虛擬現實技術在老舊建筑“虛擬復原”或改造設計中的應用

周 磊 劉澤群

（沈陽理工大學藝術設計學院，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

老舊建筑實施改造和翻新設計，既要對其進行現代化改造，還要注重老舊建筑蘊含的歷史文化和意義，這是老城改造工程中的重難點。利用虛擬現實技術，對老舊建筑進行虛擬重構，可以構建出3D 虛擬互動系統，不但可以在系統中保存老舊建筑的原有樣貌，還可以在系統中進行改造設計，直觀展示老舊建筑改造后的效果[1]。如果對于改造的效果不滿意，還可以重新進行改造設計，變更方式簡便快捷，有利于提高改造設計的效率，為老舊建筑的改造設計提供了更加科學和直觀的方法。本文就虛擬現實技術在老舊建筑改造設計中的應用進行分析。

1 老舊建筑改造的定義及價值

1.1 老舊建筑改造的定義

國際室內標準部將老舊建筑改造設計定義為：“將一座老舊建筑通過修理或改造，在保留其重要的歷史、建筑和文化價值特征的同時，實現有效的、現時的用途，這一轉化的行為或過程”[2]。

《中國既有建筑改造政策和市場化運作》一文，對當前國內老舊建筑最常用的一些界定做了較為全面的梳理：

（1）在城鎮地區，建成并交付運營的新建筑物屬于老建筑；

（2）已建成且已使用超過兩年的為老樓；

（3）當一棟新的房屋完工并交付使用后，由于人類和自然等原因，房屋的物理性質與房屋用戶的要求和房屋的安全性標準之間有差異，需要進行維修、改建或者改建的房屋被稱作“老房屋”[3]。

1.2 老舊建筑改造的價值

對老舊建筑物進行改造，改造后的老舊建筑不僅有其歷史和藝術價值，還蘊藏著極大的經濟價值，并將其恢復再用，作為推動城市建設與社會振興的有效手段。

1.2.1 歷史價值——城市文脈的延續

與一些特定時期和特定人物有關的建筑，它們不但記載了有關歷史，更是民族奮斗的載體。在這些空置的老舊建筑中，有些是與重要的歷史事件、重要的人物相關，有些已成為“文化遺產”。這些老舊建筑折射出了一定時期人們的思維方式和技術水平。正因如此，這些老舊建筑就成了衡量城市歷史價值的重要組成部分。

1.2.2 社會經濟價值——舊有資源利用

廢棄的工廠大樓材質堅固、空間結構簡潔，有高挑的支撐和寬闊的空間，易于被改建和重新使用。若對產業結構進行更新，既能節約拆遷費用，又能為當地創造巨大的經濟效益。這可以為經濟發展提供新動力，同時還可以增加就業場所，有效減輕社會人口的增長帶來的就業壓力。

1.2.3 精神藝術價值——展示建筑美學

老舊建筑反映著一個地區在一定時期內的建筑風格，因此，對老舊建筑的改建和使用，就是一種藝術創造。在原來的陳設上，經過改建或加建，改變建筑的立面、空間和建筑的體量，引進新材料、新色彩等，讓這些老舊建筑在經過改建之后，不僅可以展現出原來的工業美學，還可以展現出古老的建筑韻味，同時還可以營造出濃郁的藝術氛圍。

2 虛擬現實技術概況

2.1 基本概念

“虛擬現實”的概念源于英語中的“Virtual Reality”，其簡稱為VR。虛擬現實技術，是在計算機的軟件和硬件及各類傳感器的支撐下，通過虛擬模擬的方法，為觀看者創建一個可以實時地反映出實體對象的改變與相互作用的虛擬世界，讓使用者可以在視覺、聽覺及觸覺等多種感知方式與虛擬世界展開更加自然的互動。

