摘要：建筑学教学过程中,实践教学是不容忽视的环节。然而,当前建筑学实践教学过程中存在空间认知局限、实操成本高、场景模拟不足等问题。针对现有问题,本文基于建筑学实践教学的具体需求,提出了构建“三维建模—交互模拟—协同实训”一体化架构的系统平台,即从建筑学实践教学的具体需求出发,结合Unity3D引擎、BIM技术及VR硬件设备,实现建筑空间认知、构造实训、方案评审的沉浸式教学。本文架构为解决建筑学实践教学中存在的诸多问题提供了参考借鉴,有助于不断提升建筑学实践教学的效果。

　　关键词：虚拟现实技术；建筑学；教学系统平台；设计

　　0引言

　　随着建筑学教学改革的推进,实践教学也备受重视。然而,传统实践教学依赖图纸识读、物理模型制作及工地参观,存在诸多不足：一是二维图纸难以构建三维空间认知,使学生对建筑尺度、流线的理解存在偏差[1]；二是构造实训受限于材料成本与安全规范,如钢结构节点拆装、幕墙施工等实操场景,难以大规模开展；三是设计方案评审缺乏沉浸式体验,空间效果表达依赖效果图或PPT,难以直观呈现光影、材质等细节。虚拟现实技术为满足学生实践教学需求提供了支撑。虚拟现实技术主要通过计算机生成交互式三维环境,可突破物理空间限制,为建筑学实践教学提供新范式[2]。随着技术的升级和发展,当前虚拟现实技术在建筑领域的应用已从单纯可视化展示向教学实训深化,但仍存在平台功能碎片化、与教学大纲衔接不足、跨终端协同性差等问题。针对以上问题,构建系统化的VR教学平台对推动建筑学实践教学改革具有重要意义。

　　1教学系统平台的总体设计架构

　　1.1设计目标与原则

　　平台以“虚实融合、能力导向”为核心,聚焦三大目标：通过VR技术将建筑方案转化为可交互三维空间,助力学生建立二维图纸到三维实体的认知映射；模拟高层建筑脚手架搭建、古建筑修缮等高危高成本施工场景,降低实践教学成本；构建多用户同步参与的沉浸式协同设计环境,支持手势与语音实时批注修改。设计遵循教学适配性原则,使功能模块与建筑设计、构造、施工等课程体系深度耦合；兼顾技术兼容性,支持Revit、ArchiCAD等BIM模型无缝导入及HTC Vive、Oculus Quest等主流VR设备；预留API接口以实现AI辅助设计、数字孪生等技术的可扩展性。

　　1.2系统架构设计

　　平台采用“三层架构+双端协同”模式（如图1所示）。数据层依托MongoDB管理BIM模型库、材质库等非结构化数据,通过MySQL存储用户信息与教学记录；逻辑层集成模型解析引擎、交互逻辑引擎及Unity Physics物理引擎[3]。应用层分为教师端和学生端,通过WebSocket协议实现PC端与VR端的数据同步,支持多人在线协作。

　　2关键功能模块设计

　　2.1三维建筑信息模型（BIM）交互模块

　　三维建筑信息模型交互模块通过Autodesk Forge实现BIM模型轻量化处理,优化加载效率公式如式（1）所示：

　　式中,F为目标帧率；S为原始多边形数量；α取0.6~0.8；T≤15ms。通过优化加载效率,将模型多边形数量控制在10万面以内。学生可通过VR控制器触发“剖面模式”,对建筑模型进行空间剖切并同步查看构件材料信息。利用Unity的HDRP渲染管线模拟夏至日正午等不同时段的自然光照,支持地砖材质从大理石切换至木地板的实时预览。

　　2.2施工工艺虚拟实训模块

　　针对传统实训难点,平台设计交互式施工模拟内容,如表1所示。以钢结构节点安装为例,学生需完成定位放线、螺栓预装等流程,系统实时检测螺栓扭矩（标准值450~500N·m）与焊缝饱满度；古建筑斗拱修复环节中,系统通过碰撞检测验证榫卯拼接角度偏差(≤5°)及材料应力分布合理性。

　　2.3协同设计评审模块平台

　　该模块支持最多10名用户通过WebSocket协议同步进入VR场景,数据延迟控制在50ms以内。教师可通过JSON格式指令直接修改模型参数,学生可通过“分屏对比”或“透明度叠加”方式分析方案差异。

