摘要:虛擬現實技術是綜合性極強的高新信息技術,研究了虛擬現實技術在土木工程、建筑工程中的應用,具體在成果演示和驗證、科學研究、計算機輔助設計、計算機輔助教學、可視化計算等領域進行了探索,并取得一些相應的成果。

　　關鍵詞:土木工程;建筑學;虛擬現實技術;VRML

　　虛擬現實(VirtualReality,VR),也稱為靈境,是一種可以創建和體驗虛擬世界(VirtualWorld)的計算機系統,可以形成一種“人能沉浸其中、超越其上、進出自如、交互作用的多維信息空間”[1]。VR技術利用計算機生成的交互式三維環境,不僅使參與者能夠感到景物或模型十分逼真地存在,而且能對參與者的運動和操作做出實時準確的響應。虛擬現實技術是綜合性極強的高新信息技術,在軍事、醫學、設計、藝術、娛樂等很多領域都得到了廣泛的應用。土木、建筑工程中的虛擬現實技術涉及土木、建筑工程領域的各個學科,已顯示出一定的實用性,技術潛力十分巨大,應用前景非常廣闊[2]。

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　　1虛擬現實技術簡介

　　VR技術的出現最早可追朔到VRML(VirtualRealityModelingLanguage),即虛擬現實建模語言(1994年)VRML規范支持紋理映射、全景背景、霧、視頻、音頻、對象運動和碰撞檢測———一切用于建立虛擬世界的所具有的東西。但VRML沒有得到預期的推廣運用,因為以當時的計算機技術及網絡傳輸能力,VRML無法得到實質上的運用。2000年,完成了VRML到X3D的轉換。X3D整合正在發展的XML、JAVA、流技術等先進技術,包括了更強大、更高效的3D計算能力、渲染質量和傳輸速度[3]。目前,具有代表性的VR技術有:VRML,Anfy3D(Java3d),Cult3d,Viewpoint,Pulse3D,SVG,Shout3D,Blaxxun3D,Shockwave3D,AtmosphereB3D等。這些直接為在土木、建筑工程中運用VR技術提供了工具,而結合正在發展的XML、JAVA、流技術等先進技術,可以實現參數化和可視化計算。

　　2土木、建筑工程中虛擬現實技術的應用

　　虛擬現實中的景物可以是真實物體的模型,如還沒施工的房屋、正在設計中的工廠或產品的工程模型;可以是現實中看不到的抽象模型,如分子結構等三維模型表示。它們都利用了現實世界中存在的數據,將計算機產生的電子信號,通過多種輸出設備轉換成能夠被人類感覺器官所感知的各種物理現象,如光波、聲波、力等,使人感受到虛擬境界的存在。人們常說“百聞不如一見”,“一圖抵千言”,VR技術帶給我們的不僅僅是“一見”、“一幅圖”,而是具有真實感的序列立體圖像,大大方便讀者和觀眾對于對象的認識和理解。

　　3研究與應用實例

　　從1997年以來,我們結合實際科研課題及工程項目,運用計算機多媒體技術及虛擬現實技術開展工作,進行了一些探索。

　　3.1成果演示和驗證

　　在洞庭湖大橋景觀設計(圖1)中,我們運用3D技術,制作結合當地地形、景觀和交通條件的三維模型、三維動畫,建立初步的漫游虛擬現實系統。在該虛擬場景中,人可以通過操縱鼠標實現漫步大堤的模擬效果,在電腦屏幕上體驗移步換景的感受,而所觀察的景物實際上還未建成;還可以如玩電腦賽車游戲一般驅車通過該橋,車窗外的風景實際上是在3D中建成的模型加上一些后期處理以后所呈現的某些側面形象。這些“電腦特效”在展示設計成果、改善設計等方面十分直觀,從而起到了比較重要的作用。但當時還只能從一些固定的視點、角度來觀察橋的形象,得到類似大橋建成后的感受。這主要是受當時計算技術及計算機條件所限,1997年的虛擬現實技術還很不成熟。圖1洞庭湖大橋景觀設計———大堤一景(左圖)與橋上景觀大型公共建筑項目或重要建筑、城市規劃、城市交通規劃設計方案等都需要先期演示、驗證。利用虛擬現實的先期演示和論證技術,可模擬以真實的角度甚至任意角度去觀察新技術的預演,避免了風險,提高了成功率,同時也節省了不必要的浪費。

