浅谈虚拟现实技术在建筑设计中的应用

　　摘要：进入信息时代以来，多种科学技术手段都有长足的发展。虚拟现实技术作 为一种模拟真实环境和物体的手段早已经出现，近几十年来，与数字技术结合，其用途越来越广泛。本文浅谈其与建筑设计相结合后，在建筑设计中的应用，说明其优越性。

　　关键词：虚拟现实; 人机接口模式; 建筑设计

　　Abstract：The coming of the information time, a variety of scientific and technological means to have great development. Virtual reality technology as a method to simulate real environment and objects means already appeared, in recent decades, with digital technology, its use is more and more extensive. This article on its combining with architectural design, application in the architectural design, illustrates its advantages.

　　key words：Virtual reality;Mode of man-machine interface;Architectural design

　　中图分类号：TU2 文献标识码： A 文章编号：

　　0 前言

　　随着现代社会生产力的高速增长 ,现代建筑的建设速度不断加快。建筑材料日新月异，设计风格趋于多元化发展，以及人们审美观念的随之转变，都促使建筑形态、建筑思想发生了巨大的转变。

　　进入21世纪后，数字技术成为主导技术，它已经渗透到了各个领域，推动了很多学科的发展。虚拟现实作为一种模拟真实环境和物体的手段早已经出现，近几十年以来，与数字技术相结合，它的用途越来越为广泛。建筑设计传统上采用从草图到模型或者实体的方法，草图虽然简洁实用，但它向模型或实体转化时不够直观，容易造成偏差。新的设计思维经常由于造型难以在草图上表达准确而夭折，并且，很多方案的缺陷也容易被掩盖。数字手段和虚拟现实技术的引入是建筑是可以直接从三维出发进行设计，避免了很多错误和重复工作，并且可以自由的创造出独特而有诗意的造型来。借助虚拟现实系统，还可以更加直观准确的对设计方案的内部空间和周边环境进行感受和分析。虚拟现实技术不仅仅是绘图工具和效果表现方式，它们更大的意义不是为结果服务而是为过程服务，它们使建筑的艺术性可以被强调和突出。从某种意义上说，虚拟现实技术对建筑设计的意义是巨大的，不但推动了设计方法的创新，还催生了机遇建筑设计的新的艺术门类。

　　1 虚拟现实技术的定义

　　Virtual(虚拟)在1989年版的完整版韦伯斯特大辞典中的定义是“being in essence of effect,but not in fact.”(在本质上或效果上存在，但在事实上却不存在。)Reality(现实)的含义则更为复杂，若要完整地给出定义，就会陷入一个复杂的哲学争论中。韦伯斯特大辞典给出了这样的定义“the state or quality of being real.Something that exists independently of ideas concerning it.Something the constitutes a real or actual thing as distinguished from something that is merely apparent.”(具有真实的性质或出于真实的状态，独立于相关思想而存在的东西，由真实的或实际存在的东西组成，不同于那些仅具有表现的东西。)一般我们可以把它简单的看成是存在并且能够获得体验的地方。

　　通常从技术层面上来说，虚拟现实也称虚拟环境或虚拟真实环境，是迅速发展的一项综合性计算机、图形交互技术，它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络并行处理，利用计算机生成的三维空间形象实现的目标合成技术，通过视、听、触觉，以图表及动画方式呈现，让观看者“眼见为明”。它改变了传统的计算机辅助设计被动静态的信息传递方式。虚拟现实就建筑视觉模拟的可行性而言，应用领域可包括：建筑物模拟、室内设计模拟、城市景观模拟、施工过程模拟、物理环境模拟、防灾模拟、历史性建筑模拟等。在建筑设计中既要进行空间形象思维，又要考虑到以用户的感受为核心，是一连串的创新过程，包括规划、设计、建设施工、维护等。巨大的成本和不可逆的执行程序，不能出现过多的差错，虚拟现实是一种可以创造和体现虚拟世界的计算机系统，虚拟世界是整体虚拟环境或给定仿真的对象的全体，充分利用计算机辅助设计和虚拟现实，可减轻设计人员的劳动强度，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。虚拟现实技术在建筑设计中应用广泛。

　　这个定义足够严格，限制对虚拟现实这个术语使用上的许多误区，同时也足够广泛，包括了虚拟现实媒体的使用者所使用的多种设备，比如头盔显示器、计算机三维投影仪以及未来可能出现的各种新媒体设备。

　　2 虚拟现实技术在建筑设计中，集中特定的4种人机接口模式

　　(1)使用者模式。使用者直接进入虚拟现实中，进行观测与互动操作，以第一人称的观测方式，进行虚拟现实的沉浸观察，隐藏的接口，只有在使用时才出现;

　　(2)代理者模式。在虚拟现实中，常因沉浸环境与现实环境的感性差距，而造成空间迷失现象，以至于使用者无法掌握虚拟现实的状态，以空间代理者的虚拟环境信息的提供，以第一和第二人称的观察方式，进行虚拟环境中的观测;

　　(3)监控模式。使用者以第三人称的方式，监控虚拟现实中所有的现实状态，并进行虚拟物的监视与控制，而接口的产生与虚拟现实的种类并无绝对的关系;

　　(4)沉浸操作模式。将控制虚拟现实物的接口，置于虚拟现实中，以进行仿真式的操作模拟，使用者以第一人称的操作方式，对虚拟物进行控制。从系统整合的观点来分析建筑设计，系统的接口连接不当，影响设计质量和施工程序。

