数字化虚拟仿真技术应用在特色建筑中的前景发展分析

荆崇浩 李玉萍

引言

历史文化建筑是城市的宝贵资源，是塑造城市形象的重要组成部分。大连历史文化悠久、近代历史建筑文化更具特色，将建筑进行数字化虚拟仿真设计并做外延产品进行应用和推广，不仅可以宣传大连城市形象，带动旅游品牌的发展，还可以传承历史文化，展现大连独特的城市风貌。创造的这一空间环境既具有使用价值，能满足相应的功能要求，同时也能反映建筑风格、环境气氛等精神因素，现代虚拟的广泛普及，新的3D软件被用于建筑设计，这无疑对建筑产业的发展产生了重要影响。计算机数字手段和虚拟现实技术对建筑设计的影响是其他任何行业都无法比拟的。视频架构、数字仿真和虚拟场景为用户提供了更加真实的感觉和体验。建筑设计本身在过去已经发生了巨大改变，无论是设计方法，还是工具和媒介，都发生了变化。分析数字虚拟现实技术在建筑设计中的应用可以帮助阐明建筑模型如何适应这种变化，如何将传统建筑设计的优势与计算机数字和虚拟现实技术的应用。

一、虚拟现实的现状研究：

数字化虚拟技术指的是存在于计算机中的虚拟空间，是由各种计算机的网络技术创建的空间，包括一些视觉、听觉和触觉的虚拟环境。通过某种連接，人们可以在这种环境中拥有身临其境的体验，并且通过人机连接，实现人与虚拟环境之间的交流。虚拟现实技术是人工智能等通过AutoCAD、3DMAX和AI等软件设计制作效果图，懂得室内设计装饰材料的性能和选择、施工流程以及工程预算，以及展位搭建流程等实践技术。为客户提供最大的便利化。

二、数字化虚拟技术的定义：

数字虚拟技术是基于虚拟在线技术，能够实现超越3D建模的真实再现能力，以达到对环境或物体对象进行情景的逼真再现。通过后期制作，使文件能够通过鼠标或键盘控制使画面实现全方位的视角观看，以达到身临其境的视觉感受。是博物馆、美术馆等实现数字展示的最佳方式 ，对城市的建设建筑都有很大的现实影响意义。

（一）数字化虚拟技术的特点与发展

产品设计过程是一个对信息进行采集、传递、加工处理的过程。在传统设计模式下，我们的设计信息一般是通过实物来传递的，这种方式往往效率低，成本高，周期长且质量差，已经很难满足企业当前生存和发展的需要。为了能在竞争中处于有利位置，企业实现设计数字化势在必行。与其传统设计相比较，数字化设计更易于完成设计意图、修改设计错误、传递设计信息和共享设计数据。数字化设计是指将计算机技术应用于产品设计领域，通过基于产品描述的数字化平台，建立数字化产品模型并在产品开发过程应用，数字化虚拟设计技术的发展，两个显著优点：

（1）可以减少设计过程中实物模型的制造。传统设计在产品研制中需经过反复多次的"样机生产—样机测试—修改设计”的过程，这不仅耗费物力、财力，还使得产品研制周期延长。数字化设计则在制造物理样机之前，针对数字化模型进行仿真分析与测试，可排除某些设计不合理性;

（2）相对与传统设计过程的串行化，数字化设计可以让一项设计工作由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，这在提高产品设计质量与速度方面具有重要的意义。

（二）数字化虚拟技术在特色建筑中的应用价值

通过数字化虚拟技术的各种应用特点，有利于特色建筑方面的研究以及发展，保护让数字化虚拟技术也能够在实践中发展，对数字化制造技术应用价值的讨论，我认为是非常重要的。这不仅仅是对提高效率、减低成本之类的常规评估，还必须看到数字化制造技术有两点革命性的突破：

其一是填平了人的思维与工程表达之间鸿沟。用二维平面工程视图来描述产品的方法大约沿用了200多年。但是，人的思维是多维的，工程师们在创意新产品时，首先涌现的是多维的实体形象而不是一个个的平面视图。为了向制造它的人传递产品的信息，必须将这个活生生的实体变成为复杂的、但为工程界所共识的平面图形。

三、特色建筑及历史文化建筑对城市的意义：

在中国，“标志性景观”这一概念最早出现于1999年，但提出者当时并未对其作出明确的定义。普遍认为，城市标志性景观应该指的是，一个城市中用来浓缩、凝聚、集中反映和折射、代表城市总体特征的特定地段是城市的缩影区，是城市的代表性区域，是城市的窗口，是外来游客的必游之地。所以"城市标志性建筑"和“城市标志性景观”都具有公众指示和“航标灯”的作用。而在当代人的认知里"城市地标”已经兼具"城市标志性建筑"和"城市标志性景观"的功能与作用。百度百科中提到：“城市地标"是指每个城市的标志性区域或地点，或者能够充分体现该城市（地区）风貌及发展建设的区域。所以“城市地标"在新的时代背景下已经完全能够体现“城市标志性建筑"和“城市标志性景观”所具有的含义。

