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1、土木工程中的虚拟现实技术 经济和技术的高速发展为土木工程科技提供了优良的发展环境。目前，土木工程领域信息化与集成环境的研究与技术竞争已经在全球展开。虚拟现实技术是综合性与集成性极强的高新技术，在航空航天、军事、医学、设计、艺术、文化娱乐等多个领域都得到了广泛的应用。 对建立用户户能够沉侵其其中、超越其其上、自如时时实交互的多多维信息系统统的追求，推推动了虚拟现现实技术在土土木工程中发发展和应用。土土木工程中的的虚拟现实技技术涉及土木木工程领域的的各个学科，现现已显示出一一定的实用性性，技术潜力力十分巨大，应应用前景非常常广阔。本文文将从下列66个方面，介介绍土木工程程中虚拟现实实技术的研究究现
2、状和发展展前景。 1土木工工程仿真建模模中的虚拟现现实技术：包包括抗灾与防防灾的模拟仿仿真系统；岩岩土工程中的的模拟仿真系系统；项目管管理系统；投投标决策系统统；工程结构构分析的模拟拟仿真系统；施工过程的的模拟仿真系系统；土木工工程中的专家家系统与仿真真系统的集成成等；2建筑CAD中的的虚拟现实技技术：包括城城市规划、工工程项目规划划；建筑设计计与结构设计计；项目管理理；室内装饰饰；建筑机械械设计等；3建筑、结结构设计与施施工过程的可可视化计算：包括建筑设设计与结构设设计的可视化化计算；建筑筑物、大型结结构的风洞试试验的可视化化计算；结构构有限元分析析的可视化计计算；施工过过程模拟的可可视化计
3、算等等；4建筑、结结构设计与施施工的先期技技术成果演示示和验证技术术：包括大型型的公共建筑筑项目或比较较重要的建筑筑(如车站、新新机场、桥梁梁、港口、大大坝、核电站站等大型工程程)、城市规规划设计方案案、城市交通通布局设计方方案、建筑物物室内设计、布布置和装饰效效果的先期演演示、验证；建筑设计成成果、结构设设计成果的先先期演示、验验证等；5建筑机机器人中的虚虚拟现实技术术：包括表面面修整机器人人；隧道工程程用机器人；挖掘用机器器人；组装机机器人；检查查用机器人；放射性混凝凝土切割机器器人等；6建筑、结结构艺术与虚虚拟现实技术术。1引言 我国是一个个发展中的国国家，有大量量繁重的基本本建设任务。
4、人人口城市化已已成为不可逆逆的总趋势，而而人口城市化化的比例已成成为衡量一个个国家经济发发展水平的一一个重要指标标。我国目前前的城市人口口约占总人口口的26.44%左右; 估计到20000年，全全国城市将发发展到5800个左右，城城市人口可达达到33%。据据统计资料，一一个发展中国国家的城市人人口达到300%左右时，整整个国家的经经济会有一个个飞跃。依据据这个规律，我我国在本世纪纪末将会出现现国民经济的的大飞跃，预预计到20220年，全国国城市将会发发展到11000个左右，城城市人口可达达到50%。考考虑到我国的的总人数和四四化建设的规规模，应该说说我们正从事事的是世界上上最大规模的的基本建设
5、，而而且正处在一一个经济大飞飞跃的前夕。这这种发展将为为土木工程各各学科提供优优良的发展环环境。这一优优势，甚至西西方国家目前前也不具备。这这一大好形势势为我国土木木工程科技工工作者提供了了空前难得的的向国际水平平冲击的良好好机遇，同时时，如何把握握住世纪之交交时土木工程程学科的发展展趋势，开创创土木工程学学科的新纪元元，是对我们们这些跨世纪纪一代人的严严峻挑战。在上述形势势下，开创土土木工程高新新技术的信息息化与集成环环境的新纪元元的研究与技技术竞争已经经开始，谁先先成功地掌握握和运用土木木工程高新技技术的信息化化与集成环境境技术，谁就就能在国民经经济支柱产业业建筑业的的国际竞争和和土木工程
