摘要：建筑工程是一種繁雜的大型的動態系統，它所涉及的環節不僅多而且較為復雜。因為一般建筑的內部，都存在著很復雜的結構，下文從虛擬現實的基本概念和特點，著重論述了虛擬現實技術在建筑工程設計、施工、裝修領域中的應用和重要意義，展望了虛擬現實技術在建筑工程領域的美好發展前景。
關鍵詞：建筑工程、虛擬現實技術、建筑設計、施工工藝
1.前言
1.1虛擬現實技術
虛擬現實，英文名為 ，簡稱VR。VR技術是一種可以創建和體驗虛擬世界（ World）的計算機系統。這一名詞是由美國VPL公司創建人拉尼爾（Jaron ）在80年代初提出的，也稱靈境技術或人工環境。虛擬環境是由計算機生成的，通過一定的配套設備使得視、聽、觸覺等感覺作用于用戶，使其產生身臨其境的感覺的交互式視景仿真。” 虛擬環境系統包括了以下幾個學科技術：其中計算機圖形學、圖象處理與模式識別、智能接口技術、人工智能技術、多傳感器技術、語音處理與音像技術、網絡技術作為基礎，通過計算機系統對產生的數據進行處理和高性能計算，對不同功能、不同層次的具有相當規模的子系統所構成的大型綜合集成環境進行建模，是新型的綜合性極強的高新信息技術（圖1.1虛擬現實技術在建筑工程中的體現）。
圖 1.1 虛擬現實技術在建筑工程中的體現
1.2虛擬現實技術的特性
1.2.1沉浸性
虛擬現實手藝是按照人類的視覺、聽覺、觸覺的生理心理特點，由計算機產生真實的可視的三維立體圖象，使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互裝備，甚至將本身置身于虛擬環境中，成為虛擬環境中的一員。在虛擬世界中的體驗者與虛擬環境中的各種對象或者場景的相互作用，就會產生相互影響，就如同在現實世界中人與自然相互作用相互影響的一樣，一切感覺都是那么逼真，甚至是真實、身臨其境的體驗。最炫酷的莫過于在科幻電影《復仇者聯盟：奧創時代》中小羅伯特唐尼飾演的鋼鐵俠所擁有的人工智能，不需要頭盔顯示器和數據手套就能達到虛擬與顯示結合的效果，這種技術稱之為增強現實技術（ ，簡稱AR），這也是VR技術最終達到的目標。
1.2.2交互性
虛擬現實系統中的人機交互是人通過使用的設備比如鍵盤、鼠標、模擬顯示器、觸屏等輸入計算機系統，計算機系統通過高速計算和分析作出一種類人為的行為，也就是人工智能的初步體現。體驗者通過自身的語言、肢體語言或觸摸鍵盤、界面等自然動作，就能對虛擬環境中的對象進行考察、操作、研究、計算，而且還能使之生成大數據記錄存檔。
1.2.3多感知性
在虛擬現實系統安裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應的配套裝置，就可以讓體驗者在虛擬環境中體會到“耳聽為真、眼見為實”的境界，及獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，使得體驗者分不清虛擬與現實。
2.虛擬現實技術在建筑工程設計領域中的應用
2.1虛擬現實技術如何影響到建筑設計
第一：運用虛擬現實技術可以將建筑概念、形狀、特點等均以真實的角度展現在投資方，設計方，施工方以及后期的物業管理和更高層次的政府，這也是對二維平面表達方式或者動畫表現方式的升級提高，使用者可以全方位的感受建筑的空間，尺度和材質，居住或者使用的舒適度，這對于非設計人員參與到設計當中很有幫助，這使得未來我們的建筑將綜合更多環境因素、區域因素、人文因素，將使得建筑更加合理化、人性化。
第二：現在的虛擬現實技術是很好的一種大數據的表達方式，我們目前的BIM技術cad軟件所能處理的圖形類型包括虛擬現實圖，可以最大限度的存儲數據，并指導后期施工，但BIM作為建筑行業數據的表達沒起到關鍵作用，如何表達它的數據，并且為相關項目所運用還有所欠缺，通過以往的二維平面表達方式顯然不夠，這時借助虛擬現實技術，將線上項目的展示與線下的實際的地理信息，空間信息，結構信息，材質信息，內部裝飾信息甚至未來項目所包括的商品信息相結合，可以時時的將未來的建筑運營情況展現在我們的面前，并且為相關項目的建造和設計起到很好的參考作用。
