建筑設(shè)計數(shù)字手段與虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究

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摘要：數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用，滿足了人們的物質(zhì)需求，創(chuàng)造了安全的空間環(huán)境，提高了建筑設(shè)計的水平，推動了建筑行業(yè)的發(fā)展。本文對數(shù)字手段與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用進行了探討，希望能為建筑設(shè)計行業(yè)的發(fā)展錦上添花。

關(guān)鍵詞：數(shù)字技術(shù)；建筑設(shè)計；虛擬現(xiàn)實技術(shù)

引言

在20世紀90年代，仍然以傳統(tǒng)方式手繪建筑設(shè)計，但是隨著計算機技術(shù)的廣泛普及，新的3D軟件被用于建筑設(shè)計，這無疑對建筑業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。計算機數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實技術(shù)對建筑設(shè)計的影響是其他任何行業(yè)都無法比擬的。視頻架構(gòu)、數(shù)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(shè)計本身在過去已經(jīng)發(fā)生了巨大改變，無論是設(shè)計方法，還是工具和媒介，都發(fā)生了變化。設(shè)計對象的變化導致建筑師的角色變化，以及建筑專業(yè)，甚至是新建筑物和新建筑師的方向發(fā)生變化。分析計算機數(shù)字虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用可以幫助闡明建筑設(shè)計教育模型如何適應(yīng)這種變化，如何將傳統(tǒng)建筑設(shè)計的優(yōu)勢與計算機數(shù)字和虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，以及如何適應(yīng)快速發(fā)展的數(shù)字和虛擬現(xiàn)實技術(shù)時代[1]。

1虛擬現(xiàn)實的研究現(xiàn)狀

所謂的虛擬現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)建的空間，包括視覺、聽覺和觸覺的虛擬環(huán)境。通過某種連接，人們可以在這種環(huán)境中擁有身臨其境的體驗，并且通過人機連接，實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境之間的交流。虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括計算機圖形學、人機交互技術(shù)、傳感器技術(shù)和人工智能等領(lǐng)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(shù)字技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的定義

2.1數(shù)字技術(shù)

電子計算機和數(shù)字技術(shù)是科學技術(shù)的結(jié)合，借用建筑設(shè)計中必需的工具，以將語言、文本、音頻、圖像等信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀挥嬎銠C識別的二進制，做好還原、計算、存儲、處理和發(fā)送。諸如編碼、壓縮和解碼之類的信息也稱為數(shù)字技術(shù)或計算機數(shù)字技術(shù)，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(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括傳感技術(shù)、人工智能、人機交互技術(shù)和計算機圖形學等領(lǐng)域。使用計算機系統(tǒng)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?shù)脑O(shè)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(zhí)行復雜的計算并發(fā)送準確的3D世界圖像以創(chuàng)建狀態(tài)。

3數(shù)字化技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用特點

在建筑設(shè)計中，應(yīng)用數(shù)字表達技術(shù)可以顯著提高設(shè)計效果。傳統(tǒng)建筑設(shè)計主要關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，以及對建筑物外觀和美學的關(guān)注，借助數(shù)字表示技術(shù)，可以充分表示建筑設(shè)計的結(jié)果。以傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計為例，在設(shè)計過程中經(jīng)常采用手工繪制方法，這種形式傾向于偏離設(shè)計者的主觀意識。盡管在設(shè)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(shè)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(shè)計和室內(nèi)環(huán)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(chǎn)環(huán)境中不可避免地會出現(xiàn)材料選擇和偏差，并影響實際施工效果[2]。首先，設(shè)計人員可以應(yīng)用數(shù)字技術(shù)查詢材料制造商提供的材料信息和參數(shù)，一旦完全了解，相關(guān)的手動設(shè)計可以避免重復，并有效地控制設(shè)計錯誤和成本。其次，它提高了整體設(shè)計效率。另外，數(shù)字表現(xiàn)技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用價值體現(xiàn)為用戶可以快速了解設(shè)計者的設(shè)計意圖和目的，因此可以在實施設(shè)計圖紙和設(shè)計過程中提高調(diào)整程度，效果可以很理想。

4虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用價值

4.1顯示建筑物的全部信息

在建筑設(shè)計中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以完整的顯示建筑物的整體信息內(nèi)容，使人們更好的了解設(shè)計布局，從而最大限度地發(fā)揮想象力和創(chuàng)新能力。你可以發(fā)現(xiàn)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)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(yōu)化設(shè)計效果。

