VR三维可视化技术在建筑方案设计中的应用与研究

于 露，沈辛怡

(机械工业第六设计研究院有限公司 第四工程院，河南 郑州 450007)

近年来，随着建筑功能的多元化和复合化发展，建筑空间越来越复杂，建筑造型日趋数字化，传统的二维建筑设计模式已远远不能满足新时代的建造需求。近年来，随着计算机技术的发展，我国建筑领域涌现出一批先进的建造与设计技术，如虚拟建造、智慧城市、虚拟现实等，新技术的发展大大促进了建筑领域的发展与变革。

虚拟现实(Virtual Reality，VR)是一种将仿真科学、计算机科学与互联网传感技术融为一体的新技术。通过VR软件平台模拟“虚拟空间”，漫游者能穿着VR设备进入“虚拟空间”，完成沉浸式空间体验。体验者通过计算机传感技术、三维显示技术，能够与虚拟世界交互而获得真实的空间体验。这完全颠覆了传统的空间体验形式，带来了建筑设计行业的巨大变革[1]。

建筑理论研究的目的是工程实践应用，本文将VR三维可视化技术运用到实际项目的设计过程，以某厂厂区改造项目为例来总结VR技术辅助设计决策的实践经验和应用方法。

1 传统建筑方案设计模式面临困境

建筑设计师的一般工作模式为：首先通过搜集前期资料、汇总甲方设计需求，初步确实设计理念；然后借助Sketchup草图大师等设计软件深化方案构思，并通过CAD绘图软件细化设计；最后采用Photoshop等后期设计软件进行效果表达。在设计方案确定之前，这一设计过程会不断循环[2]。

纵观建筑设计的发展历程，建筑设计方案的创作方法与技术发展联系密切，自计算机技术普及以来，图纸媒介越来越无法满足建筑设计需求，建筑设计从语言、文字、纸质文件逐步转化为计算机辅助设计的二维设计模式。新的建筑设计模式提高了工作效率，丰富了设计表达方式。目前的建筑设计过程多以二维设计平台为基础，仅辅助局部三维的效果表现方式，即使采用Sketchup模型、3Dmax渲染效果图，也只是计算机屏幕中的三维表达方式，建筑设计师的设计依据仍基本上是经验式判断，根本无法在建筑完成之前进入建筑空间进行沉浸式体验、审视，也无法准确判断建筑的空间效果，建筑方案只能在使用后进行评价而无法预先了解其效果。显然，这样的建筑方案设计模式必定存在经验误差和较大的局限性，以及设计效果图无法反映真实建造效果、设计修改成本高、沟通不畅等问题。

2 VR三维可视化技术带来了建筑方案的设计创新

VR三维可视化技术的沉浸式体验功能改变了建筑业传统的思维和工作模式，为解决建筑设计所面临的复杂性和协同性难题提供了契机，在建筑设计行业有广阔的发展前景。沉浸式可互动的建筑空间体验方法，为客户提供了更直接的、由宏观到微观诠释方案的形式，在帮助用户更好理解设计理念的同时，能促进不同部门之间的高效沟通与协作[3]。

VR三维可视化技术可以辅助设计决策，丰富建筑设计师认知空间的手段，使设计师不再受经验的制约，而能通过真实的空间感受来辅助设计决策。建筑结构、建筑材料和建筑施工要求可在VR中直观地呈现。建筑设计师和结构设计师可以在VR中准确判断空间尺度与建筑结构的关系，了解建筑材质的质感表现、建筑空间的光影效果，以及建筑体量改变带来的表现力的变化，进而帮助建筑师判断设计是否适宜、建筑形象与周边地块的建筑是否契合、建筑与城市整体风貌是否协调等。例如，在设计共享大厅层高与柱距时，建筑师可能会遇到尺度把控不精准等问题，通过VR三维可视化技术能够判断哪种层高(如3.9 m、4.5 m、4.8 m)更符合使用者的主观感受，以帮助建筑师在不同功能的建筑中选择合适的尺度来满足人对建筑空间的要求。

VR三维可视化建筑创作即利用VR技术辅助建筑创作。它包括：建筑师在建筑创作过程中穿戴VR硬件设备进入VR软件平台的三维空间，沉浸式体验已建立草图模型的场地环境、建筑内外空间来推敲方案，形成“草图构思→计算机模型建立→VR空间方案体验→反馈修改构思与建筑模型→VR空间体验……”循环评价创作模式，以达到用三维空间进行设计创作的完美境界。它要求以第一人称的视角进入自己创作的建筑空间，体验空间的尺度感是否合理；观察空间的视线是否存在私密性干扰；计算房间的日照是否充足；查看建筑细部构件尺寸是否合适；测试建筑功能是否满足用户使用需求；验证建筑在防火安全疏散方面是否存在问题……。

