建筑室內外方案設計中虛擬現實技術的應用

胡小玲 陸茵

【摘 要】本文分析建筑室內外方案設計中VR技術表達的優越性，闡述基于VR技術的建筑方案設計中方案構想、方案設計、方案建模、可視化表達等階段，從室內外兩方面論述建筑設計方案從二維圖示到三維空間可視化的演進過程，以及建筑方案設計中VR可視化表達的創作。

【關鍵詞】建筑室內外方案 ?設計 ?虛擬現實技術 ?應用

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）07C-0190-03

建筑方案設計是一個漫長而曲折的過程，針對一個方案設計需要由設計準備階段，包括接受業主委托、明確設計任務、實地現場勘測，到方案設計階段，包括功能性設計、光環境設計、節能、通風等。建筑方案設計過程又包括草圖設計、施工方案設計、三維空間的設計等。盡管目前的計算機對建筑方案效果展示已經有了質的飛躍，特別是在美觀上，甚至堪稱到了極致，然而從本質上，不管是CAD繪制的方案圖，還是3Dsmax渲染的效果圖，他們都屬于二維的平面圖。二維的平面圖只能通過顯示器觀察室內環境的一角或者一個側面，卻不能反映方案的整體性。因此，要想更好地了解室內方案效果，我們需要走進空間中去觀看，感受空間環境設計。

虛擬現實（以下簡稱VR）技術是一個可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，作為一項綜合技術，融合了數字處理、計算機圖形學、人工智能、傳感技術、并行處理等技術，通過多個傳感設備使用戶“投身于”虛擬的環境中，與環境直接進行交互。利用VR技術，用戶不僅可以沉浸于虛擬的空間環境中，還可以進行自由的漫游。VR技術下，反映了虛擬環境與真實環境的相互關系。通過可視化，能夠充分表達設計方案的整體效果，使錯綜復雜的室內外環境變得簡單。通過VR的交互設計，能給客戶提供多個方案選擇，使得設計更科學、更可靠。

一、建筑室內外方案設計中VR技術表達的優越性

VR技術這一概念最早在20世紀中期由美國VPL探索公司和它的創始人JamnIJaIlier提出。最早將虛擬現實技術應用于建筑設計行業的是德國，如漢諾威世界博覽會德國館的建筑，就是通過虛擬現實技術設計的。美國燈光空間軟件公司開發了燈飾可視化軟件“LightscapeVisualizationSystem”和LEL居士室內環境系統，開始將虛擬現實技術用于室內設計中。時至今日，傳統的二維平面方案設計展示已經不能滿足日益發展的需求，VR技術在建筑設計中的應用也越來越廣泛。因為虛擬現實呈現的場景并非虛構的，它是極高仿制現有的環境，盡可能逼真地讓人們體驗到真實環境的感受，讓自己置身于真實的空間中，這在本質上已經區別于傳統的二維方案展示。VR技術利用計算機的實時漫游、實時交互功能，讓用戶實現人與物的交互。通過沉浸于場景中，可以進行實時漫游，通過改變場景的物體位置、大小、顏色、構造構建不同的方案展示。VR技術改變了傳統展示方式的單一乏味的信息傳遞，讓設計變得更形象、更直觀、更具體。

二、基于VR技術的建筑方案設計階段

（一）方案構想。方案構想是一個朦朧到清晰的狀態，結合現有的基本條件，如建筑的地理位置、環境情況、客戶需求進行構想得到的一種初步的、概念性的想法。方案構想是最初的、也是最基本的設計靈感，為方案設計做準備。

（二）方案設計。初步方案構思完成后，進行方案設計。方案設計是方案的表達，將設計構思的精髓高度提煉出來進行整合。方案設計從分析需求出發，實現產品的功能性、技術性，從性能到技術都在設計方案中體現出來。因此，方案設計是整個設計的重要階段，是極富創造性的階段，也是一個復雜的階段，它體現出設計者的水平、靈感、經驗，還有想象力。建筑室內外方案設計不僅要考慮形體、空間布局及復雜空間的位置關系，更要考慮精細化處理，如空間尺度、比例、材料、光影等的完整性。

（三）方案建模。方案建模是根據設計方案完成的建筑的外觀或者內部模型的構建。以建筑的總平面圖、平面圖、立面圖、大樣圖為依據，按照真實勘測的數據進行建模。

（四）可視化表達。模型構建的最終目的是反映設計的風格、色彩、結構構造、光影等外觀與結構之間的關系，最后對整個設計有個完整的表達。VR可視化階段進行沉浸性的虛擬場景漫游，能為觀察者提供多角度、多方案的體驗。同時，VR系統還包括模擬的太陽光照對環境的影響，讓建筑的整體表達更全面、更真實、更有說服力。

三、設計方案從二維圖示到三維空間可視化的演進

圖示作為建筑方案的重要表達方式，固然有著極其重要的作用，但由于二維圖形的局限性，它僅僅能展示方案的局部或者其中的幾個面，針對細部構造依然無法進行全面展示，更別提多個方案同時進行展示。設計者希望超越傳統的圖示方式，通過多個角度展示多個方案，并且動態展示設計者的構思、設計、意圖，則VR技術正好能實現這樣的視覺表達。