6、学学科的发展中中取得优势。作作为土木工程程科技工作者者，我们深受受这一大好形形势的鼓舞，非非常强烈地感感受到了信息息时代对各个个学科、特别别是对土木工工程学科发展展所带来的迅迅猛冲击。感感到与其被动动地等待信息息革命的浪潮潮扑来，不如如因势利导、冲冲在信息革命命浪潮的风口口浪尖上，积积极主动地推推动中国土木木工程的信息息化与集成化化。我们应当当抓住当前这这一大好时机机，组织全国国的科研力量量，投入人力力和物力，研研究与开发土土木工程的高高新技术，以以促进我国土土木工程学科科和建筑业的的发展。我们们在这里介绍绍的虚拟现实实技术就是土土木工程高新新技术的其中中之一。虚拟现实(Virtuual Re
7、ealityyVR)，有有时也称为灵灵境，是一种种可以创建和和体验虚拟世世界(Virrtual Worldd)的计算机机系统。虚拟拟世界是全体体虚拟环境(Virtuual Ennvironnment)或给定仿真真对象的全体体。虚拟环境境是由计算机机生成的，通通过视、听、触触觉等作用于于用户，使之之产生身临其其境的感觉的的交互式视景景仿真，因而而一个身临其其境的虚拟环环境系统是由由包括计算机机图形学、图图象处理与模模式识别、智智能接口技术术、人工智能能技术、多传传感器技术、语语音处理与音音像技术、网网络技术、并并行处理技术术和高性能计计算机系统等等不同功能、不不同层次的具具有相当规模模的子系统所
8、所构成的大型型综合集成环环境，所以虚虚拟现实技术术是综合性极极强的高新信信息技术，在在军事、医学学、设计、艺艺术、娱乐等等很多领域都都得到了广泛泛的应用。正是由于对对身临其境的的真实感和对对超越现实的的虚拟性的追追求，以及建建立个人能够够沉浸其中，超超越其上进出出自如交互作作用的多维信信息系统推动动了虚拟现实实技术在土木木工程中的发发展与应用。土土木工程中的的虚拟现实技技术涉及土木木工程的各个个学科，已显显示出一定的的实用性，而而且技术潜力力巨大，应用用前景十分广广阔。2虚拟现实技技术在仿真与与建模中的应应用 2.1传统的的仿真与建模模仿真(Siimulattion)是是通过对系统统模型的实验
9、验去研究一个个存在的或设设计中的系统统。这里的系系统包括技术术系统，如土土木、电气、机机械、机电、水水力、声学、热热学等，也包包括社会、经经济、生态、生生物和管理系系统等非技术术系统。仿真真技术的实质质也就是进行行建模、实验验。现代仿真真技术的发展展是与控制工工程、系统工工程及计算机机技术的发展展密切相关联联的。控制工工程和系统工工程的发展促促进了仿真技技术的广泛应应用，而计算算机出现及计计算技术的发发展，则为仿仿真提供了强强有力的手段段和工具。因因此，计算机机仿真在仿真真中占有越来来越重要的地地位。仿真技术得得以发展的主主要原因是它它带来了重大大的社会和经经济效益。系系统仿真的应应用大致可分
10、分为：对已有有系统进行分分析时采用仿仿真技术；对对尚未有的系系统进行设计计时采用仿真真技术；在系系统运行时，利利用仿真模型型作为观测器器，给用户提提供有关系统统过去的、现现在的、甚至至是未来的信信息，以便用用户实时作出出正确的决策策；在系统运运行前，利用用仿真模型作作为预测器，向向用户提供系系统运行起来来后，可能产产生什么现象象，以便用户户修订计划或或决策；利用用仿真模型作作为训练器，训训练系统操纵纵人员或管理理人员。对于于工程领域仿仿真技术可以以降低系统的的研制成本，可可以提高系统统实验、调试试和训练过程程的安全性；对于非工程程领域，仿真真技术作为研研究系统的必必要手段，可可以尽可能地地避免
