周璐華

摘 要：虛擬現(xiàn)實，是在20世紀(jì)末出現(xiàn)的綜合信息技術(shù)。近年來，它已逐漸應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，對古建筑數(shù)字檔案和文物保護(hù)具有重要意義。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用與文化遺產(chǎn)保護(hù)的結(jié)合是當(dāng)前研究的熱點之一。文章在分析中國古代建筑特點的基礎(chǔ)上，以福州古建筑為例，深入研究了古建筑的結(jié)果要素，描述了建模過程中使用的關(guān)鍵技術(shù)。文章探討的建模方法和優(yōu)化技術(shù)對其他大型場景的復(fù)雜建筑建模也有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；古建筑；建模技術(shù)

[福州外語外貿(mào)學(xué)院校級課題VR（虛擬現(xiàn)實）用于古建筑記錄與展示的研究與運用，編號FWX15028]

一、引言

古代建筑是有價值的，它們凝聚著金錢和汗水、文化，更重要的是，它們是歷史的遺骸的承接者。古建筑文物的主要價值是歷史、藝術(shù)、科學(xué)價值。保護(hù)古建筑主要是為了保護(hù)古建筑在建筑工程和藝術(shù)方面的成就。古代建筑所承載的文化內(nèi)涵作為今天的參考，教育人們歷史唯物主義，我們需要維持古代建筑現(xiàn)狀，并恢復(fù)原狀。

近年來，中國經(jīng)濟(jì)連續(xù)保持快速增長，在其有力拉動下，對古建筑的建筑需求增長強(qiáng)勁，人們開始越來越注重文化生活?，F(xiàn)如今生活節(jié)奏越來越快，生活壓力越來越大，人們開始注重自身精神世界的豐富。中國五千年的歷史文化底蘊(yùn)在現(xiàn)如今的快餐文化時代中為豐富人們的精神和文化世界做出了貢獻(xiàn)。但是，在中國古代的戰(zhàn)爭和現(xiàn)代的各種動亂中，眾多的文化古跡都有了一定程度的損壞。政府和民間人士開始注重古文化的建筑，而如何對文化古跡進(jìn)行良好的建筑，是如今亟需要解決的問題。近年，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民對文化生活有了更高的追求，對我國的歷史文化、民族特色也越來越感興趣。

二、虛擬現(xiàn)實與建筑表現(xiàn)

（一）虛擬現(xiàn)實的基本概念

虛擬現(xiàn)實這個術(shù)語在20世紀(jì)由美國的科學(xué)家和教授首次提出。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展中，對其的研究涉及計算機(jī)等相關(guān)多學(xué)科內(nèi)容的交叉與綜合。迄今為止，這種復(fù)雜性已經(jīng)實現(xiàn)。顧名思義，它可以被理解為創(chuàng)建一個虛擬環(huán)境，讓人感覺他們處于現(xiàn)實世界的環(huán)境中。目前廣為接受的精確定義是使用現(xiàn)代高科技技術(shù)，以計算機(jī)技術(shù)為核心，在特定范圍的虛擬環(huán)境中產(chǎn)生逼真的視覺、聽覺和觸覺集成。用戶依靠必要的設(shè)備，例如量身定制的服裝、頭盔、手套和鞋子，以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物理對象進(jìn)行交互，從而在真實環(huán)境中創(chuàng)造出一種感受和體驗。

（二）建筑表現(xiàn)的工具

最常用的是建筑計劃、建筑縮略圖和建筑動畫，但它們各自的局限性已經(jīng)很明顯。建筑縮影的生產(chǎn)需要大規(guī)?？s減，因此只能獲得建筑物的鳥瞰圖。從正常人的角度來看，建筑空間是無法感知的，人們在建筑物中的真實感受是無法獲得的。常用的建筑圖、立面圖等都比較抽象，只有專業(yè)人士才能閱讀，只能提供靜態(tài)的視覺體驗。盡管建筑動畫具有很強(qiáng)的三維動態(tài)性能，但并不完美。動畫需要提前定義漫游路徑，使觀察者無法按照自己的意愿漫游大樓。它沒有交互性，生產(chǎn)周期長，成本高，只適用短時間的簡短演示。

作為建筑設(shè)計過程的重要組成部分，建筑師對結(jié)構(gòu)的確定是一個反復(fù)的過程，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)原理的概念、選擇和協(xié)調(diào)。建筑師的結(jié)構(gòu)概念的過程伴隨著建筑設(shè)計的兩個概念和實現(xiàn)過程。除了結(jié)構(gòu)本身的概念和處理外，還包括與環(huán)境、空間以及技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素的協(xié)調(diào)。古建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程是在這些因素的協(xié)調(diào)下實現(xiàn)的設(shè)計。