目前，利用VR软件在虚拟世界的建筑空间中推敲方案，已成为建筑创作的全新模式，为建筑设计提供了新的思维方法和手段[4]。

3 以VR三维可视化技术进行现有建筑整合

某厂始建于1950年，位于南阳市新华东路，是南水北调中线工程起点、历史文化名城南阳市的重要工业企业。由于现有厂区已不符合城市规划要求，建筑布局与功能已不能满足现代化生产及安全生产的需要，亟需进行厂区改造与环境治理。在方案设计时，可全程使用VR三维可视化技术辅助设计过程与决策，以改进设计效果、提高工作效率；可根据图纸和实景照片模拟厂区现状，建立三维模型，通过VR三维可视化技术进入模型进行感知、创作，探讨空间的具体安排是否能满足功能要求；在确定设计现有条件的同时，分析现场的具体情况(它包括基地气候、城市环境、街道轮廓天际线、容积率、建筑高度、结构及空间形式等)，为建筑前期构思提供充分的设计依据[5]。

采用VR三维可视化技术进行方案设计的具体技术路线如下：实地调研测绘→还原厂区建筑现状模型→建筑现状问题整理→提出改造策略→前期构思→三维模型创建→将模型导入Mars软件，以VR三维可视化技术辅助修正设计过程→深入构思、修改方案→输出成果→通过VR三维可视化技术向甲方汇报。

4 以VR三维可视化技术进行建筑单体改造和环境塑造

4.1 建筑单体改造

(1) 列入改造的科技综合楼是1996年8月建成的。其主体建筑为16层，建筑高度为57.15 m，建筑面积为9 252 m2，裙房为3层，主入口位于裙房东侧,南立面朝向新华路。科技综合楼现状如图1所示。

图1 科技综合楼现状

进入VR模型观察发现，该科技综合楼是厂区内最高的建筑，与周边地块上建筑相比也属于较高的建筑，对厂区形象和城市街景街容具有较大影响。科技综合楼的4个角部为凸出的弧形体块；外立面为白色瓷砖贴面、铝合金框的蓝色玻璃幕墙及老式铝合金窗框的蓝色玻璃窗。实地考察发现，其立面造型较为陈旧，面砖已出现脱落，具有安全隐患，根本无法满足现代城市和现代科技企业的形象展示要求，必须进行改造。VR视角的科技综合楼现有建筑效果如图2所示。

图2 VR视角的科技综合楼现有建筑效果

(2) 列入改造的烟叶醇化库共6层，高度为22.4 m，建筑面积为25 400 m2，其平面呈工字形布置(图3)。通过VR漫游发现，该建筑体量较大，距离城市道路交叉口较近，且面向城市的主立面十分明显。实地考察发现，其外立面为白色瓷片，整体陈旧，装饰效果较差，与现代化工厂的形象定位不符。VR视角的烟叶醇化库现有建筑效果如图4所示。

图3 烟叶醇化库现状

图4 VR视角的烟叶醇化库现有建筑效果

为了让烟叶醇化库的建筑形象与厂区整体风貌协调统一，拟在改造时将立面原有白色瓷片清洗后喷涂米白色外墙涂料，并在建筑四角局部采用外包钢结构龙骨后，干挂陶板，喷涂“黄金麻”真石漆，使该建筑在色彩上与厂区其他建筑保持一致。

4.2 建筑环境塑造

温凉河是南阳市区的主要内河，从该厂厂区中间穿过，将厂区一分为二。温凉河的景观对厂区内环境塑造的影响很大。调研发现，目前的沿河景观并不是很好。因此，改造工程应在改善厂区环境的同时对沿河景观效果进行提升，可通过VR三维可视化技术进入建筑环境中进行感知，在得到空间反馈后进行景观植物及组团搭配的优化设计。VR视角的温凉河沿河景观如图5所示。

(a) 远 景

(b) 近 景图5 VR视角的温凉河沿河景观

厂前区的中心广场是厂区景观形象最重要的一部分，设计时可引入中轴对称的景观水系来突出厂区的中轴线，使金叶广场在原有植被基础上提升景观效果。VR视角的金叶广场景观效果如图6所示。VR视角的厂区中心广场夜景如图7所示。

图6 VR视角的金叶广场景观效果

图7 VR视角的厂区中心广场夜景

5 以VR三维可视化技术辅助建筑比选和细节推敲

在初步确定建筑设计方案之后，对方案进一步推敲、比较、细化是相对关键的步骤。一个设计方案的优劣与方案设计时的推敲程度有密切关系。采用VR三维可视化技术，从几个重要视角进行把握和比较，可以不断检验造型构思，完善功能布局，推进并深化设计过程。

