基于虛擬現實技術的綜合保稅區城市更新設計探析

山東科技大學 付冠男

中潤浩科工程咨詢（山東）集團有限公司 朱赫 張樹仁

1 虛擬現實技術概述

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一種集計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、人機交互技術、網絡技術、立體顯示技術，以及仿真技術等多種科學技術發展起來的新技術[1]，具有沉浸式、想象性、交互性等特征[2]。近年來，虛擬現實技術的價值與優勢在設計行業中被越來越多的專業人士所認同。在城市設計中，該技術為創建和體驗城市三維空間提供了全新視野。設計師的思維不再被長時間的等待所打斷，不僅能在高速公路上飛馳感受城市的輪廓線，在電視塔上俯瞰全城，也可以在漫游過程中對建筑、環境、道路、廣場等設計要素進行推敲和方案調整[3]。

2 綜合保稅區

綜合保稅區是設立在內陸地區的，具有保稅港區功能的海關特殊監管區域，海關參照有關規定對綜合保稅區進行管理，執行保稅港區的稅收與外匯政策[4]。綜合保稅區將我國現有的保稅區、出口加工區、保稅物流園（中心）等海關特殊監管區域的功能進行全面整合，并將有關政策進行疊加，是目前國內功能最全、政策最優惠的海關特殊監管區域。

3 基于虛擬現實技術的綜合保稅區城市更新設計意義

城市更新設計項目的圖紙表達一般運用Sketchup 建模、渲染軟件渲染出圖、PS 后期處理等方法，這些方法仍將三維效果局限在二維圖面上，很難帶給人們真實的空間體驗，同時會帶來前瞻性不足、修改成本高、與客戶溝通不便等問題。近20 年來計算機圖形技術快速發展，以仿真科學、計算機科學與互聯網傳感為基礎的虛擬現實技術成為解決上述問題的有效技術手段。

3.1 以運動方式感受城市空間

虛擬現實技術主要通過建立一種動態、直觀的城市環境仿真模型，讓使用者置身其中，對視點和游覽路線進行控制，以動態交互的方式，從任意角度、距離、速度和尺度觀察仿真環境中的目標對象，記錄仿真體驗的全過程[5]。利用虛擬現實技術進行建筑漫游，建立對保稅區建筑空間序列連續不斷地整體感受。

3.2 以整體視角建立區域更新統籌

保稅區空間環境復雜，設計師難以在腦海中建立起完整的空間想象。虛擬現實技術可用于建筑室內外空間環境設計的模型中，有助于創建設計的空間和拓撲關系，為設計師提供設計組件空間關系的完整圖像，而不是依賴于原始想象進行設計工作[6]。

3.3 輔助決策及公眾參與

在方案匯報過程中使用虛擬現實（VR）或虛擬現實增強（AR）技術，為決策者及使用者提供沉浸式的建筑空間體驗，在幫助用戶更好地理解設計理念的同時，促進不同部門之間的高效溝通與協作[7]。

4 基于虛擬現實技術的綜合保稅區城市更新設計流程

綜合保稅區在我國僅發展了十余年，現有研究對于空間結構復雜、建筑形式多樣的綜合保稅區如何進行城市更新，城市更新“改什么”“如何改”等問題尚未形成系統化的方法。文章從綜合保稅區發展更新需求出發，針對工業建筑設計展開研究，選用虛擬現實技術輔助設計，探索綜合保稅區的城市更新設計方法。此外，沉浸式的展示過程能夠高效地吸引社會資本，引導公眾參與，做到決策共謀、發展共建、建設共管、成果共享，共同推進城市更新。

基于虛擬現實技術的綜合保稅區城市更新設計分為前期準備、初步方案、方案匯報、方案優化四個階段，技術路線圖如圖1 所示。

圖1 基于虛擬現實技術的綜合保稅區城市更新技術路線圖

4.1 前期準備

模型搭建主要使用Sketchup 和Rhino 軟件，虛擬現實技術主要通過Mars 平臺實現，Mars 具有模型直讀功能，并支持場景模型的實時更新。

在前期準備階段，通過航拍視頻和部分效果圖模擬廠區現狀，還原廠區現狀模型，同時檢索相關文獻研究和實際項目案例。通過建筑漫游和實地考察對建筑現狀進行梳理，進入VR 模型觀察廠區的建筑高度、空間布局，以及廠區與周邊環境道路的關系，結合廠區現狀條件和客戶要求，確定更新設計空間的節點。

4.2 初步方案生成

在方案生成階段，主要采用VR 沉浸式體驗技術，該技術需要借助Steam VR 以及VR 設備進行，通過一鍵切換VR 模式，在創作階段體驗項目建成的真實效果。在方案匯報階段，采用VR沉浸式體驗、3D 漫游網絡匯報、全景圖三種方式，使公眾與相關部門在聆聽方案匯報時擁有沉浸式的建筑體驗。