結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計是以滿足建筑結(jié)構(gòu)基本性能為基礎(chǔ)，在滿足這一基礎(chǔ)的前提下，對建筑的美觀性和創(chuàng)意性進(jìn)行考慮，不能以投資的多少來限制房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計必須以安全性為第一要素。每一種結(jié)構(gòu)形式都有與其相對應(yīng)的優(yōu)點和缺點，如何在限定的投資條件下，找到與建筑實際情況相符合的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是建筑設(shè)計的重中之重。在一定的投資條件下，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，應(yīng)用先進(jìn)工程技術(shù)，完善具體設(shè)計細(xì)節(jié)，就一定能夠建造出外形優(yōu)美、安全實用、適用性強(qiáng)的建筑。

三、福州古建筑建模技術(shù)的應(yīng)用

（一）福州古建筑的結(jié)構(gòu)特征

1.建筑功能空間因素

任何建筑物的功能必須對內(nèi)部空間施加一定的要求?；谶@些要求，可以粗略確定建筑的尺寸、規(guī)模和空間關(guān)系。設(shè)計必須首先根據(jù)要求確定場地大小、場地高度和視線，確定觀眾人數(shù)的范圍，長度和高度，安全距離以及人流。結(jié)構(gòu)概念的過程是創(chuàng)造一個建筑空間，以最大限度地滿足物質(zhì)和精神功能的要求，并調(diào)整結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)功能、空間環(huán)境、美學(xué)和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。建筑規(guī)劃設(shè)計是指古建筑開發(fā)項目的規(guī)劃和設(shè)計，它是設(shè)計從基本條件、項目條件和發(fā)展思路出發(fā)的基礎(chǔ)。在城市規(guī)劃中根據(jù)規(guī)劃設(shè)計條件，按照有關(guān)政策法規(guī)，結(jié)合對市場的研究，以及規(guī)劃和開發(fā)項目設(shè)計要求，進(jìn)行設(shè)計招標(biāo)，需要綜合考慮設(shè)計單位的古建筑設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計，然后選擇最優(yōu)、最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計執(zhí)行方案，接著以建設(shè)用地的總體布局、建筑群的組合和空間效應(yīng)分析為基礎(chǔ)，實現(xiàn)協(xié)調(diào)安排。

規(guī)劃設(shè)計確定了古建筑的總體布局、空間環(huán)境、建筑群組合、道路系統(tǒng)、綠色空間系統(tǒng)和智能建筑水平的組合，確定了古建筑類型和建筑材料的成本，決定了項目產(chǎn)品的基本形式和產(chǎn)品成本控制目標(biāo)。項目規(guī)劃和設(shè)計反映了項目定位、目標(biāo)消費群體定位、價格定位、營銷定位等重要概念。

2.建筑外環(huán)境因素

大容量是古建筑公共建筑形象的顯著特征之一。這是一個物質(zhì)基礎(chǔ)，區(qū)分它與一般建筑物，并具有很大的美感。體積的適當(dāng)表達(dá)是獲得建筑特征的基本原則。然而，古建筑的數(shù)量與具體的環(huán)境條件往往存在矛盾。例如，為了在許多情況下實現(xiàn)與環(huán)境的和諧，就需要努力降低建筑物的質(zhì)量感，或者為了某些精神目的而夸大建筑物的質(zhì)感。對于具有非常強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)完整性的古建筑來說，難以通過分割體塊或像典型建筑那樣縮放立面來實現(xiàn)期望的體積效果。必須注意的是，不同的屋頂結(jié)構(gòu)形式、不同的材料以及不同的支撐結(jié)構(gòu)處理方法將對建筑物的體積產(chǎn)生影響。因此，為了獲得環(huán)境，在結(jié)構(gòu)選擇完成后需要考慮體積的影響？

3.技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素

古建筑有巨大的投資。古建筑結(jié)構(gòu)造價較高，一般在10%～50%之間，有的較高。屋頂結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性對古建筑的成本和投資起著決定性的作用。結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在材料結(jié)構(gòu)形式和單價的優(yōu)點上。結(jié)構(gòu)材料的差異通常不會引起建筑師的注意，但結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性必須在結(jié)構(gòu)選擇中考慮。各種常見結(jié)構(gòu)形式的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在材料的使用量上。某些古建筑使用的結(jié)構(gòu)材料是同類建筑的兩倍以上，其結(jié)構(gòu)選擇值得研究。除滿足建筑設(shè)計要求外，還應(yīng)結(jié)合一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型。有時選擇優(yōu)點時應(yīng)該仔細(xì)考察建筑理念的合理性，甚至是對建筑理念的調(diào)整。