虛擬現實的基本理念是：借助各種感知裝置，將使用者“投入”到一個仿真的場景中，從而實現使用者與這個場景之間的自然互動。

2.2 主要特點

虛擬現實技術作為一系列高新技術的組合體，具有感知性、交互性、抽象性和沉浸性的特點，為人們直觀地感受微觀和宏觀物體的運轉狀態或規律，提供了途徑。

2.2.1 感知性

虛擬現實技術的作用就是將人們的視覺、聽覺、觸覺等感官系統充分利用，以此來對物體進行認知，實現全方位觀察或操作的目的。當前，在虛擬現實技術中，人類的感官系統并未充分利用起來，而在將來，感官系統將會得到更多的利用。

2.2.2 交互性

“交互”是借助科技手段營造一個虛擬的環境，將信息從一個終端傳送到另一個終端，再由“大腦”做出反應，從而確保使用者體驗的真實、準確和及時性，同時也能滿足使用者與這個世界中的人物或物品的信息交互需求。

2.2.3 抽象性

通過虛擬環境的構造實現對現實的抽象，就是為了讓人能夠在虛擬環境中感受到“真實”的景象，從而擴大認識范圍。對于設計人員來說，他們要對現實世界中所發生的事情進行認識，并對其進行抽象，借助電腦來完成虛擬世界的構建。

2.2.4 沉浸性

沉浸性是當參與者置身于虛擬環境中時，其感覺系統以一種與在真實環境中相同的方式處理來自虛擬世界的視覺和其他感知數據，從而提高使用者在使用時的代入感。最好的沉浸性就是讓使用者的視覺、聽覺和其他感覺都融入到這個虛擬的環境中去。

3 虛擬現實技術在老舊建筑保護中的優勢

利用虛擬現實技術，對老舊建筑進行虛擬重構，構建出一個3D 的虛擬互動系統，不但可以保存老舊建筑的原有影響，還可以在虛擬現實中進行改造設計，為老舊建筑的改造設計提供了更加科學和直接的手段。

3.1 提升對老舊建筑的認識

將虛擬現實技術用于對老舊建筑的改造設計，能夠通過該系統準確而逼真地模擬出老舊建筑的原貌，包括建筑的結構布局、材料、紋理，以及周圍的環境，甚至是不同季節、一天中的不同時間段的光影效果，都會在虛擬系統中被真實地顯現出來。觀看的人可以在這座老舊建筑中自由地穿梭，甚至還可以隨意地飛行，可以隨意地移動到任何一個地方，可以從各個角度觀察這座老舊建筑。這樣，就可以讓改造設計人員更加全面、深入地認識該建筑。

3.2 增強對老舊建筑的保護

作為文化遺產的老舊建筑中有很多的易損構造，在改造設計過程中很可能會出現脆化、脫色、剝落等問題，即使經過了人為的修補，也很難被長久地作為文化遺產應用到研究和展覽中去。通過虛擬現實技術的使用，可以將老舊建筑的各個方面都完整地、多角度地進行展示，能夠幫助改造設計人員清楚地掌握易損構造和易損部位，有利于老舊建筑的改造和保護，有助于延長文物建筑的使用期限。

3.3 深入挖掘歷史文化遺存

在虛擬現實技術中，可以以考古研究資料和文獻記錄為基礎，對還沒有發掘或已經泯滅了的建筑遺址、遺存進行仿真分析。并且通過互聯網技術將這些文物信息進行統一的集成，在不對建筑遺產自身的安全性造成任何影響的情況下，進行全方位的展示。

在虛擬的建造環境中，能夠容納大量的有關目標的信息，從而實現對信息的集成和共享[4]。可以根據具體的歷史建筑特點，構建與其有關的信息數據庫。借助電腦和互聯網，將大量的文物信息進行整合，再借助虛擬現實技術，對大量的文物信息進行更加全面、生動、逼真的展現，讓這些文物信息擺脫了地理上的局限，達到了信息的分享，讓這些信息能夠被所有的人所“擁有”。

