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【摘要】虛擬現實技術在建筑設計領域中的應用基本上發展到了即將革新換代的階段。文章探討虛擬現實技術在建筑設計中的拓展方向,以及在建筑設計各個專業領域的應用成了當務之急。其中以燈光,視線分析,聲學等方向為代表,如何實現在建筑設計中更加高效快捷的設計輔助,實現更加直觀的設計參數表達。
【關鍵詞】建筑設計；UE4；虛擬現實；拓展應用；燈光；視線分析
1引言
虛擬現實技術發展到現在已經是家喻戶曉了,雖然目前應用最多普及最廣的還是游戲方面,但是在其他各行各業諸如教育培訓,醫療急救,建筑地產,文物古跡,虛擬旅游等等各個方面也都有其身影。單獨在建筑設計領域上的應用來看,他的應用面還是比較單一,大多只是集中在建筑漫游,游覽觀看等方面上,頂多加上一些功能介紹互動交互等,但是真正能夠提供給建筑設計師實際使用幫助的功能還是少之又少,我們希望能夠在建筑照明模擬,在建筑聲效仿真,建筑視線分析等方面都能夠為建筑設計師提供實實在在的幫助與支持。
2虛擬現實的概述
虛擬現實（VirtualReality）簡稱VR,又稱靈境技術,它指通過計算機生成一種模擬環境,可以把現實中已有的場景環境,以及現實中沒有的空間環境通過計算機建模的形式在電腦里面模擬出一個虛擬的空間出來,再通過添加各種材質光照技術實現真實的紋理和質感。最終通過到頭戴顯示設備和利用空間定位技術將虛擬出來的空間呈現在頭戴顯示設備里,讓人仿佛沉浸在虛擬環境之中。VR的發展具體可以追溯到二十世紀60年代,當時只有單一的聲行動態,其中硬件設備也是極其的笨重。一直發展到現在已經有大量便于攜帶的硬件設備,體積不僅明顯縮小,便攜性也大大增加,目前比較有代表性的諸如:HTCVive,GearVR,PlayStationVR,Hlolens等等。這些硬件基本上代表了當今VR硬件的發展水平,或許在不久的將來會有更加強大便捷的硬件設備,那樣對于虛擬現實行業的發展來說更是如魚得水。雖然目前硬件設備已經如此強大,但是離開內容的硬件設計只是一堆設備。其中VR的發展必然離不開內容,如果只是硬件發展起來了,沒有內容同樣是不行的,現如今各行各業都在VR行業嶄露頭角,教育,醫療,旅游,設計,等等數不勝數,因此VR在建筑行業上的發展同樣是缺其不可的。
3建筑設計的VR拓展
3.1虛擬現實在建筑設計中的運用
自從虛擬現實（VR）在2016年短暫的爆發式增長以來到現如今在建筑設計領域逐漸穩步的發展,漸漸成為建筑設計行業里一個新興的標桿,目前其主要應用在建筑設計的可視化模擬上,把設計師設計好的建筑通過建模并附加材質和燈光,來實現在VR眼鏡里呈現,這種模式基本上推翻了以前做設計必出效果圖出三維動畫的模式,讓設計師把設計想法在虛擬空間中呈現出來,以提供給設計師和客戶進行設計方案的探討和研究。目前建筑VR行業效果制作基本上都是基于UnrealEngine4(簡稱UE4)虛幻引擎和Unity,還有一些基于UE4引擎開發出來的后期軟件如Twinmotion、Mars等,其在制作模式基本上與UE4一樣,先是制作模型拆分UV,然后導入引擎制作材質,制作燈光效果。建筑設計的VR可視化只是目前虛擬現實技術在建筑行業的最基本應用,雖然它可以通過PBR材質系統（PhysicallyBasedRendering）來非常逼真的還原建筑設計中的各種材質,各種建筑材料的質感。但是在建筑設計中僅僅只有視覺表達遠遠不夠,在建筑設計里面涉及到的面很廣,包含燈光光照系統,聲音聲學系統,屋面排水匯水系統,室內外水電系統,暖通系統,以及各種結構等等,如果涉及到一些功能性的建筑,會要求的更多,比如電影院,戲曲劇院這一類型它們需要考慮觀看觀眾視線角度,保證不同座位的觀眾都能夠有比較好的觀看體驗；例如音樂廳,歌劇院等這一類需要考慮各類演出的聲學反饋,墻面反聲板,吸音板等。