利用Mars 軟件輔助方案生成過程演示如下：首先在Mars 中創建項目，導入已經建好的SU 模型；然后通過在濾鏡庫里選取濾鏡、調整HDR、開啟SSGI 與光線追蹤等操作進行真實環境的構筑，應用筆刷進行周邊配景與資源布置；最后利用SU 插件同步總平、立面、分析圖視角，一鍵切換VR 模式，從不同視角出發進行建筑漫游。具體操作過程，如圖2 所示。

圖2 Mars 輔助設計過程演示

4.2.1 以虛擬現實技術輔助建筑模型比選

對于新建建筑，可以利用VR 沉浸式體驗技術輔助建筑模型的比選：首先進入VR 模型，觀察整個廠區的建筑高度和空間布局，結合廠區現狀條件和客戶要求，確定空間節點位置、建筑功能定位及建筑空間布局；然后輔助建筑模型比選，通過多次建筑外部漫游進行環境感知，選擇虛擬現實效果更佳的設計方案。

在VR 場景漫游過程中，遇到的主要問題是如何調整視點和目標點以達到真實的觀看效果。對于高度較高的建筑物要想獲得更加真實的觀看效果，需適當調整模型尺度。

4.2.2 以虛擬現實技術輔助建筑立面改造

綜合保稅區建筑功能具有多樣性，包括倉儲、廠房、辦公、居住等，針對不同的建筑類型，需采用不同的改造方法，較難統一整體形象。對于保稅區的舊工業建筑，改造方法主要分為立面改造和空間改造，為避免大拆大建，在更新改造中主要進行建筑立面的維修翻新和新舊對比[8]。在VR 模型中反復漫游，梳理主要道路兩側的建筑立面形式，發現通過協調建筑的整體色調可達到風格統一的效果。主要運用白色進行造型和立面改造，增強工業建筑的科技感和現代感。相鄰建筑之間以相似的立面造型進行協調，建筑整體沿用原有的圍護結構，充分利用原有窗墻。強調建筑立面的細部，配合彈性涂料，打造細節耐看、特色鮮明的城市立面形象（圖3）。

圖3 保稅區立面改造策略

4.3 方案匯報

在傳統的方案成果表達中，效果圖公司的技術人員無法完全理解設計師的意圖，不僅會延長設計周期，還會導致效果圖或動畫無法達到預期效果。可以使用Mars 平臺的VR 沉浸式體驗、3D 漫游網絡匯報、全景圖三種技術手段，嘗試新的成果輸出和匯報方式。（1）VR 沉浸式體驗所需要的設備和設計階段相同，只是使用者由設計師轉向客戶與公眾，進入項目場景中體驗空間尺度、推敲細部，可將獲得的實時反饋直接與設計師溝通，完成效果修改。（2）通過試點動畫交互技術找到最佳漫游路徑進行3D 漫游網絡匯報，沿路徑對現狀與規劃進行沉浸式對比，使設計過程可視化，給人身臨其境之感。（3）全景圖可以實時輸出高清全景圖，形成全景圖的二維碼，客戶用手機掃描二維碼就可以進入設計師提前設定好的場景路線，全方位地觀看建筑的外觀造型，感受高仿真的城市空間。這幾種方式在很大程度上提高了設計成果展示的效率。

4.4 方案修改

方案修改階段采用“評價—修改—檢驗”的動態過程，通過跨學科組織、機構組織多元決策參與，對設計方案進行優化或實現對多設計方案的選擇決策[9]。針對方案匯報反饋的問題對方案進行優化修改，并建立項目優化后的虛擬現實系統。之后再次重復動態過程，組織進行方案匯報，處理匯報反饋信息、檢驗優化效果。

5 基于虛擬現實技術的綜合保稅區城市更新設計實踐

5.1 項目概況

文章以山東省某外向型綜合保稅區為例。綜合保稅區作為城市新門戶、產業新高地，亟需具有活力和特色鮮明的形象與之相匹配，但該綜合保稅區的整體廠區形象并不理想，主要表現為：（1）產業布局不合理，缺乏配套服務設施；（2）建筑整體風格缺乏協調性，部分建筑由于建成年限較長，受風雨侵蝕嚴重，表面破碎脫落、銹跡斑斑，需對立面進行修繕整改；（3）少量建筑結構破損坍塌或已被棄用，建筑質量較差，需拆除重建。

整體更新改造思路為：更新工業業態，實現低效閑置用地的盤活開發，將傳統工業更新為新興產業（新型產業用地是指為適應傳統工業向新技術、協同生產空間、組合生產空間及總部經濟、產業轉型升級需要而提出的新型產業用地[10]）。另外，針對建筑整體形象老舊、風格不協調等問題，提出改造策略，對中心路兩側建筑進行立面風格引導。

