虚拟现实技术在老旧建筑“虚拟复原”或改造设计中的应用

周 磊 刘泽群

（沈阳理工大学艺术设计学院，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

老旧建筑实施改造和翻新设计，既要对其进行现代化改造，还要注重老旧建筑蕴含的历史文化和意义，这是老城改造工程中的重难点。利用虚拟现实技术，对老旧建筑进行虚拟重构，可以构建出3D 虚拟互动系统，不但可以在系统中保存老旧建筑的原有样貌，还可以在系统中进行改造设计，直观展示老旧建筑改造后的效果[1]。如果对于改造的效果不满意，还可以重新进行改造设计，变更方式简便快捷，有利于提高改造设计的效率，为老旧建筑的改造设计提供了更加科学和直观的方法。本文就虚拟现实技术在老旧建筑改造设计中的应用进行分析。

1 老旧建筑改造的定义及价值

1.1 老旧建筑改造的定义

国际室内标准部将老旧建筑改造设计定义为：“将一座老旧建筑通过修理或改造，在保留其重要的历史、建筑和文化价值特征的同时，实现有效的、现时的用途，这一转化的行为或过程”[2]。

《中国既有建筑改造政策和市场化运作》一文，对当前国内老旧建筑最常用的一些界定做了较为全面的梳理：

（1）在城镇地区，建成并交付运营的新建筑物属于老建筑；

（2）已建成且已使用超过两年的为老楼；

（3）当一栋新的房屋完工并交付使用后，由于人类和自然等原因，房屋的物理性质与房屋用户的要求和房屋的安全性标准之间有差异，需要进行维修、改建或者改建的房屋被称作“老房屋”[3]。

1.2 老旧建筑改造的价值

对老旧建筑物进行改造，改造后的老旧建筑不仅有其历史和艺术价值，还蕴藏着极大的经济价值，并将其恢复再用，作为推动城市建设与社会振兴的有效手段。

1.2.1 历史价值——城市文脉的延续

与一些特定时期和特定人物有关的建筑，它们不但记载了有关历史，更是民族奋斗的载体。在这些空置的老旧建筑中，有些是与重要的历史事件、重要的人物相关，有些已成为“文化遗产”。这些老旧建筑折射出了一定时期人们的思维方式和技术水平。正因如此，这些老旧建筑就成了衡量城市历史价值的重要组成部分。

1.2.2 社会经济价值——旧有资源利用

废弃的工厂大楼材质坚固、空间结构简洁，有高挑的支撑和宽阔的空间，易于被改建和重新使用。若对产业结构进行更新，既能节约拆迁费用，又能为当地创造巨大的经济效益。这可以为经济发展提供新动力，同时还可以增加就业场所，有效减轻社会人口的增长带来的就业压力。

1.2.3 精神艺术价值——展示建筑美学

老旧建筑反映着一个地区在一定时期内的建筑风格，因此，对老旧建筑的改建和使用，就是一种艺术创造。在原来的陈设上，经过改建或加建，改变建筑的立面、空间和建筑的体量，引进新材料、新色彩等，让这些老旧建筑在经过改建之后，不仅可以展现出原来的工业美学，还可以展现出古老的建筑韵味，同时还可以营造出浓郁的艺术氛围。

2 虚拟现实技术概况

2.1 基本概念

“虚拟现实”的概念源于英语中的“Virtual Reality”，其简称为VR。虚拟现实技术，是在计算机的软件和硬件及各类传感器的支撑下，通过虚拟模拟的方法，为观看者创建一个可以实时地反映出实体对象的改变与相互作用的虚拟世界，让使用者可以在视觉、听觉及触觉等多种感知方式与虚拟世界展开更加自然的互动。

虚拟现实的基本理念是：借助各种感知装置，将使用者“投入”到一个仿真的场景中，从而实现使用者与这个场景之间的自然互动。

2.2 主要特点

虚拟现实技术作为一系列高新技术的组合体，具有感知性、交互性、抽象性和沉浸性的特点，为人们直观地感受微观和宏观物体的运转状态或规律，提供了途径。

2.2.1 感知性

虚拟现实技术的作用就是将人们的视觉、听觉、触觉等感官系统充分利用，以此来对物体进行认知，实现全方位观察或操作的目的。当前，在虚拟现实技术中，人类的感官系统并未充分利用起来，而在将来，感官系统将会得到更多的利用。

2.2.2 交互性

“交互”是借助科技手段营造一个虚拟的环境，将信息从一个终端传送到另一个终端，再由“大脑”做出反应，从而确保使用者体验的真实、准确和及时性，同时也能满足使用者与这个世界中的人物或物品的信息交互需求。

2.2.3 抽象性

通过虚拟环境的构造实现对现实的抽象，就是为了让人能够在虚拟环境中感受到“真实”的景象，从而扩大认识范围。对于设计人员来说，他们要对现实世界中所发生的事情进行认识，并对其进行抽象，借助电脑来完成虚拟世界的构建。

2.2.4 沉浸性

沉浸性是当参与者置身于虚拟环境中时，其感觉系统以一种与在真实环境中相同的方式处理来自虚拟世界的视觉和其他感知数据，从而提高使用者在使用时的代入感。最好的沉浸性就是让使用者的视觉、听觉和其他感觉都融入到这个虚拟的环境中去。

3 虚拟现实技术在老旧建筑保护中的优势

利用虚拟现实技术，对老旧建筑进行虚拟重构，构建出一个3D 的虚拟互动系统，不但可以保存老旧建筑的原有影响，还可以在虚拟现实中进行改造设计，为老旧建筑的改造设计提供了更加科学和直接的手段。

