虚拟现实技术与建筑设计

王艺霏

沈阳建筑大学建筑与规划学院 辽宁 沈阳市 110168

摘要：数字技术作为21世纪的主导技术，已经渗透到各个领域，促进了许多学科的发展。虚拟现实——一种模拟真实环境和物体的手段，近几十年以来，与数字信息技术研究相结合，用途也越来越广泛。随着数字手段和虛拟现实技术的引入，建筑师可以直接从三维空间进行设计，避免许多错误和重复的工作，创造出独特而诗意的造型。借助虚拟现实系统，可以更加直观、准确的感受和分析设计方案的内部空间和周边环境。

本文总结了目前虚拟现实技术的发展情况以及代表成果。

关键词：数字建筑、虚拟现实、设计方法创新

1. 发展趋势

1.1虚拟现实技术的定义

虚拟现实技术(简称VR)，又称灵境技术，包括计算机技术、电子信息技术和仿真技术。它的实现方式是通过计算机模拟虚拟环境，使人沉浸于环境中。

通常从技术层面上讲，虚拟现实又称虚拟环境或虚拟现实环境，是一种迅速发展起来的综合性计算机与图形交互技术。它包含了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络并行处理和利用计算机生成的三维空间图像实现的目标合成技术，以图表和动画的形式呈现，使观众看得更清楚。它改变了传统的计算机辅助设计的被动、静态的信息传递方式。其特点包括:(1)互动性;(2)想象性;(3)沉浸性。从建筑视觉仿真的可行性来说，虚拟现实的应用领域可以包括:建筑模拟、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、历史建筑模拟等。建筑设计不仅要有空间的形象思维，更要以用户感受为设计中心。这一系列包括规划、设计、施工、维护等，都是创新的过程。巨大的成本和不可逆的执行程序就需要尽可能少的出现差错。目前，虚拟现实技术在建筑设计中得到了广泛应用。

1.2虚拟现实技术简史

虚拟现实是模拟真实环境和事物的方法的雏形，可以说自古就有。现代虚拟现实技术的起源可以追溯到1916年Albert B. Pratt发明的头部潜望镜显示器。1929年，出现了一种训练飞行员的模拟教练机，具有现代虚拟现实技术的基本特征，但此时的虚拟现实技术与数字技术毫无关系。自20世纪60年代以来，虚拟现实技术开始利用计算机科学技术的最新成果。1963年，麻省理工学院的Ivan Sutherland首次提出了数字图像技术。作为当时虚拟现实系统的主要形式，第一个头盔显示器(HMD)是由Philco工程师Comeau和Bryan在1961年制造的。1966年，麻省理工学院林肯实验室也开始了头盔显示器的研究，并于1970年成功研制出包括力反馈装置等新技术在内的全功能头盔显示器。1984年，NASA Ames建立了第一个三维头盔显示器。在此之前，“虚拟现实”一词是由加隆·兰尼尔首次正式提出的。1992年，伊利诺依大学芝加哥分校首次展示了革命性的大规模虚拟现实系统CAVE，允许10人同时参与。CAVE系统的出现具有重要意义。它能让人第一次置身于虚拟环境中。此后，CAVE平台不断发展。进入21世纪后，随着计算机技术的普及，大型专业设备平台上不再存在虚拟现实系统，出现了许多虚拟现实制作软件。到目前为止，虚拟现实已经为大多数人所熟悉。

2. 专家学者及代表成果

虚拟现实在数字化之前就已经和建筑联系在一起了。早在达芬奇时代，人们就愿意在建筑物的四幅壁画上创造虚拟空间，如柱廊或庭院，以使建筑物内的人感到他们在一个更大的房子里。后来，这样的壁画几乎达到了以假乱真的水平，人们完全沉浸在这种虚构的空间环境中，事实上，这已经符合了虚拟现实的定义。20世纪30年代，有人尝试过这样的虚拟现实系统：四台电影放映机将建筑内部的不同图像投射到房间的四面墙上，让房间里的人们体验不断变化的建筑空间。20世纪80年代以后，随着计算机技术的不断发展，服务于建筑的虚拟现实系统也越来越丰富。在80年代和90年代，CAVE系统被用来模拟建筑内部或建筑群之间的空间。