第三：有作者預言，未來的建筑行業的發展趨勢不是在真實世界中，而是在虛擬世界中。真實的物質條件滿足人的物質需求是可以的，但是相對于人的精神需求是遠遠不夠的。在萊昂納多·迪卡普里奧主演的《盜夢空間》中，里面的虛擬世界極大的豐富我們對于現實世界的認知，也遠遠地超過了現實世界帶給我們的體驗，而且虛擬世界是無限的，我們可以做我們任何想做的事，我們可以重新定義我們自己的“世界”，而建筑師從真實世界的角色也必然轉移到VR虛擬世界中，在“盜夢空間”中，我們稱之為“造夢師”。
2.2建筑設計的抽象性、復雜性
建筑設計是一種三維空間藝術，在建筑設計領域中,長期以來人們不得不用抽象的概念表示大量建筑工程的內容，比如用平面圖、剖面圖、立面圖等二維的平面圖形成一些規定的符號來表示三維的立體建筑，用比較抽象的圖形和精練的語言來描述復雜的結構，以傳遞大量的信息。作為建筑師第一不僅需要空間形象思維,還需要周全用戶的感受,是一個創新的設計過程,其中包括規劃、設計、造價、用戶體驗感覺等；第二建筑師的設計受制于二維的繪圖工具繪圖板、圓規、三角板和丁字尺，建筑師對三維空間、形式的想象力無論有多豐富,都必須將其設想轉化為二維的圖形信息一一即繪制成建筑圖紙,用建筑圖紙傳遞建筑的尺寸、結構構件的大小配筋、制作方式等信息。這些信息是的建筑最終建立在三維世界中；第四建筑物的最終效果會受到多方面的因素影響與限制,比如資金情況的限制、場地的使用面積、設計人員的藝術境界、生活閱歷、設計的經驗與水平等。在相同的建筑設計功能要求的基礎上,每一位設計人員的作品都會有不同的外形、不同的格調。
2.3虛擬現實技術應用于建筑設計中的特色
2.3.1創作層面上的特色
對于建筑設計，在建筑師的眼中虛擬現實的魅力不僅僅在于真實體現建筑的美感、人機交互式的三維表現，還在于它在此基礎上提供了其它傳統表現方式無法比擬的、嶄新的信息交流與編輯界面：在親身體驗三維空間的同時通過實時編輯建筑元素、實時調整三維場景、系統信息集成等技術，為設計的比較推敲和設計思想、設計特色以及相關信息的展示提供了強有力的支持，因此建筑設計不再是一種枯燥的事情，而是一種比較有趣好玩的事情，突出表現在以下幾個方面：
①設計信息分析科學準確
VR功能強大的應用程序接口可導入有關復雜系統模型進行分析，因而可為建筑師提供全局、客觀的理解。它所提供的諸如先進的光學系統、大氣分析系統、地理信息系統（GIS）等能使創作信息分析更加科學化、真實化、準確化。
②設計構思動態空間化
VR技術能使建筑師抽象思維的表現更接近實際，可使建筑師擺脫二維表現的束縛和抽象思維的不確定性，使其構思得以在實時生成的三維世界中充分發展。使創造的建筑空間的構思能有雕塑般的自由隨意。我們可以認為，技術的發展制約著形式，環境和功能的需求影響了形式，而設計表現的工具和媒介也同樣可能促成新的建筑形式的產生。
③輔助設計貫徹全程
VR系統在建筑設計的應用可貫穿整個過程，從開始階段的可行性研究、基地條件分析，到概念設計、發展階段的空間形體組合、建筑細部推敲、與環境的融合……直到施工階段的技術模擬，VR系統均能發揮其作用。
④設計信息系統化
在設計中，通過“資料互聯”環境，將VR系統中的建筑模型跟其他數碼媒介信息諸如文字、音響、畫面、平面圖、立體模型和3D動畫進行資料互聯，使得VR中的某一特定畫面能夠包含有關鍵性信息。如：平面圖、剖面圖、相關構造描述、值得進一步推敲的設計內容。
2.3.2表現層面上的特色
①建筑表現的臨場感
