虚拟现实技术在建筑设计中的应用探析

毛振华

摘 要：在数字化时代，虚拟现实技术应用于各大尖端领域。虚拟现实技术在建筑领域的应用也在不断扩大，设计人员通过虚拟现实技术提高建筑设计的有效性，使设计者的设计能够于在视、听、触感等方面高度仿真的数字化环境中生成。在建筑上利用各种科学技术来完成建筑设计工作，虚拟现实技术让设计者在设计建筑物时，能够更直观立体地展示各种外部条件、周围环境、内部装饰、外观的艺术效果、城市规划及使用者对建筑物的要求，尤其在建筑物的使用材料、工程估算、施工技术和装备上有着更为精确的呈现，在节约材料、节约投资、节约时间、节约劳动力方面有着极大优势。

关键词：建筑设计;虚拟现实技术;应用

课题项目：本文系“‘项目带动教学模式下建筑模型课程模块改革研究”（19-XJ21041）研究成果。

随着建筑设计的智能化和建筑业的迅速发展，设计人员的创作水平和设计效率都有所提高，同时使用者的建筑要求也逐渐复杂多样化，虚拟现实技术可以更好地为使用者提供多元化的服务与体验。虚拟现实技术将设计人员的建筑设计模型以直观立体的三维形式展示出来，设计人员能更精准地找出错误并加以改正，弥补二维平面工程图纸的不足，有效降低了时间成本。

一、虚拟现实技术在建筑设计中的立体呈现

设计人员运用工程信息与建筑设计信息构建建筑板块、绘制工程图纸、设计建筑结构、统算工程信息与设计数据，因为技术限制，无法完全展示设计的结构属性，全面客观地展示整个建筑物的信息，使得建筑问题不能被及时发现，往往在施工后才暴露出来，阻碍后续各项施工活动的开展。此外，由于使用者对设计人员的建筑信息难以透彻了解，所以容易产生错误理解导致施工纠纷等。设计人员应用虚拟现实技术构建三维建筑模型、营造虚拟空间，其他建筑参与者通过虚拟现实技术生成的三维图像建构虚拟场景。

（一）修正建筑设计错误

设计一个建筑物或建筑群所要做的工作纷繁复杂，设计人员在建筑整体设计中难免出现错误，如建筑、结构说明有互相矛盾或者表意不清楚的地方，尺寸标注下清楚，建筑、结构、安装图纸对照出现问题等。通过虚拟现实技术在建筑设计中的应用降低建筑设计师的工作难度，将设计效果以三维图像建构的虚拟场景形式呈现，以便设计师发现建筑设计中存在的错误，完善建筑設计成果。

（二）正确理解建筑设计理念及信息

施工人员面对单一的二维或三维的过于专业的绘图样板，不能对建筑施工操作做出正确的理解，使设计与实际建筑产生偏差，致使施工无法进行，造成多方严重损失。虚拟现实技术的应用帮助设计师把设计理念及细节处理完整地展现在其他建筑参与者面前，如墙体和门窗和比例、尺寸，以及玻璃材质、龙骨材质等，真正实现了相互沟通。虚拟现实技术的沉浸式特点，有助于设计人员构建三维建筑模型、营造虚拟空间。参与者可以浸入虚拟空间，直观了解设计人员对建筑物或建筑群的主体结构、空间布局、细节的描画，从而掌握工作中的细节要求，避免施工问题反复出现，对后续施工造成无法修补的损失，立体感官呈现让参与者在建筑施工时更好地完成施工要求和任务，最终实现建筑物的适用、经济、坚固、美观。

（三）建筑设计中的多样化应用

设计人员在进行建筑设计时面临多重矛盾，设计人员用图纸、建筑模型将设计意图表达出来，从而发现问题、解决问题。建筑设计人员应用虚拟现实技术的沉浸性、交互性和构想性，与建筑理念充分结合。首先建筑参与者在使用过程中产生身临其境的感觉，其次建筑参与者可利用传感设备与虚拟环境中的大部分对象进行交互。这就使得复杂抽象的建筑设计在虚拟现实技术的使用下变得具体形象，更大的好处在于设计人员可以和其他建筑参与者进行远程沟通，从而减少时间成本，打破地域限制，使建筑设计更加广域化。虚拟现实技术的构想性对设计者修复不完整的建筑设计起着至关重要的作用，建筑人员通过虚拟现实技术弥补古建筑缺失部分，并加以完善，这对社会的影响极其深远。

二、虚拟现实技术在建筑设计中的应用

虚拟现实技术在创建建筑信息模型、仿真空间环境方面具有较大优势，合理完整的虚拟空间包含建筑设计者的每个细小设计。精密的布局、仿真模拟环境为建筑设计提供了便利的沟通交流条件。

（一）虚拟现实技术的配套设施

虚拟现实技术中的全景技术、网络三维互动等离不开系统的相关硬件与软件。虚拟现实技术在建筑设计中的实施主要依靠传感手套、三维立体声音生成装置、头盔显示器、立体显示系统等硬件设备，使参与者体验虚拟现实技术创建的仿真建筑环境，在听觉系统、视觉系统、虚拟环境系统等若干电子系统下感受建筑模型的立体声音、仿真环境。虚拟环境中的建筑模型的信息与特征具有实时性。虚拟现实技术由功能编程软件、三维建模软件以及模型驱动系统等软件系统组成。技术人员将建筑设计的工程信息及设计参数通过计算机录入三维建模软件，三维建模软件依据录入数据构建三维建筑模型与配套数据库。技术人员通过计算机对模型驱动系统下达操作命令，调整建筑模型信息，实时显示建筑工程设计方案进程，跟进工程，及时调整模型参数。运用功能编程软件协调其他软件，使虚拟现实技术下的建筑模型、场景、声音、灯光等在硬件中实现场景转换、模块运行停止、声音和灯光转变，保持虚拟仿真模拟空间的真实性。建筑参与者沉浸于虚拟现实技术营造的虚拟仿真模拟空间，感受虚拟仿真模拟空间的灯光变化、建筑格局、造型结构、周围环境的真实性，对虚拟现实软件系统的稳定性、实效性都有较高要求。虚拟三维模型直观展现建筑设计的结构细节、理念，在前期准备阶段，项目的模型交付标准及各专业的数据库建立都对虚拟现实技术的软件提出了严格要求。

