虛擬現實技術在生態建筑與環境設計中的應用

［摘 要］人類對自然的過度侵蝕，改變了人對自然界作用的性質，建立新的、生態的和諧關系迫在眉睫，高新技術的出現形成了建筑規劃設計領域的新潮流。

［關鍵詞］生態系統 持續發展 虛擬現實

［中圖分類號］X32 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1009－5489(2008)10－0190－02

一、問題的提出

21世紀科技的進步和社會生產力的高速發展，加速了人類文明的進程。然而，隨著人口的增加、城市化程度的加深，大量的鋼筋混凝土人造地貌和人工環境改變了城市自然演進的過程，使自然環境發展發生質的變化。為了保護地球，滿足“社會、經濟、自然”的持續發展，利用高新技術建立城市可持性發展的生態體系已迫在眉睫，它是以追求人與自然和諧為目標的運動，這個生態運動已在全球范圍內展開。同時，標志著人類將邁人“信息時代”與“生態文明時代”。

上世紀70年代，日本市民開始把城市環境作為城市設計中的重要環節對待；澳大利亞城市建設依靠生態思想將城市綠地系統設計成以河流、濕地為骨架，形成“楔向網狀”模式，建成了“自然中的城市”。我國科學家錢學森倡導“山水城市”的觀念，也意在人與自然和諧共存，成為現階段中國發展生態城市的一個新趨勢。

可以認為，目前城市以生態意識為目標的設計思想，是地球上所有人的行為準則和新的道德規范，是人類生態環境遭到嚴重破環時提出的一種“生存對策”。

二、生態建筑設計

隨著城市化程度的加劇，自然環境隨著人口膨脹、毀林開荒、水土流失、公害建筑及工業污染等因素的出現而急劇惡化，形成嚴重的生態失控。為了創造新的平衡系統，促進和適應城市自然演進過程，增強自然環境的健康性而提出生態設計的思想。

1.生態建筑

生態學一詞Ecology由希臘文Oikos衍生而來，表示“住所”、“房子”。生態學的核心是以生物為主體，是研究生物與環境之間相互關系及其作用機理的科學。

所謂生態建筑就是運用生態學原理和遵循生態平衡及可持續發展的原則，設計和組織建筑內外空間中的各種物質因素，使物質與能源在建筑系統內有秩序地循環轉換，獲得一種高效、低耗、無污染的生態平衡的建筑環境。同時，也是實現城市和社會、經濟、自然綜合平衡和協調發展的一種模式，是將建筑設計成結構合理、功能協調、效益良好、環境優美的人工生態系統，因此，生態建筑對自然環境施加的影響最小，并與生物圈融為一體，使之發展成為動態平衡的生態系統。

2.生態設計

生態設計是一種節能、高效、突破時限的綜合系統，它擯棄“人類中心主義”的思想，強調“自然的倫理觀”。倡導人與自然互惠共生，形成高質量的生態環境，成為尋求城市持續性發展的有效途徑。生態設計要遵循生態化原則，即節約能源、資源，無害化、無污染、可循環等。

(1)生態材料

生態建筑材料的概念來自于生態環境材料，指在材料的生產、使用、廢棄和再生循環過程中，與生態環境相協調，滿足最少資源和能源消耗，最小或無環境污染，最佳使用性能，最高循環再利用率的建筑材料。

建筑采用無污染可循環的材料、自然材料、再生材料和廢棄材料，如使用礦渣制成的地面鋪裝、屋頂隔熱蓋板、框架填充墻等，以便減少建筑二氧化碳的排放，確保人們生活在一個宜人、舒適的生態環境中。同時，注重推廣新型墻體材料，節能材料，改變以往秦磚漢瓦的建材方式，提高綠色建材的應用量。