5.1 建筑立面对比

采用建筑设计中常用的设计软件Sketch up是无法模拟立面材质效果的，只有在效果图公司完成效果图渲染才能比对立面材质纹理的最终效果。这种设计方法在修改设计时费时费力。以VR三维可视化技术辅助建筑设计时，建筑设计师可置身于VR虚拟世界，在同一个观察点或同一个观察序列中感受不同的建筑环境，比较不同方案的特点和优劣，并进一步进行决策。这样，建筑设计师能更明晰地认知所设计建筑的细节，了解建筑与地形、环境之间的关系，随时比对建筑的立面效果，以节省反复渲染的时间和精力[6]。

在该厂科技综合楼改造立面造型设计的两个比选方案中，方案一采取现代建筑手法，以玻璃幕墙为主，融入竖向线条，使得沿城市道路方向的主立面更加挺拔连贯(图8)；方案二以实墙为主进行设计，在现有建筑立面材质纹理的基础上，采用外挂陶板方式对楼体角部弧形体块进行遮挡，以突出改造效果(图9)。通过VR三维可视化技术进行两个方案比选，并以此方式向客户汇报，考虑造价及效果等因素后，本文确定采用方案二的科技综合楼改造立面形式。

图8 科技综合楼改造方案一的VR视角效果

图9 科技综合楼改造方案二的VR视角效果

5.2 建筑空间尺度推敲

在传统的建筑设计实践中，建筑设计师无法以真实视角观察体验建筑，难以在设计阶段感知方案模型的空间尺度。因此，建成后建筑空间尺度往往与图纸要求存在偏差。以VR三维可视化技术辅助推敲建筑设计时，建筑设计师能进入VR 空间推敲建筑方案，以人本视角和人体尺度体验建筑空间，直观感受建筑的高度、宽度等空间尺度，并获得建筑内、外的空间感受[7]。

针对该厂下沉式庭院的设计方案，建筑设计师在设计时进入虚拟世界，感受庭院内的空间尺度是否满足公共空间的心理需要；同时在室内外的过渡空间体验自然风光与景致，以便更合理地设置下沉式庭院的景观组团，让设计与自然结合得更加紧密。图10所示为下沉式庭院的VR视觉效果。以VR视角感知的庭院空间尺度如图11所示。

图10 下沉式庭院的VR视角效果

图11 以VR视角感知的庭院空间尺度

6 以VR三维可视化技术辅助方案汇报

6.1 成果输出

传统的设计成果输出方式离不开效果图公司的渲染，需要专门的效果图师建模并制作效果图。效果图师和建筑设计师之间可能存在沟通问题，若与建筑设计师对接的效果图师理解力不够，或者语言表达不到位，建筑设计师的想法就无法在效果图上充分体现。模型在渲染前，只能依靠效果图师的经验来判断渲染的效果，建筑设计师根本不可能完全把控效果图的全部细节。

在该厂改造设计中，通过VR三维可视化技术直接输出设计成果，在三维场景下可随意调整环境形态、日照参数等，模拟建成后的建筑效果，并且能以同一视角的不同时间点体现设计效果[8]。以VR三维可视化技术输出的同一视角不同时间点的联合工房效果图见图12。

(a) 白 天

(b) 夜 晚图12 以VR三维可视化技术输出的同一视角不同时间点的联合工房效果图

6.2 多样化汇报

由于该厂为原地改造建设，建设规模较大，与传统改造项目择址新建或异地搬迁不同，需在不影响生产、办公的前提下进行分步施工，因此设计过程中建筑设计师需要与客户多次沟通，共同决策，确定分步施工建筑设计方案的关键和细节。而传统的交流方式对于建筑空间的描述与信息全方位传递来说存在一定障碍。为此，建筑设计师采用“Mars+VR”的多维多样化汇报方式，将三维模型应用于虚拟空间，为客户提供多个设计方案进行比选，使客户能凭借VR设备身临其境地感受不同方案的设计效果，选定最佳方案。建筑设计师利用VR三维可视化技术的硬件和软件进行方案汇报，通过全景效果图全方位了解建筑效果，采用三维立体动画，使静态汇报变为动态的全方位汇报；同时，汇报现场的交互体验、实时修改，能大大提升交流沟通与修改完善建筑方案的效率[9]。

以VR三维可视化技术辅助方案汇报，能够输出全景效果图二维码。客户通过手机即可进入场景，按照建筑设计师预先设定的路线游走，以360°全方位地观看建筑形态。辅助VR眼镜等设备，客户可进入场景漫游，直接感受建筑设计效果(图13)。这大为改善了成果展示的效果，提高了效率。

图13 客户佩戴VR眼镜感受建筑设计效果的瞬间