　　3.2科學研究(模擬仿真)

　　1998年以后,我們在土木、建筑工程的科研中開始探索運用虛擬現實技術。例1:交錯桁架體系三維模型。結構設計方案可以采用三維建模的方法直觀、形象地展示出來。我們在建設部科研攻關項目“高層鋼結構交錯桁架住宅體系的關鍵技術研究”中建立了相關結構模型,用于成果演示和技術驗證。在此基礎上,進行了施工過程仿真分析。鋼結構交錯桁架體系是一種新型的結構體系,目前尚處于研究階段。由于該體系結構關系復雜,空59第1期嚴鈞,劉永健:虛擬現實技術在土木建筑工程中的應用研究大型公共建筑項目或重要建筑、城市規劃、城市交通規劃設計方案等都需要先期演示、驗證。利用虛擬現實的先期演示和論證技術,可模擬以真實的角度甚至任意角度去觀察新技術的預演,避免了風險,提高了成功率,同時也節省了不必要的浪費。

　　3.2科學研究(模擬仿真)

　　1998年以后,我們在土木、建筑工程的科研中開始探索運用虛擬現實技術。例1:交錯桁架體系三維模型。結構設計方案可以采用三維建模的方法直觀、形象地展示出來。我們在建設部科研攻關項目“高層鋼結構交錯桁架住宅體系的關鍵技術研究”中建立了相關結構模型,用于成果演示和技術驗證。在此基礎上,進行了施工過程仿真分析。

　　3.3計算機輔助設計

　　在建筑設計、景觀設計、交通規劃等領域,目前表現手段主要是二維圖片(效果圖),若利用虛擬現實技術,則能讓用戶產生一種身臨其境“人在畫中游”的感覺,設計將更加科學合理。目前的CAD系統大都建立在繪圖支撐軟件的基礎上,繪圖與分析計算是分開的。繪圖單純就是繪圖,CAD成了ComputerAidedDrawing,而不是ComputerAidedDesign。將虛擬現實技術應用于集成化CAD系統中,能夠實現較理想的繪圖與結構計算一體化。結構、設備等各方的協調———這一設計中的棘手問題,如采用VR集成CAD系統,可以得到很好的解決,各方同時設計,在設計過程中遇見沖突可隨時協調。

　　3.4計算機輔助教學

　　計算機輔助教學(CAI)的引入,彌補了傳統教學不能達到的許多方面。在表現空間立體化的知識,如施工裝配、空間構成時,三維的展現形式必然使學習過程形象化,學生更容易接受和掌握。使用具有交互功能的3D課件,傳統的土木、建筑工程中的驗證性實驗可以用虛擬的實驗代替,如斗拱的裝配過程,見圖9。

　　4結語

　　綜上所述,虛擬現實技術是一項新興的技術,還有很多不完善的地方。這就需要我們為之作出艱苦的努力,進行深入的探索與研究。虛擬現實技術在土木建筑業中有著廣闊的應用前景,將帶給我們一片嶄新的天地。

　　參考文獻:

　　[1]唐錦春,婁常青.展望21世紀土木工程設計中計算機技術的應用[J].工程設計CAD及自動化,1998(4).

　　[2]張躍.土木工程中的虛擬現實技術[N].科技日報,1997年6月23日.

　　[3]楊寶民,朱一寧.分布式虛擬現實技術及其應用[M].北京:科學出版社,2

　　嚴鈞,劉永健