基于混合現(xiàn)實的多階段建筑設計方案呈現(xiàn)方法可行性探究

陳子宜

摘要：強交互性、強臨場感、高參數(shù)轉換效率是多階段建筑設計方案呈現(xiàn)的需求。通過綜合闡釋混合現(xiàn)實技術在多階段建筑設計方案呈現(xiàn)中相較于目前建筑設計方案呈現(xiàn)方法的優(yōu)勢，并構建一種基于混合現(xiàn)實的多階段建筑設計呈現(xiàn)方法（Mixed Reality based Multi-stage Architectural Design，簡稱MRMAD方法）的模型，論證混合現(xiàn)實技術應用于多階段建筑設計方案呈現(xiàn)中的可行性。這種基于混合現(xiàn)實的多階段建筑設計方案呈現(xiàn)方法為高效精準評估建筑設計方案提供創(chuàng)新思路。

關鍵詞：混合現(xiàn)實;多階段建筑設計;設計方案呈現(xiàn)方法

中圖分類號：TP3? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0148-04

在實踐中，我們經常遇到同一塊場地在較短時間內（例如幾個月）隨時間演變有多個階段建筑建造進行不斷覆蓋的建筑設計項目，例如，文化遺址考古發(fā)掘展示公園的設計。文中將這類項目稱為“多階段建筑設計”項目。該類項目相比其他建筑類型項目有其特殊性：多階段建筑設計項目包含各階段設計，涉及設計方案信息量較大，且通常工期較短，適合在整個項目開始前就統(tǒng)一設計完成所有階段的方案;因此需要模型及場景參數(shù)轉換效率高和交互性強的方案呈現(xiàn)方法。同時，設計師和用戶在實施建造之前或建造的過程中希望看到每一個階段建筑建成時設計方案與周邊環(huán)境的效果;因此需要臨場感強的方案呈現(xiàn)方法。然而，當前建筑設計方案呈現(xiàn)方法運用于多階段建筑設計方案呈現(xiàn)中均有不足之處。因此，探索一種可以讓體驗者在實體建筑建造前更加直觀、真實、高效感受各個設計階段效果的呈現(xiàn)方法并論證其可行性，是十分必要的。

1建筑設計方案呈現(xiàn)方法現(xiàn)狀

1.1 目前建筑設計方案呈現(xiàn)方法比較

目前建筑設計方案的呈現(xiàn)方法有許多種，大致可分為：圖紙、沙盤模型、虛擬模型屏幕呈現(xiàn)、基于虛擬現(xiàn)實的建筑設計方案的呈現(xiàn)方法（簡稱VRAD方法）、基于增強現(xiàn)實的建筑設計方案的呈現(xiàn)方法（簡稱ARAD方法）。針對以上建筑設計方案呈現(xiàn)方法，以影響建筑設計方案呈現(xiàn)效率與效果的相關因素進行橫向比較，比較結果如表1所示。

1.2 目前方法呈現(xiàn)多階段建筑設計方案的不足

通過對現(xiàn)有建筑設計方案的不同呈現(xiàn)方法關鍵因素的比較，運用以上呈現(xiàn)方法呈現(xiàn)多階段建筑設計方案均有不足之處[1，2，3]（如表2所示）。

1.3 基于混合現(xiàn)實技術呈現(xiàn)多階段建筑設計方案的優(yōu)勢

針對目前建筑設計方案呈現(xiàn)方法對于多階段建筑設計方案呈現(xiàn)中的不足，為達到交互性強、臨場感強且參數(shù)轉換效率高的方案呈現(xiàn)目標，探究混合現(xiàn)實技術在建筑設計方案呈現(xiàn)方法中的應用。混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）是一種在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實場景信息，物理實體與數(shù)字對象能共存并實時相互作用，使真實世界與虛擬的數(shù)字世界相結合產生的一種新的環(huán)境可視化方式[4]。混合現(xiàn)實技術運用于多階段建筑設計方案呈現(xiàn)相較于其他呈現(xiàn)方法有以下優(yōu)勢。

