VR技術在建筑行業實踐中的應用

張俊峰 丁 聰 田偉麗

（華北水利水電大學建筑學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

虛擬仿真（Virtual Reality，VR）［1］技術是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統，具有沉浸性、交互性、構想性等特點。用戶可借助必要的設備，與數字化環境中的對象進行交互，二者相互影響，可使用戶產生親臨對應真實環境的感受和體驗［2-3］。隨著信息技術的快速發展，VR技術已不再局限于計算機圖像，其在建筑、醫療、教學和藝術等領域也得到廣泛的應用和發展。尤其是在建筑空間體驗和評價中，VR技術展現出較大的潛力，其逼真性和實時交互性可為建筑設計中的空間尺度認知能力培養提供強有力的支撐［4］。

建筑設計是在建造建筑物前制定方案，并以圖紙或文件的形式進行展現的［5］。建筑設計者按照建設任務來預定設計，對建筑材料、工程資金估算和工程施工等進行精細化計算，能有效提高建筑的施工效率，避免施工過程出現缺陷。一般建筑設計應做到基本單元、連接構造、構建、配件及設備管線的標準化和系列化，盡量采用少規格、多組合的方式來構造多樣化的建筑形式，并使其消防、節能、降噪和抗震等滿足相關規范要求，使建筑物在建設完成后能充分滿足用戶（社會面）的使用需求［6］。

傳統的建筑設計者以二維圖紙、視頻資料、現場體驗和實際量測為主要建筑環境體驗方式。在二維圖紙和視頻資料中只能截取固定的視角或片段，難以展現全面、直觀的建筑環境。現場體驗和實際量測易受經濟成本、時間周期、城市建設政策等的限制［7］。基于VR技術的沉浸性、交互性和構想性，將其應用于建筑行業，有助于打破時空的限制，提高建筑設計者的設計效率和質量，增強初學建筑設計者的興趣和體驗，對推動建筑行業的發展具有重要意義。

1 基于VR技術的建筑系統架構

1.1 VR技術原理

VR技術是由一些基本的軟件和硬件設施構成的計算機數據系統，通過視覺、聽覺和觸覺的相互交織，使用戶進入與真實環境感官相近的沉浸式系統［8］。VR技術的視覺、聽覺和觸覺的作用原理如下。①視覺感知是通過人體雙眼中兩張不同視角的物體成像的差異，經視網膜處理形成一個較為立體的圖形，并根據圖形的深度感知來產生三維立體效果。②聽覺感知能增大視覺感知的效果，甚至比視覺感知更加有效，人的耳朵可通過聲音來定位聲源。③觸覺感知能通過虛擬物體反饋的作用力或阻力，使用戶感受到物體的大小和方向。

1.2 VR建筑系統架構

為了提高建筑設計者對空間尺度的認知能力，以更加真實的視角來體驗空間感知及沉浸式建筑的創作設計。本研究利用VR技術提供的交互式多源信息融合的三維動態視圖和建筑環境進行仿真，輔助建筑設計者在VR空間中對體驗基地環境、室內外空間、光影關系、尺度感、建筑材料與色彩等建筑設計的基本要素進行分析，從而能更高地效完成建筑設計的推敲和修改。基于VR技術的建筑系統架構如圖1所示。通過計算機來控制VR建筑環境，從而給予建筑設計者以多樣的感官反饋刺激，是一種較為高級的人機交互技術。建筑設計者可通過該系統進行最大程度地開展輔助建筑設計。

圖1 基于VR技術的建筑系統架構

2 VR建筑系統開發設計

2.1 VR建筑系統

VR建筑系統是以設計者為主導，依托軟件桌面端VR驗證與虛擬現實硬件設備完成對沉浸式空間的仿真設計，幫助設計者在理清基地環境的基礎上重復“發現設計方案技術與空間問題、修改完善設計方案、檢驗設計方案”的設計過程，來提升設計效率，提高設計成果達成度。為了提高用戶（社會面）對VR建筑設計過程的控制評價，本研究以用戶（社會面）需求為導向，搭建VR建筑設計管理平臺，全過程記錄建筑設計者各階段的試驗成果，有助于用戶（社會面）監管建筑設計者的設計推敲過程，從而實現建筑設計過程的多元共享和在線互動交流。建筑設計者與用戶（社會面）的交互過程如圖2所示。

