VR技術在城市建筑環(huán)境設計中的應用研究

摘 要：在信息數(shù)字化時代背景下，以VR技術（虛擬現(xiàn)實技術）為主的先進高端技術被廣泛應用到各個行業(yè)的各個領域之中，尤其是在城市建筑領域，其應用范圍仍在持續(xù)擴大。設計者通過VR技術可有效提升建筑環(huán)境設計的效果，讓建筑設計可通過高度模擬仿真的數(shù)字化環(huán)境生成，給人們以視覺、聽覺和觸覺上的良好體驗。VR技術在城市建筑環(huán)境設計中的應用可更為直觀立體地展現(xiàn)出建筑的內外部情況、建筑周圍的環(huán)境、整體效果，體現(xiàn)出城市規(guī)劃與使用者對建筑物的要求，特別是在建筑物施工所需材料、工程資金預估、工程施工環(huán)節(jié)等方面具備精確化計算作用，對于有效節(jié)省工程材料、資金、時間和勞動力等方面具有關鍵性指導作用。

關鍵詞：VR技術;城市建筑環(huán)境設計;三維建筑模型

基金項目：本文系“VR技術促進環(huán)境設計發(fā)展的實踐研究”（2020XJYB019） 、“廣東省大學生實踐教學基地”（2019SJXWSJJYJDO1）、廣州商學院本科教學質量與教學改革工程項目 “新時代美麗鄉(xiāng)村建設背景下環(huán)境設計專業(yè)相關課程設計與實踐研究”（2019XJJXGG06）階段性成果。

伴隨著我國建筑領域的快速發(fā)展，當前全新的智能化設計理念應運而生，建筑設計人員的設計水平和效率均得到明顯提升，而人們對建筑設計的要求也越來越多元化、復雜化，尤其是VR技術在建筑環(huán)境設計中的應用，為建筑物的使用者提供了更多良好的服務和體驗。VR技術將設計者設計的建筑模型以一種三維立體的形式呈現(xiàn)出來，可以幫助設計者快速精準地查找問題，以便及時進行糾正和優(yōu)化，從而有效彌補原來二維平面工程圖設計的缺陷，提高建筑設計工作的實效性和功能性。

一、VR技術概述及其在城市建筑環(huán)境設計中的作用

（一）VR技術概述

所謂VR技術指的就是虛擬現(xiàn)實技術，通過VR技術，相關人員可針對每個階段中城市環(huán)境的規(guī)劃進行有效分析和設計。VR技術可詳細描繪人們現(xiàn)實生活中的景象和未來城市樣貌，利用VR技術可構建出未來城市生活的美麗藍圖，這對于提升人們生活環(huán)境質量、促進城市發(fā)展可以起到積極的促進作用[1]。

當前，我國城市人口數(shù)量快速增長，城市經濟也要適應發(fā)展節(jié)奏，這使得城市管理者對未來城市的發(fā)展需求更為迫切，作為城市管理的“大臣”，他們對城市未來的發(fā)展必然會有長遠規(guī)劃。而通過利用VR技術，相關人員可從各個角度對城市開展全面的環(huán)境設計，促使城市能夠在建筑、交通、人口和環(huán)境等各個方面形成更為科學合理的預備分配方案，繼而推動城市未來健康持續(xù)發(fā)展。同時，通過VR技術，大眾可站在任意角度了解城市未來規(guī)劃的整體效果，這有助于提升城市管理透明度，強化人們的社會主人翁意識，幫助他們樹立良好的社會責任心，讓更多人積極主動參與城市設計、規(guī)劃及管理工作[2]。

