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

　　關(guān)鍵詞：虛擬現實(shí)技術(shù)土木工程可視化計算

　　一、引言

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟的穩步增長(cháng)和基礎建設規模的加入，建設項目的規模越來(lái)越大、結構形式日益復雜，對土木工程學(xué)科管理的科學(xué)性、精確性要求越來(lái)越高。實(shí)現土木工程的信息化、智能化、可視化和集成化成為土木建筑工程項目管理現代化的要求和本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。虛擬現實(shí)技術(shù)(VirtualReality,VR)是綜合性與集成性極強的高新技術(shù)，在軍事、醫學(xué)、設計、藝術(shù)、娛樂(lè )等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。土木工程中的虛擬現實(shí)技術(shù)涉及土木工程領(lǐng)域的各個(gè)學(xué)科，已顯示出一定的實(shí)用性，技術(shù)潛力十分巨大，應用前景非常廣闊[1]。

　　二、虛擬現實(shí)技術(shù)及其特點(diǎn)

　　虛擬現實(shí)技術(shù)，又稱(chēng)靈境技術(shù)，是20世紀末興起的一門(mén)嶄新的綜合性信息技術(shù)。它融合了數字圖像處理、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支，大大推進(jìn)了計算機技術(shù)的發(fā)展。VR技術(shù)是把抽象、復雜的計算機數據空間轉化為直觀(guān)的、用戶(hù)熟悉的事物。它的技術(shù)實(shí)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的，并非是真實(shí)的，但當用戶(hù)進(jìn)入這一局部世界時(shí)，在感覺(jué)上與現實(shí)世界卻是基本相同的。因此，虛擬現實(shí)技術(shù)改變了人與計算機之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現狀，給用戶(hù)提供了一個(gè)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(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對象變化與相互作用的三維圖像世界，在視、聽(tīng)、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，仿佛置身于現實(shí)世界中。一個(gè)身臨其境的虛擬環(huán)境系統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(yǔ)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等不同功能、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(huán)境。所以，虛擬現實(shí)技術(shù)是綜合性極強的高新信息技術(shù)。虛擬現實(shí)技術(shù)具備以下三個(gè)方面的特性。

　　1．沉浸性

　　虛擬現實(shí)技術(shù)是根據人類(lèi)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的生理心理特點(diǎn)，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據手套等交互設備，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，就如同在現實(shí)世界中的一樣，一切感覺(jué)都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺(jué)。

　　2．交互性

　　虛擬現實(shí)系統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(pán)、鼠標進(jìn)行交互，而且能夠通過(guò)特殊頭盔、數據手套等傳感設備進(jìn)行交互。使用者通過(guò)自身的語(yǔ)言、身體運動(dòng)或動(dòng)作等自然技能，就能對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行考察或操作。

　　3．多感知性

　　由于虛擬現實(shí)系統中裝有視、聽(tīng)、觸、動(dòng)覺(jué)的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等多種感知，從而達到身臨其境的感受。

　　三、虛擬現實(shí)技術(shù)在土木工程中的應用

　　1．虛擬現實(shí)技術(shù)在土木工程中的應用前景

　　在土木工程中，長(cháng)期以來(lái)人們不得不用抽象的概念表示非常豐富的內容，如用平面圖、剖面圖、立面圖等平面圖形成一些規定的符號來(lái)表示三維的立體建筑，用比較抽象的圖形和精練的語(yǔ)言來(lái)描述復雜的場(chǎng)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)、知識結構及理解能力的影響，交流起來(lái)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。用虛擬現實(shí)既能表示真實(shí)的世界，也可以表示虛擬的世界。表示真實(shí)世界時(shí)，可以突破物理空間和時(shí)間的約束，做到能“超越現實(shí)”；在表示虛擬世界時(shí)，又能使其中的虛擬物體表示出三維逼真感，以達到身臨其境的感受，最后形成一種“人能沉浸其中、超越其上、進(jìn)出自如、交互作用的三維信息空間”。VR技術(shù)為用戶(hù)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(dòng)和操作做出實(shí)時(shí)準確的響應。

　　2．虛擬現實(shí)技術(shù)在土木工程中的應用領(lǐng)域

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

　�。�1）在虛擬施工過(guò)程和施工結構計算中的應用[3]

　　在實(shí)際工程施工中，復雜結構施工方案設計和施工結構計算是一個(gè)難度較大的問(wèn)題，前者難點(diǎn)關(guān)鍵就在于施工現場(chǎng)的結構構件及機械設備間的空間關(guān)系的表達；后者在于施工結構在施工狀態(tài)和荷載下的變形大于就位以后或結構成型以后。