4.2可以實現(xiàn)遠程瀏覽

虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅直觀，而且可以實現(xiàn)遠程瀏覽。換句話說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)使您可以在Internet上作品，而施工單位可以遠程查看它，并使用虛擬現(xiàn)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(shè)計中，通常會提出幾種不同的設(shè)計方案。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來對不同的方案進行切換評審，這樣可以幫助設(shè)計人員在同一觀察點對不同的建筑物的設(shè)計外觀進行比較。同時，這可以使查找架構(gòu)設(shè)計缺陷和優(yōu)化設(shè)計計劃變得更加容易。虛擬現(xiàn)實技術(shù)使設(shè)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(shù)字技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字技術(shù)通常與計算機密切相關(guān)，并且數(shù)字技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用也可以通過計算機來完成。在建筑設(shè)計中，有必要根據(jù)用戶的經(jīng)驗來創(chuàng)新空間圖像的概念，例如構(gòu)造、設(shè)計規(guī)劃和完成維護。由于不可逆的執(zhí)行步驟和巨大的架構(gòu)設(shè)計成本，因此不能出現(xiàn)錯誤，要求非常嚴格。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是使用計算機系統(tǒng)來實現(xiàn)和創(chuàng)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(huán)境，必須將計算機系統(tǒng)用于虛擬現(xiàn)實和輔助設(shè)計，以減少設(shè)計人員的設(shè)計時間和工作量，并減少投資，提高設(shè)計質(zhì)量。建筑設(shè)計中的數(shù)字方法和虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應(yīng)用于以下方面：

5.1顯示建筑物信息

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

5.2遠程瀏覽

使用數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計的模型使工程部門和設(shè)計人員可以在設(shè)計建筑模型中相互通信，并可以使用萬維網(wǎng)從遠處查看建筑設(shè)計。

5.3多種方案的比較

在對建筑設(shè)計進行投標時，大多數(shù)都必須針對建筑設(shè)計提出不同類型的設(shè)計建議，以對建筑物的未來形象做出不同的假設(shè)。在現(xiàn)實生活中，使用數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，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(shè)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(shè)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(yōu)點并做出更好的決策[4]。

6建筑設(shè)計中數(shù)字化虛擬現(xiàn)實技術(shù)的具體應(yīng)用

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

6.1為三維建筑搭建虛擬環(huán)境空間

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

6.2互動設(shè)計的優(yōu)化

通過應(yīng)用計算機人機交互界面，可以實現(xiàn)各種綜合的計算機技術(shù)應(yīng)用。同時，使用語言和手勢功能，根據(jù)用戶需求設(shè)計不同的程序。在進行比較的基礎(chǔ)上調(diào)整相關(guān)數(shù)據(jù)，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(shè)計技術(shù)應(yīng)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(guān)建筑物的特定信息。它還提供了單一的視覺度量，設(shè)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(shè)計特征和設(shè)計缺陷。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬一個完整的建筑模型，其中包括所有建筑參數(shù)信息，使設(shè)計人員、管理人員和用戶充分了解擬議建筑的信息內(nèi)容。6.4建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基于模型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要基于VRML語言，VRML語言定義了與萬維網(wǎng)上更多信息相關(guān)的3D世界內(nèi)容，并表現(xiàn)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(xiàn)實系統(tǒng)組成如圖2所示。

6.5虛擬場景中色彩、燈光效果等技術(shù)擴展

通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建筑景觀設(shè)計已開始向影像媒體時代邁進。虛擬現(xiàn)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(tǒng)的建筑景觀設(shè)計。實現(xiàn)的是數(shù)字化且可讀的全面、生動的視覺效果的盛宴。虛擬場景設(shè)計對建筑景觀設(shè)計的影響，是建筑景觀設(shè)計實現(xiàn)“時空重構(gòu)”的關(guān)鍵性能特征之一。色彩通常用于建筑景觀設(shè)計中以區(qū)分不同的環(huán)境，設(shè)計師巧妙地為不同的設(shè)計主題賦予不同的設(shè)計顏色。在大多數(shù)情況下，可以使用模型圖和模型照明來實現(xiàn)顏色和燈光效果，但是應(yīng)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持來實現(xiàn)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(jié)果，設(shè)計師不得不放棄以前的設(shè)計經(jīng)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(huán)境結(jié)合存在。

7結(jié)束語

總體而言，在建筑設(shè)計中，數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有很高的應(yīng)用價值。作為設(shè)計師，需要將兩者充分融合，提高設(shè)計水平和設(shè)計效果，并提高建筑物的整體質(zhì)量和性能。

參考文獻

[1]羅庭.探析建筑設(shè)計教學中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用[J].數(shù)字化用戶，2018，24（25）：161.

[2]胡芹.建筑設(shè)計中的數(shù)字手段與虛擬現(xiàn)實技術(shù)[J].魅力中國，2016（46）：86.

[3]馬心將，張曉文，喬壯.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用：以上海宛平劇院為例[C]//共享•協(xié)同：2019全國建筑院系建筑數(shù)字技術(shù)教學與研究學術(shù)研討會論文集，2019.

[4]林生文.建筑設(shè)計中的數(shù)字手段與虛擬現(xiàn)實技術(shù)[J].建筑與文化：學術(shù)版，2013（10）：269-270.

作者：曾憲偉 單位：廣州珠江外資建筑設(shè)計院有限公司