基于混合現(xiàn)實(shí)的多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法可行性探究

陳子宜

摘要：強(qiáng)交互性、強(qiáng)臨場(chǎng)感、高參數(shù)轉(zhuǎn)換效率是多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)的需求。通過綜合闡釋混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)中相較于目前建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法的優(yōu)勢(shì)，并構(gòu)建一種基于混合現(xiàn)實(shí)的多階段建筑設(shè)計(jì)呈現(xiàn)方法（Mixed Reality based Multi-stage Architectural Design，簡(jiǎn)稱MRMAD方法）的模型，論證混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)中的可行性。這種基于混合現(xiàn)實(shí)的多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法為高效精準(zhǔn)評(píng)估建筑設(shè)計(jì)方案提供創(chuàng)新思路。

關(guān)鍵詞：混合現(xiàn)實(shí);多階段建筑設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）19-0148-04

在實(shí)踐中，我們經(jīng)常遇到同一塊場(chǎng)地在較短時(shí)間內(nèi)（例如幾個(gè)月）隨時(shí)間演變有多個(gè)階段建筑建造進(jìn)行不斷覆蓋的建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目，例如，文化遺址考古發(fā)掘展示公園的設(shè)計(jì)。文中將這類項(xiàng)目稱為“多階段建筑設(shè)計(jì)”項(xiàng)目。該類項(xiàng)目相比其他建筑類型項(xiàng)目有其特殊性：多階段建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目包含各階段設(shè)計(jì)，涉及設(shè)計(jì)方案信息量較大，且通常工期較短，適合在整個(gè)項(xiàng)目開始前就統(tǒng)一設(shè)計(jì)完成所有階段的方案;因此需要模型及場(chǎng)景參數(shù)轉(zhuǎn)換效率高和交互性強(qiáng)的方案呈現(xiàn)方法。同時(shí)，設(shè)計(jì)師和用戶在實(shí)施建造之前或建造的過程中希望看到每一個(gè)階段建筑建成時(shí)設(shè)計(jì)方案與周邊環(huán)境的效果;因此需要臨場(chǎng)感強(qiáng)的方案呈現(xiàn)方法。然而，當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法運(yùn)用于多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)中均有不足之處。因此，探索一種可以讓體驗(yàn)者在實(shí)體建筑建造前更加直觀、真實(shí)、高效感受各個(gè)設(shè)計(jì)階段效果的呈現(xiàn)方法并論證其可行性，是十分必要的。

1建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法現(xiàn)狀

1.1 目前建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法比較

目前建筑設(shè)計(jì)方案的呈現(xiàn)方法有許多種，大致可分為：圖紙、沙盤模型、虛擬模型屏幕呈現(xiàn)、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的建筑設(shè)計(jì)方案的呈現(xiàn)方法（簡(jiǎn)稱VRAD方法）、基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的建筑設(shè)計(jì)方案的呈現(xiàn)方法（簡(jiǎn)稱ARAD方法）。針對(duì)以上建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法，以影響建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)效率與效果的相關(guān)因素進(jìn)行橫向比較，比較結(jié)果如表1所示。

1.2 目前方法呈現(xiàn)多階段建筑設(shè)計(jì)方案的不足

通過對(duì)現(xiàn)有建筑設(shè)計(jì)方案的不同呈現(xiàn)方法關(guān)鍵因素的比較，運(yùn)用以上呈現(xiàn)方法呈現(xiàn)多階段建筑設(shè)計(jì)方案均有不足之處[1，2，3]（如表2所示）。

1.3 基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)多階段建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)目前建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法對(duì)于多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)中的不足，為達(dá)到交互性強(qiáng)、臨場(chǎng)感強(qiáng)且參數(shù)轉(zhuǎn)換效率高的方案呈現(xiàn)目標(biāo)，探究混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法中的應(yīng)用。混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）是一種在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景信息，物理實(shí)體與數(shù)字對(duì)象能共存并實(shí)時(shí)相互作用，使真實(shí)世界與虛擬的數(shù)字世界相結(jié)合產(chǎn)生的一種新的環(huán)境可視化方式[4]。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)相較于其他呈現(xiàn)方法有以下優(yōu)勢(shì)。