圖2 建筑設計者與用戶（社會面）交互圖

2.2 VR建筑系統開發流程

VR建筑系統是基于Unity3D［9］平臺開發的，采用HTC VIVE［10］虛 擬 現 實 硬 件 系 統，并 集 成SteamVR SDK。Unity3D是由Unity Technologies公司研發的一款三維引擎，被廣泛應用于三維視頻游戲、建筑可視化和實時三維動畫等平臺的開發，設計者可采用.exe的執行文件形式為用戶提供工程文件［11］。VR建筑系統的開發環境詳見表1。

表1 VR建筑系統開發環境

VR建筑系統的開發流程包括VR軟硬件環境搭建、模型和貼圖制作、內容開發與優化、程序打包與發布，開發流程如圖3所示。

圖3 VR建筑系統開發流程

2.2.1 VR軟硬件環境搭建。VR建筑系統采用HTC VIVE虛擬現實設備，通過搭建Unity3D的開發引擎環境，在Unity3D工程項目中下載并導入SteamVR SDK。

2.2.2 VR模型和貼圖制作。根據建筑需求的CAD圖紙、視頻資料來建立VR模型和紋理貼圖，從而完成對VR建筑的材質選取、建筑位置和軌跡的設定、光影和音效的設置等渲染工作。

2.2.3 VR內容開發與優化。結合VR建筑的需求，基于Unity3D開發引擎和HTC VIVE虛擬現實設備對VR內容進行開發，并通過測試分析進行優化。

2.2.4 VR程序打包和發布。在完成上述流程后，可將VR建筑設計的成果打包成.exe文件，并進行發布。

3 VR建筑系統開發實現

3.1 VR任務場景構建

為了提高設計任務場景的真實度，VR建筑系統通過無人機傾斜攝影測量來采集真實場景的三維模型，并在Unity3D后臺中生成1∶1的VR任務場景，如圖4所示。VR建筑系統可根據建筑需求來篩選和完善空間信息，如將市政管網、地質條件、歷史遺跡和周邊即將動工建設的建筑可視化后融入虛擬任務場景中，構建可全方位多視角地展現基地特征屬性、可體驗空間關系和尺度、可觀察區域環境和人群行為活動、可認知基地顯性和隱形設計影響條件的虛擬任務場景，從而延展設計者在設計前對基地認知的深度和廣度。

圖4 VR任務場景構建

3.2 數據庫開發

VR建筑系統建設了涵蓋我國各區域具有地域特征的仿真材料數據庫，如圖5所示。包括1 200多種的常用植物模型、195種不同年齡段與形態的人物模型、568種不同類型的城市家具和130種不同類型的室內家具等。為了能妥善管理數據庫信息，本研究采用SQLite數據庫［12］來搭建數據庫框架，并對建筑元素的屬性參數和實體信息進行管理，利用SQL語句來實現數據信息的檢索、查詢、數據處理、統計分析和編輯等功能，Unity3D可對SQLite數據庫進行實時訪問，從而使設計者可根據個人設計方案來快速、逼真和高效地構建建筑內外部場景。

圖5 VR實驗材料數據庫

3.3 UI界面和藝術效果

界面色彩、空間尺度和藝術風格作為VR建筑設計過程中的基本要素，使UI界面開發和藝術效果渲染成為VR建筑系統中的必要環節［13］。本研究采用Unity3D軟件中的UGUI系統，為設計者提供高級圖形化的交互界面，可采用C#和Javascript語言來實現UI交互，包括按鈕（Button）、標簽（Label）、輸入框（TextField）和工具欄（ToolBar）等。藝術效果的渲染則采用Unity3D著色器（Sha-der）來實現圖形的繪制，設計者可使用ShaderLab來完成個性化著色器，增加VR建筑的藝術風格，從而滿足用戶（社會面）需求。