（1） 與傳統(tǒng)圖紙、沙盤模型、電腦建模屏幕顯示相比：擁有遠強于傳統(tǒng)方案呈現(xiàn)方法的方案體驗臨場感以及虛擬世界、現(xiàn)實世界和用戶三者之間的信息交互功能。

（2） 與VRAD方法相比：運用混合現(xiàn)實技術是在真實場景中體驗，體驗者與真實環(huán)境或體驗者之間可以進行多感官的信息交互[5]，易于及時反饋體驗、優(yōu)化設計，以及對建筑設計方案的決策。

（3） 與ARAD方法相比：運用混合現(xiàn)實技術呈現(xiàn)的虛擬畫面不再單純疊加到現(xiàn)實場景中[6]，而是進行了虛擬數(shù)字模型與現(xiàn)場真實環(huán)境數(shù)字化場景的實時匹配與人機交互，實現(xiàn)在現(xiàn)場體驗過程中實時對設計方案進行修改并存儲;真實的場景被數(shù)字化之后可以模擬在不同環(huán)境條件下該場景的狀態(tài)，運用數(shù)字孿生技術，在數(shù)字化的虛實共現(xiàn)環(huán)境中對設計方案進行實際使用狀況的模擬，并將參數(shù)記錄運用于實際設計的建造[7]。

混合現(xiàn)實技術目前已在沉浸式游戲、全息手術[8]等領域進行了初步應用，但在建筑設計方案呈現(xiàn)方法中的應用較少。綜合以上優(yōu)勢點分析得，混合現(xiàn)實技術運用于多階段建筑設計方案呈現(xiàn)將設計方案的三維數(shù)字模型與現(xiàn)場實地環(huán)境數(shù)字化場景相結合，臨場感強于目前設計方案呈現(xiàn)方法。混合現(xiàn)實技術擁有人機交互功能，體驗者與設計方案間交互性強于目前設計方案呈現(xiàn)方法。混合現(xiàn)實技術將真實環(huán)境場景數(shù)字化并對要素進行參數(shù)化設計[9，10]，實現(xiàn)在用戶短時間的體驗中模擬不同時間段、季節(jié)、天氣狀況等環(huán)境條件下設計方案與周圍環(huán)境的狀態(tài)，參數(shù)轉換效率高于目前設計方案呈現(xiàn)方法。因此，現(xiàn)提出一種基于混合現(xiàn)實的多階段建筑設計方案呈現(xiàn)方法（Mixed reality based Multi-stage Architectural Design，下文簡稱MRMAD方法）。

2 MRMAD方法的可行性分析

將混合現(xiàn)實技術運用于多階段建筑設計方案呈現(xiàn)的MRMAD方法，在臨場感、交互性、參數(shù)轉換效率方面均優(yōu)于目前的設計方案呈現(xiàn)方法。接下來從MRMAD方法的具體模型和初步應用效果來論證MRMAD方法的可行性。

2.1 MRMAD方法模型

MRMAD方法模型由七部分組成，分別是：設計方案虛擬三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)場實地環(huán)境數(shù)字化場景數(shù)據(jù)庫、設計方案虛擬三維數(shù)字模型庫、現(xiàn)場實地環(huán)境數(shù)字化場景圖像庫、信息交互子系統(tǒng)、圖像模型虛實融合引擎和輸出設備。

（1） 設計方案虛擬三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫（如圖1所示）。該數(shù)據(jù)庫包含：①設計方案模型數(shù)據(jù)表：通過設計三維建模軟件獲得，該數(shù)據(jù)表記錄了設計方案的三維模型尺寸、材質等信息;②模型各類視圖信息參數(shù)數(shù)據(jù)表：通過各類定位傳感器獲得，該數(shù)據(jù)表記錄了體驗者所在位置及視野應當看到的虛擬三維數(shù)字模型的范圍、視角透視情況等信息;③各類自然條件參數(shù)數(shù)據(jù)表：通過語音識別軟件獲得，該數(shù)據(jù)表記錄了需要改變的虛擬三維數(shù)字模型中的相關自然條件參數(shù)（季節(jié)、時間、天氣狀況等）。