4 虛擬現實技術在老舊建筑改造中的應用案例

在老舊建筑改造設計中，往往會遇到一些很難符合客戶要求的工程項目，要經過反復修改，最終使其符合客戶要求。而在計算機輔助下，建立3D 模型，不但能模擬出老舊建筑的樣子，還可以利用虛擬現實技術對老舊建筑的改造升級，能夠突破現實的壁壘在虛擬建筑中大膽構想；對于歷史建筑，還能夠完整地還原歷史風貌。

4.1 虛擬現實技術在圓明園遺址修復中的作用

1860 年至1928 年，圓明園遭遇了“火劫”“木劫”和“石劫”，徹底蕩然無存，留下的只有瓦礫。2012年在原址上對劫后圓明園的遺址進行了修繕（見圖1 所示），虛擬現實技術在其中起到了重要的作用。

圖1 圓明園遺址

圖2 巴黎圣母院

圓明園的“虛擬復原”計劃由梁思成的弟子郭黛姮率領的清華研究小組展開，歷時15 年，將所有已知的景區資料進行整理，到現在為止，已經有六成以上的景區在虛擬世界中被精確地還原出來。通過分析各樓閣的形態特點和建筑構造，并找出整個園林中各大水系的變動模式。同時，虛擬現實技術也被運用到了圓明園的“虛擬復原”中，每一個建筑都需要經過電腦編程，建筑的每一個角落都要經過精心的設計，再加上虛擬現實技術的實時渲染，讓視頻中的整個建筑看起來更加的宏偉壯觀。經過上萬份歷史文件的收集與修復、數千份設計手稿的整理，近2000 個模擬圓明園的建筑模型的建立，以及120 個不同的六個歷史時期的場景的整合，終于讓這個被稱為“萬園之園”的圓明園，再次通過視頻呈現出來。

研究人員將數字模擬和虛擬現實技術與傳統建筑技術結合起來，以數字圖像與資訊的方式，盡可能地在視頻中恢復圓明園的原始風貌，讓參觀者可以在圓明園的廢墟中，通過特定的互動裝置，體驗到曾經的圓明園風采。

4.2 用虛擬現實技術還原巴黎圣母院

巴黎圣母院坐落在塞納河畔的法國巴黎城的中心，巴黎的教堂是在1163 年開始建造的，1345 年竣工。2018 年4 月發生的一起火災，導致巴黎大教堂的尖塔和圓頂全部被焚毀。按照相關部門和專家的估計，整個維修工作還需要5 年左右的時間，但是，因為目前的技術難度，整個維修工作還會被推遲。

這場大火造成巴黎圣母院的整個圓頂都被焚毀、三個主梁拱門坍塌、之前用來加固圓頂的支架也被焚毀并造成大量結構部件的損壞[5]。在施工過程中，從零散的建筑構件、雕塑、裝飾線腳等材料中，識別出可以進行修補再利用并進行替換的構件，是一件十分復雜而困難的工作。

運用虛擬現實技術，在計算機中錄入各種建筑構件、結構部件信息，可以讓工匠們在以后的工作中明確需要開展的工作。在虛擬現實的模擬重建中進行建筑建模假設，模擬可能發生的狀況，以最大限度地加速修繕進程。在此過程中還能建立網上旅游線路，是減少建筑物損壞、保存文物的最佳途徑。

5 結束語

虛擬現實技術由于具有感知性、交互性、抽象性和沉浸性，能夠使老舊建筑在3D虛擬世界中更加完整、更加全面地展現出來，實現對老舊建筑的改造設計。在“虛擬世界”中對老舊建筑物進行改造，不但可以再現真實的建筑物，而且還可以幫助人們在虛擬世界中進行創作。未來，人們對建筑物的認識會越來越深刻，這對建筑師提出了更高的要求，促使他們在老舊建筑改造過程中積極地運用各種先進技術，合理選擇設計方法、提高設計質量，滿足對于老建筑改造設計的需求。