（二）VR技術在城市建筑環(huán)境設計中的作用

1.及時修正建筑設計中的錯誤

設計者在設計某個城市建筑物時需開展的工作往往煩瑣復雜，難免會在設計過程中出錯，出現(xiàn)比如建筑設計與結構說明存在矛盾或是表意不清、建筑尺寸標注不準等諸多問題。而借助VR技術的應用，則可有效降低建筑設計者的工作難度，可將城市建筑設計以三維立體模型展示出來，方便建筑設計者及時發(fā)現(xiàn)設計中存在的各種問題，繼而進一步完善建筑設計的效果。VR技術能夠提供逼真的建筑環(huán)境場景、視頻觀看及安全考核等功能模塊，使建筑設計體驗感更強，安全教育效果更明顯。設計者可自行操作體驗，體驗效果更直接。基于VR技術的建筑設計可增強設計者的設計體驗感，且虛擬場景建設不再受場地限制，可最大程度模擬真實場景下的環(huán)境設計協(xié)調性和統(tǒng)一性。VR技術以計算機仿真技術、人機交互技術、多媒體技術、傳感技術、網(wǎng)絡技術等多種技術為基礎，涉及建筑工程、工業(yè)、房地產、教育、旅游等多個領域。在建筑設計中應用VR技術，能夠及時發(fā)現(xiàn)建筑環(huán)境中的矛盾沖突問題，作出相應指示。這樣，在具體的建筑實踐中就可以避免相關矛盾和沖突出現(xiàn)，促進建筑設計整體效果提升。此外，借助VR技術，建筑環(huán)境設計的成本也會降低，因為不需要花費更多的資源來處理矛盾問題，可以保證建筑環(huán)境工程建設更高效。

2.便于正確解讀建筑設計理念和信息

通常，建筑施工者在面對專業(yè)性較強的二維或三維繪制圖時，可能無法做出正確的施工操作，造成施工實際與設計形成一定偏差，嚴重的可能會導致后續(xù)施工無法正常開展，從而造成不必要的人工和經濟損失。通過利用VR技術，建筑設計師可將要表達的設計理念與細節(jié)問題清晰地呈現(xiàn)給建筑施工方，比如墻體與門窗的尺寸和比例、需要采用何種材料材質等，切實達到設計與施工的高效互通。此外，VR技術的沉浸式特點可幫助設計者構建三維立體建筑模型，創(chuàng)設虛擬情境空間。相關的建筑參與人員均可進入虛擬空間內，以更為直觀清晰的視角了解設計者對建筑物主要結構、內外部空間布局、各種設計細節(jié)的構思，繼而可以詳盡掌握其中的細節(jié)需求，規(guī)避施工中出現(xiàn)返工的現(xiàn)象，避免產生一些難以修復的損失。此種立體化展現(xiàn)使建筑施工者可以更高效、高質地達成施工要求和目標，集城市建筑適用、經濟、堅固和美觀于一體。

3.VR技術在建筑領域可多元應用

建筑設計者在設計建筑物時往往會面臨很多矛盾性問題，當他們借助繪圖和模型表現(xiàn)設計意圖時，就可以發(fā)現(xiàn)并解決問題。VR技術所具備的沉浸式、交互性等特點可使建筑參與人員在參觀VR設計時產生身臨其境之感，他們可借助傳感設備與仿真虛擬環(huán)境中的對象實現(xiàn)交互，這會讓復雜化、抽象性的建筑設計在VR技術的支持下變得具象起來[3]。同時，應用VR技術更大的優(yōu)勢是，VR技術能讓建筑設計者與其他建筑參與人員開展無線遠程溝通，繼而有效減少時間成本，打破地域和空間的局限，讓建筑設計更為廣域化。此外，VR設計的構想性對于設計者修整建筑設計具有非常關鍵的作用，建筑施工者可通過VR 技術對一些古建筑的缺失、損壞部分進行有效修補和完善，這對于現(xiàn)代建筑而言影響意義更為深遠。

