虛擬現實技術在建筑設計中的應用

吳俁錕

中鐵建設集團有限公司建筑設計院 北京 100000

引言

建筑與人們的工作和生活都有密切關聯，建筑工程建設主要有籌劃立項、設計、施工及驗收等重要環節，而建筑設計是關鍵性的前期準備工作，合理可行的建筑設計方案是后期施工及驗收的重要參考與指導，因此，必須保證建筑設計質量的可靠性，但是由于建筑設計涉及工程材料、機械設備等諸多方面，因此很難保證建筑設計方案不存在一絲疏漏，要想有效轉變這種狀況，相關人員很有必要深入探討建筑設計對虛擬現實技術的實際應用，以便助推建筑設計作業的高效開展。

1 虛擬現實技術的應用在建筑設計中的意義

在開展建筑設計的過程中，參與設計的設計人員首先會收集與建筑設計相關的工程信息，并通過工程信息來開展建筑結構板塊構建從而實現建筑結構的設計流程基礎，然后完成工程圖紙的繪制流程，最后獲得工程相關的統計計算信息和數據。在一系列設計過程中，設計人員受到傳統設計流程的弊端限制，無法有效地將建筑工程結構的各種屬性進行全面的展示，的建筑工程在應用設計內容是，不能夠有效獲得建筑物的全方位信息，直接導致了設計過程中所存在的缺陷不能夠被直觀發現，開始進入施工流程后才可能暴露相關問題，這對于建筑工程施工的順利展開產生了抑制作用。因為使用設計內容的人員無法全面獲得建筑信息，由此可能產生嚴重的建筑問題而導致的各類糾紛。為了解決這種弊端帶來的設計施工影響，保證設計內容以及思路和建筑相關的各類信息能夠得到全面的展示，設計人員可以通過虛擬現實技術來完成建筑模型的三維設計，通過虛擬的空間造型，將各類信息全方位的展示在三維建筑模型中，為后續的建筑施工流程提供更加豐富的信息。

1.1 幫助修改建筑設計中存在的問題

建筑物的設計過程本身涉及多種復雜的工作流程，這時的設計人在開展建筑設計的過程中常常出現錯誤，對于建筑物的結構或者空間關系的表達存在模糊地帶，有時還可能出現技術參數標注不清晰，使得建筑建造過程可能會存在結構問題，甚至在某些建筑構件安裝過程中出現錯誤。為了扭轉這種現象對建筑物施工所產生的影響，建筑物設計人員可以通過虛擬現實技術來有效降低建筑物設計過程中的復雜流程，通過建立三維虛擬場景來將設計內容進行有效的展現，這更加容易將建筑設計過程中可能存在的問題或錯誤以較為直觀的方式可以發現，保證設計內容更加科學合理。

1.2 幫助理解建筑設計中的各種思路和信息

當建筑物工程項目進入施工階段，施工人員的施工指引來自設計人員所給出的繪圖樣本，但不少施工人員對于傳統的二維或三維繪圖樣板認識不足，無法通過這些繪圖樣板獲得建筑施工過程中的各類標準規范或技術參數，這直接導致了施工過程中可能產生嚴重的誤差，甚至引發嚴重的質量或安全事故[1]。通過虛擬現實技術設計師能夠將設計過程中的各類考量以及細節進行清晰的展示。施工人員可以通過虛擬現實技術清晰的了解施工流程及其對應的各種技術參數以及施工材料，建筑物的結構比例和尺寸等等。這有效的建立了施工人員和設計人員之間的溝通橋梁。虛擬現實技術本身具備明確的沉浸式特征，這不僅對于設計人員在開展建筑工程設計時提供了更加適合設計的環境，同時能夠將建筑工程項目的各類信息和數據反映在三維建模中。所有與建筑項目相關的各類人員都能夠通過三維建模對設計過程中的思路以及建筑物自身的各類數據信息進行清晰的掌握。只有有效降低建筑物在施工過程中可能出現的各類問題，才能保證建筑工程施工能夠順利開展，最終實現建筑物的質量提升。