3.4 輔助編輯和空間分析工具開發

為了能幫助設計者在設計過程中科學地分析空間環境，并進行輔助設計，VR建筑系統研發出信息標注、距離測量、日照光影模擬、土方量計算等輔助編輯與空間分析工具，如圖6所示。設計者在VR任務場景中進行調研時，可跟隨人群活動路線的動態標注來分析人群活動特征，從而精準測量各類尺寸，并準確把握基地環境與空間尺度。設計者在推敲方案時，可通過日照模擬來分析空間的光影變化、利用挖填方工具來計算土方量等，驗證設計方案的科學性與合理性。

圖6 輔助編輯與空間分析

3.5 建筑設計過程管理

VR建筑設計管理平臺由團隊自主研發，可與VR建筑系統實現有機銜接。VR建筑設計者可將建筑設計成果打包上傳到建筑設計管理平臺中，用戶（社會面）負責設置各階段的上傳成果內容、時間節點及評分權重，可根據設計者上傳成果來綜合評價設計方案，設計者可根據用戶（社會面）評價進一步優化設計方案。

4 VR在建筑行業實踐中的應用探索

為了驗證試驗效果，本研究以某建筑設計為例，邀請20名建筑設計者，按照經驗和設計工作年限的不同，將20人分為10組，每組2人。在每個小組中，一人使用VR建筑系統進行建筑設計，另一人按照傳統模式進行建筑設計，建筑設計周期為120 d。建筑設計完成后隨機尋找100名建筑專業人員充當用戶，分別對滿意度、設計方案交付效率（即小組成員在截止日期前能夠如期交付設計方案的比例）進行評價，并從專業角度對建筑設計的完整度進行客觀評價。設計師通過VR建筑系統完成設計后上傳到VR建筑設計管理平臺，VR建筑設計成果與用戶體驗交互如圖7所示。

圖7 VR試驗設計過程

經過多組建筑設計者的真實案例試驗對比表明，引入VR試驗設計和傳統設計模式在最終設計成果上存在一定差異。①用戶（社會）面滿意度差異。引入VR試驗設計的設計成果的用戶（社會面）滿意度高達90%，傳統設計模式的用戶（社會面）滿意度僅為75%。②設計方案交付效率差異。為凸顯試驗效果，在試驗過程將每個設計方案的正常交付時間縮短為80%。試驗結果表明，引入VR試驗設計的設計方案，78%以上的設計者都能在規定時間內完成建筑設計，傳統設計模式僅有60%的設計者能交付設計成果。③設計方案規范性。引入VR試驗設計后，設計者對單體、建造群體組合、外部空間環境、重要節點詳細設計等的規范性高達93%，傳統設計模式中設計者的建筑設計規范性為82%。試驗結果如表2所示。

表2 VR試驗設計與傳統設計方式對比

綜上所述，引入VR輔助的試驗建筑設計成果在用戶（社會面）滿意度、設計方案交付效率和設計方案規范性等方面均優于傳統建筑設計模式，表明了VR建筑系統在輔助設計者進行建筑設計時具有顯著的優勢。

5 結語

VR建筑系統利用傾斜攝影技術來采集環境數據，構建基于真實地理位置和尺度的建筑設計任務環境，并在此基礎上，利用VR技術對自然環境、建筑材質、人群活動等進行高度仿真模擬，設計者基于Unity3D引擎，將設計方案整合到任務環境中，從而實現沉浸式真實尺度的空間體驗，可直觀地認識到設計方案的優化方向，并搭建VR建筑設計管理平臺監控設計全過程，實現設計成果可追溯、可評價和可共享等。試驗結果表明，建筑設計中采用VR輔助能有效提高用戶（社會面）的滿意度、設計方案交付效率及設計方案的規范性。