5.2 工業業態更新

5.2.1 管委會建筑組群設計

管委會建筑組群地塊位于綜合保稅區主入口附近。首先利用VR 漫游進行建筑現狀梳理，然后充分利用現存建筑、基礎設施集中配置降低建設成本，實現資源集約利用，方案提出分兩期增建管委會辦公樓的方案。（1）一期建設場地現狀為利用率低的停車場。設計上，客戶提出了限高50 m 的要求，且一期建設應滿足管委會近期的辦公需求。經過VR 漫游確定建筑空間與地塊的關系，選擇了一種布局靈活、造型簡約的方案，建筑形象風格與二期管委會主樓相協調；（2）二期建設方案采用中軸對稱的布局模式，南面臨街的多層辦公樓用作保稅區服務大廳，設置接待咨詢、會議洽談等功能，北側的主樓，以及裙房側面向內部工作人員開放。通過虛擬現實建筑漫游可以發現，圍合式的建筑群體組合能夠很好地體現政府辦公建筑莊嚴穩重的特點，南側兩座多層建筑的弧形片墻具有吸引人們進入其中的作用。虛擬現實視角的建筑效果，如圖4、圖5 所示。

圖4 管委會現狀

圖5 管委會更新設計方案

5.2.2 招商大廈設計

場地東側為高速出口，北側緊鄰立交橋，是綜合保稅區的門戶。招商大廈作為廠區的標志，應起到對外展示綜合保稅區形象的作用。方案最初由一座塔樓和與之相連的裙房構成，在總平面上順應狹長的基地形狀（圖6），但經過VR 模擬后發現建筑形體無法滿足多個視角的美觀性。對比不同模型的空間效果，最終選擇螺旋上升的塔樓形象（圖7）。

圖6 招商大廈初始方案

圖7 招商大廈最終設計方案

5.2.3 M0 建筑組群設計

現狀化工企業位于地塊北部，其產業落后、產值低，缺少經濟活力；建筑立面風化嚴重，廠房破敗，環境單調，不符合園區的整體風貌。設計綜合考慮保稅區門戶形象的塑造、與周邊景觀環境的融合、交通組織的梳理，以及建筑功能的需求等多方面因素，突出重要節點的形象，以提升片區的整體風貌。借助虛擬現實技術，最終提供了兩種不同的更新方案：（1）第一個方案建筑組合錯落有致，與西側高壓走廊形成的景觀綠帶相互貫通，功能上融合研發、創意、設計、中試和無污染生產。地塊內實行無車化交通，規劃建設地下停車場，進行地下空間開發（圖8）；（2）第二個方案更多考慮了廠區內企業員工的住宿問題，保留了場地南側的兩個廠房。北側建筑由5 座塔樓及其裙房構成，外形主要采用水平線條，簡約現代。功能布置為對外貿易及研發辦公，與西側職工公寓共同營造安全舒適的環境（圖9）。

圖8 M0 建筑組群第一種方案VR 視角

圖9 M0 建筑組群第二種方案VR 視角

5.3 立面風格引導

5.3.1 某廢棄廠房改造

該建筑質量較差，需拆除重建工業廠房。通過VR 漫游協調與周邊建筑之間的立面造型。采用金屬穿孔板包裹建筑，并在表皮上噴涂企業LOGO。使用穿孔板作為建材，具有時尚簡約的氣質，符合工業建筑的特質（圖10）。

圖10 某廢棄廠房改造前后對比

5.3.2 某現狀廠房改造

該建筑目前使用淺紅色大理石貼面。立面改造策略為清洗、刷新大理石，定制造型鋁材百葉覆蓋在建筑表面，使建筑整體色調與周圍相協調。同時更換建筑內窗和窗框，將網格狀窗改為橫向條窗，在立面上形成趣味的錯落關系，打破原來框架網格立面的單調感，并給予室內充分的采光。百葉式鋁材安裝方便，不會破壞原有的建筑結構，銀白的金屬色與廠區內其他建筑的色彩統一和諧（圖11）。

圖11 某現狀廠房改造前后對比

6 結語

文章利用VR 技術進行綜合保稅區城市更新，既從城市規劃層面統籌不同類型綜合保稅區工業建筑的區域性更新，又從建筑設計層面滿足不同使用人群的實際需求與審美體驗。但VR 技術應用存在一些推廣難題，如大范圍、高精度的建筑模型需要較高配置的軟硬件支持。人在環境中的運動、行為無法以具象、定量的方式呈現，虛擬體驗與真實體驗存在一定偏差。相信隨著技術的更新，虛擬現實技術將在建筑行業得到更廣泛的運用，提高設計師與甲方的溝通效率，讓設計回歸創意本身。