　　3技术实现方法

　　3.1硬件配置

　　方案采用HTC Vive Pro 2头显,参数为单眼分辨率2448×2448,刷新率90Hz。基于此实现沉浸式视觉体验,搭配Vive控制器与Dexmo力反馈手套（力反馈精度±0.5N）完成手势交互与触觉反馈。空间定位依托SteamVR基站2.0与OptiTrack Prime 17W,计算设备选用Intel i9-12900K处理器、NVIDIA RTX 3090显卡及64GB内存的工作站,确保模型渲染与物理计算流畅。

　　3.2软件平台开发

　　软件开发基于Unity3D 2021 LTS版本,BIM模型转换流程如图2所示。Revit模型通过Autodesk Forge API导出为LOD200-LOD400的FBX格式,经Unity Asset Bundle打包后异步加载至VR场景。交互系统采用Leap Motion SDK捕捉手势,通过CNN神经网络识别6种基础动作。物理交互通过m=ρ×V计算构件重量,其中,ρ为钢材密度,ρ=7850kg/m3,力反馈手套据此生成阻力反馈。空间导航采用“传送+平滑移动”模式,通过v(t)=v0×(1-e-kt)降低眩晕感。其中,k为平滑移动的阻尼系数,k=0.5；t为时间变量。该模式结合了瞬时传送的便捷性与平移的真实感。

　　3.3关键技术突破

　　在关键技术的应用上,主要是通过LOD技术实现模型精度动态切换。近景小于5m显示LOD400模型,含螺栓孔细节,远景大于10m自动切换为LOD200模型,确保帧率稳定在90fps以上。网络同步采用客户端预测技术,通过P′=P+v×t+×t2预计算位置,其中t≤50ms。眩晕抑制方案结合头部追踪、视野边缘高斯模糊及动态模糊滤镜,将眩晕发生率从30%降至5%以下。

　　4教学应用案例—古建筑虚拟修缮实训

　　以山西应县木塔斗拱修缮为例,平台分阶段实施教学。认知阶段,学生通过VR拆解斗拱构件,触碰时触发边缘发光效果。实训阶段需完成虚拟全站仪扫描（误差≤0.1mm）与榫卯拼接（角度偏差≤5°）。考核阶段教师预设“隐蔽病害”,考核评分计算公式如式（2）所示：

　　S=0.4S1+0.3S2+0.3S3（2）

　　式中,评分S1为病害检出率；S2为工艺规范性；S3为经济性。通过这种方式开展实践教学,教学效果对比如表2所示,可以看出平台教学能够提升学生对斗拱构造的掌握度,降低单次实训成本。

　　5教学改革对策建议

　　在利用本文给出的架构进行实践教学改革的同时,也要重视教学的相应变革,具体如下。（1）课程体系的系统性重构。在课程体系规划中,建议将VR虚拟实训深度整合至《建筑构造》《施工技术》等核心课程,通过“理论教学+VR实操”的双线模式重塑教学结构。（2）师资能力提升与资源共建机制。构建“技术工作坊+动态案例库”的双轨培训体系,针对性提升教师的VR技术应用与教学转化能力。（3）多元化评价体系的协同构建。改革传统以图纸为主的评价模式,将VR场景操作考核纳入课程评价体系。（4）校企协同的实战化实训生态建设。与建筑企业共建工程实录VR研发中心,将实际项目转化为沉浸式教学场景[4]。

　　6结语

　　本文给出的系统平台通过“虚拟仿真+交互实训+协同设计”架构,解决了传统教学中空间认知难、实训成本高、协同效率低等问题。融合BIM技术与物理引擎,实现了建筑模型沉浸式交互与施工工艺虚拟模拟,在古建筑修缮等场景中教学效果显著。

参考文献

　　[1]叶婷.新工科背景下基于OBE理念的建筑学实践教学探索[J].黑龙江工业学院学报(综合版),2025,25(5):24-28.

　　[2]弓馨,潘冬,徐婷,等.新能源汽车虚拟仿真实验教学平台建设[J].软件,2024,45(10):5-8.

　　[3]刘晓曦,马静,杨易晨.应用型大学建筑学专业设计类与技术类课程群中实践教学体系构建与实施—以北京城市学院为例[J].建筑与文化,2024(10):29-32.

　　[4]武茜,李林.新工科背景下建筑学专业实践教学课程体系的重构与实践—以大二年级建造实践课程为例[J].建筑与文化,2023(6):58-61.