VR技术在建筑行业实践中的应用

张俊峰 丁 聪 田伟丽

（华北水利水电大学建筑学院，河南 郑州 450046）

0 引言

虚拟仿真（Virtual Reality，VR）［1］技术是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统，具有沉浸性、交互性、构想性等特点。用户可借助必要的设备，与数字化环境中的对象进行交互，二者相互影响，可使用户产生亲临对应真实环境的感受和体验［2-3］。随着信息技术的快速发展，VR技术已不再局限于计算机图像，其在建筑、医疗、教学和艺术等领域也得到广泛的应用和发展。尤其是在建筑空间体验和评价中，VR技术展现出较大的潜力，其逼真性和实时交互性可为建筑设计中的空间尺度认知能力培养提供强有力的支撑［4］。

建筑设计是在建造建筑物前制定方案，并以图纸或文件的形式进行展现的［5］。建筑设计者按照建设任务来预定设计，对建筑材料、工程资金估算和工程施工等进行精细化计算，能有效提高建筑的施工效率，避免施工过程出现缺陷。一般建筑设计应做到基本单元、连接构造、构建、配件及设备管线的标准化和系列化，尽量采用少规格、多组合的方式来构造多样化的建筑形式，并使其消防、节能、降噪和抗震等满足相关规范要求，使建筑物在建设完成后能充分满足用户（社会面）的使用需求［6］。

传统的建筑设计者以二维图纸、视频资料、现场体验和实际量测为主要建筑环境体验方式。在二维图纸和视频资料中只能截取固定的视角或片段，难以展现全面、直观的建筑环境。现场体验和实际量测易受经济成本、时间周期、城市建设政策等的限制［7］。基于VR技术的沉浸性、交互性和构想性，将其应用于建筑行业，有助于打破时空的限制，提高建筑设计者的设计效率和质量，增强初学建筑设计者的兴趣和体验，对推动建筑行业的发展具有重要意义。

1 基于VR技术的建筑系统架构

1.1 VR技术原理

VR技术是由一些基本的软件和硬件设施构成的计算机数据系统，通过视觉、听觉和触觉的相互交织，使用户进入与真实环境感官相近的沉浸式系统［8］。VR技术的视觉、听觉和触觉的作用原理如下。①视觉感知是通过人体双眼中两张不同视角的物体成像的差异，经视网膜处理形成一个较为立体的图形，并根据图形的深度感知来产生三维立体效果。②听觉感知能增大视觉感知的效果，甚至比视觉感知更加有效，人的耳朵可通过声音来定位声源。③触觉感知能通过虚拟物体反馈的作用力或阻力，使用户感受到物体的大小和方向。

1.2 VR建筑系统架构

为了提高建筑设计者对空间尺度的认知能力，以更加真实的视角来体验空间感知及沉浸式建筑的创作设计。本研究利用VR技术提供的交互式多源信息融合的三维动态视图和建筑环境进行仿真，辅助建筑设计者在VR空间中对体验基地环境、室内外空间、光影关系、尺度感、建筑材料与色彩等建筑设计的基本要素进行分析，从而能更高地效完成建筑设计的推敲和修改。基于VR技术的建筑系统架构如图1所示。通过计算机来控制VR建筑环境，从而给予建筑设计者以多样的感官反馈刺激，是一种较为高级的人机交互技术。建筑设计者可通过该系统进行最大程度地开展辅助建筑设计。

图1 基于VR技术的建筑系统架构

2 VR建筑系统开发设计

2.1 VR建筑系统

VR建筑系统是以设计者为主导，依托软件桌面端VR验证与虚拟现实硬件设备完成对沉浸式空间的仿真设计，帮助设计者在理清基地环境的基础上重复“发现设计方案技术与空间问题、修改完善设计方案、检验设计方案”的设计过程，来提升设计效率，提高设计成果达成度。为了提高用户（社会面）对VR建筑设计过程的控制评价，本研究以用户（社会面）需求为导向，搭建VR建筑设计管理平台，全过程记录建筑设计者各阶段的试验成果，有助于用户（社会面）监管建筑设计者的设计推敲过程，从而实现建筑设计过程的多元共享和在线互动交流。建筑设计者与用户（社会面）的交互过程如图2所示。

图2 建筑设计者与用户（社会面）交互图

2.2 VR建筑系统开发流程

VR建筑系统是基于Unity3D［9］平台开发的，采用HTC VIVE［10］虚 拟 现 实 硬 件 系 统，并 集 成SteamVR SDK。Unity3D是由Unity Technologies公司研发的一款三维引擎，被广泛应用于三维视频游戏、建筑可视化和实时三维动画等平台的开发，设计者可采用.exe的执行文件形式为用户提供工程文件［11］。VR建筑系统的开发环境详见表1。

表1 VR建筑系统开发环境

VR建筑系统的开发流程包括VR软硬件环境搭建、模型和贴图制作、内容开发与优化、程序打包与发布，开发流程如图3所示。

图3 VR建筑系统开发流程

2.2.1 VR软硬件环境搭建。VR建筑系统采用HTC VIVE虚拟现实设备，通过搭建Unity3D的开发引擎环境，在Unity3D工程项目中下载并导入SteamVR SDK。

2.2.2 VR模型和贴图制作。根据建筑需求的CAD图纸、视频资料来建立VR模型和纹理贴图，从而完成对VR建筑的材质选取、建筑位置和轨迹的设定、光影和音效的设置等渲染工作。

2.2.3 VR内容开发与优化。结合VR建筑的需求，基于Unity3D开发引擎和HTC VIVE虚拟现实设备对VR内容进行开发，并通过测试分析进行优化。

2.2.4 VR程序打包和发布。在完成上述流程后，可将VR建筑设计的成果打包成.exe文件，并进行发布。

3 VR建筑系统开发实现

3.1 VR任务场景构建

为了提高设计任务场景的真实度，VR建筑系统通过无人机倾斜摄影测量来采集真实场景的三维模型，并在Unity3D后台中生成1∶1的VR任务场景，如图4所示。VR建筑系统可根据建筑需求来筛选和完善空间信息，如将市政管网、地质条件、历史遗迹和周边即将动工建设的建筑可视化后融入虚拟任务场景中，构建可全方位多视角地展现基地特征属性、可体验空间关系和尺度、可观察区域环境和人群行为活动、可认知基地显性和隐形设计影响条件的虚拟任务场景，从而延展设计者在设计前对基地认知的深度和广度。

