建筑設計中的數字手段與虛擬現實技術探討

曾憲偉

（廣州珠江外資建筑設計院有限公司，廣東廣州 510030）

0 引言

在20世紀90年代，仍然以傳統方式手繪建筑設計，但是隨著計算機技術的廣泛普及，新的3D軟件被用于建筑設計，這無疑對建筑業的發展產生了重要影響。計算機數字手段和虛擬現實技術對建筑設計的影響是其他任何行業都無法比擬的。視頻架構、數字仿真和虛擬場景為用戶提供了更加逼真的感覺和體驗。建筑設計本身在過去已經發生了巨大改變，無論是設計方法，還是工具和媒介，都發生了變化。設計對象的變化導致建筑師的角色變化，以及建筑專業，甚至是新建筑物和新建筑師的方向發生變化。分析計算機數字虛擬現實技術在建筑設計中的應用可以幫助闡明建筑設計教育模型如何適應這種變化，如何將傳統建筑設計的優勢與計算機數字和虛擬現實技術相結合，以及如何適應快速發展的數字和虛擬現實技術時代[1]。

1 虛擬現實的研究現狀

所謂的虛擬現實指的是存在于計算機中的虛擬空間而不是真實世界，是由各種計算機網絡技術創建的空間，包括視覺、聽覺和觸覺的虛擬環境。通過某種連接，人們可以在這種環境中擁有身臨其境的體驗，并且通過人機連接，實現人與虛擬環境之間的交流。虛擬現實技術包括計算機圖形學、人機交互技術、傳感器技術和人工智能等領域，其中計算機用于生成逼真的三維視覺、聽覺和嗅覺，體驗者進入虛擬世界體驗并互動。

2 數字技術與虛擬現實技術的定義

2.1 數字技術

電子計算機和數字技術是科學技術的結合，借用建筑設計中必需的工具，以將語言、文本、音頻、圖像等信息轉變為可被計算機識別的二進制，做好還原、計算、存儲、處理和發送。諸如編碼、壓縮和解碼之類的信息也稱為數字技術或計算機數字技術，這些信息媒體（例如文本、音頻和圖像）存在常見問題，首先是溝通和交流困難，其次是信息太少。

2.2 虛擬現實技術

虛擬現實技術包括傳感技術、人工智能、人機交互技術和計算機圖形學等領域。使用計算機系統生成模擬的三維情感，例如聽覺和視覺。一個人可以通過適當的設備并將其輸入為參與者，以交互和體驗虛擬世界。當參與者改變位置時，計算機會立即執行復雜的計算并發送準確的3D世界圖像以創建狀態。

3 數字化技術在建筑設計中的應用特點

在建筑設計中，應用數字表達技術可以顯著提高設計效果。傳統建筑設計主要關注建筑結構的安全性和穩定性，以及對建筑物外觀和美學的關注，借助數字表示技術，可以充分表示建筑設計的結果。以傳統的室內設計為例，在設計過程中經常采用手工繪制方法，這種形式傾向于偏離設計者的主觀意識。盡管在設計中使用了一些計算方法，這似乎是可行的，但是在科學上，混凝土施工過程存在缺陷，由于修改而導致的施工成本明顯增加，并且難以符合設計師的主觀意圖。另一個點是手繪效果，雖然建筑物的外觀設計和室內環境的組成看起來很理想，但它們在實際的建筑過程中可能沒有理想的效果，原因是在制造商的生產環境中不可避免地會出現材料選擇和偏差，并影響實際施工效果[2]。

首先，設計人員可以應用數字技術查詢材料制造商提供的材料信息和參數，一旦完全了解，相關的手動設計可以避免重復，并有效地控制設計錯誤和成本。其次，它提高了整體設計效率。另外，數字表現技術在建筑設計中的應用價值體現為用戶可以快速了解設計者的設計意圖和目的，因此可以在實施設計圖紙和設計過程中提高調整程度，效果可以很理想。

4 虛擬現實技術在建筑設計中的應用價值

4.1 顯示建筑物的全部信息

在建筑設計中應用虛擬現實技術，可以完整的顯示建筑物的整體信息內容，使人們更好的了解設計布局，從而最大限度地發揮想象力和創新能力。你可以發現，通過虛擬現實技術，設計部門、管理部門和用戶可以查看建筑物空間的整體信息，并通過良好的溝通來優化設計效果。

4.2 可以實現遠程瀏覽

虛擬現實技術不僅直觀，而且可以實現遠程瀏覽。換句話說，虛擬現實技術使您可以在Internet上發布作品，而施工單位可以遠程查看它，并使用虛擬現實平臺進行在線遠程通信[3]。

4.3 多個程序的實時比較

在建筑設計中，通常會提出幾種不同的設計方案。通過虛擬現實技術來對不同的方案進行切換評審，這樣可以幫助設計人員在同一觀察點對不同的建筑物的設計外觀進行比較。同時，這可以使查找架構設計缺陷和優化設計計劃變得更加容易。虛擬現實技術使設計人員可以比較不同的方案，更改某些部分，并與更改前的方案進行實時比較。

