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土木工程中的虛擬現實技術?

壹.導言

隨著我國經濟的穩步增長和基礎設施規模的增加,建設項目的規模越來越大,結構形式也越來越復雜,這就對土木工程學科的科學和精確管理提出了越來越高的要求。實現土木工程的信息化、智能化、可視化和集成化已經成為土木工程項目管理現代化的要求和該領域的研究熱點。虛擬現實(Virtual Reality,VR)是壹門綜合性和集成性很強的高新技術,在軍事、醫學、設計、藝術、娛樂等諸多領域都有廣泛的應用。土木工程虛擬現實技術涉及土木工程領域的各個學科,已經顯示出壹定的實用性、巨大的技術潛力和廣闊的應用前景[1]。

二、虛擬現實技術及其特點

虛擬現實技術,又稱精神境界技術,是20世紀末興起的壹門全新的綜合性信息技術。它融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多種信息技術分支,極大地推動了計算機技術的發展。VR技術就是將抽象復雜的計算機數據空間轉化為用戶直觀熟悉的東西。其技術本質在於提供了壹個先進的人機界面。VR技術生成的局部世界是人工虛構的,不是真實的,但當用戶進入這個局部世界時,感覺和真實世界基本壹樣。因此,虛擬現實技術改變了人與計算機之間枯燥、生硬、被動的狀態,為用戶提供了壹個人性化的虛擬信息空間。它通過模擬的方式為用戶營造壹個實時反映實物變化和相互作用的三維圖像世界,使參與者在看、聽、摸、聞的逼真體驗中,直接參與和探索虛擬物體所處環境的效果和變化,仿佛置身於現實世界。沈浸式虛擬環境系統是由不同功能和層次的子系統組成的大規模集成環境,包括計算機圖形學、圖像處理和模式識別、智能接口技術、人工智能技術、多傳感器技術、語音處理和視聽技術、網絡技術、並行處理技術和高性能計算機系統。因此,虛擬現實技術是壹項綜合性很強的高科技信息技術。虛擬現實技術有以下三個特點。

1.沈浸

虛擬現實技術是基於人類視覺和聽覺的生理和心理特征,由計算機生成逼真的三維圖像。用戶可以通過佩戴頭盔顯示器、數據手套等交互設備,將自己置身於虛擬環境中,成為虛擬環境中的壹員。虛擬環境中用戶與各種物體的交互,就像在現實世界中壹樣,所有的感覺都是那麽的逼真,有壹種身臨其境的感覺。

2.互動

虛擬現實系統中的人機交互是壹種近乎自然的交互。用戶不僅可以與計算機鍵盤和鼠標進行交互,還可以與特殊的頭盔、數據手套和其他傳感設備進行交互。用戶可以通過自己的語言、肢體動作或動作等自然技能來檢查或操作虛擬環境中的對象。

3.多重感知

由於虛擬現實系統配備了視覺、聽覺、觸覺和動覺的感知和反應裝置,用戶可以在虛擬環境中獲得視覺、聽覺、觸覺和動覺等多種感官,從而達到身臨其境的感受。

3.虛擬現實技術在土木工程中的應用

1.虛擬現實技術在土木工程中的應用前景

在土木工程中,長期以來人們不得不用抽象的概念來表達非常豐富的內容,比如用平面圖、剖面圖、立面圖形成壹些規定的符號來表示三維建築,用抽象的圖形和簡潔的語言來描述復雜的場景來傳達大量的信息。但是,這種信息處理和傳遞方式受到信息接受者的職業、知識結構和理解能力的影響,因此交流起來非常困難。

虛擬現實技術的發展為我們克服這壹困難提供了極其有效的手段。虛擬現實既可以代表現實世界,也可以代表虛擬世界。在表現現實世界時,我們可以突破物理空間和時間的限制來“超越現實”;在表現虛擬世界時,還能使其中的虛擬物體表現出壹種三維的真實感,從而達到身臨其境的感覺,最終形成壹個“讓人沈浸其中、超越其中、自由出入、互動的三維信息空間”。虛擬現實技術為用戶提供了新的人機界面。它利用計算機生成交互式三維環境,不僅能使參與者感受到場景或模型的逼真存在,還能對參與者的動作和操作做出實時、準確的反應。