二、VR技術在城市建筑環(huán)境設計中的具體應用

（一）VR技術應用的配套設施

VR技術當中的全景技術、網(wǎng)絡3D互動技術等都需要相應的軟硬件系統(tǒng)作為支撐，VR技術應用在建筑設計上主要依賴于傳感手套、三維立體聲頻裝置、頭盔顯示器、三維立體顯示系統(tǒng)等硬件裝置，這些硬件裝置組合起來才能讓體驗者感受到仿真虛擬的建筑環(huán)境[4]。VR 技術由功能型編程軟件、三維建模軟件、模型驅動系統(tǒng)等軟件組成，設計者將設計建筑的工程信息、設計參數(shù)錄入三維建模軟件中，軟件便能根據(jù)數(shù)據(jù)構成建筑模型和數(shù)據(jù)庫。設計者對模型驅動系統(tǒng)發(fā)送操作指令，則可優(yōu)化調整建模信息，實時顯示建筑設計方案，以便跟進并隨時調整模型參數(shù)。設計者利用功能型編程軟件支配其他應用軟件，可促使VR技術中的模型、場景、燈光和聲音等實現(xiàn)隨時轉化。三維立體模型對設計結構、細節(jié)和理念等可直觀呈現(xiàn)，模型的交付標準、各專業(yè)數(shù)據(jù)庫的構建等對于VR技術軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求極高。

（二）構建三維虛擬仿真空間

應用VR技術構建立體虛擬仿真空間，首先需要采集建筑物的有關信息，如建筑平面圖、立面圖和剖面圖，將建筑物的各角度效果以圖像展現(xiàn)，形成建筑空間關系及參照物。通過資料的收集，借助建筑軟件設計三維模型，在建模時要以滿足設計要求為第一前提，在細節(jié)上無需過于嚴苛，盡量減少模型需求的點段數(shù)。同時，在視覺設計上也無需強求精度，避免過于追求一些重要性較低的程序而使工作效率降低。在這一過程中，可以借助BIM技術（建筑信息模型技術）構建相應的信息模型，將相應建筑環(huán)境的具體框架構建出來，呈現(xiàn)在用戶面前，實現(xiàn)相應建筑環(huán)境設計的可視性、協(xié)調性和優(yōu)化性。在建筑工程項目開展之初，借助相應信息模型對工程數(shù)據(jù)源進行建設，采集相應建筑環(huán)境中的所有數(shù)據(jù)信息，進行統(tǒng)籌管理。在工程實踐中，相關參與者能夠共同使用一個工程數(shù)據(jù)源，保證數(shù)據(jù)信息完全統(tǒng)一。相關建筑信息模型涵蓋了項目全部的信息，且相關信息都能夠隨時獲取，這有助于實現(xiàn)信息的有效共享，促進項目實施進度不斷加快，解決信息不對稱和信息孤島問題。BIM技術和VR技術的整合以及在建筑環(huán)境中應用能夠促進建筑工程工作效率顯著提升，在統(tǒng)一集成平臺中實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的協(xié)同辦公，相關參與者可以在同一個平臺中開展設計優(yōu)化等工作。且通過VR技術構建三維建筑模型，相應虛擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)實世界中的建筑環(huán)境交互，可以防止在設計操作中出現(xiàn)重復問題，促進設計方案有效落實，及時發(fā)現(xiàn)問題，以便及時進行調整優(yōu)化。

隨后，設計者再創(chuàng)建適合的燈光場景和建筑背景，將虛擬的三維建筑模型真實化呈現(xiàn)出來。光線在虛擬仿真環(huán)境中作用重大，因為缺乏光線就難以體現(xiàn)出建筑物的通透感和視覺效果，故此設計者應合理把握真實與虛擬光線的差別，摸清光線的變化對場景的影響，力求將虛擬光線表現(xiàn)得更真實一些。鑒于材質的設計會影響到視覺效果層面的真實性，所以設計者在設計材質時應權衡各種影響視覺的因素，比如針對視覺顏色、質感、粗糙性、反射性等問題進行模擬測試，促使虛擬場景具備更強的真實化視覺特效，使建筑模型在整體構造、空間構建等方面可展示出一種完整真實性[5]。

