VR技术在建筑行业实践中的应用_张俊峰.pdf

河南科技Henan Science and Technology计算机科学与人工智能总798期第4期2023年2月VR技术在建筑行业实践中的应用张俊峰丁聪田伟丽（华北水利水电大学建筑学院，河南郑州450046）摘要：【目的】通过分析传统建筑设计者基于二维图纸、现场体验、实际量测等方式来体验建筑环境所存在的不足，提出要注重对设计者空间尺度认知能力的培养，为设计者有效理解和优化个人设计方案提供便利。【方法】本研究将虚拟仿真技术引入到建筑行业中，并基于Unity3D引擎和HTC VIVE虚拟硬件设备设计开发出VR建筑系统。【结果】设计者可通过VR建模、内容开发和打包发布等完成沉浸式和交互式建筑设计，并搭建 VR 建筑设计管理平台，实现用户、社会面的过程控制评价。【结论】试验结果表明，在建筑设计中采用VR进行辅助，在用户和社会面的满意度、设计方案交付效率和设计方案规范性等方面具有显著的优势。关键词：VR；建筑行业；Unity3D；HTC VIVE；VR建筑系统中图分类号：G64文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）04-0025-06DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.04.005Application of VR Technology in Construction Industry PracticeZHANG JunfengDING CongTIAN Weili(North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450046,China)Abstract:Purposes By analyzing the traditional architectural designers based on two-dimensionaldrawings,on-site experience,actual measurement of completed or under construction projects,etc.,toanalyze the drawbacks of the architectural environment experience,pay attention to the cultivation of thedesigners spatial scale cognitive ability,and provide convenience for designers to effectively understandand optimize personal design schemes.Methods This study introduces virtual simulation technologyinto the construction industry,and develops a VR building system based on Unity3 D engine and HTCVIVE virtual hardware equipment.Findings Designers can complete immersive and interactive architectural design through VR modeling,content development and packaging release,and build a VR architectural design management platform to achieve process control evaluation of users and social aspects.Conclusions The experimental results show that the use of VR in architectural design has significantadvantages in user and social satisfaction,design delivery efficiency and design standardization.Keywords:VR;construction industry;Unity3D;HTC VIVE;VR building system0引言虚拟仿真（Virtual Reality，VR）1技术是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统，具有沉浸性、交互性、构想性等特点。用户可借助必要的设备，与数字化环境中的对象进行交互，二者相互影响，收稿日期：2022-12-13基金项目：河南省高等教育教学改革研究与实践项目（2021SJGLX163）；河南省本科高校智慧教学专项研究项目“基于新形态教材创新的智慧化教学模式重塑研究与实践”；河南省高等学校重点科研项目（19A560002）。作者简介：张俊峰（1982），男，博士，副教授，研究方向：规划信息化、地理信息系统等；丁聪（1997），男，硕士生，研究方向：风景园林规划；田伟丽（1982），女，硕士，讲师，研究方向：国土空间规划。26第4期可使用户产生亲临对应真实环境的感受和体验2-3。随着信息技术的快速发展，VR技术已不再局限于计算机图像，其在建筑、医疗、教学和艺术等领域也得到广泛的应用和发展。尤其是在建筑空间体验和评价中，VR技术展现出较大的潜力，其逼真性和实时交互性可为建筑设计中的空间尺度认知能力培养提供强有力的支撑4。建筑设计是在建造建筑物前制定方案，并以图纸或文件的形式进行展现的5。建筑设计者按照建设任务来预定设计，对建筑材料、工程资金估算和工程施工等进行精细化计算，能有效提高建筑的施工效率，避免施工过程出现缺陷。