(2)再生資源

通過技術手法，積極開發利用再生資源。如充分開發太陽能的熱效應、光電效應及風能等。

太陽能光電板將太陽能轉化為電能，太陽能熱管和控制器為建筑提供主要熱水資源，這是一種取之不盡的清潔能源。另外，海水淡化技術將徹底解決水資源匱乏；如果能徹底解決核能的安全問題和污染問題，那么人類又有了一種極為高效的清潔能源。

其次，提倡自然通風和天然采光，以便減少能源的消耗，即對生態系統和生物圈內的不可再生能源產生最小的影響。

(3)綠色植被

在建筑內外空間興建生物工程，促使建筑與環境協調。如庭院綠化、中庭綠化及垂直綠化、室內綠化、屋頂花園等。

花卉樹木具有吸塵、凈化空間、調節氣候等功能，使建筑與環境平衡、協調，人們在這種環境中可感受到大自然氣息，減少工作疲勞感，滿足接觸大自然的心理欲望和對自然美的觀賞。此外，通過生物工程(運用室內綠化、水體等措施)在建筑內形成物質循環系統，降低污染空氣的排放量，使城市生態環境得到保護。而室內栽培植物又是一種傳統生活的延續，它特別為老年人提供了良好的休閑方式。其次，增加軟質地面、植被覆蓋率等，減少人工環境的“水泥化”，一定程度上改善了地面輻射熱的狀態，減弱“熱島效應”。同時，它們軟化了建筑的硬度，促生建筑的情趣，創造了舒適的生態環境。

這種自然資源共享、人與環境共融、鄰里共和的建筑環境創造了城市設計的真諦。

(4)節能技術

節能一方面是說房子本身的節能問題，如墻體的保溫性(房屋氣密性、墻體的厚薄等)，另一方面是房子內部空調等設備的耗能。

通過選擇合適的建筑材料(無害化、可再生、可循環)、設計方式(充分考慮氣候因素和場地因素，如朝向、方位、布局、地形地勢等)，盡可能利用天然熱源、冷源來實現采暖與降溫，充分利用自然通風來改善空氣質量、降溫、除濕，以求達到最佳的節能狀態，如美國最近研制出了一種新型生態建筑，使用生態材料，水、電能源獨立自供，室內空間圍合隨意，寬敞、寧靜、舒適。

建筑本身設計合理、功能完善、材料環保、節約能源及經濟獨立，必能取得環境生態效益、經濟社會效益與消費群體需求的統一。

三、在生態建筑與環境中的應用與研究

1.虛擬現實技術的發展

1989年VR領域的先驅，美國人Lanier率先使用了“Virtual Reality”即“虛擬現實”一詞。1990年第一次召開了世界性的關于虛擬現實技術的學術會議以后，VR開始以驚人的速度滲透到社會各個領域，如實體模型制作、信息系統和管理、藝術及娛樂等。

虛擬現實技術也為建筑行業提供了新的思路和設計方法。由于實時的三維空間表現能力、人機交互式的操作環境以及給人帶來的身臨其境感受，虛擬現實已成為輔助設計及展示的理想工具。如用戶可以面對一個虛擬的三維空間，以各種仿真的建筑構件，在電腦上建造一個理想的、既符合建筑技術法規又滿足業主和社會需要的建筑物。它可以互動地全尺度地表現空間信息，特別是借助建立的模型與通過模擬運行，能預見擬建建筑可能發生的各種問題并尋求解決的辦法。

虛擬現實技術所具有的真實感和交互作用的能力，將對建筑、規劃等領域產生革命性的影響。

2.虛擬現實技術在生態建筑設計中的應用

生態建筑設計過程中，技術支持是非常重要的，采用高新技術是未來生態建筑發展的必然趨勢。

建筑的節能設計，是建筑走向可持續發展的戰略性目標。該研究領域具有嚴格的科學屬性，它以建筑科學為基礎，涉及建筑物理、建筑材料、建筑設備等學科。只有通過一系列實踐性工程、定量化的實驗測試以及進一步的修改，才能完善節能設計。但這種傳統的工藝方法投資費用大、實驗周期長，導致工作效率低下。

