论虚拟现实技术在土木工程中的应用

摘要：随着我国经济的稳步增长和基础建设规模的投入，建设项目的规模越来越大、结构形式日益复杂，对土木工程学科管理的科学性、精确性要求越来越高，实现土木工程的信息化、智能化、可视化和集成化成为土木建筑工程项目管理现代化的要求和本领域的研究热点。阐明在土木工程中，利用虚拟施工过程和施工结构计算、工程项目招标投标、可视化计算领域的重要应用，并指出其发展的前景。

关键词：虚拟现实技术；土木工程；应用

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

一、引言

虚拟现实技术(Virtual Reality, VR)是一项集成性极高的高新信息技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了广泛的应用。土木工程中的虚拟现实技术涉及土木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[1]。

现代土木工程的特点就是适应各类工程建设高速发展的要求，人们需要建造大规模、大跨度、高耸、轻型、大型、精密设备现代化的建筑物，既要求高质量和快速施工，又要求高经济效益。这就向土木工程提出新的课题，并推动土木工程这门学科前进。它的发展趋向具体地表现在下述几个方面：建筑材料方面、工程地质和地基方面、工程规划方面、工程设计方面、工程施工方面等等。

二、虚拟现实技术及其特点

虚拟现实技术，又称灵境技术，是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，大大推进了计算机技术的发展。VR技术是把抽象、复杂的计算机数据空间转化为直观的、用户熟悉的事物。一个身临其境的虚拟环境系统是由包括计算机图形学、图象处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音像技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环境。所以，虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术。虚拟现实技术具备以下三个方面的特性。

1．沉浸性

虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。

2．交互性

虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。

3．多感知性

由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。

三、虚拟现实技术在土木工程中的应用

1．虚拟现实技术在土木工程中的应用前景

在土木工程中，长期以来人们不得不用抽象的概念表示非常丰富的内容，VR技术可以在应用如下：虚拟现实技术在仿真建模中的应用、建筑CAD中的虚拟现实技术、建筑结构设计与施工过程的可视化计算、建筑设计与施工的先期技术成果演示和验证技术、建筑机器人中的VR技术、虚拟现实技术与建筑技术成果结构艺术等等。

2．虚拟现实技术在土木工程中的应用领域

由于具有上述的优势特征，虚拟现实技术在土木工程中得到了广泛的应用，并且具有广阔的应用前景。现阶段，虚拟现实技术在土木工程中的应用主要有以下几个方面[2]：

（1）在虚拟施工过程和施工结构计算中的应用

在实际工程施工中，复杂结构施工方案设计和施工结构计算是一个难度较大的问题，基于虚拟现实的复杂结构施工方案设计是指利用虚拟现实技术，在虚拟的环境中，建立周围场景、结构构件及机械设备等的三维CAD模型（虚拟模型），形成基于计算机的具有一定功能的仿真系统，让系统中的模型具有动态性能，并对系统中的模型进行虚拟装配，根据虚拟装配的结果，在人机交互的可视化环境中对施工方案进行修改。用虚拟现实技术可以对不同的方案，在短时间内做大量的分析，从而保证施工方案最优化。

（2）在工程项目招标投标中的应用

现代建筑工程项目的运作，业主处于绝对有利的地位。在有限的时间内，如何使业主和评标的专家很好地了解招投标文件的编制和被认可的程度直接关系到承包商有没有中标的机会。因此，承包商在注重投标文件的技术可行、报价合理的同时，也非常注重投标文件的包装 [3]。借助虚拟仿真系统，把不能预演的施工过程和方法表现出来，不仅节省了时间和建设投资，而且不用项目经理的现场答辩，方案的优劣就一目了然，这无疑大大增加了承包商中标的几率。

（3）在可视化计算领域的应用

可视化计算将是今后一个重要的发展方向。在科研中，人们会遇到大量数据，为从中得出有价值的规律和结论，需要对庞大的数据量进行认真分析。对科学计算取得的数据进行可视化加工或三维图形显示，可通过交互改变参数来观察计算结果的全貌及其变化，实现参数化及可视化计算，虚拟现实技术产生了飞跃式的发展。更重要的是能借助图形或图像来进行实时动态地控制结构的重分析和获取施工控制数据，同时能实时动态演示和控制设计和施工的过程。

四、土木工程仿真分析解决方案

针对土木工程领域的应用需求，提供了如下解决方案。

1.计算机辅助设计（Computer Aided Design）

无论是结构CAD软件，还是建筑CAD软件，都需要不断地和用户进行交互，因此对噪声的控制要非常好；同时各种设计图形和三维模型要在屏幕上进行实时的显示、平移、旋转、缩放等，对计算机的图形处理能力有比较高的要求；而要完成三维图形的实时渲染，对处理器的计算能力也是一个考验。针对计算机辅助设计的需求，高性能图形工作站是一种比较好的解决方式，其特点噪音污染低，图形处理能力高，PU处理能力强。

2.计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）

计算机辅助工程软件一般都是基于有限元方法，普通工作站已无法满足日益增长的计算需求，必须采用高性能服务器。集群可以说是目前性价比最好的CAE高性能计算解决方案。针对计算机辅助工程的需求，作为机架式服务器集群的升级产品，刀片式服务器拥有计算能力强、计算密度高、通用性好、整体功耗低、管理维护简单等诸多优势。

3.虚拟现实（Virtual Reality）

虚拟现实对计算机的要求和CAD基本一致，但是VR技术对计算机的计算能力和图形处理能力提出了更高的要求，采用单台服务器已经无法满足实时计算和渲染的需要。必须采用高性能集群系统，集成多台服务器的处理能力，才能满足要求。整个解决方案主要包括多台高性能图形工作站，1台硬件图形融合校正器，多台投影仪。这个方案不仅适用于虚拟现实仿真环境，对CAD设计的虚拟展示、科学计算数据的可视化等，均能起到良好的呈现效果。

五、结论

虚拟现实技术在不断发展，专用于计算机图形和多媒体信息处理的高性能DSP芯片可使处理能力提高上百倍，三维图形算法和参数化建模算法等可使虚拟现实技术更加成熟。目前，虚拟现实技术还有很多不完善的地方，尤其在土木工程的研究方面，我们应努力建设虚拟现实技术实验室，开发有价值的虚拟现实工程系统，使其在工程设计、施工、管理和可视化计算等方面得到更广泛的应用。

六、参考文献

[1] 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．

[2] 沈金良．虚拟现实技术在工程设计中的应用[J]．科技交流，2004，(3)．

[3] 谢行浩．建筑工程系统仿真[M]．北京：科学出版社，2001. 25- 37．