一般建筑设计应做到基本单元、连接构造、构建、配件及设备管线的标准化和系列化，尽量采用少规格、多组合的方式来构造多样化的建筑形式，并使其消防、节能、降噪和抗震等满足相关规范要求，使建筑物在建设完成后能充分满足用户（社会面）的使用需求6。传统的建筑设计者以二维图纸、视频资料、现场体验和实际量测为主要建筑环境体验方式。在二维图纸和视频资料中只能截取固定的视角或片段，难以展现全面、直观的建筑环境。现场体验和实际量测易受经济成本、时间周期、城市建设政策等的限制7。基于VR技术的沉浸性、交互性和构想性，将其应用于建筑行业，有助于打破时空的限制，提高建筑设计者的设计效率和质量，增强初学建筑设计者的兴趣和体验，对推动建筑行业的发展具有重要意义。1基于VR技术的建筑系统架构1.1VR技术原理VR技术是由一些基本的软件和硬件设施构成的计算机数据系统，通过视觉、听觉和触觉的相互交织，使用户进入与真实环境感官相近的沉浸式系统8。VR技术的视觉、听觉和触觉的作用原理如下。视觉感知是通过人体双眼中两张不同视角的物体成像的差异，经视网膜处理形成一个较为立体的图形，并根据图形的深度感知来产生三维立体效果。听觉感知能增大视觉感知的效果，甚至比视觉感知更加有效，人的耳朵可通过声音来定位声源。触觉感知能通过虚拟物体反馈的作用力或阻力，使用户感受到物体的大小和方向。1.2VR建筑系统架构为了提高建筑设计者对空间尺度的认知能力，以更加真实的视角来体验空间感知及沉浸式建筑的创作设计。本研究利用VR技术提供的交互式多源信息融合的三维动态视图和建筑环境进行仿真，辅助建筑设计者在VR空间中对体验基地环境、室内外空间、光影关系、尺度感、建筑材料与色彩等建筑设计的基本要素进行分析，从而能更高地效完成建筑设计的推敲和修改。基于VR技术的建筑系统架构如图 1 所示。通过计算机来控制 VR 建筑环境，从而给予建筑设计者以多样的感官反馈刺激，是一种较为高级的人机交互技术。建筑设计者可通过该系统进行最大程度地开展辅助建筑设计。2VR建筑系统开发设计2.1VR建筑系统VR建筑系统是以设计者为主导，依托软件桌面端VR验证与虚拟现实硬件设备完成对沉浸式空间的仿真设计，帮助设计者在理清基地环境的基础上重复“发现设计方案技术与空间问题、修改完善设计方案、检验设计方案”的设计过程，来提升设计效率，提高设计成果达成度。为了提高用户（社会面）对VR建筑设计过程的控制评价，本研究以用户（社会面）需求为导向，搭建VR建筑设计管理平台，全过程记录建筑设计者各阶段的试验成果，有助于用户（社会面）监管建筑设计者的设计推敲过程，从而实现建筑设计过程的多元共享和在线互动交流。建筑设计者与用户（社会面）的交互过程如图 2所示。2.2VR建筑系统开发流程VR建筑系统是基于Unity3D9平台开发的，采图1基于VR技术的建筑系统架构建筑设计者感知反馈传感器控制VR建筑环境3D模型真实建筑环境建模模块张俊峰，等.VR技术在建筑行业实践中的应用第4期27建筑设计者感知/反馈VR建筑系统设计/完善/检验建筑基地调研设计第1阶段 设计第2阶段设计成果需求/过程监管用户/社会面评价/反馈建筑设计管理平台图2建筑设计者与用户（社会面）交互图表1VR建筑系统开发环境系统运行环境处理器：i5-11400H内存：4 G硬盘：512 G操作系统：Win10软件功能交互程序开发数据库开发UI美工VR硬件系统开发开发工具Unity3DSQLite3DMax、PhotoshopSteamVR SDK开发语言C#、JavascriptSQL/C#用 HTC VIVE10虚 拟 现 实 硬 件 系 统，并 集 成SteamVR SDK。Unity3D 是由 Unity Technologies 公司研发的一款三维引擎，被广泛应用于三维视频游戏、建筑可视化和实时三维动画等平台的开发，设计者可采用.exe的执行文件形式为用户提供工程文件11。VR建筑系统的开发环境详见表1。VR建筑系统的开发流程包括VR软硬件环境搭建、模型和贴图制作、内容开发与优化、程序打包与发布，开发流程如图3所示。2.2.1VR软硬件环境搭建。VR建筑系统采用 HTC VIVE 虚拟现实设备，通过搭建 Unity3D 的开发引擎环境，在Unity3D工程项目中下载并导入SteamVR SDK。2.2.2VR模型和贴图制作。根据建筑需求的CAD图纸、视频资料来建立VR模型和纹理贴图，从而完成对VR建筑的材质选取、建筑位置和轨迹的设定、光影和音效的设置等渲染工作。2.2.3VR内容开发与优化。结合VR建筑的需求，基于Unity3D开发引擎和HTC VIVE虚拟现实设备对 VR 内容进行开发，并通过测试分析进行优化。2.2.4VR程序打包和发布。在完成上述流程后，可将VR建筑设计的成果打包成.exe文件，并进行发布。3VR建筑系统开发实现3.1VR任务场景构建为了提高设计任务场景的真实度，VR建筑系统通过无人机倾斜摄影测量来采集真实场景的三维模型，并在Unity3D后台中生成1 1的VR任务场景，如图4所示。VR建筑系统可根据建筑需求来筛选和完善空间信息，如将市政管网、地质条件、历史遗迹和周边即将动工建设的建筑可视化后融入虚拟任务场景中，构建可全方位多视角地展现基地特征属性、可体验空间关系和尺度、可观察区域环境和人群行为活动、可认知基地显性和隐形设计影响条件的虚拟任务场景，从而延展设计者在设计前对基地认知的深度和广度。3.2数据库开发VR建筑系统建设了涵盖我国各区域具有地域VR软硬件环境搭建HTCVIVE虚拟现实设备Unity3D开发引擎SteamVR SDKVR模型、贴图制作VR内容开发、优化VR程序打包发布图3VR建筑系统开发流程张俊峰，等.VR技术在建筑行业实践中的应用28第4期特征的仿真材料数据库，如图5所示。包括1 200多种的常用植物模型、195种不同年龄段与形态的人物模型、568种不同类型的城市家具和130种不同类型的室内家具等。为了能妥善管理数据库信息，本研究采用SQLite数据库12来搭建数据库框架，并对建筑元素的属性参数和实体信息进行管理，利用SQL语句来实现数据信息的检索、查询、数据处理、