綠色建筑是目前建筑設(shè)計倡導(dǎo)的主流。并且江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳在2014年頒布《江蘇省綠色建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ32/J 73-2014）取代了之前的節(jié)能設(shè)計，對新建建筑的節(jié)能環(huán)保綠色設(shè)計等方面在方案施工圖設(shè)計過程中就做了明確的規(guī)定。如何利用最少的資源滿足日常生活的各項需求是在建筑設(shè)計初期就需要考慮的問題。夏季房屋需要制冷，如今一般采用的都是空調(diào)制冷的措施來滿足日常需求，使用了大量的電力資源以及造成了大面積的空氣污染。目前許多古建筑采取循環(huán)水的措施進(jìn)行屋內(nèi)降溫，在建筑設(shè)計初期，設(shè)計屋內(nèi)冷熱水循環(huán)系統(tǒng)，夏天循環(huán)將冷水在屋內(nèi)流動，帶走屋內(nèi)大量的熱氣，以達(dá)到降低溫度的效果。另外，建筑的玻璃提倡使用三玻兩腔的玻璃，降低了內(nèi)外溫度的傳遞，使屋內(nèi)溫度受到外界影響較小。建筑的外墻都加強(qiáng)了與外界隔熱的的材料，在一些建筑設(shè)計中，在建筑群之間，會采用大量的綠色植物和新建人工湖，在一定程度上能夠綠化環(huán)境，凈化空氣，降低單位建筑面積內(nèi)的溫度，帶來舒爽的生活空間。

（二）中國古建筑的建模

1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于古建筑部件形式多樣，極其多變，在建模過程中，結(jié)構(gòu)部分有大量不可見的補(bǔ)丁。例如，支柱是木結(jié)構(gòu)建筑承重系統(tǒng)不可或缺的組成部分，在建模過程中，不僅要刪除多余的線段，還應(yīng)刪除由于遮擋關(guān)系而不可見的頂部和底部曲面。此外，模型的幾何結(jié)構(gòu)也很重要，即使用最少數(shù)量的修補(bǔ)程序來構(gòu)建最佳模型。

有效減少多邊形的數(shù)量可以大大減小源文件的大小。提供模型優(yōu)化器，其使用用于“合并相鄰平面”的算法來合并具有小于特定值的角度的相鄰平面之間的平面，由此減少平面的總數(shù)。夾角可以由用戶設(shè)置。在不明顯影響模型視覺效果的前提下，優(yōu)化器通常可以達(dá)到上述優(yōu)化效果，并且可以大大減少模型的多邊形數(shù)量。

合理的結(jié)構(gòu)是創(chuàng)造“安全，經(jīng)濟(jì)，適用”建筑產(chǎn)品的先決條件。因此，“合理的結(jié)構(gòu)”是建筑中的“活的美”的體現(xiàn)，正如建筑史學(xué)家A. Huitick在“20世紀(jì)歐洲建筑”一書中所寫的那樣。正如他所說，“在審美體驗中，當(dāng)結(jié)構(gòu)體與其功能相適應(yīng)時，它會給人以最大的樂趣?！笨偟膩碚f，一個合理的結(jié)構(gòu)可能會有一些形式的美容因素，如平衡和穩(wěn)定，節(jié)奏和韻律，連續(xù)性和曲線美，以及一種與他人聯(lián)系的形式感。然而，這些只是形成形式美的因素，而不是整體的形式美。只有當(dāng)建筑物的結(jié)構(gòu)或建筑形式符合形式美的結(jié)構(gòu)規(guī)律時，才能變得美麗。

2.實例優(yōu)化

我們說它的建筑形式的結(jié)構(gòu)和建筑美，甚至它的藝術(shù)美，都應(yīng)該建立在合理的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。這并不意味著工程力學(xué)和結(jié)構(gòu)技術(shù)可以成為測量建筑美觀或藝術(shù)美的客觀標(biāo)準(zhǔn)。事實上，在如何處理和使用這個結(jié)構(gòu)的問題上，總有兩條不能分開的法律，一個是技術(shù)法，另一個是藝術(shù)法。一個合理結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)之美，或這個結(jié)構(gòu)所形成的建筑空間的藝術(shù)美，是建筑創(chuàng)作中技術(shù)規(guī)則與藝術(shù)規(guī)則的相對統(tǒng)一。正因為如此，建筑藝術(shù)的表現(xiàn)技法和表現(xiàn)手法離不開結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。

四、結(jié)語

古建筑虛擬漫游是計算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、圖形圖像顯示技術(shù)等諸多高新技術(shù)的綜合運用，在古建筑的重建、修復(fù)中發(fā)揮著重要的作用，有利于古建筑的文物保護(hù)及其他的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者單位：

福州外語外貿(mào)學(xué)院