　　总的来说，虚拟现实是由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或增强一种或多种感官反馈，从而产生一种精神沉浸在或出现在仿真环境(虚拟世界)中的感觉。

　　3 虚拟现实技术在建筑设计领域中的应用

　　虚拟现实在没有步入数字化的时代就已经和建筑结缘了。早在达芬奇的年代，人们就乐于在建筑的四壁画上虚拟的空间，比如一些逐浪或者庭院，以期让这座建筑中的人感觉自己所在的房屋面积更加广阔。到了后来，这样的壁画几乎到了乱真的程度，人们进入这个空间就完全沉浸在这种虚拟的环境里，其实这就已经满足了虚拟现实的这个定义。在20世纪30年代，还曾经有人尝试过这样的虚拟现实系统：用四架电影放映机向房间的四面墙壁投射不同的建筑内部空间影像，以使这个房间中的

　　梵蒂冈西斯廷教堂室内 人体验不断变化的建筑空间。20世纪80年代以后，随着计算机科技的发展，为建筑服务的虚拟现实系统更加丰富了。80-90年代很多人都曾经在CAVE系统中模拟建筑内部空间或者群组建筑之间的空间。进入21世纪以后，虚拟现实技术多用于对于建筑群的研究或者复原。在美国洛杉矶和费城的虚拟建筑三维模拟系统被认为是全球最成功的虚拟建筑模拟系统之一。

　　中国虚拟现实技术起步较慢，但也有了长足的发展。值得一提的是于2003年完成的故宫VR《紫禁城·天子的宫殿》项目，安装在故宫博物院的SGI Reslity Center是一个沉浸式剧场，高分辨率的图像投射在50英尺宽、14英尺高的弧形屏幕上，参观者能够在虚拟的紫禁城中自由翱翔——借助控制器可以漫游于康乾盛世的紫禁城，最近距离的观看太和殿的全景。

　　虚拟现实系统不仅仅只能对建筑物本身的模拟，更高级的运用是将建筑所处的环境进行逼真的再现与预测。这样的技术在追求结构最高合理性及可持续性的设计作品中使用比较广泛。例如诺曼·福斯特(Norman Foster)在英国伦敦设计的瑞士再保险公司总部大楼。2004年后，这个高达180m、40层的庞然大物以优雅的曲线形身姿挺立在伦敦传统金融中心的心脏地带。在其设计的最基本原则中，生态、环境友好是一切的出发点。该建筑号称伦敦第一座环境摩天楼，预期将比同等规模的办公楼节能50%，其外部形态所体现的每一点不同于传统高层的独特之处几乎都是建筑师为实现这样的目标而作的安排。为此，福斯特事务所专门组织了一个特殊的设计顾问小组，其中包括建筑师、结构工程师、建筑物理工程师、数学家、计算机编程员等各类专家。他们借助于特定的计算机程序，通过严谨的数学公式生成各种几何形式，对其进行理性的评估、筛选;在确定一类几何形式后，他们通过计算机对该几何形式的各种几何参量进行反复微调，并不断测试该几何形式所具备的建筑物理性能。经过数月的探索，该设计小组终于得到一种新颖的、物理和美学性能具佳的形式。

　　其建筑形式良好的物理性能包括：塔楼表面的空气动力学曲面可使任何方向传来的自然风都能沿建筑表面光滑地吹过，即将风力对建筑结构施加的荷载降至最低，从而极大的节省结构和幕墙造价，又能避免方形塔楼经常发生的情况——建筑的平直表面使自然风受阻转而折返到地面层，形成令人不快的街道风道现象;风洞试验还显示，该建筑的修建将改善建筑周边城市环境的通风状况。并且，当风沿建筑表面曲面滑过，会环绕建筑表面形成一定的风压，从而增强塔楼室内的自然通风性能。

　　这个方案中几乎所有对于建筑周边环境，如气流、热量、荷载等因素的测试都是在一套虚拟现实系统中进行的，虚拟现实系统可以近乎完全真实的将建筑结构和其外部环境模拟出来。

　　4 结语

　　虚拟现实技术可能只是一种“新工具”。而且，这项数字工具会是继埃及、希腊时期的平面式绘图与文艺复兴的体量模型后的最新发展，而且其后续工具性的发挥将更快速且更惊人。运用虚拟现实技术所产生的虚拟空间。可以营造出以前无法想象的建筑空间，则建筑赖以生存的空间理论，将继埃及的体量空间、古希腊罗马的几何空间、哥特的神秘空间、文艺复兴后期到巴洛克的动态空间、现代与后现代空间等等，再次出现建筑空间与都市空间的新空间理论。虚拟现实技术对于建筑设计的影响是一个渐进的过程，现在还不是全面的应用于建筑设计中。这种技术在往后将会更快速的发展并更全面的影响建筑。

　　参考文献：

　　[1] 王歌风. 建筑设计中的数字手段与虚拟现实技术[D].中央美术学院2007，08

　　[2] 李 真. 180m的生态——环境摩天楼瑞士再保险公司大厦[J]时代建筑.2005，4

　　[3] 凌 珀. 虚拟现实——建筑设计新思维[J].建筑学报，1998，12

　　[4] 刘 祥. 虚拟现实技术辅助建筑设计[M].2004，北京:机械工业出版社

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文章名称： 浅谈虚拟现实技术在建筑设计中的应用

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