综上，城市地标的概念应该为一个城市中用来浓缩、凝聚、集中反映和折射、在现代，地标建筑在城市中占据的重要位置以及独特的造型与体量，使得人们无论从观察上还是从认知上对于这些建筑的理解基本遵循古代城市的传统意义，得出的城市意象也是属于传统的形态。大致来讲地标建筑具有以下五方面作用：

（1）空间标识作用。

（2）空间参照物作用。用于标定距离、高度、方位等，这种标定不但确定自己所处位置与标志物之间的空间关系，而且传达着环境安全性方面的信息。

（3）空间向导作用。地标建筑提供的空间信息是固定的和公认的，人们可以充分利用这些信息判断方向和距离，实现各种空间活动的目的，这个作用似乎在现代城市中显得更为强烈。

（4）空间统辖作用;标志性建筑利用其特殊的体量和形式，对周围环境的建筑形体进行统辖，使得城市空间更加有秩序，美化视觉环境，强化视觉感受。

（5）多样的文化意义;由于地标建筑能够表示城市的性质与功能，因此可以蕴含或者传达城市的文化意义，古代城市的地标建筑是自然地形与城市文化之间完美结合的创造。

（一） VR虚拟技术与特色建筑产业文化的融合：

虚拟现实，VR技术是一种可以创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。、，也称灵境技术或人工环境。虚拟环境是由计算机生成的，通过一定的配套设备使得视、听、觸觉等感觉作用于用户，使其产生身临其境的感觉的交互式视景仿真。” 虚拟环境系统包括了以下几个学科技术：其中计算机图形学、图象处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音像技术、网络技术作为基础，通过计算机系统对产生的数据进行处理和高性能计算，对不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环境进行建模，是新型的综合性极强的高新信息技术+1。

虚拟现实手艺是按照人类的视觉、听觉、触觉的生理心理特点，由计算机产生真实的可视的三维立体图象，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互装备，甚至将本身置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。在虚拟世界中的体验者与虚拟环境中的各种对象或者场景的相互作用，就会产生相互影响，就如同在现实世界中人与自然相互作用相互影响的一样，一切感觉都是那么逼真，甚至是真实、身临其境的体验。最炫酷的莫过于在科幻电影《复仇者联盟：奥创时代》中小罗伯特唐尼饰演的钢铁侠所拥有的人工智能，不需要头盔显示器和数据手套就能达到虚拟与显示结合的效果，这种技术称之为增强现实技术（Augmented Reality，简称AR），这也是VR技术最终达到的目标。虚拟现实系统中的人机交互是人通过使用的设备比如键盘、鼠标、模拟显示器、触屏等输入计算机系统，计算机系统通过高速计算和分析作出一种类人为的行为，也就是人工智能的初步体现。体验者通过自身的语言、肢体语言或触摸键盘、界面等自然动作，就能对虚拟环境中的对象进行考察、操作、研究、计算，而且还能使之生成大数据记录存档。在虚拟现实系统安装有视、听、触、动觉的传感及反应的配套装置，就可以让体验者在虚拟环境中体会到“耳听为真、眼见为实”的境界，及获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，使得体验者分不清虚拟与现实。

运用虚拟现实技术可以将建筑概念、形状、特点等均以真实的角度展现在投资方，设计方，施工方以及后期的物业管理和更高层次的政府，这也是对二维平面表达方式或者动画表现方式的升级提高，使用者可以全方位的感受建筑的空间，尺度和材质，居住或者使用的舒适度，这对于非设计人员参与到设计当中很有帮助，这使得未来我们的建筑将综合更多环境因素、区域因素、人文因素，将使得建筑更加合理化、人性化。现在的虚拟现实技术是很好的一种大数据的表达方式，我们目前的BIM技术，可以最大限度的存储数据，并指导后期施工，但BIM作为建筑行业数据的表达没起到关键作用，如何表达它的数据，并且为相关项目所运用还有所欠缺，通过以往的二维平面表达方式显然不够，这时借助虚拟现实技术，将线上项目的展示与线下的实际的地理信息，空间信息，结构信息，材质信息，内部装饰信息甚至未来项目所包括的商品信息相结合，可以时时的将未来的建筑运营情况展现在我们的面前，并且为相关项目的建造和设计起到很好的参考作用。