（二）模型的构建

与单一的二维或三维绘图样纸的基础模式相比，虚拟建筑模型不仅节省成本、易于保存，还能使工程参与者更好地理解建筑设计方案，更为清楚地了解建筑各部位组合、搭建细节以及施工要求。在模型构建过程中，设计人员着重把点线面的数值标注在三维建筑信息模型上，明确标注建筑各部位的设计参数。在建筑工程中避免因建筑图纸读取不当造成的施工事故和操作不当或不到位造成的工期拖延。为设计人员在施工后期修改建筑设计方案提供便利，同时便于保存建筑设计，有利于今后的设计进行对比更新。虚拟建筑模型是构建虚拟真实场景的基础，模型的计量单位与真实场景的尺寸比例、整个模型的参数值都影响着虚拟真实场景的最终呈现效果。虚拟真实场景根据设计人员提供的参数值在计算机上生成实时动态的三维立体仿真图像。在建立模型的过程中通常以毫米（mm）为单位，设计人员通过调整建筑比例，提高建筑模型的仿真性和客观性。

（三）创造仿真空间

运用虚拟现实技术制作三维建筑模型，从而构建一个真实度较高的仿真模拟环境，运用计算机技术对现实世界进行模拟仿真，在仿真模拟环境中，除了三维场景还有立体声音、仿真光线。对周围环境的真实还原使建筑参与者了解施工现场，有效排除建筑操作中的安全隐患。面对复杂的建筑地形，设计人员以往的几何平面、灰度图象模型抽象难懂，增加了设计人员和其他建筑参与者的工作难度。虚拟现实技术的沉浸性使得建筑模型的三维建模化繁为简，按照现实中建筑的实际尺寸和画面的比例来调整建筑整体的外部构造，细化内外装饰，添加内部其他结构。如房屋建筑的墙体、门窗、阳台，桥梁建筑的桩基、承台、墩柱、盖梁、垫石、挡块、箱梁，道路建筑的路基、路床、路面，水利电力建筑的水工建筑物、挡水建筑物、泄水建筑物等。对建筑物的采暖系统、排水系统、照明设备等制定合理的方案，科学规划布局。设计人员利用计算机系统对设计方案进行计算，用图像、灯光、声频的组合呈现与现实世界相同的虚拟仿真场景。为了有效提高虚拟仿真场景的真实度，利用虚拟现实技术设置模型光源，使用户仿佛置身于真实世界，色彩真实、光线柔和、声音立体，虚拟现实技术提高了建筑模型的精準度。虽然设计人员可以通过图片的不同角度缩放图纸，来展示建筑设计中的结构细节，但是这降低了模型的真实度，而虚拟现实技术应用于建筑设计，创建虚拟仿真场景，可使建筑参与者直观了解建筑的结构细节。

（四）自动化修改

建筑设计工作涉及诸多专业领域，如建筑材料、基础工程、房屋建筑工程、桥梁工程、水利工程、地下建筑工程等。一处细小的设计参数误差，就会导致其他设计参数的变化，如施工中出现错误施工，整体建筑工程的设计方案都要进行修改。在虚拟真实环境中创建建筑立体模型，对设计人员的要求较高，应构建配套数据库，持续不断采集、分析数据库中的建筑设计信息，对不同的建筑设计要求进行科学合理的建筑参数值的设计，这样在虚拟仿真情境中的建筑模型才更具实用性，才能更完善地实施建筑工程。虚拟现实技术依靠计算机等智能设备来实现，计算机辅助设计完成建模，提升建筑设计的精准度。建筑备料、施工组织工作和各工种在整个建筑实施过程中相互配合，要以建筑设计为依据。在建筑工程实施过程中，建筑备料是建筑实施不可或缺的组成部分。要满足适用、经济、美观的设计原则，同时要符合建筑工业化及绿色建筑的要求。

三、结语

虚拟现实技术在各个领域应用广泛，如军事、教育、医疗等。虚拟现实技术应用于建筑设计，从技术人员到施工人员，再到建筑设计的参与者，都能体验到虚拟现实技术构建的建筑模型、仿真场景等对提高建筑工程设计质量、优化建筑设计过程、控制建筑设计成本、直观呈现建筑设计效果有着深远影响。虚拟现实技术在建筑设计中的应用仍存在很多问题，需要优化和完善，不断探索虚拟现实技术在建筑设计中的应用价值，提升虚拟现实技术的软件和硬件性能，完善建筑设计模型的细节，提升模拟场景的真实性，建筑行业对虚拟现实技术的应用的扩大，推动虚拟现实技术的发展。

参考文献：

[1]周波.基于虚拟现实技术的展示设计创新研究[J].现代装饰（理论），2011（9）.

[2]张伟东.虚拟现实技术在未来建筑设计中的应用[J].科学中国人，2014（5X）.

作者单位：

牡丹江师范学院