　　基于虛擬現實(shí)的復雜結構施工方案設計是指利用虛擬現實(shí)技術(shù)，在虛擬的環(huán)境中，建立周?chē)鷪?chǎng)景、結構構件及機械設備等的三維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，讓系統中的模型具有動(dòng)態(tài)性能，并對系統中的模型進(jìn)行虛擬裝配，根據虛擬裝配的結果，在人機交互的可視化環(huán)境中對施工方案進(jìn)行修改。復雜結構施工涉及的因素較多，起重機的布置位置、高度，纜風(fēng)繩著(zhù)力點(diǎn)的選擇，構件堆場(chǎng)的位置，起重機的開(kāi)行路線(xiàn)，構件起吊路線(xiàn)等，都是施工方案設計必須考慮的問(wèn)題。若對這些問(wèn)題考慮得不夠，則工程施工的進(jìn)度、成本等都會(huì )受到影響，甚至導致安全事故的發(fā)生。

　　建筑結構施工前往往要對施工方案進(jìn)行受力狀態(tài)復核。如在大跨空間結構施工中，不僅要考慮施工過(guò)程的安全性、可行性，還要考慮結構本身在施工過(guò)程中安全性、可靠性。某展覽中心，鋼結構屋蓋支承在鋼桅桿上，桅桿兩端為錐形，與下部混凝土結構鉸結。為了減小鋼桁架的變形，更為了維持結構的穩定，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、穩定索)和撐桿，形成一個(gè)穩定的結構體系。在鋼結構的施工中，不同的支撐方案、不同的拼接方案，在結構的不同部位會(huì )引起不同的效應，而隨著(zhù)連接桿件的安裝，這些施工階段的應力將殘余在結構部位上，并影響到最終的結構受力安全性；并在結構就位過(guò)程中，有可能失穩和變形。這就需要進(jìn)行施工過(guò)程的精確分析。用虛擬現實(shí)技術(shù)可以對不同的方案，在短時(shí)間內做大量的分析，從而保證施工方案最優(yōu)化。

　�。�2）在工程項目招標投標中的應用

　　建筑業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，建筑市場(chǎng)的過(guò)度競爭已是長(cháng)期的事實(shí)�，F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(shí)間內，如何使業(yè)主和評標的專(zhuān)家很好地了解招投標文件的編制和被認可的程度直接關(guān)系到承包商有沒(méi)有中標的機會(huì )。因此，承包商在注重投標文件的技術(shù)可行、報價(jià)合理的同時(shí)，也非常注重投標文件的包裝。尤其是大型工程、國家重點(diǎn)工程和國際工程的招標投標，往往在項目企劃階段就已經(jīng)開(kāi)始這方面的運作[4]。

　　借助虛擬仿真系統，把不能預演的施工過(guò)程和方法表現出來(lái)，不僅節省了時(shí)間和建設投資，而且不用項目經(jīng)理的現場(chǎng)答辯，方案的優(yōu)劣就一目了然。這無(wú)疑大大增加了承包商中標的幾率。

　�。�3）在可視化計算領(lǐng)域的應用

　　可視化計算將是今后一個(gè)重要的發(fā)展方向。在科研中，人們會(huì )遇到大量數據，為從中得出有價(jià)值的規律和結論，需要對龐大的數據量進(jìn)行認真分析。對科學(xué)計算取得的數據進(jìn)行可視化加工或三維圖形顯示，可通過(guò)交互改變參數來(lái)觀(guān)察計算結果的全貌及其變化，實(shí)現參數化及可視化計算，虛擬現實(shí)技術(shù)產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展。

　　在運用有限元法進(jìn)行結構分析時(shí)，利用虛擬現實(shí)技術(shù)則可以通過(guò)顏色的深淺給出三維物體中各點(diǎn)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(diǎn)去觀(guān)察。還可以利用VR的交互性能，實(shí)時(shí)修改各種數據，以便對各種方案及結果進(jìn)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)應用于超大型復雜結構的設計、工程控制和結構分析中，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構分析的可視化計算中，倒退(拆)分析結構倒拆動(dòng)態(tài)演示、結構理想施工線(xiàn)型顯示、施工階段主梁形心線(xiàn)的設計曲線(xiàn)和實(shí)測擬合曲線(xiàn)的顯示、前進(jìn)分橋結構拼裝動(dòng)態(tài)演示、施工預告圖形顯示、主梁內力圖顯示、危險截面應力分布圖顯示等等。更重要的是能借助圖形或圖像來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地控制結構的重分析和獲取施工控制數據，同時(shí)能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演示和控制設計和施工的過(guò)程。

　　四、結語(yǔ)

　　虛擬現實(shí)技術(shù)在不斷發(fā)展，專(zhuān)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化建模算法等可使虛擬現實(shí)技術(shù)更加成熟。目前，虛擬現實(shí)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，我們應努力建設虛擬現實(shí)技術(shù)實(shí)驗室，開(kāi)發(fā)有價(jià)值的虛擬現實(shí)工程系統，使其在工程設計、施工、管理和可視化計算等方面得到更廣泛的應用。

　　參考文獻

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

　　[2]沈金良．虛擬現實(shí)技術(shù)在工程設計中的應用[J]．科技交流，2004，(3)．

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

　　[4]張金序．施工技術(shù)[J]．多媒體技術(shù)在建筑工程投標中的應用．