虚拟现实技术在土木建筑工程中的应用研究

　　摘要:虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术,研究了虚拟现实技术在土木工程、建筑工程中的应用,具体在成果演示和验证、科学研究、计算机辅助设计、计算机辅助教学、可视化计算等领域进行了探索,并取得一些相应的成果。

　　关键词:土木工程;建筑学;虚拟现实技术;VRML

　　虚拟现实(VirtualReality,VR),也称为灵境,是一种可以创建和体验虚拟世界(VirtualWorld)的计算机系统,可以形成一种“人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的多维信息空间”[1]。VR技术利用计算机生成的交互式三维环境,不仅使参与者能够感到景物或模型十分逼真地存在,而且能对参与者的运动和操作做出实时准确的响应。虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术,在军事、医学、设计、艺术、娱乐等很多领域都得到了广泛的应用。土木、建筑工程中的虚拟现实技术涉及土木、建筑工程领域的各个学科,已显示出一定的实用性,技术潜力十分巨大,应用前景非常广阔[2]。

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　　1虚拟现实技术简介

　　VR技术的出现最早可追朔到VRML(VirtualRealityModelingLanguage),即虚拟现实建模语言(1994年)VRML规范支持纹理映射、全景背景、雾、视频、音频、对象运动和碰撞检测———一切用于建立虚拟世界的所具有的东西。但VRML没有得到预期的推广运用,因为以当时的计算机技术及网络传输能力,VRML无法得到实质上的运用。2000年,完成了VRML到X3D的转换。X3D整合正在发展的XML、JAVA、流技术等先进技术,包括了更强大、更高效的3D计算能力、渲染质量和传输速度[3]。目前,具有代表性的VR技术有:VRML,Anfy3D(Java3d),Cult3d,Viewpoint,Pulse3D,SVG,Shout3D,Blaxxun3D,Shockwave3D,AtmosphereB3D等。这些直接为在土木、建筑工程中运用VR技术提供了工具,而结合正在发展的XML、JAVA、流技术等先进技术,可以实现参数化和可视化计算。

　　2土木、建筑工程中虚拟现实技术的应用

　　虚拟现实中的景物可以是真实物体的模型,如还没施工的房屋、正在设计中的工厂或产品的工程模型;可以是现实中看不到的抽象模型,如分子结构等三维模型表示。它们都利用了现实世界中存在的数据,将计算机产生的电子信号,通过多种输出设备转换成能够被人类感觉器官所感知的各种物理现象,如光波、声波、力等,使人感受到虚拟境界的存在。人们常说“百闻不如一见”,“一图抵千言”,VR技术带给我们的不仅仅是“一见”、“一幅图”,而是具有真实感的序列立体图像,大大方便读者和观众对于对象的认识和理解。

　　3研究与应用实例

　　从1997年以来,我们结合实际科研课题及工程项目,运用计算机多媒体技术及虚拟现实技术开展工作,进行了一些探索。

　　3.1成果演示和验证

　　在洞庭湖大桥景观设计(图1)中,我们运用3D技术,制作结合当地地形、景观和交通条件的三维模型、三维动画,建立初步的漫游虚拟现实系统。在该虚拟场景中,人可以通过操纵鼠标实现漫步大堤的模拟效果,在电脑屏幕上体验移步换景的感受,而所观察的景物实际上还未建成;还可以如玩电脑赛车游戏一般驱车通过该桥,车窗外的风景实际上是在3D中建成的模型加上一些后期处理以后所呈现的某些侧面形象。这些“电脑特效”在展示设计成果、改善设计等方面十分直观,从而起到了比较重要的作用。但当时还只能从一些固定的视点、角度来观察桥的形象,得到类似大桥建成后的感受。这主要是受当时计算技术及计算机条件所限,1997年的虚拟现实技术还很不成熟。图1洞庭湖大桥景观设计———大堤一景(左图)与桥上景观大型公共建筑项目或重要建筑、城市规划、城市交通规划设计方案等都需要先期演示、验证。利用虚拟现实的先期演示和论证技术,可模拟以真实的角度甚至任意角度去观察新技术的预演,避免了风险,提高了成功率,同时也节省了不必要的浪费。

　　3.2科学研究(模拟仿真)

　　1998年以后,我们在土木、建筑工程的科研中开始探索运用虚拟现实技术。例1:交错桁架体系三维模型。结构设计方案可以采用三维建模的方法直观、形象地展示出来。我们在建设部科研攻关项目“高层钢结构交错桁架住宅体系的关键技术研究”中建立了相关结构模型,用于成果演示和技术验证。在此基础上,进行了施工过程仿真分析。钢结构交错桁架体系是一种新型的结构体系,目前尚处于研究阶段。由于该体系结构关系复杂,空59第1期严钧,刘永健:虚拟现实技术在土木建筑工程中的应用研究大型公共建筑项目或重要建筑、城市规划、城市交通规划设计方案等都需要先期演示、验证。利用虚拟现实的先期演示和论证技术,可模拟以真实的角度甚至任意角度去观察新技术的预演,避免了风险,提高了成功率,同时也节省了不必要的浪费。

　　3.2科学研究(模拟仿真)

　　1998年以后,我们在土木、建筑工程的科研中开始探索运用虚拟现实技术。例1:交错桁架体系三维模型。结构设计方案可以采用三维建模的方法直观、形象地展示出来。我们在建设部科研攻关项目“高层钢结构交错桁架住宅体系的关键技术研究”中建立了相关结构模型,用于成果演示和技术验证。在此基础上,进行了施工过程仿真分析。

　　3.3计算机辅助设计

　　在建筑设计、景观设计、交通规划等领域,目前表现手段主要是二维图片(效果图),若利用虚拟现实技术,则能让用户产生一种身临其境“人在画中游”的感觉,设计将更加科学合理。目前的CAD系统大都建立在绘图支撑软件的基础上,绘图与分析计算是分开的。绘图单纯就是绘图,CAD成了ComputerAidedDrawing,而不是ComputerAidedDesign。将虚拟现实技术应用于集成化CAD系统中,能够实现较理想的绘图与结构计算一体化。结构、设备等各方的协调———这一设计中的棘手问题,如采用VR集成CAD系统,可以得到很好的解决,各方同时设计,在设计过程中遇见冲突可随时协调。

　　3.4计算机辅助教学

　　计算机辅助教学(CAI)的引入,弥补了传统教学不能达到的许多方面。在表现空间立体化的知识,如施工装配、空间构成时,三维的展现形式必然使学习过程形象化,学生更容易接受和掌握。使用具有交互功能的3D课件,传统的土木、建筑工程中的验证性实验可以用虚拟的实验代替,如斗拱的装配过程,见图9。

　　4结语

　　综上所述,虚拟现实技术是一项新兴的技术,还有很多不完善的地方。这就需要我们为之作出艰苦的努力,进行深入的探索与研究。虚拟现实技术在土木建筑业中有着广阔的应用前景,将带给我们一片崭新的天地。

　　参考文献:

　　[1]唐锦春,娄常青.展望21世纪土木工程设计中计算机技术的应用[J].工程设计CAD及自动化,1998(4).

　　[2]张跃.土木工程中的虚拟现实技术[N].科技日报,1997年6月23日.

　　[3]杨宝民,朱一宁.分布式虚拟现实技术及其应用[M].北京:科学出版社,2

　　严钧,刘永健

《虚拟现实技术在土木建筑工程中的应用研究》

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