3.2虛擬現實技術在音樂廳中的視線分析和燈光模擬的運用案例
這里通過上海寶山音樂廳案例來闡述,虛擬現實技術在音樂廳設計中的拓展應用。“上海寶山音樂廳”是上海上港集團寶山碼頭產業專型的一個項目（見圖1）,建筑面積為12000?,設計使用年限50a,由于位于長江口對于周邊風荷載,抗震設防烈度均有較高要求。做為上海市寶山區政府重點規劃項目,在此次項目招標以及后續設計中,我們首次引入并采用了虛擬現實技術來對詳細設計進行一定的闡述和表達。這里重點講訴該項目在虛擬現實運用上的拓展,該項目在設計中充分同音效設計師,燈光設計師,以及視線設計師配合,在制作完成總方案設計師的場景方案后,針對舞臺座位的視線優劣分析,這里通過引入UE4的藍圖BP的動態運算,精確計算出場景里的每個坐席的視線情況,并且根據不同演出模式進行任意切換,來計算每個觀眾觀看舞臺區域內視線的角度值,然后直接通過座位上人物模型的顏色變化來表現在虛擬場景里面。設計師通過佩戴VR眼鏡,直接沉浸式的觀看到音樂廳里面每個座位的視線情況,針對視線不好的座位進行結構方面的調整優化,最終保證90%區域以上的觀眾在觀看舞臺演出的時候視線角度達到至少80分以上。另外寶山音樂廳這個項目中也是首次與燈光設計師合作成功將實時的光照方案引入虛擬音樂廳方案里面,使得燈光設計師的燈光方案真實原本的在虛擬場景中體現。具體的通過燈光設計師提供的詳細燈光位置信息,以及每個燈光的IES文件（IlluminatingEngineeringSocietyofNorthAmerica燈具光源配光曲線的電子格式）把設計出來的燈光信息完美還愿到虛擬場景中,使得方案設計師,燈光設計師和業主在建筑還未建成之前就可以觀察到虛擬音樂廳中真實可以預見的光照效果（見圖2）。從而提早完善設計達到業主預期,盡早糾正發現設計上的錯誤,完善音樂廳的燈光方案。
4建筑設計的虛擬現實拓展制作方法
1）首先在3DMAX里根據設計圖紙CAD進行精確的原尺寸建模,充分建模并還原設計中的每一個細節,每一個節點。這一階段往往在工作量上是比較大的,需要先分析圖紙了解設計師的方案,把模型按照設計師所繪制的圖紙完整的建模出來,具體的模型制作細節,就不一一做講,原則是保證模型每個面數的充分利用,不出現多余的不必要的面,保證模型的規整,法線正確,結構尺寸無誤。2）根據創建好的模型拆分模型的UV法線,這里要講的是需要拆分兩層UV,一層基本紋理UV,一層光照信息UV?；炯y理UV對應的是材質紋理貼圖,可以預先把需要制作的紋理貼圖貼在模型上面以保證紋理的尺寸和方向沒有問題。第二層光照信息UV之所以要在3DMAX里面拆分是因為,后續虛幻引擎自動拆分的UV會很亂,無法達到完美的光影效果,因此必須手動拆分UV把UV面上銜接比較明顯的部分連接起來,以保證生成光照的完整性。3）在模型和UV都制作完整無誤后就可以把模型導入到引擎里面,這個時候開始制作材質,進行一系列的場景布置,包括物理碰撞等。材質制作過程中一些詳細節點,需要的模型比較細,這里我們就需要回到3DMAX里面把高面數的模型制作出來,然后通過烘培的方式把模型的信息細節烘培出來做成材質賦予在低面數模型上面,以達到場景優化的目的。4）前面工作都完成后,開始制作拓展交互信息,這里需要通過UE4附帶的BP進行功能交互編寫,前面所說的視線角度分析,就是在這里通過BP程序模型互動計算來完成的。包括燈光真實模擬IES信息的添加也同樣在這一步驟里面完成。
5結語
虛擬現實在建筑設計行業的發展是必然趨勢,其必將取代傳統的效果圖,三維動畫這種基本而老舊的建筑設計訴求。而基于虛擬現實的建筑設計拓展,則是虛擬現實在建筑設計中將來發展的深化研究,其可以和建筑設計本身深度融合,它是建筑設計將來在表現形式方面以及方案設計方面高級進階的一種表現,是時展的必然趨勢。后續會有其他一些例如聲效可視化模擬,匯水,水電等可視化的虛擬現實模擬的案例。
作者:汪成 單位:同濟大學建筑設計研究院