5 數字技術與虛擬現實技術的發展

數字技術通常與計算機密切相關，并且數字技術在建筑設計中的應用也可以通過計算機來完成。在建筑設計中，有必要根據用戶的經驗來創新空間圖像的概念，例如構造、設計規劃和完成維護。由于不可逆的執行步驟和巨大的架構設計成本，因此不能出現錯誤，要求非常嚴格。虛擬現實技術是使用計算機系統來實現和創建虛擬世界，虛擬世界是一個完整的模擬對象或整個虛擬環境，必須將計算機系統用于虛擬現實和輔助設計，以減少設計人員的設計時間和工作量，并減少投資，提高設計質量。建筑設計中的數字方法和虛擬現實技術主要應用于以下方面：

5.1 顯示建筑物信息

使用數字方法和虛擬現實技術，可以生動地顯示虛擬建筑物，使人們身臨其境，不僅設計師可以設計，還可以由管理部門和居民設計參與進來，并且可以在支持決策中發揮作用。

5.2 遠程瀏覽

使用數字手段和虛擬現實技術設計的模型使工程部門和設計人員可以在設計建筑模型中相互通信，并可以使用萬維網從遠處查看建筑設計。

5.3 多種方案的比較

在對建筑設計進行投標時，大多數都必須針對建筑設計提出不同類型的設計建議，以對建筑物的未來形象做出不同的假設。在現實生活中，使用數字手段和虛擬現實技術，不僅可以比較不同的方案，還可以修改某些組件并與變更前的設計進行比較和分析。3D空間中的虛擬建筑物對于不同的建筑物解決方案意義重大，因為設計師不僅可以對不同的選項進行實時選擇，而且還可以感受到建筑物的外觀在相同的觀察序列或相同的觀察點處是不同的，通過比較分析，以找出缺點和優點并做出更好的決策[4]。

6 建筑設計中數字化虛擬現實技術的具體應用

城市和3D模擬是數字城市表示的主要形式，借助虛擬現實技術的支持，用于解釋、分析和討論設計思想以及城市的發展，并以生動的畫面呈現在用戶面前，具有照片紋理的3D城市模型可為人們提供數字城市身臨其境的體驗。

6.1 為三維建筑搭建虛擬環境空間

要使用虛擬現實技術，首先需要構建3D模型。通過這種在3D虛擬環境空間中觀看動畫的方法，我們將攝像機設置為人眼的觀看路徑，以獲得進入建筑物環境空間的動態感覺。也就是說，使用VRML選項創建3D場景以觸發指定的活動。3D場景的控制和觸發，可以用鼠標單擊3D對象，場景將自動播放設置的瀏覽動畫，從而使3D虛擬環境空間更加生動，虛擬建筑模型建立流程如圖1所示。

圖1 虛擬建筑模型建立流程

6.2 互動設計的優化

通過應用計算機人機交互界面，可以實現各種綜合的計算機技術應用。同時，使用語言和手勢功能，根據用戶需求設計不同的程序。在進行比較的基礎上調整相關數據，對局部進行合理的更改，并實時比較修訂前和修訂后的程序以選擇最佳解決方案。

6.3 顯示建筑物的整體信息

典型的計算機設計技術應用程序只能顯示建筑物的2D或3D空間效果。換句話說，只能表達有關建筑物的特定信息。它還提供了單一的視覺度量，設計人員和其他管理人員沒有完整的信息。因為它是方向信息，所以不可能準確地了解設計特征和設計缺陷。虛擬現實技術可以模擬一個完整的建筑模型，其中包括所有建筑參數信息，使設計人員、管理人員和用戶充分了解擬議建筑的信息內容。

6.4 建立虛擬現實系統

基于模型的虛擬現實系統主要基于VRML語言，VRML語言定義了與萬維網上更多信息相關的3D世界內容，并表現一個交互式3D空間。啟動VRML語言瀏覽器時，語言信息將被解釋為語言空間中建筑物的幾何描述，虛擬現實系統組成如圖2所示。

圖2 虛擬現實系統組成

6.5 虛擬場景中色彩、燈光效果等技術擴展

通過應用虛擬現實技術，建筑景觀設計已開始向影像媒體時代邁進。虛擬現實語言可幫助實時查看建筑景觀虛擬場景的色彩、燈光、聲音和視頻效果，這是傳統的建筑景觀設計。實現的是數字化且可讀的全面、生動的視覺效果的盛宴。虛擬場景設計對建筑景觀設計的影響，是建筑景觀設計實現“時空重構”的關鍵性能特征之一。

色彩通常用于建筑景觀設計中以區分不同的環境，設計師巧妙地為不同的設計主題賦予不同的設計顏色。在大多數情況下，可以使用模型圖和模型照明來實現顏色和燈光效果，但是應通過虛擬現實技術的支持來實現聲音和陰影效果。虛擬場景中的燈光效果與植染圖像的效果完全不同。結果，設計師不得不放棄以前的設計經驗，并再次進行探索。與全局聲音效果不同，局部聲音效果與建筑景觀中虛擬場景的各個環境結合存在。

7 結束語

總體而言，在建筑設計中，數字手段和虛擬現實技術具有很高的應用價值。作為設計師，需要將兩者充分融合，提高設計水平和設計效果，并提高建筑物的整體質量和性能。