（1） 與傳統(tǒng)圖紙、沙盤模型、電腦建模屏幕顯示相比：擁有遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)方案呈現(xiàn)方法的方案體驗(yàn)臨場(chǎng)感以及虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶三者之間的信息交互功能。

（2） 與VRAD方法相比：運(yùn)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在真實(shí)場(chǎng)景中體驗(yàn)，體驗(yàn)者與真實(shí)環(huán)境或體驗(yàn)者之間可以進(jìn)行多感官的信息交互[5]，易于及時(shí)反饋體驗(yàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案的決策。

（3） 與ARAD方法相比：運(yùn)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)的虛擬畫面不再單純疊加到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中[6]，而是進(jìn)行了虛擬數(shù)字模型與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境數(shù)字化場(chǎng)景的實(shí)時(shí)匹配與人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改并存儲(chǔ);真實(shí)的場(chǎng)景被數(shù)字化之后可以模擬在不同環(huán)境條件下該場(chǎng)景的狀態(tài)，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，在數(shù)字化的虛實(shí)共現(xiàn)環(huán)境中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)際使用狀況的模擬，并將參數(shù)記錄運(yùn)用于實(shí)際設(shè)計(jì)的建造[7]。

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前已在沉浸式游戲、全息手術(shù)[8]等領(lǐng)域進(jìn)行了初步應(yīng)用，但在建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法中的應(yīng)用較少。綜合以上優(yōu)勢(shì)點(diǎn)分析得，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)將設(shè)計(jì)方案的三維數(shù)字模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地環(huán)境數(shù)字化場(chǎng)景相結(jié)合，臨場(chǎng)感強(qiáng)于目前設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)擁有人機(jī)交互功能，體驗(yàn)者與設(shè)計(jì)方案間交互性強(qiáng)于目前設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)將真實(shí)環(huán)境場(chǎng)景數(shù)字化并對(duì)要素進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)[9，10]，實(shí)現(xiàn)在用戶短時(shí)間的體驗(yàn)中模擬不同時(shí)間段、季節(jié)、天氣狀況等環(huán)境條件下設(shè)計(jì)方案與周圍環(huán)境的狀態(tài)，參數(shù)轉(zhuǎn)換效率高于目前設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法。因此，現(xiàn)提出一種基于混合現(xiàn)實(shí)的多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法（Mixed reality based Multi-stage Architectural Design，下文簡(jiǎn)稱MRMAD方法）。

2 MRMAD方法的可行性分析

將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于多階段建筑設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)的MRMAD方法，在臨場(chǎng)感、交互性、參數(shù)轉(zhuǎn)換效率方面均優(yōu)于目前的設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)方法。接下來從MRMAD方法的具體模型和初步應(yīng)用效果來論證MRMAD方法的可行性。

2.1 MRMAD方法模型

MRMAD方法模型由七部分組成，分別是：設(shè)計(jì)方案虛擬三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫(kù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地環(huán)境數(shù)字化場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)方案虛擬三維數(shù)字模型庫(kù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地環(huán)境數(shù)字化場(chǎng)景圖像庫(kù)、信息交互子系統(tǒng)、圖像模型虛實(shí)融合引擎和輸出設(shè)備。

（1） 設(shè)計(jì)方案虛擬三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫(kù)（如圖1所示）。該數(shù)據(jù)庫(kù)包含：①設(shè)計(jì)方案模型數(shù)據(jù)表：通過設(shè)計(jì)三維建模軟件獲得，該數(shù)據(jù)表記錄了設(shè)計(jì)方案的三維模型尺寸、材質(zhì)等信息;②模型各類視圖信息參數(shù)數(shù)據(jù)表：通過各類定位傳感器獲得，該數(shù)據(jù)表記錄了體驗(yàn)者所在位置及視野應(yīng)當(dāng)看到的虛擬三維數(shù)字模型的范圍、視角透視情況等信息;③各類自然條件參數(shù)數(shù)據(jù)表：通過語音識(shí)別軟件獲得，該數(shù)據(jù)表記錄了需要改變的虛擬三維數(shù)字模型中的相關(guān)自然條件參數(shù)（季節(jié)、時(shí)間、天氣狀況等）。