图4 VR任务场景构建

3.2 数据库开发

VR建筑系统建设了涵盖我国各区域具有地域特征的仿真材料数据库，如图5所示。包括1 200多种的常用植物模型、195种不同年龄段与形态的人物模型、568种不同类型的城市家具和130种不同类型的室内家具等。为了能妥善管理数据库信息，本研究采用SQLite数据库［12］来搭建数据库框架，并对建筑元素的属性参数和实体信息进行管理，利用SQL语句来实现数据信息的检索、查询、数据处理、统计分析和编辑等功能，Unity3D可对SQLite数据库进行实时访问，从而使设计者可根据个人设计方案来快速、逼真和高效地构建建筑内外部场景。

图5 VR实验材料数据库

3.3 UI界面和艺术效果

界面色彩、空间尺度和艺术风格作为VR建筑设计过程中的基本要素，使UI界面开发和艺术效果渲染成为VR建筑系统中的必要环节［13］。本研究采用Unity3D软件中的UGUI系统，为设计者提供高级图形化的交互界面，可采用C#和Javascript语言来实现UI交互，包括按钮（Button）、标签（Label）、输入框（TextField）和工具栏（ToolBar）等。艺术效果的渲染则采用Unity3D着色器（Sha-der）来实现图形的绘制，设计者可使用ShaderLab来完成个性化着色器，增加VR建筑的艺术风格，从而满足用户（社会面）需求。

3.4 辅助编辑和空间分析工具开发

为了能帮助设计者在设计过程中科学地分析空间环境，并进行辅助设计，VR建筑系统研发出信息标注、距离测量、日照光影模拟、土方量计算等辅助编辑与空间分析工具，如图6所示。设计者在VR任务场景中进行调研时，可跟随人群活动路线的动态标注来分析人群活动特征，从而精准测量各类尺寸，并准确把握基地环境与空间尺度。设计者在推敲方案时，可通过日照模拟来分析空间的光影变化、利用挖填方工具来计算土方量等，验证设计方案的科学性与合理性。

图6 辅助编辑与空间分析

3.5 建筑设计过程管理

VR建筑设计管理平台由团队自主研发，可与VR建筑系统实现有机衔接。VR建筑设计者可将建筑设计成果打包上传到建筑设计管理平台中，用户（社会面）负责设置各阶段的上传成果内容、时间节点及评分权重，可根据设计者上传成果来综合评价设计方案，设计者可根据用户（社会面）评价进一步优化设计方案。

4 VR在建筑行业实践中的应用探索

为了验证试验效果，本研究以某建筑设计为例，邀请20名建筑设计者，按照经验和设计工作年限的不同，将20人分为10组，每组2人。在每个小组中，一人使用VR建筑系统进行建筑设计，另一人按照传统模式进行建筑设计，建筑设计周期为120 d。建筑设计完成后随机寻找100名建筑专业人员充当用户，分别对满意度、设计方案交付效率（即小组成员在截止日期前能够如期交付设计方案的比例）进行评价，并从专业角度对建筑设计的完整度进行客观评价。设计师通过VR建筑系统完成设计后上传到VR建筑设计管理平台，VR建筑设计成果与用户体验交互如图7所示。

图7 VR试验设计过程

经过多组建筑设计者的真实案例试验对比表明，引入VR试验设计和传统设计模式在最终设计成果上存在一定差异。①用户（社会）面满意度差异。引入VR试验设计的设计成果的用户（社会面）满意度高达90%，传统设计模式的用户（社会面）满意度仅为75%。②设计方案交付效率差异。为凸显试验效果，在试验过程将每个设计方案的正常交付时间缩短为80%。试验结果表明，引入VR试验设计的设计方案，78%以上的设计者都能在规定时间内完成建筑设计，传统设计模式仅有60%的设计者能交付设计成果。③设计方案规范性。引入VR试验设计后，设计者对单体、建造群体组合、外部空间环境、重要节点详细设计等的规范性高达93%，传统设计模式中设计者的建筑设计规范性为82%。试验结果如表2所示。

表2 VR试验设计与传统设计方式对比

综上所述，引入VR辅助的试验建筑设计成果在用户（社会面）满意度、设计方案交付效率和设计方案规范性等方面均优于传统建筑设计模式，表明了VR建筑系统在辅助设计者进行建筑设计时具有显著的优势。

5 结语

VR建筑系统利用倾斜摄影技术来采集环境数据，构建基于真实地理位置和尺度的建筑设计任务环境，并在此基础上，利用VR技术对自然环境、建筑材质、人群活动等进行高度仿真模拟，设计者基于Unity3D引擎，将设计方案整合到任务环境中，从而实现沉浸式真实尺度的空间体验，可直观地认识到设计方案的优化方向，并搭建VR建筑设计管理平台监控设计全过程，实现设计成果可追溯、可评价和可共享等。试验结果表明，建筑设计中采用VR辅助能有效提高用户（社会面）的满意度、设计方案交付效率及设计方案的规范性。