1.3 使得建筑設計保持多樣化

設計人在開展一項建筑工程設計的過程中，常常面臨多種設計難題，傳統的設計過程是要求設計人員最終通過建筑模型以及建筑圖紙來將設計過程中的想法和思路進行有效的表達，這能夠有效地將建筑設計中所存在的缺陷和問題可以發現。通過利用虛擬現實技術中的沉浸式特征以及交互性特點，設計人員更加容易將建筑思維和建筑理念與設計內容進行有效的聯系。使得所有參與建筑工程項目的各方人員都能夠在使用虛擬現實技術的過程中獲得更好的沉浸感，隨著虛擬現實技術的擴展性增強，通過先進的傳感技術，人們能夠與虛擬環境中的各種元素進行有效的交互。這也改變了傳統建筑工程設計中的多種弊端，使得建筑物在設計人員或建筑參與者的眼中更加具體和形象。設計人員能夠通過虛擬現實技術與其他建筑工程項目相關人員進行遠程溝通和交流，這使得身處不同地域的人們能夠通過該技術打破時空限制開展積極有效的交流，對于建筑工程項目的完善以及優化有著非常重要的作用。

2 建筑設計中的虛擬現實應用方法

虛擬現實技術的核心內容為建立有效的三維信息模型，并將三維信息模型放置于仿真空間，這使得建筑設計人員能夠更加直觀地將建筑物的空間關系結構內容進行改動和完善。同時幫助其他建筑工程項目參與人員提供了遠程溝通交流的平臺。

2.1 虛擬現實技術周邊

要實現完善的虛擬現實技術，同樣需要軟件和硬件的支持，其中所包含的網絡互動以及全景技術為當前虛擬現實技術中的重要技術組成，使用虛擬現實技術的設計人員可以通過硬件設備諸如具備聲音和顯示系統的頭盔設備或其他顯示設備來開展設計過程，通過這些綜合性的硬件設備設計人員能夠通過虛擬現實技術進入還原度很高的虛擬仿真環境中，這些虛擬環境中的各種結構通常具備還原度極高的真實性。現在的虛擬現實技術還能夠通過編程的方法來對三維虛擬結構以及虛擬環境進行改造[2]。設計人員可以通過將與建筑工程信息相關的各級參數輸入與虛擬現實設備相關的計算機硬件系統中，其中所包含的三維建模軟件也能夠依據這些數據和信息來完成三維建筑模型的生成過程，同時可以將該建筑所對應的各類信息和數據組成相應的數據庫。完成這個前提條件之后技術人員便能夠通過驅動軟件來對之前完成建設的三維建筑模型給予相應的操作，設計人員可以通過這些操作來對接信息技術，同時可以將設計方案在這種環境下進行完善和微調。同時還能夠通過軟件對建筑模型添加光照，聲音，以及周邊環境等多種不同的虛擬現實元素。使得建筑物本身能夠處于更加真實的虛擬空間。

2.2 如何構建建筑模型

相比較傳統的二維三維繪圖樣紙所形成的建筑模型構成基礎需要耗費大量的時間以及資金投入，通過虛擬現實技術所建立的建筑模型不僅建立過程較為簡潔，更容易通過存儲設備來進行保存，這使得虛擬現實技術建立的建筑模型具備較好的經濟性，同時能夠使得建筑人員更加清晰的了解三維建筑模型中所標示的各類信息和數據，更加容易通過這種方式來對建筑設計細節進行修改和更新。