（一）建筑室外設計方案可視化演進過程。建筑室外可視化表達，從二維圖形到三維場景空間轉化，可以沉浸性地自由漫游，重在展示建筑的造型、色彩、立面肌理、光影等相互之間的關系及作品的完整性。以現代建筑室外虛擬場景表達為例，首先對虛擬場景的對象進行數據收集及處理，繪制CAD底圖，再進行3Dsmax建模并進行優化處理，最后導入可視化平臺進行材質貼圖及交互、燈光交互。具體操作步驟如下：CAD方案設計圖→導入到3Dsmax平臺→選擇相應樣條線或者多邊形線進行勾勒輪廓→利用擠出命令得出三維模型→創建樓層地面和陽臺→創建建筑的墻壁及矮樓→創建建筑樓頂→導入可視化平臺（Unity、UnrealEngine4、Mars平臺）→添加材質貼圖并進行交互設置→添加燈光并進行交互設置→漫游場景導出。

（二）建筑室內設計方案可視化演進過程。室內多角度、多方案的可視化表達，重在展示方案的功能性、裝飾性。制作過程首先是收集并整理數據，從功能需求、設計的風格、家具的造型、色彩搭配、材料肌理多要素考慮，構建室內設計的方案思路，繪制CAD方案設計圖，導入三維場景建模，將三維模型導入可視化平臺，最后導出效果。具體操作步驟如下：室內方案的構思→繪制CAD平面方案設計圖→CAD導入到3Dsmax平臺→繪制墻體輪廓→將墻線擠出得到墻體→繪制地板→繪制天花板→繪制裝飾構件（吊頂造型，對景造型等）→添加家具→把模型另存在.FBX模式導入可視化平臺（Unity、UnrealEngine4、Mars平臺）→添加材質、貼圖并進行交互設置→添加燈光及陰影并進行交互設置→漫游場景導出。

四、建筑室內外方案設計中VR可視化表達的創作

針對建筑室內外方案設計，筆者認為應遵循以下幾個原則：功能需求與建筑尺度相結合、材料肌理與設計主題相結合、色彩搭配與風格相結合、燈光多樣性與視覺環境相結合。在創作過程中，利用VR可漫游、可沉浸、可視化交互功能，力求做到靈活、多樣，讓效果更具體、更直觀。

（一）建筑室外方案設計的VR可視化表達。隨著人們生活質量的提高，建筑不再滿足于功能的使用，充滿視覺享受的建筑外觀造型、材料質感、設計色彩、光影變幻，大大增強了建筑的藝術欣賞性。因此，建筑外觀設計要從造型、材料、肌理、質感、光與色等幾方面進行考慮。豐富的建筑外觀，不僅保證建筑物造型的生動，還要在一定程度上體現建筑物價值，使其與城市特色相符合。通過VR技術可漫游、可沉浸的特性，使用戶進入虛擬場景中，將外觀的造型是否美觀、比例是否協調、虛實結合是否合理一覽無余盡收眼底。

在建筑外觀設計過程中，設計者要對材料有充分的認識，這與最終的室外方案展示有直接的聯系。在建筑外觀設計表達上，通過搭配不同的材料，達到更好地詮釋并表達建筑物價值的目的。建筑外觀設計材料通常包括混凝土、大理石、有機玻璃、墻磚、金屬等，運用不同的材料給人不同的視覺感受，如花崗巖材料給人一種豪華、堅固的感覺，透明的玻璃材質營造出晶瑩、通透的感覺，金屬材料富貴、大氣的感覺。針對不同性格愛好及審美需求的客戶，VR系統能夠做到通過多個材料搭配對比表達多種效果。另外，在建筑外觀設計上，色與光是相輔相成的，結合建筑的特點，選擇適當的顏色，進行有效的組合，能凸顯建筑的特色、風格，或者顯示簡潔、精致或者大氣、肅靜的特點，賦予建筑生命力。燈光也能為建筑再添精彩。具體做法是在VR平臺中，將所需的材料做成材質庫，將不同的材料分別賦予在建筑上，通過交互功能使不同材料在建筑外觀得以展示。如“光輝城市建筑VR軟件Mars”展現的建筑外觀設計，首先建立以外墻漆、木板類飾面、墻磚類飾面、金屬、玻璃等材質庫，將這些材料分別賦予在建筑物外部，可以展示不同的個性。通過飽和度、灰度、粗糙度、高光強度等進行調制，可以調節出不同的效果，反映出相同材料不同明暗的視覺。VR系統中，可構建數千種材質，形成高精的材質庫，所有的材質都可進行紋理尺寸、紋理方向、色彩、UV等參數的高度編輯，可以實時顯示，實時渲染出圖，滿足了所見即所得的效果，這為建筑設計提供無數的可能。VR系統下的光照可自由調節燈光強度、明暗、色溫、衰減等，不同的光照環境對建筑的光設計與選擇提供重要的參考，豐富的光環境下，建筑尤顯金碧輝煌。另外，VR系統還可以進行自然光照度模擬，包括晴天、多云、黃昏、黎明、滿月、繁星等的光照效果，這可以為自然光照下的建筑外觀設計提供重要參考。