虛擬現實技術的沉浸性令建筑師身臨其境，通過飛行模式鳥瞰建筑體形并觀察建筑與周邊環境的關系；通過全比例視角對建筑空間的布局、景觀設計進行觀察體驗。在建筑內外的實時漫游，能夠幫助近距離觀察細節，實地體會建筑空間、建筑的外觀、建筑構件尺寸、構件配筋等內容，甚至可以戴上數據手套去觸摸建筑表面的材料，這樣建筑師設計的建筑將更加合理化、科學化、美觀。
②建筑體驗的交互性
虛擬現實技術通過使用虛擬交互接口設備實現建筑師對虛擬環境對象的交互，場所空間得到盡可能地表現。在虛擬現實中，可以從全局出發也可以從細節出發決定觀看的角度；對建筑元素進行編輯；在重要節點，能夠根據需要鏈接相關數據，獲取更多信息，給了建筑師更多的自主性。
③感知活動的創造性
虛擬現實技術的根本目的是：通過在三維空間仿真立體建模，強調三維圖形的立體現實，從而能夠幫助建筑師獲取新的視野和形成新的概念。通過虛擬建筑空間的動態觀察和傳感器的多種形式感知，不斷造成對人體感官的最直接反饋，激發設計師在頭腦中產生新的構想。
VR系統可以提供給建筑師自由的多角度、多維度的人機交互體驗方案的機會。人們可以選擇以靜止狀態細致觀察建筑，或者以多種運動方式動態地體驗建筑空間，同時還可以實時比較不同方案，在多方案之間進行比較，作出判斷和選擇。同時，系統還可以模擬太陽光照、相關設備設施等，使得建筑的整體表達的更全面、更真實、更科學、更有說服力。 （圖2.1—2.2）。
圖2.1多角度觀看設計效果
圖2.2沉浸觀看設計效果
3.虛擬現實技術在建筑工程施工過程中的應用
地區區域標志性建筑或者大型建筑工程在建造過程中或者建成后往往會對周圍的景觀、環境產生較大影響。此類建筑往往建設成本高，對社會造成的影響大，對結構安全性、經濟性以及功能合理性的要求跟高。目前，這種重大項目建設的初期經濟評價一般是建立在高度抽象的模型基礎上，不容易避免。項目建設前的功能評價通常也是建立在想象和經驗的基礎上，出現偏差也是常有的事，而這種偏差造成的功能上的缺陷幾乎是無法彌補的。部分功能評價建立在實驗室建造的物理模型和計算機仿真模型分析的基礎上。但實驗室建造的物理模型是縮小比例的模型，在進行試驗和評價難免出現誤差，縮小比例越大誤差越大，而且試驗周期長，費用較高。如何利用新技術，在建筑的設計階段就對方案進行全面、客觀的盡可能貼近建成事實的評價，是人們所關心的問題。
3.1目前建筑工程施工的特點分析
第一、建筑施工過程中的主要矛盾是結構空間上的布置與施工工序時間上的排列的矛盾，這主要是由于建筑工程體積大、不易移動等特點與生產流動性之間的矛盾而導致的。
第二、不同的建筑物，自然條件不同，用途不同，工程的結構、造型和材料亦不同，建筑施工生產的周期時長不同、施工工序的繁雜程度不同，施工方法必將隨之變化，很難實現標準化。建筑施工主要構成為高空作業和地下作業，基礎深度和建筑高度也是決定施工方法的決定性因素。
第三、施工技術復雜。建筑施工常需要根據建筑結構情況進行多工種配合作業，多單位（土石方、土建、吊裝、安裝、運輸等）交叉配合施工，還必須協調專業相異、工種不同的人員之間的交流、合作，再加上各種材料、機械和設施的使用，因而施工組織和施工技術管理的要求較高。
第四、建筑施工是復雜的大型的動態系統，它通常土方開挖、基坑支護、基礎、結構層包括立模、架設鋼筋、澆注、振搗、拆模、養護等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關系復雜。
3.2虛擬現實技術在建筑施工中的應用
3.2.1虛擬現實技術對施工方案設計的改進