进入21世纪后，虚拟现实技术主要用于建筑综合体的研究或修复。洛杉矶和费城的三维模拟系统被认为是世界上最成功的虚拟建筑模拟系统之一。Eindoven大学荷兰校区研究所使用VR进行设计和咨询。他们开发的软件包包括一组类似CAD的功能，称为CAAD软件，它提供了一个用于创建、修改和可视化建筑结构的工具包。它支持AutoCADDXF文件的输入和输出，并可用于在虚拟环境中添加对象的动画和动态行为。该系统被用于模拟一座小城市，计划在河里的一个小岛上设计一座博物馆。这座城市由数百座建筑组成，它们坐落在一个可以俯瞰岛屿的河流斜坡上。首先，将城市地图数字化并创建基本的Auto CAD模型。其次，考虑到山坡的轮廓，每栋建筑都被安排在真实的三维位置。第三，增加了如门框和窗框等建筑细节设计，以规范地表现城市的美学特征。这个应用案例让人们领略了这个领域以及他们所取得的成就。尽管中国（包括台湾）在虚拟现实方面起步缓慢，但已经取得了重大进展。

值得一提的是2003年完成的故宫VR《紫禁城·天子的宫殿》项目。sGI Reality Center位于故宫博物院，是一个可容纳54名工作人员的沉浸式剧场，高分辨率图像投射在50英尺宽、14英尺高的弧形屏幕上，三台Barco GalaxyWARP立体DLP投影仪由三管Onyx 3800 Infiniterality 4系统和千兆位专用纹理库驱动，将高分辨率图像逼真地投影到屏幕上。游客将可以在虚拟的康乾盛世的紫禁城中自由参观，近距离观看太和殿全景。

2004年在台湾桃园龟山建成的“广达虚拟艺术博物馆”起伏的顶部曲线，也是取自广达计算机集团总裁林百里收藏的著名作品《幽谷图》，将一线的山谷经过层层变换，变成数字建筑的曲线流体。不需巨大但有限的实体空间,这种虚拟艺术博物馆可以将人扫描进虚拟空间，就像科幻小说的场景,通过3D网络空间,虚拟实境空间仿真器、头戴式屏幕、3D身体扫描仪、蓝幕技术、触碰式科技和虚拟真实技术等,听闻虚拟世界的种种。虚拟现实系统不仅可以模拟建筑本身，还可以逼真地再现和预测建筑环境。这种技术被广泛应用于追求结构最高合理性和可持续性的设计作品中。如代表高科技风格的英国建筑师诺曼·福斯特的英国伦敦瑞士再保险公司总部大楼。面对狭窄的基地，设计师追求的不是像盖里那样设计夸张的形式，而是寻找“适合基地的最有效的结构”。为此，福斯特办公室组织了一个专门的设计顾问小组，包括建筑师、结构工程师、建筑物理工程师、数学家、计算机程序员等专家。他们借助特定的计算机程序，通过严格的数学公式生成各种几何形式，并对其进行合理的评价和筛选:在确定了一种几何形体后，他们通过计算机反复微调形体的各种几何参数，并不断测试形体的建筑物理性能。经过数月的探索，设计团队最终得到了一种具有优异物理性能和美学性能的新颖形式。

其良好的建筑形态物理性能包括:塔楼表面的空气动力学曲面能使来自各个方向的风沿建筑表面吹过,这不仅减少了风力对建筑结构施加的荷载,也大大节省了结构和幕墙的成本,它还可以避免方形塔经常发生的情况——建筑的平直表面阻挡了自然风而折返到地面层，形成街道风道现象;风洞试验表明,建筑物的建设将改善建筑周围的城市环境的通风:此外,当风沿着建筑表面曲面滑过时,将形成风压,以提高塔楼室内的自然通风性能;在塔楼表面切割出六个螺旋形的共享空间，不仅有效地增强了员工的空间和视觉接触，也为整个建筑创造了良好的生态系统。

参考文献

[1]陈凯.建筑设计中的数字手段与虚拟现实技术[J].地产. 2019,(20):59-60.

[2]王佩.基于BIM和虚拟现实技术的建筑工程设计优化[J].微型电脑应用.2019,35(05):89-91.