIM和VR的结合，BIM与VR的可视化和信息化管理的应用效益，BIM+VR项目制作要点和成本控制方法，在实际项目中的BIM与VR可视化项目管理的应用等。BIM+VR的融合与创新也将是建筑学科的发展趋势，多平台BIM融合是一个长期而艰巨的任务，但是意义很重大，让BIM从工作站设计电脑迁移到设计者的浏览器和桌面端，用一般的办公电脑来做应用和后期运维等工作，实现设计和运维一体化，有效拓宽了行业范围和业务领域[3]。针对BIM数据的小范围高密度的数据特点，提出了一套算法来精简、简化BIM数据，统一格式到CityMaker平台，实现数据工厂的工作，海纳百川，当设计者需要对接其他平台的时候，我们能有效输出中间格式，对接多平台。VR虽好，但成本太高，交互型VR体验系统的落地成本都不低，针对这一点，提出轻VR客户端，一键对接VR，造价低，速度快，效果好。

此外，BIMVR（Building Information Modeling in Virtual Reality）在工程施工中的应用探索，BIMVR通过将BIM信息模型技术与VR的视觉表现技术和交互技术结合，在建筑全生命周期的实施过程中皆可有其用武之地。针对施工阶段，BIM具有的数据信息与VR的沉浸式表现和交互能力，可以用来做复杂施工流程的模拟培训和施工安全教育培训。报告从现状分析出发，介绍BIMVR在施工阶段应用的项目开发流程和项目实践成效。

1.3 绘制建筑效果图适宜性技术（3D工具+Vray+Lumion）效果检验功能

当前建筑效果图制作一般借助媒体制作公司，在一定程度上存在方案效果修改不便和成本过高等问题，基于上述行业痛点，结合软件技术的进步，报告提出效果图制作回歸设计单位的可能性；针对建筑设计不同阶段的时效性和效果质量的需求，提出SU+Lumion，SU+Vray和Revit+Enscape等3种效果图制作技术方案，并比较优缺点；根据当前设计单位工作流程和团队组建特点，探索设计单位内部绘制效果图的适宜工作方法和模式。设计出的成果可通过实验平台投射到虚拟现实中，进行全方位的检测比较，从而确定出最合适的方案，这样能够在现有的设计技术上进一步缩小城市建筑的可执行性风险。

2 结语

实现一个基于VR的建筑与城市虚拟实验平台设计，大体需要3方面的技术，即：建模、表现与交互。建模方法与所要模拟的对象类有关，也与应用领域密切相关。针对所要模拟对象的不同方面，建模方法分为几何外观建模、基于物理的建模、行为建模和虚实融合建模等。虚拟环境对象的表现，包括视、听、触/力、嗅/味等的表现。VR表现技术将虚拟环境中的各种对象模型通过不同的表现方法、算法渲染在表现设备上，以沉浸方式呈现给建筑设计者学习者。交互问题主要涉及人或外部世界与虚拟环境之间互相作用的信息交换方式与人机交互设备，其最终目的就是获得更加具有实用性的建筑设计。

[参考文献]

[1]李金.基于VR的农业虚拟实验室设计和研究[J].科技视界，2016（23）：14.

[2]蒙剑.基于VR技术的视频会议设计[J].电子设计工程，2017（12）：166-169.

[3]冯珊珊.国内外虚拟实验室建设的比较研究[J].新校园（阅读），2016（5）：9.