虚拟空间表现系统在建筑学专业教学中的应用

方 舟，廖一联

(1.四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065；2.四川音乐学院 环境艺术系，四川 成都 610021)

当前，建筑设计领域的数字化革命已完成，各类辅助设计软件、建模软件、能耗分析软件、建筑信息模型软件被广泛应用到设计生产、教学和研究中，设计者能够把计算、制图、数据归类和分析等繁重工作交给计算机完成，而把主要精力用于创造性构思[1]，大幅提高了建筑设计的效率与质量。近年来，又一类数字技术越来越展现出应用于建筑设计领域的巨大潜力，这就是虚拟现实技术。

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的数字技术，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真[2]，可借助传感头盔、数据手套等专业设备，让用户进入虚拟空间，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的真实感受[3]。虚拟现实技术在建筑设计的方案创作、对比、表达环节都有着广泛应用前景。

四川大学建筑与环境学院于2011年起，以“985”二期实验室建设项目为契机，开始了 “虚拟空间表现实验室”的建设，其核心为一套将建筑数字模型呈现于虚拟现实环境中并可对其进行沉浸式体验和交互式操作的设备集成，即 “虚拟空间表现系统”。实验室于2013年建成，由学院建筑系3个一级学科 (建筑学、城乡规划学、风景园林学)共同使用，本文将就其在建筑学专业教学中的应用情况作介绍。

1 虚拟空间表现系统介绍

1.1 系统构成

虚拟空间表现系统是一套针对建筑设计类专业使用需求开发的系统集成解决方案，系统整体外观如图1所示，布局如图2所示。涉及的设备共12类21台，由编辑端、渲染端和追踪端3部分组成，如图3所示。

图1 虚拟空间表现系统

图2 实验室平面图

图3 系统拓扑图示

1)编辑端。

编辑端设备为HP Z800型专业图形工作站一台，安装有虚拟现实编辑软件，可利用其搭建建筑的虚拟现实模型，也可实现主流格式的建筑数字模型导入和编辑，如图4所示。

图4 常规模型导入并转换为虚拟现实模型

2)渲染端。

渲染端设备有主动立体投影仪一台、反射镜、背投幕布系统一套、安装有虚拟现实渲染软件的HP Z800型专业图形工作站一台、立体音响系统一套。

3)追踪端。

追踪端设备有红外相机4部、交互手柄1台、主动立体眼镜10副、追踪系统主控计算机1台，如图5所示。

图5 追踪端主控机设置界面

3个部分的设备由有线局域网联系起来，实时交换、处理数据、协同工作。

1.2 系统工作方式

系统的工作方式是，编辑端导入并处理建筑虚拟现实模型后，通过局域网将模型发送到渲染端置于虚拟现实场景中，并通过立体投影仪展示到幕布上，观察者佩戴立体眼镜手持交互手柄，站立于幕布前，进入追踪端的检测范围，4部红外相机定位观察者眼镜和手柄上的传感器，确定观察者与模型的空间相对关系，观察者头部转动、位置移动或操作手柄发出移动指令时，追踪端主控计算机将收到指令并协调渲染端，调整虚拟现实模型的状态，配合观察者的动作，如此实现带有沉浸感、交互感的虚拟现实体验。

以系统的基本功能为基础，结合建筑学教学需求和目标，可发展出丰富的教学应用形式。

2 教学应用介绍

建筑设计类课程教学的核心内容是空间形态设计，虚拟现实技术能够细致真实地呈现这种空间形态。虚拟现实技术为城市和建筑环境的设计研究提供了一种新的有力工具，在此基础上开展建筑设计类课程教学的研究，具有十分重要的意义[4]。自2013年起，环境艺术系尝试在建筑系3个本科一级学科 (建筑学、城乡规划、风景园林)的一些课程中利用虚拟空间表现系统开展教学，其中建筑学专业的应用形式最为丰富，下面具体介绍几类应用方向。

2.1 建筑设计系列课程中的应用

建筑设计系列课程课是建筑学专业最核心的课程，是学生理论类课程、技术类课程和美术类课程学习成果的综合应用，同时也是学习效果的全面反映，其在建筑学全部课程中所占学分最高、学时最多。目前，虚拟空间表现系统围绕建筑设计系列课程主要有以下2种应用模式。

1)辅助设计。

图6 系统参与下的设计流程

如图6所示，学生可在设计作业进行的任意阶段，将在个人计算机上创建的建筑数字模型(SketchUp或3DsMax模型等)导入虚拟空间表现系统，生成虚拟现实模型，设置场景、编辑材质和光照参数后，佩戴追踪设备开展场景漫游，对建筑的几何形体、内外部空间和体量间相互关系等设计要素进行观察和体验，评估其是否达到预期效果，验证设计逻辑，对不足和错误进行修正。在观察计算机屏幕中的传统数字模型或是工作台面上的手工模型时，人们只能获得建筑的鸟瞰形象，无法以正常工作生活的视角来感受建筑空间，无法获得在建成建筑中人的真正感受[5]。而虚拟现实模型很好地弥补了这一点，观察者身在建筑中、与建筑互动的感受极为真实，若模型足够精细，还可进一步体验到建筑的细部、氛围、空间尺度、场所感等。在虚拟空间表现系统的帮助下，设计方案非常客观和完整地呈现在学生和指导老师面前，这对于学生反思设计想法和老师及时给予指导都非常有利，显著提高方案沟通效果，凸显了设计教学中学生的主体地位。如图7所示，学生在进行虚拟现实建筑漫游的过程当中，全新的视角和观察方式会刺激产生全新的设计想法，这是传统数字模型在推敲设计时所不能做到的。