2.3 如何創造和完善仿真空間

通過虛擬現實技術完成制作的三維建筑模型，能夠通過各類硬件設備使得設計人員沉浸于仿真度較高的虛擬環境中。計算機系統可以通過人為操作來對客觀存在的現實世界開展模擬，通過這種模擬的過程使得設計人員能夠通過虛擬現實技術沉浸于與現實世界幾乎相同的環境中，這不僅提升了設計流程的便捷性同時有效地降低了建筑操作過程中可能出現的安全風險[3]。同時這種三維虛擬模型能夠降低人們對于復雜建筑環境，以及通過肉眼無法觀察到的建筑結構組成，這使得設計人員在開展建筑工程設計時大大降低了設計難度。虛擬現實技術其本身具備良好的沉浸性，也有效地降低了三維建筑模型的生產制造難度，通過將現實世界中的建筑尺寸以及建筑比例來完成建筑結構以及外形，美觀度等多種元素的建筑特征。同時虛擬現實技術能夠將建筑物的局部，如門窗陽臺樓梯進行細節放大和精確展示，同時還能夠將建筑物各個不同結構所使用的材料以及尺寸有效的展示在三維建筑模型中。通過虛擬現實技術可以將建筑物內部所包含的照明排水以及暖通系統進行詳細的展示，同時能夠通過這種展示過程來對建筑物內部的附屬設施進行布局設計。通過這種方式設計人員利用更加簡單的方式將建筑物內部復雜的系統組成進行了清晰的設置和展示，例如對建筑內部管線的布局設計有效地降低了傳統設計過程中可能出現的管線布局沖突。同時能夠利用虛擬現實技術將這些內部結構和內部設備管線進行精度較高的展示過程，通過縮放的方法能夠將建筑物內部的結構清晰的展示給建筑施工等不同的參與方，使得利用虛擬現實技術的工作人員能夠更加直觀和細致的了解建筑工程項目的各個細節。

2.4 自動修改建筑設計的能力

在建筑工程設計過程中會涉及多個不同的領域，包含道路橋梁房屋建設等相關工程的各類過程以及技術，在針對這些工程開展設計的過程中設計人員應當保證嚴謹的態度避免出現因為較小的錯誤而導致嚴重的設計缺陷，這些設計缺陷會在施工的過程中逐漸顯現出來，最終會產生嚴重的影響不僅會導致成本上升，同時為了解決這些在設計過程中所存在的缺陷，就需要在后續的方案修改過程中增加大量的工作[4]。通過虛擬現實技術來對這些建筑施工過程所涉及的各類模型進行設計，首先需要參與設計的工作人員具備虛擬現實技術的專業背景，并且能夠通過與建筑工程項目相關的數據庫來不斷地調整建筑工程設計模型，同時需要設計人員了解不同建筑設計類型所包含的參數數值，這能夠保證虛擬模型能夠正確反映出建筑模型的實用性，能夠讓虛擬現實技術更好地服務于建筑工程項目的后續施工。

3 虛擬現實拓展應用

首先設計人員應當利用3DMAX以及AutoCAD相關軟件來開展建筑工程模型的建模過程，該建模過程能夠將建筑工程項目設計中的所有細節進行有效的展示。建模過程通常需要耗費大量的時間，開展工作之前設計人員要對原設計方案進行科學的拆解，然后將拆解的設計內容重新組成建筑模型，其中核心的建模過程要點是要保證完成的模型面數與原設計中的技術參數保持一致。

完成建模之后，設計人員還應當做好未發現的拆解過程，通常會將模型拆解為兩層UV，這兩層UV通常由紋理和光照信息組成[5]。紋理通常由設計師選擇材質紋理貼圖，并將這些材質紋理貼圖與模型表面進行有效的聯系，同時保證紋理貼圖的尺寸與走向和建模保持一致、光照信息則需要通過3DMAX軟件來進行拆分，這是因為采用虛擬現實技術中所包含的引擎來進行拆分時錯誤數量較多，無法實現較為合理的光照效果。

完成優化線以及模型的建模之后便可以把具備光照信息和紋理貼圖的模型與虛擬現實技術的引擎進行早日工作，此時便可以通過在建筑結構和建筑物周邊設置相應的場景以及場景所包含的材質來完成虛擬場景的建立過程[6]。同樣為了提高環境的真實度可以通過3DMAX來進行模型制作，完成場景優化工作。

最后一步則是在模型中增加交互信息內容，其實需要用到Bp程序來編寫交互內容，通過完善視線角分析在不斷調整虛擬現實空間中模擬數值的大小，完成調整后模型備案具備了更加真實的光照模擬，同時可以增加和完善IES信息至建模場景中。

4 結束語

從總體上說，虛擬現實技術屬于一種先進技術，將該項技術合理融入建筑設計中，設計人員能夠借助該項技術的應用優勢，更好的改進與完善建筑設計方案，從而保證建筑設計方案的科學合理性，為了實現對虛擬現實技術的充分利用，借此發揮虛擬現實技術的最大應用價值，我們應深入開展該項技術在建筑設計中的應用研究。