在高速發展的信息時代，以先進的高科技手段代替傳統方式勢在必行。如利用計算機虛擬現實技術，建立節能建筑模型，通過模擬運行，取得各種數據，以這種方式作為節能設計的實驗環節，可以大大提高效率。此外，在系統中，設計者可以直接控制生態材料、再生資源、綠色植被的各種參數，系統也可以實時地向設計者反饋相應信息，以便綜合評價、分析。

因此，VR使建筑中一些復雜的傳統設計方法、大量繁重的分析方式等無法預見和解決的問題獲得充分考慮。

3.虛擬現實技術在其他設計領域中應用

虛擬現實的魅力還在于它能提供其他傳統表現方式無法比擬的、嶄新的信息交流界面，在親身體驗三維空間的同時通過實時三維場景調整、信息查詢以及多媒體信息集成等技術，為方案的比較推敲，設計思想、特點以及相關信息的展示提供了強有力的支持，因此，廣泛應用在規劃、城市設計、室內設計等領域。

(1)規劃設計

在輔助規劃設計、居住區規劃、道路交通規劃等領域廣泛應用。

1991年，倫敦地鐵King Cross站采用了電腦仿真技術CAI模擬該站的車流狀況和鐵軌交錯的情景；柏林市政府也用虛擬現實技術來模擬整個城市，用以研究日益嚴重的交通問題和審查城市改建方案，此外，小區三維虛擬環境體驗，人們可以身臨其境感受樣板間設計。我們相信不久的將來，許多大城市將采用虛擬現實來展示一個動態城市。

(2)建筑造型設計

運用高技術創造新的造型建筑，實現建筑設計質的飛躍。

利用計算機模擬高層建筑的風洞試驗，來調整建筑的形體造型(還可以調整外空間的環境設計及改善建筑周邊的風環境)；利用計算機生成等張力曲面，使力學與屋頂造型完善結合；利用計算機模擬氣流走向，以此調整屋頂曲面造型。這些虛擬模擬試驗改變了傳統的設計思維，將成為新型啟發構思的一種手法。

(3)技術設計

計算機技術可對建筑防災，如防火分區、防煙控制和疏散路線等進行模擬實驗，提高其安全度，完善建筑技術設計。此外，還可研究建筑及周圍環境的聲、光效果、物理性能。如模擬自然光、人造光的效果，檢測建筑物的隔音效果和聲學指標等。

四、結語

城市在建設過程中，經歷了尊重順應、控制征服、保護利用和協調共處等不同階段。注重生態概念的建筑，不但否定了以往城市發展模式是以掠奪其外界資源為目標的經濟意識，而且已成為21世紀實現生態時代，即注重人與環境和諧發展的目標。

生態化、信息化、數字化是21世紀城市建設中不可避免的大趨勢，生態建筑的發展有賴于科學技術的進步。伴隨最新技術滲透到生態建筑領域中，尤其是系統工程、計算機虛擬現實技術的介入，進一步完善與豐富了建筑設計的方法與內容。因此，我們有信心開拓虛擬現實技術在城市規劃、建筑設計、環境設計(實時綠化、小品、路燈等環境布置)、室內設計(虛擬建筑空間感受，實時建筑材料選擇)及房地產銷售等領域的應用，將虛擬變為現實。

［參考文獻］

［1］吳人韋：《國外城市綠地的發展歷程》，《城市規劃》1998年6月。

［2］于志熙：《城市生態學》，中國林業出版社1992年版。

［3］顧孟潮、張在元：《中國建筑評析與展望》，天津科學技術出版社1989年版。

［4］陳超萃：《在全比例空間進行設計的可能性》，《時代建筑》1999年4月。

［5］鄭志、劉恭：《建立住宅節能設計的計算機虛擬工程》，《華中建筑》1999年1月。