四、VR虚拟技术在特色建筑中的应用：

运用三维建模和建筑信息模型（BIM）技术，建立用于进行虚拟施工和施工过程控制、成本控制的施工模型。该模型能将工艺参数与影响施工的属性联系起来，以反应施工模型与设计模型之间的交互作用，施工模型要具有可重用性，因此必须建立施工产品主模型描述框架，随着产品开发和施工过程的推进，模型描述日益详细。通过BIM技术，保持模型的一致性及模型信息的可继承性，实现虚拟施工过程各阶段和各方面的有效集成，去挖掘历史文化建筑带给城市的宝贵资源，塑造城市形象，例如大连历史文化悠久、近代历史建筑文化更具特色，将建筑进行数字化虚拟仿真设计并做外延产品进行应用和推广，不仅可以宣传大连城市形象，带动旅游品牌的发展，还可以传承历史文化，展现大连独特的城市风貌。创造的这一空间环境既具有使用价值，能满足相应的功能要求，同时也能反映建筑风格、环境气氛等精神因素。前景市场可观。建筑VR是利用虚拟现实技术对现实中的建筑进行三维仿真，具有人机交互性、真实建筑空间感、大面积三维地形仿真等特性。人们能够在一个虚拟的三维环境中用动态交互的方式对未来的建筑或城区进行身临其境的全方位的审视。VR可以增强建筑及室内设计的设计成果的展示效果，还可以以沉浸式的方式进行施工模拟演练，帮助施工方了解施工过程。室内设计师可以利用VR完成沉浸式的家装设计，同时VR设计软件的支持下，建筑师有望在不久的将来实现VR建筑设计。

全方位优化建筑设计的效率、成本、流程

1、VR 中创作工作

身临其境的体验，便于设计师快速决策，大幅度提升效率

2.节约一些建筑表现成本

相比于传统效果图和三维动画，可节约建筑表现成本

3、新赋能设计院成为 VR 内容提供商

4、全景视频体验汇报，输出高清全景动画后无需再手动，通过简单VR设备，便可在固定路径中沉浸式体验。

5、赋能设计院成为 VR 内容供应商，向甲方提供 VR成果，获得更高的设计溢价

6、全景辅助汇报，通过二维码快速展示分享，平板、手机等设备都能进行360°全方位方案。

7、文本直接汇报，新发布的光辉城市APP可实现传统汇报文本的三维呈现，并且把方案更加直观地与一年四季、阴晴雨雪、动态环境等实际场景融合展示。

结束语 ：

虚拟建造是在虚拟环境下实现的，虚拟现实技术是虚拟建造系统的核心技术，虚拟现实技术是一门融合了很多人工智能、计算机学、人机接口技术、多媒体工业建筑技术、网络技术、电子技术、机械技术等高新技术的综合信息技术。目的是利用计算机软件以及各种传感器打造出一个融合视觉、听觉、触觉，让人身临其境的虚拟环境。操作者沉浸其中与之交互作用，通过多媒体对感官的刺激，来获得对所需解决问题的清晰和直观的认识。进入新的发展阶段，建筑设计既是一项艺术性很强的创作，同时也是一项技术性很强的设计工作。随着经济和建筑设计业的发展，建筑设计已将变成一项信息量很大、系统性和综合性很强的工作，涉及到建筑物的使用功能、技术路线、经济指标、艺术形式等一系列数据的自然科学和社会科学问题，需要采用一种能容纳大量信息的系统性方法和技术去运作。数字技术有很强的能力去解决上述问题。在建筑设计信息的采集、分类、存贮、检索、分析、传输等方面，建筑数字技术也可以充分发挥其优势。

参考文献：

[1]赵宁，杜劭峰，赵文军，杨春光，陈玮.虚拟现实仿真技术研究与应用[J].新技术新工艺，2018（08）：67-71.

[2]董敏兰.初探虚拟仿真技术在数字化校园中的应用[J].大众文艺，2017（23）：130-131.

[3]吕震，李响，李报，吴强，贾雪梅.虚拟仿真技术在形态学实验教学中的应用[J].解剖科学进展，2017，23（02）：223-224.

[4]刘登均，贺小兵，王明贵，李争艳，李奇，林荔军.虚拟仿真技术构建三维模型在腰椎转移性肿瘤中的应用[J].中国组织工程研究，2014，18（48）：7848.

[5]谢甘第.虚拟现实技术及其在制造业中的应用[J].机电一体化，2001（05）：18-20.

作者简介：

李玉萍：辽宁对外经贸学院艺术学院教师， 该项目指导教师

荆崇浩：辽宁对外经贸学院艺术学院学生，该项目组成员

本文为辽宁对外经贸学院2021年度大学生创新创业训练计划省级立项项目系列成果之一。

项目名称：“印象·大连”特色建筑数字化虚拟仿真设计工作室

项目编号：2021XJDCB046