虛擬現實施工方案設計方法的實現過程為：在三維可視化虛擬環境中，設計人員可利用CAD設計軟件建立對象結構實體模型，并將模型的幾何信息輸入有限元分析軟件(如AN．SYS等)中，建立三維可視化的有限元模型，然后對有限元模型進行計算分析。有限元模型數據和分析結果數據分別存入相應的數據庫中，并轉化成圖形數據文件，表達為圖形或圖像的形式，使設計人員能沉浸在三維可視化的虛擬環境中觀察模型的模擬和計算，并實時地對模擬過程進行修改，直到獲得滿意的方案。最后將最優施工方案的結果存入數據庫。為繪制施工圖提供可靠依據。優化施工方案過程主要由計算機完成，并能充分利用設計人員的經驗，而不是像傳統的施工方案設計只能依靠施工技術人員多年積累的實踐經驗或習慣做法。
在實際的施工過程中遇到的棘手的難題，復雜結構施工方案設計和復雜施工結構承載力計算，前者難點關鍵就在于施工現場結構空間上的布置與施工工序時間上的排列上的沖突；后者在于施工結構在永久荷載和可變荷載的作用下的達到承載力極限值而變形需要驗算。虛擬現實的復雜結構施工方案設計是指利用虛擬現實技術，在虛擬的環境中，建立周圍場景、結構構件及機械設備等的三維立體模型(虛擬模型)，形成基于計算機的具有一定功能的仿真系統，讓系統中的模型具有動態性能，并對系統中的模型進行虛擬裝配，根據虛擬裝配的結果，在人機交互的可視化環境中對施工方案進行修改。
3.2.2虛擬現實技術在施工安全中的應用
建筑工程的安全是基礎，其中包括對建筑本身的結構和建材的安全，也包括了施工人員的安全。在以往對安全性能的檢測上，大多數采取以小見大的建筑模型來模擬其工程結構的荷載能力，但隨著建筑項目的擴大化和復雜化，模型很難精準的反映出結構的實際情況。其次大量事實證明防患意識不強、自救互救知識缺乏是安全事故造成大量人員傷亡的主要原因之一。而VR技術卻能排除客觀物質所帶來的不方便，對其進行精中地模擬實踐。關于VR技術在教育領域的應用已經有大量的研究。由于人類是視覺動物cad軟件所能處理的圖形類型包括虛擬現實圖，相比于平面二維圖像，對空間三維圖像的反映更好，能更直觀地了解事物之間的關系和趨勢。通過VR技術對施工人員提供安全知識培訓工作，人員身臨其境，在虛擬現實中體驗防火、防災、高空墜物、物體打擊等安全事故，通過模擬逃生、模擬緊急救助深刻的體驗施工中安全工作的重要性。VR技術可以為培訓者提供一個交互式、積極的學習過程，比事實上被動接受信息的視頻及講座更具效果。
4.虛擬現實技術在建筑工程裝飾、裝修中的應用
建筑裝修設計的綜合過程十分的繁雜,由于室內的裝修設計一般進入到施工后期，后期時間倉促，對室內裝飾的施工設計比較簡潔，導致不少施工圖中材料的尺寸與比例稍有偏差，在以往的設計過程中,裝修設計人員依照建筑圖紙組織出虛擬的室內模型,然后將設計理念運用到室內的模型中,最后通過多種視圖等方式來展現設計效果。不過這種分散的平面展現方式不能使施方和用戶全方位的明白裝修效果。不僅不利于室內建筑的美觀而且容易造成返工現象，延誤工期的竣工時間。此外,瑣碎的工作量與費用估算過程不能使用戶快速無誤的對裝修方案給予評選。虛擬現實技術將實際房間的模型輸入到電腦,設計人員在需要裝修的空間內,根據其構思去進行裝飾并改進,可以隨時轉換自己在空間中的位置,對所設計的結果進行多方位的觀察,并進行動態裝飾,直到最終確定結果,非常的輕松簡單。在將來的裝飾工程中,虛擬現實技術能夠代替目前的實際模型,彰顯出虛擬現實技術強大的生命力。同時有效的提升了裝修設計的效率,方便了設計人員與用戶之間的溝通,使用戶的滿意度達到最佳。
5.結語
虛擬現實技術通過模擬和還原建筑工程場所，為施工過程節約了時間和資源的同時，也為其建筑物的安全多增添了一份保障。現代土木建筑工程急需科學技術力量的支撐，而虛擬現實技術的出現正是其利用科技手段飛速發展的助推器。也是建筑工程數字化必然經歷的一個過程，虛擬技術的精確性和科學性將是建筑工程數字化的基床。
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