VR技術下，用戶能夠沉浸于虛擬的建筑環境中，能夠實現多設計方案、多環境效果的實時切換，用動態交互的方式對建筑外觀設計進行身臨其境的全方位的審視，給用戶帶來強烈、逼真的視覺沖擊。

（二）建筑室內方案設計的VR可視化表達。建筑室內方案設計與建筑室外方案設計相比，則更細膩，特別在空間尺寸、比例的要求體現上。以居室設計為例，居室設計不僅要具備居住、美學功能，也要滿足社會文化和心理功能要求，同時也反映環境氣氛等精神因素。

如何檢驗設計是否符合用戶需求，首先VR技術能夠讓用戶走進居室，720°環繞空間，近距離感受室內設計的結構及整體效果。其次VR技術能進行室內材料及家具切換。裝飾材料包括地面材料、墻面材料、頂面材料。地面材料有拋光磚、木地板、地毯等，拋光效果好的地面給人整潔、清涼之感，木地板有冬暖夏涼之感，鋪裝地毯讓室內環境溫暖、柔和;對于室內家具品裝飾，堅實的木質沙發營造出中式韻味，而紡織品家具給人現代、溫柔的感覺。材料的顏色更是影響室內設計的一個重要因素，暖色調給人熱情、愉快的感覺，冷色調給人肅靜、安靜、沉穩的感覺。室內家具多種多樣，風格、顏色、形狀不一，如沙發按材質分類，就有布藝沙發、木制沙發等，按風格分又有中式風格、歐式風格等。各種裝飾材料的色彩、質感、觸感、光澤、樣式等的綜合運用，將極大地影響到室內環境。同時，室內設計在表達上應做到光、影、色的相互結合。光是營造室內氛圍的重要因素。室內光包括自然光照和人工照明。自然光照反映了自然條件下，從日出到日落的光照效果。VR技術能將室內環境的光照由清晨日出東方到黃昏日落西山的效果表現得淋漓盡致。自然光照為后期的人工照明提供依據。

通過室內設計多方案可視化展示，可以高效滿足客戶需求。以Unity為例，具體做法是先完成常規的三維建模，如前期的CAD方案圖的繪制，3Dsmax三維模型的構建，導入到Unity 3D平臺，完成可視化設置（包括材質、燈光的設置與參數調整）、交互設置、效果發布等。在進行材質交互設置時，首先將需要展示的材料分別做成材質球，大量的材質球形成材質庫。對需要交互材質的物體增加一個感知碰撞。感知碰撞其實就是一個碰觸的范圍，當鼠標或者設備觸碰到設定的范圍即可進行材料交替。如在客廳地面上設置木地板、仿古磚、拋光磚作為交互替換的材質，當鼠標觸碰到地面時，即可進行不同材料的展示效果。同理，景墻面設計作為家庭裝飾的亮點或者重點，可采用對景顏色和花紋不同來給用戶不同選擇。室內燈光首先考慮日照光源，主要采用平行光。平行光用于模擬太陽光，當太陽位置不同，則室內受光角度不同則反映不同的光照效果。室內人工照明采用點光源、聚光燈和面光源。點光源用于向四周發射的光線，如燈泡的光，也可以用于補光。聚光燈能夠產生錐形的照射區域，用于模擬筒燈、吊燈、落地燈的光照效果，進行局部物品的照射，起到烘托的作用。面光源主要用于燈帶的制作。人工照明是為了彌補自然光照無法達到照明需求，或營造富有藝術效果的照明需求。

利用VR可視化技術對室內空間裝飾進行展示，能從風格、色彩、材料、質感、光環境等進行方案對比，從而讓客戶選擇合適的方案設計。VR可視化為創造滿足人們物質和精神生活的室內環境提供更好的參考。

建筑方案設計與可視化表達是一個系統的過程。通過VR可視化來展示建筑室內外方案，穿透二維圖示傳遞空間的內涵，能夠將多個設計方案在不同的階段進行展示，有效促進設計中問題的解決，為方案的確定提供重要的依據。VR的可視化表達打破了傳統的思維局限，在未來的建筑室內外設計將引領時尚，創造奇跡。

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【基金項目】2018年度廣西職業教育教學改革研究項目“基于虛擬交互視覺體驗的裝飾設計創新實踐教學改革研究”（GXGZJG2018B068）

【作者簡介】胡小玲（1984— ），女，廣西平南人，廣西電力職業技術學院副教授，研究方向：建筑裝飾與室內設計;陸 茵（1978— ），女，廣西電力職業技術學院講師，研究方向：自動化、建筑電氣工程技術。

（責編 蘇 洋）