图7 虚拟现实建筑漫游

2)集体评图。

传统设计课评图的形式是学生依次上台汇报方案，其余学生和老师聆听后提问或点评。集体评图的目的是为了激发师生间充分讨论互动，在交流、辩论中学习。但在实施时，由于学生的方案演示手段简陋、汇报时间紧张、语言表达能力不佳等原因，易导致设计成果无法充分展现，想法沟通不畅，无法进一步互动和学习。借助虚拟空间表现系统进行评图，情况则大为改观。进行汇报的学生佩戴3D眼镜、操作手柄，直接带领同学和老师进行模型漫游，在浸入式体验过程中一步步讲解设计思路、介绍空间和体量关系，甚至可以深入分析和展示建筑材料的色彩 、纹理及质感、光照模型、光照效果、阴影生成等方面[6]，随时回应提问，设计说明和作品展示浑然一体。评图过程生动有趣，互动和讨论也十分热烈。

2.2 建筑技术系列课程中的应用

建筑技术类课程都非常重视理论讲授之余的实践环节，如搭建模型、实验室操作、施工现场观摩实习等。但此类实践环节组织难度大、占用时间长、效率低、花费大，效果不容易保证，而在虚拟空间表现系统平台上进行技术类课程的虚拟实践，则可以让一切变得简单。如在 “建筑构造”课程中，将一些难以通过图纸或照片讲解透彻的内容构件建模并导入系统，老师操作手柄引领学生进行观察，任意放大、缩小、旋转构建，甚至对构建进行拆分、装配演示，以更明晰其构成；还可让学生亲自动手操作，巩固关键知识点，课堂效率和效果显著提高。如图8所示，老师通过拆装虚拟现实模型，剖析轻钢龙骨吊顶的构造，很容易让学生充分理解。

图8 学生实践轻钢龙骨吊顶拆装操作

2.3 建筑理论系列课程中的应用

建筑理论类课程在阐释设计理论和梳理设计史时，会以大量建筑案例分析来帮助学生理解。常见的教学方式是教师准备关于案例的大量图纸和图片资料在课堂上展示，通过口头描述来激发学生的想象，在学生的头脑中创建出虚拟的建筑空间来[7]。受限于这一方式，学生理解案例如同盲人摸象，达不到预期效果。若老师带领学生在虚拟现实体验的同时针对眼前所见讲解理论知识和设计史知识，将是一种新颖且高效的教学模式。如勒.柯布西耶的名作索丹别墅，纵向空间咬合、各层平面自由多变，仅通过平面、剖面图纸分析，配合有限的图片资料，很难将建筑师复杂的空间句法和所追求的空间戏剧性理解清楚。但通过虚拟现实模型漫游，结合图纸分析和老师讲解，学生理解的难度将大大降低。学习建筑设计，最好的教材是建筑作品本身，最好的途径是现场体验，虚拟空间表现系统提供了一种打破时间、空间界限体验任何建筑的可能性。

3 结束语

虚拟空间表现系统应用于教学中，除在建筑学学科层面的诸多优势外，在教学形式改革层面也有以下4个方面的贡献。

1)切实贯彻了以学生为主体的整体教学思路；

2)激发学生的设计激情、制造了自由交流讨论的氛围，有利于想法的碰撞与团队精神的形成；

3)通过对其设计成果逼真的呈现，树立学生对设计的责任心，培养其职业精神；

4)对任课老师的教学激情和教改热情也有相当程度的提升。

虚拟空间表现系统本身也有很多亟待完善的问题。1)系统效率不高，在有限的工作时间内尚不能做到让每名学生都自由、充分地使用；2)系统涉及设备多，很多设备并非专为虚拟空间所开发，导致系统故障率较高，维护工作繁琐；3)系统造价昂贵、操作环节多，要熟练操作需作相应培训，局限了在学生中的使用范围。学生、任课老师、设备厂家之间充分沟通讨论，研究出解决这些问题的技术和管理方案，是下一步工作的重点。

在数字技术飞速发展并逐步覆盖社会生产、生活方方面面的大趋势和政府对数字技术应用的推动力度不断加大的大背景下，将虚拟现实技术与建筑学专业教学结合，是具有前瞻性的尝试，给建筑设计教学领域注入了新鲜技术的血液，使建筑设计在数字时代依然保有强劲的发展动力。

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

[2]陈浩磊，邹湘军，陈燕，等.虚拟现实技术的最新发展与展望[J].中国科技论文在线，2011，6(1):2－14.

[3]邹湘军，孙建，何汉武.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报，2004，16(9):1905－1909.

[4]罗小华.虚拟现实技术应用于建筑设计类课程教学初探[J].高等建筑教育，2009，18(6):147－149.

[5]朱宁克，邹越.虚拟现实技术在建筑设计中的应用[J].北京建筑工程学院学报，2008，24(1):35－38.

[6]金小田，张小敏.虚拟现实技术在建筑方案优化设计中的应用[J].建筑科学，2004，20(2):68－69.

[7]林琳.虚拟现实技术在建筑设计教学体系中的应用[J].电大理工，2008，3(1):21－22.