（三）進行互動優(yōu)化設計和方案優(yōu)選

將VR技術應用在城市建筑設計中，可以讓設計具有原來所不具備的互動性，設計者可借助VR技術所擁有的交互性，利用計算機系統(tǒng)軟件的優(yōu)勢，并綜合自然條件、經濟條件和社會背景因素，依據(jù)不同需求設計多種建筑方案，通過合理調整各個方案的有關信息數(shù)據(jù)，針對某些特定或局部部位予以修改，并將前后修改方案展開對比，優(yōu)選出最佳匹配的方案。設計者可通過在模型中輸入具體的建筑環(huán)境設計的重要參數(shù)搭建起相應的三維立體建筑環(huán)境模型，通過模型中的算法應用對相關數(shù)據(jù)進行計算，及時發(fā)現(xiàn)其中出現(xiàn)的問題，對相應內容進行優(yōu)化設計，確保存在沖突的地方能夠及時被解決，促進模型優(yōu)化，奠定工程施工基礎。而且，在深化設計的過程中，VR技術可在很大程度上減少設計中的沖突問題，使設計更為科學化。

（四）呈現(xiàn)建筑物的整體信息

當前用到的很多建筑設計手法并不能完整細致地顯示建筑信息，然而VR 技術是以計算機技術為依托，借助計算機可將虛擬的建筑物真實化呈現(xiàn)在大眾面前，還能給人一種身臨其境的真實性感受。在應用VR技術后，一些不懂得建筑設計的人都可完全看懂建筑模型，這也可在很大程度上為建筑參與人員提供溝通的便捷高效性，為更多人參與城市建筑設計開辟路徑。

（五）論證建筑施工的技術標準

一個城市建筑工程項目要完成開發(fā)建設需要有建筑設計單位、建設單位、施工單位三方共同參與，而首先必須是以設計為開端。建筑設計者在開始設計時應做好全面考慮，不但要考慮建設單位對建筑項目的要求和標準，還需全面衡量施工單位在施工技術層面的可實施性，所以針對建筑施工技術進行可行性研究和論證十分必要[6]。運用VR技術可進行模擬仿真，準確驗證施工環(huán)節(jié)中是否會存有因施工技術所引發(fā)的質量及安全等問題，以便及時對施工技術進行優(yōu)化調整，確保施工技術的科學性、合理性和實用性。

三、結語

VR技術是一種計算機系統(tǒng)技術，VR技術可利用現(xiàn)實生活中的數(shù)據(jù)，通過計算機構建虛擬環(huán)境，相關人員在輸入設備支持下可進入虛擬環(huán)境中進行交互操作，獲得在真實環(huán)境中才能獲得的感受。當前，VR技術在社會各領域應用廣泛，而將其應用到城市建筑環(huán)境設計中，其作用優(yōu)勢非常明顯，已然成為如今建筑領域的重要發(fā)展趨勢。通過VR技術的投入應用，所有建筑參與人員都可體驗建筑仿真場景，這對于提升建筑環(huán)境設計品質、優(yōu)化設計過程、控制設計成本、呈現(xiàn)設計效果等都有著重要的意義。盡管當前VR技術在建筑設計中的應用還存在諸多不足有待改進，但相信憑借不斷的實踐探索，通過進一步提高VR技術的軟硬件功能，擴大其在建筑領域的應用范圍，定能推動VR技術在城市建筑領域更好發(fā)展。

參考文獻：

[1]李婷婷.VR技術在建筑設計過程中的應用研究[J].商品與質量，2017（33）：42.

[2]丁婧.解析虛擬現(xiàn)實技術在建筑設計中的應用[J].建筑工程技術與設計，2018（20）：970.

[3]梁智杰，梁照.虛擬現(xiàn)實技術在城市規(guī)劃中的應用研究[J].電腦知識與技術，2014（1）：391-396，398.

[4]蘇志遠.虛擬現(xiàn)實技術在城市規(guī)劃設計中的運用[J].建筑工程技術與設計，2018（6）：30.

[5]孫薇.虛擬現(xiàn)實技術在城市環(huán)境建設中的應用分析[J].美與時代（城市版），2018（7）：49-50.

[6]毛振華.虛擬現(xiàn)實技術在建筑設計中的應用探析[J].美與時代（城市版），2020（9）：17-18.

作者簡介：

賴偉成，廣州商學院藝術設計學院講師、教學副院長。研究方向：環(huán)境設計（室內設計方向）。