基于混合现实的多阶段建筑设计方案呈现方法可行性探究

陈子宜

摘要：强交互性、强临场感、高参数转换效率是多阶段建筑设计方案呈现的需求。通过综合阐释混合现实技术在多阶段建筑设计方案呈现中相较于目前建筑设计方案呈现方法的优势，并构建一种基于混合现实的多阶段建筑设计呈现方法（Mixed Reality based Multi-stage Architectural Design，简称MRMAD方法）的模型，论证混合现实技术应用于多阶段建筑设计方案呈现中的可行性。这种基于混合现实的多阶段建筑设计方案呈现方法为高效精准评估建筑设计方案提供创新思路。

关键词：混合现实;多阶段建筑设计;设计方案呈现方法

中图分类号：TP3       文献标识码：A

文章編号：1009-3044（2021）19-0148-04

在实践中，我们经常遇到同一块场地在较短时间内（例如几个月）随时间演变有多个阶段建筑建造进行不断覆盖的建筑设计项目，例如，文化遗址考古发掘展示公园的设计。文中将这类项目称为“多阶段建筑设计”项目。该类项目相比其他建筑类型项目有其特殊性：多阶段建筑设计项目包含各阶段设计，涉及设计方案信息量较大，且通常工期较短，适合在整个项目开始前就统一设计完成所有阶段的方案;因此需要模型及场景参数转换效率高和交互性强的方案呈现方法。同时，设计师和用户在实施建造之前或建造的过程中希望看到每一个阶段建筑建成时设计方案与周边环境的效果;因此需要临场感强的方案呈现方法。然而，当前建筑设计方案呈现方法运用于多阶段建筑设计方案呈现中均有不足之处。因此，探索一种可以让体验者在实体建筑建造前更加直观、真实、高效感受各个设计阶段效果的呈现方法并论证其可行性，是十分必要的。

1建筑设计方案呈现方法现状

1.1 目前建筑设计方案呈现方法比较

目前建筑设计方案的呈现方法有许多种，大致可分为：图纸、沙盘模型、虚拟模型屏幕呈现、基于虚拟现实的建筑设计方案的呈现方法（简称VRAD方法）、基于增强现实的建筑设计方案的呈现方法（简称ARAD方法）。针对以上建筑设计方案呈现方法，以影响建筑设计方案呈现效率与效果的相关因素进行横向比较，比较结果如表1所示。

1.2 目前方法呈现多阶段建筑设计方案的不足

通过对现有建筑设计方案的不同呈现方法关键因素的比较，运用以上呈现方法呈现多阶段建筑设计方案均有不足之处[1，2，3]（如表2所示）。

1.3 基于混合现实技术呈现多阶段建筑设计方案的优势

针对目前建筑设计方案呈现方法对于多阶段建筑设计方案呈现中的不足，为达到交互性强、临场感强且参数转换效率高的方案呈现目标，探究混合现实技术在建筑设计方案呈现方法中的应用。混合现实（Mixed Reality，MR）是一种在虚拟环境中引入现实场景信息，物理实体与数字对象能共存并实时相互作用，使真实世界与虚拟的数字世界相结合产生的一种新的环境可视化方式[4]。混合现实技术运用于多阶段建筑设计方案呈现相较于其他呈现方法有以下优势。

（1） 与传统图纸、沙盘模型、电脑建模屏幕显示相比：拥有远强于传统方案呈现方法的方案体验临场感以及虚拟世界、现实世界和用户三者之间的信息交互功能。

（2） 与VRAD方法相比：运用混合现实技术是在真实场景中体验，体验者与真实环境或体验者之间可以进行多感官的信息交互[5]，易于及时反馈体验、优化设计，以及对建筑设计方案的决策。

（3） 与ARAD方法相比：运用混合现实技术呈现的虚拟画面不再单纯叠加到现实场景中[6]，而是进行了虚拟数字模型与现场真实环境数字化场景的实时匹配与人机交互，实现在现场体验过程中实时对设计方案进行修改并存储;真实的场景被数字化之后可以模拟在不同环境条件下该场景的状态，运用数字孪生技术，在数字化的虚实共现环境中对设计方案进行实际使用状况的模拟，并将参数记录运用于实际设计的建造[7]。

混合现实技术目前已在沉浸式游戏、全息手术[8]等领域进行了初步应用，但在建筑设计方案呈现方法中的应用较少。综合以上优势点分析得，混合现实技术运用于多阶段建筑设计方案呈现将设计方案的三维数字模型与现场实地环境数字化场景相结合，临场感强于目前设计方案呈现方法。混合现实技术拥有人机交互功能，体验者与设计方案间交互性强于目前设计方案呈现方法。混合现实技术将真实环境场景数字化并对要素进行参数化设计[9，10]，实现在用户短时间的体验中模拟不同时间段、季节、天气状况等环境条件下设计方案与周围环境的状态，参数转换效率高于目前设计方案呈现方法。因此，现提出一种基于混合现实的多阶段建筑设计方案呈现方法（Mixed reality based Multi-stage Architectural Design，下文简称MRMAD方法）。

2 MRMAD方法的可行性分析

将混合现实技术运用于多阶段建筑设计方案呈现的MRMAD方法，在临场感、交互性、参数转换效率方面均优于目前的设计方案呈现方法。接下来从MRMAD方法的具体模型和初步应用效果来论证MRMAD方法的可行性。

2.1 MRMAD方法模型

MRMAD方法模型由七部分组成，分别是：设计方案虚拟三维数字模型数据库、现场实地环境数字化场景数据库、设计方案虚拟三维数字模型库、现场实地环境数字化场景图像库、信息交互子系统、图像模型虚实融合引擎和输出设备。

（1） 设计方案虚拟三维数字模型数据库（如图1所示）。该数据库包含：①设计方案模型数据表：通过设计三维建模软件获得，该数据表记录了设计方案的三维模型尺寸、材质等信息;②模型各类视图信息参数数据表：通过各类定位传感器获得，该数据表记录了体验者所在位置及视野应当看到的虚拟三维数字模型的范围、视角透视情况等信息;③各类自然条件参数数据表：通过语音识别软件获得，该数据表记录了需要改变的虚拟三维数字模型中的相关自然条件参数（季节、时间、天气状况等）。