土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項集成性極高的高新信息技術(shù)，本文通過對VR技術(shù)的討論分析了VR技術(shù)土木工程中的應(yīng)用，指出VR技術(shù)必將在土木工程中發(fā)揮越來越重要的作用。

　　關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)土木工程可視化計算

　　一、引言

　　隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)步增長和基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的加入，建設(shè)項目的規(guī)模越來越大、結(jié)構(gòu)形式日益復(fù)雜，對土木工程學(xué)科管理的科學(xué)性、精確性要求越來越高。實現(xiàn)土木工程的信息化、智能化、可視化和集成化成為土木建筑工程項目管理現(xiàn)代化的要求和本領(lǐng)域的研究熱點。虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality,VR)是綜合性與集成性極強的高新技術(shù)，在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計、藝術(shù)、娛樂等多個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)涉及土木工程領(lǐng)域的各個學(xué)科，已顯示出一定的實用性，技術(shù)潛力十分巨大，應(yīng)用前景非常廣闊[1]。

　　二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其特點

　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)，又稱靈境技術(shù)，是20世紀(jì)末興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。它融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支，大大推進了計算機技術(shù)的發(fā)展。VR技術(shù)是把抽象、復(fù)雜的計算機數(shù)據(jù)空間轉(zhuǎn)化為直觀的、用戶熟悉的事物。它的技術(shù)實質(zhì)在于提供一種高級的人機接口。利用VR技術(shù)所產(chǎn)生的局部世界是人造和虛構(gòu)的，并非是真實的，但當(dāng)用戶進入這一局部世界時，在感覺上與現(xiàn)實世界卻是基本相同的。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)改變了人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現(xiàn)狀，給用戶提供了一個趨于人性化的虛擬信息空間。它以模擬方式為使用者創(chuàng)造了一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖像世界，在視、聽、觸、嗅等感知行為的逼真體驗中，使參與者可直接參與和探索虛擬對象所處環(huán)境的作用和變化，仿佛置身于現(xiàn)實世界中。一個身臨其境的虛擬環(huán)境系統(tǒng)是由包括計算機圖形學(xué)、圖象處理與模式識別、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多傳感器技術(shù)、語音處理與音像技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計算機系統(tǒng)等不同功能、不同層次的具有相當(dāng)規(guī)模的子系統(tǒng)所構(gòu)成的大型綜合集成環(huán)境。所以，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是綜合性極強的高新信息技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具備以下三個方面的特性。

　　1．沉浸性

　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)是根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現(xiàn)實世界中的一樣，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。

　　2．交互性

　　虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標(biāo)進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進行交互。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬環(huán)境中的對象進行考察或操作。

　　3．多感知性

　　由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達(dá)到身臨其境的感受。

　　三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

　　1．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用前景

　　在土木工程中，長期以來人們不得不用抽象的概念表示非常豐富的內(nèi)容，如用平面圖、剖面圖、立面圖等平面圖形成一些規(guī)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(fù)雜的場景，以傳遞大量的信息。但這一種信息處理與傳遞方式受到信息接受者所從事的職業(yè)、知識結(jié)構(gòu)及理解能力的影響，交流起來非常困難。

　　VR技術(shù)的發(fā)展為我們克服這一困難提供了極其有效的手段。用虛擬現(xiàn)實既能表示真實的世界，也可以表示虛擬的世界。表示真實世界時，可以突破物理空間和時間的約束，做到能“超越現(xiàn)實”；在表示虛擬世界時，又能使其中的虛擬物體表示出三維逼真感，以達(dá)到身臨其境的感受，最后形成一種“人能沉浸其中、超越其上、進出自如、交互作用的三維信息空間”。 #p#page_title#e#VR技術(shù)為用戶提供了一種新型的人機接口，它利用計算機生成交互式三維環(huán)境，不僅使參與者能夠感受到景物或模型的逼真存在，并且對參與者的運動和操作做出實時準(zhǔn)確的響應(yīng)。

　　2．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用領(lǐng)域

　　由于具有上述的優(yōu)勢特征，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并且具有廣闊的應(yīng)用前景。現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用主要有以下幾個方面[2]。

　?。?span lang="EN-US">1）在虛擬施工過程和施工結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用[3]

　　在實際工程施工中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計和施工結(jié)構(gòu)計算是一個難度較大的問題，前者難點關(guān)鍵就在于施工現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機械設(shè)備間的空間關(guān)系的表達(dá)；后者在于施工結(jié)構(gòu)在施工狀態(tài)和荷載下的變形大于就位以后或結(jié)構(gòu)成型以后。

　　基于虛擬現(xiàn)實的復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計是指利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在虛擬的環(huán)境中，建立周圍場景、結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機械設(shè)備等的三維CAD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(tǒng)，讓系統(tǒng)中的模型具有動態(tài)性能，并對系統(tǒng)中的模型進行虛擬裝配，根據(jù)虛擬裝配的結(jié)果，在人機交互的可視化環(huán)境中對施工方案進行修改。復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工涉及的因素較多，起重機的布置位置、高度，纜風(fēng)繩著力點的選擇，構(gòu)件堆場的位置，起重機的開行路線，構(gòu)件起吊路線等，都是施工方案設(shè)計必須考慮的問題。若對這些問題考慮得不夠，則工程施工的進度、成本等都會受到影響，甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