2.虛擬現實技術在土木工程中的應用領域。

由於上述優點,虛擬現實技術在土木工程中得到了廣泛的應用,具有廣闊的應用前景。目前,虛擬現實技術在土木工程中的應用主要包括以下幾個方面[2]。

(1)在虛擬施工過程和施工結構計算中的應用[3]

在實際工程建設中,復雜結構施工方案的設計和施工結構的計算是難點問題。前者的關鍵在於表達建築場地中結構構件與機械設備之間的空間關系。後者是施工狀態和荷載下施工結構的變形大於其就位後或結構成型後的變形。

基於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,在虛擬環境中建立周圍場景、結構構件和機械設備的三維CAD模型(虛擬模型),形成具有壹定功能的計算機仿真系統,使系統中的模型具有動態性能,以虛擬的方式在系統中裝配模型,並根據虛擬裝配的結果在人機交互的可視化環境中修改施工方案。復雜結構施工涉及的因素很多,如吊車的布置位置和高度、纜風繩重心的選擇、構件堆場的位置、吊車的運行路線、構件的吊裝路線等。,所有這些都必須在施工方案設計中加以考慮。如果對這些問題考慮不夠,就會影響工程建設的進度和成本,甚至導致安全事故。

建築結構施工前,往往需要對施工方案的受力狀態進行檢查。比如大跨度空間結構的施工,不僅要考慮施工過程的安全性和可行性,還要考慮施工過程中結構本身的安全性和可靠性。某會展中心,鋼屋蓋支撐在鋼桅桿上,桅桿兩端呈錐形,與下部混凝土結構鉸接。為了減小鋼桁架的變形和保持結構的穩定性,在鋼屋架和混凝土之間采用了壹系列的斜拉索(前拉索、後拉索和穩定拉索)和撐桿來形成穩定的結構體系。在鋼結構施工中,不同的支撐方案和不同的拼接方案會在結構的不同部位造成不同的影響,並且隨著連桿的安裝,這些施工階段的應力會留在結構部位,影響最終的結構受力安全;而且在結構就位的過程中,可能會出現不穩定和變形。這需要對施工過程進行準確的分析。利用虛擬現實技術,我們可以在短時間內對不同的方案進行大量的分析,從而保證施工方案的優化。

(2)在工程投標中的應用。

建築業是我國的支柱產業,建築市場的過度競爭已經是長期的事實。業主在現代建設項目的運作中處於絕對有利的地位。在有限的時間內,如何讓業主和評標專家充分了解招標文件的編制和認可,直接關系到承包商是否有機會中標。因此,承包商不僅註重招標文件的技術可行性和合理報價,還非常註重招標文件的包裝。尤其是大型項目、國家重點項目、國際項目,這方面的運作往往在項目策劃階段就已經開始[4]。

借助虛擬仿真系統,展示無法預覽的施工過程和方法,不僅節省了時間和建設投資,而且無需項目經理現場答辯,方案優劣壹目了然。這無疑大大增加了承包商中標的幾率。

(3)在視覺計算領域的應用

視覺計算將是未來的壹個重要發展方向。在科學研究中,人們會遇到大量的數據。為了從中得出有價值的規律和結論,需要對海量的數據進行仔細的分析。科學計算得到的數據可以進行可視化處理或以三維圖形顯示,通過交互改變參數可以觀察到計算結果及其變化的全貌,從而實現參數化、可視化計算,虛擬現實技術得到了突飛猛進的發展。

用有限元法分析結構時,可以利用虛擬現實技術,通過顏色的深淺給出三維物體中各點的受力情況,用不同的顏色表示不同的等壓面;也可以隨意改變角度,從任何壹點觀察。還可以利用VR的交互性能,實時修改各種數據,從而比較各種方案和結果。這使得工程師的思維更直觀,概念更容易理解。將可視化計算技術應用於超大型復雜結構的設計、工程控制和結構分析,將增強計算軟件的前後處理能力。比如在橋梁工程控制和結構分析的可視化計算中,反向(拆除)分析結構的動態演示,結構理想施工線型的顯示,施工階段主梁質心的設計曲線和實測擬合曲線的顯示,正向分支橋梁結構拼裝的動態演示,施工預測的圖形顯示,主梁內力圖的顯示,危險截面應力分布圖的顯示等等。更重要的是,它可以借助圖形或圖像動態控制結構的重分析和獲取施工控制數據,同時可以實時動態演示和控制設計和施工過程。

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