3.1 提升对老旧建筑的认识

将虚拟现实技术用于对老旧建筑的改造设计，能够通过该系统准确而逼真地模拟出老旧建筑的原貌，包括建筑的结构布局、材料、纹理，以及周围的环境，甚至是不同季节、一天中的不同时间段的光影效果，都会在虚拟系统中被真实地显现出来。观看的人可以在这座老旧建筑中自由地穿梭，甚至还可以随意地飞行，可以随意地移动到任何一个地方，可以从各个角度观察这座老旧建筑。这样，就可以让改造设计人员更加全面、深入地认识该建筑。

3.2 增强对老旧建筑的保护

作为文化遗产的老旧建筑中有很多的易损构造，在改造设计过程中很可能会出现脆化、脱色、剥落等问题，即使经过了人为的修补，也很难被长久地作为文化遗产应用到研究和展览中去。通过虚拟现实技术的使用，可以将老旧建筑的各个方面都完整地、多角度地进行展示，能够帮助改造设计人员清楚地掌握易损构造和易损部位，有利于老旧建筑的改造和保护，有助于延长文物建筑的使用期限。

3.3 深入挖掘历史文化遗存

在虚拟现实技术中，可以以考古研究资料和文献记录为基础，对还没有发掘或已经泯灭了的建筑遗址、遗存进行仿真分析。并且通过互联网技术将这些文物信息进行统一的集成，在不对建筑遗产自身的安全性造成任何影响的情况下，进行全方位的展示。

在虚拟的建造环境中，能够容纳大量的有关目标的信息，从而实现对信息的集成和共享[4]。可以根据具体的历史建筑特点，构建与其有关的信息数据库。借助电脑和互联网，将大量的文物信息进行整合，再借助虚拟现实技术，对大量的文物信息进行更加全面、生动、逼真的展现，让这些文物信息摆脱了地理上的局限，达到了信息的分享，让这些信息能够被所有的人所“拥有”。

4 虚拟现实技术在老旧建筑改造中的应用案例

在老旧建筑改造设计中，往往会遇到一些很难符合客户要求的工程项目，要经过反复修改，最终使其符合客户要求。而在计算机辅助下，建立3D 模型，不但能模拟出老旧建筑的样子，还可以利用虚拟现实技术对老旧建筑的改造升级，能够突破现实的壁垒在虚拟建筑中大胆构想；对于历史建筑，还能够完整地还原历史风貌。

4.1 虚拟现实技术在圆明园遗址修复中的作用

1860 年至1928 年，圆明园遭遇了“火劫”“木劫”和“石劫”，彻底荡然无存，留下的只有瓦砾。2012年在原址上对劫后圆明园的遗址进行了修缮（见图1 所示），虚拟现实技术在其中起到了重要的作用。

图1 圆明园遗址

图2 巴黎圣母院

圆明园的“虚拟复原”计划由梁思成的弟子郭黛姮率领的清华研究小组展开，历时15 年，将所有已知的景区资料进行整理，到现在为止，已经有六成以上的景区在虚拟世界中被精确地还原出来。通过分析各楼阁的形态特点和建筑构造，并找出整个园林中各大水系的变动模式。同时，虚拟现实技术也被运用到了圆明园的“虚拟复原”中，每一个建筑都需要经过电脑编程，建筑的每一个角落都要经过精心的设计，再加上虚拟现实技术的实时渲染，让视频中的整个建筑看起来更加的宏伟壮观。经过上万份历史文件的收集与修复、数千份设计手稿的整理，近2000 个模拟圆明园的建筑模型的建立，以及120 个不同的六个历史时期的场景的整合，终于让这个被称为“万园之园”的圆明园，再次通过视频呈现出来。

研究人员将数字模拟和虚拟现实技术与传统建筑技术结合起来，以数字图像与资讯的方式，尽可能地在视频中恢复圆明园的原始风貌，让参观者可以在圆明园的废墟中，通过特定的互动装置，体验到曾经的圆明园风采。

4.2 用虚拟现实技术还原巴黎圣母院

巴黎圣母院坐落在塞纳河畔的法国巴黎城的中心，巴黎的教堂是在1163 年开始建造的，1345 年竣工。2018 年4 月发生的一起火灾，导致巴黎大教堂的尖塔和圆顶全部被焚毁。按照相关部门和专家的估计，整个维修工作还需要5 年左右的时间，但是，因为目前的技术难度，整个维修工作还会被推迟。

这场大火造成巴黎圣母院的整个圆顶都被焚毁、三个主梁拱门坍塌、之前用来加固圆顶的支架也被焚毁并造成大量结构部件的损坏[5]。在施工过程中，从零散的建筑构件、雕塑、装饰线脚等材料中，识别出可以进行修补再利用并进行替换的构件，是一件十分复杂而困难的工作。

运用虚拟现实技术，在计算机中录入各种建筑构件、结构部件信息，可以让工匠们在以后的工作中明确需要开展的工作。在虚拟现实的模拟重建中进行建筑建模假设，模拟可能发生的状况，以最大限度地加速修缮进程。在此过程中还能建立网上旅游线路，是减少建筑物损坏、保存文物的最佳途径。

5 结束语

虚拟现实技术由于具有感知性、交互性、抽象性和沉浸性，能够使老旧建筑在3D虚拟世界中更加完整、更加全面地展现出来，实现对老旧建筑的改造设计。在“虚拟世界”中对老旧建筑物进行改造，不但可以再现真实的建筑物，而且还可以帮助人们在虚拟世界中进行创作。未来，人们对建筑物的认识会越来越深刻，这对建筑师提出了更高的要求，促使他们在老旧建筑改造过程中积极地运用各种先进技术，合理选择设计方法、提高设计质量，满足对于老建筑改造设计的需求。