　　建筑結(jié)構(gòu)施工前往往要對施工方案進行受力狀態(tài)復(fù)核。如在大跨空間結(jié)構(gòu)施工中，不僅要考慮施工過程的安全性、可行性，還要考慮結(jié)構(gòu)本身在施工過程中安全性、可靠性。某展覽中心，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋支承在鋼桅桿上，桅桿兩端為錐形，與下部混凝土結(jié)構(gòu)鉸結(jié)。為了減小鋼桁架的變形，更為了維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，在鋼屋蓋桅桿和混凝土之間，采用了一系列的斜拉索(前索、背索、穩(wěn)定索)和撐桿，形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。在鋼結(jié)構(gòu)的施工中，不同的支撐方案、不同的拼接方案，在結(jié)構(gòu)的不同部位會引起不同的效應(yīng)，而隨著連接桿件的安裝，這些施工階段的應(yīng)力將殘余在結(jié)構(gòu)部位上，并影響到最終的結(jié)構(gòu)受力安全性；并在結(jié)構(gòu)就位過程中，有可能失穩(wěn)和變形。這就需要進行施工過程的精確分析。用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對不同的方案，在短時間內(nèi)做大量的分析，從而保證施工方案最優(yōu)化。

　?。?span lang="EN-US">2）在工程項目招標(biāo)投標(biāo)中的應(yīng)用

　　建筑業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，建筑市場的過度競爭已是長期的事實?，F(xiàn)代建筑工程項目的運作，業(yè)主處于絕對有利的地位。在有限的時間內(nèi)，如何使業(yè)主和評標(biāo)的專家很好地了解招投標(biāo)文件的編制和被認(rèn)可的程度直接關(guān)系到承包商有沒有中標(biāo)的機會。因此，承包商在注重投標(biāo)文件的技術(shù)可行、報價合理的同時，也非常注重投標(biāo)文件的包裝。尤其是大型工程、國家重點工程和國際工程的招標(biāo)投標(biāo)，往往在項目企劃階段就已經(jīng)開始這方面的運作[4]。

　　借助虛擬仿真系統(tǒng)，把不能預(yù)演的施工過程和方法表現(xiàn)出來，不僅節(jié)省了時間和建設(shè)投資，而且不用項目經(jīng)理的現(xiàn)場答辯，方案的優(yōu)劣就一目了然。這無疑大大增加了承包商中標(biāo)的幾率。

　　（3）在可視化計算領(lǐng)域的應(yīng)用

　　可視化計算將是今后一個重要的發(fā)展方向。在科研中，人們會遇到大量數(shù)據(jù)，為從中得出有價值的規(guī)律和結(jié)論，需要對龐大的數(shù)據(jù)量進行認(rèn)真分析。對科學(xué)計算取得的數(shù)據(jù)進行可視化加工或三維圖形顯示，可通過交互改變參數(shù)來觀察計算結(jié)果的全貌及其變化，實現(xiàn)參數(shù)化及可視化計算，虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展。

　　在運用有限元法進行結(jié)構(gòu)分析時，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可以通過顏色的深淺給出三維物體中各點力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點去觀察。還可以利用VR的交互性能，實時修改各種數(shù)據(jù)，以便對各種方案及結(jié)果進行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。把可視化計算技術(shù)應(yīng)用于超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計、工程控制和結(jié)構(gòu)分析中，將增強計算軟件的前后置處理能力。例如，在橋梁工程控制和結(jié)構(gòu)分析的可視化計算中，倒退 #p#page_title#e#(拆)分析結(jié)構(gòu)倒拆動態(tài)演示、結(jié)構(gòu)理想施工線型顯示、施工階段主梁形心線的設(shè)計曲線和實測擬合曲線的顯示、前進分橋結(jié)構(gòu)拼裝動態(tài)演示、施工預(yù)告圖形顯示、主梁內(nèi)力圖顯示、危險截面應(yīng)力分布圖顯示等等。更重要的是能借助圖形或圖像來進行實時動態(tài)地控制結(jié)構(gòu)的重分析和獲取施工控制數(shù)據(jù)，同時能實時動態(tài)演示和控制設(shè)計和施工的過程。

　　四、結(jié)語

　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)在不斷發(fā)展，專用于計算機圖形和多媒體信息處理的高性能DSP芯片可使處理能力提高上百倍，三維圖形算法和參數(shù)化建模算法等可使虛擬現(xiàn)實技術(shù)更加成熟。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還有很多不完善的地方，尤其在土木工程的研究方面，我們應(yīng)努力建設(shè)虛擬現(xiàn)實技術(shù)實驗室，開發(fā)有價值的虛擬現(xiàn)實工程系統(tǒng)，使其在工程設(shè)計、施工、管理和可視化計算等方面得到更廣泛的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]張躍．土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)[N]．科技日報．1997年6月23日．

　　[2]沈金良．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工程設(shè)計中的應(yīng)用[J]．科技交流，2004，(3)．

　　[3]謝行浩．建筑工程系統(tǒng)仿真[M]．北京：科學(xué)出版社，2001.25-37．