11、直接实实验。建立模型(建模)是仿仿真的第一步步，也是十分分重要的一步步。传统仿真真技术中，一一个仿真系统统要首先建立立起系统的数数学模型一次仿真模模型，然后再再改写成适合合计算机处理理的形式仿真模型。仿仿真模型可以以说是系统的的二次近似模模型。建立起起仿真模型后后，才能书写写相应的程序序。仿真基本上上是一种通过过实验来求解解的技术。通通过仿真实验验要了解系统统中变量之间间的关系，要要观察系统模模型变量变化化的全过程，此此外，为了对对仿真模型进进行深入研究究和结果优化化，还必须进进行多次运行行，系统优化化等工作，因因此，良好的的人机交互性性是系统仿真真的一个重要要特性。仿真技术最最早应用于航航空
12、航天领域域，近年来在在机械制造、电电气、水力、社社会、经济、生生态、生物等等各个领域都都得到了广泛泛的应用。在在土木工程中中计算机仿真真已经应用于于如下几个方方面：在防灾工程程中的应用：长期以来，人人类一直与洪洪水、火灾、地地震等自然灾灾害进行着坚坚持不懈的斗斗争。由于自自然灾害的原原型重复实验验几乎是不可可能的，因而而计算机仿真真在这一领域域的应用就更更有意义。目目前已有不少少抗灾、防灾灾的模拟仿真真系统制作成成功，例如洪洪水泛滥淹没没区的洪水发发展过程演示示系统。该系系统预先存储储了泛滥区的的地形地貌和和地物，有高高程数据可确确定等高线，只只要输入洪水水标准(如百百年一遇的洪洪水)及预定定
13、河堤决口位位置，计算机机就可根据水水量、流速区区域面积及高高程数据算出出不同时刻的的淹没地区，并并在显示器和和大型屏幕上上显示出来。人人们从屏幕上上可以看到水水势从低处向向高处逐渐淹淹没的过程，这这样对防洪规规划以及遭遇遇洪水时指导导人员疏散是是很有作用的的。又如在火火灾方面，对对森林火灾的的蔓延，建筑筑物中火灾的的传播均已开开发出相应的的模拟仿真系系统，这对消消防工程起到到了很好的指指导作用。在岩土工程程中的应用：岩土工程处处于地下，往往往难于直接接观察，而计计算机仿真则则可把内部过过程展现出来来，有很大实实用价值。例例如，地下工工程开挖经常常会塌方冒项项。根据地质质勘察，我们们可以知道断断
14、层、裂隙和和节理的走向向密度，通过过小型试验，可可以确定岩体体本身的力学学性能及岩体体夹层界面的的力学特性、强强度条件，并并存入计算机机中。在数值值模型中，除除了有限元方方法外，还可可采用分离单单元。分离单单元在平衡状状态下的性能能与有限元相相仿，而当它它失去平衡时时，则在外力力和重力作用用下产生运动动直到获得新新的平衡为止止。分析地下下工程的围岩岩结构，边坡坡稳定等问题题时，可以把把节理断层划划分为许多离离散单元。这这一过程可以以在显示器和和大型屏幕上上显示出来，最最终可以看到到塌方的区域域及范围，这这就为支护设设计提供了可可靠依据。在建筑系统统工程中的应应用：在建筑筑系统工程中中，如项目管
15、管理系统、投投标决策系统统，在数学上上可归纳为一一定约束条件件下的优化模模型，这种计计算量往往十十分巨大，模模型也很复杂杂，人工难于于求解，而运运用高速计算算机可快速求求出可行解。在在复杂系统中中，许多环节节都具有随机机性，我们可可以在统计的的基础上将随随机事件概率率引入仿真系系统中，这样样可以从仿真真结果中得到到相应的风险险评价。在工程结构构分析中的应应用：工程结结构在各种荷荷载作用下的的反应，其破破坏特征和极极限承载力是是人们所关心心的。当结构构形式特殊，荷荷载及材料特特性复杂时，人人们往往求助助于模型试验验来测定其受受力性能，但但模型试验往往往受到场地地和设备的限限制，只能做做小比例模型
16、型试验，难以以完全反映结结构的实际情情况。若用计计算机仿真技技术，则可以以进行足尺寸寸的试验，还还可以很方便便地修改参数数。此外，有有些结构难于于进行直接试试验，用计算算机模拟仿真真就更能体现现出优越性，如如核反应堆安安全壳事故反反演分析，汽汽车高速碰墙墙的检验试验验，地震作用用下的构筑物物倒塌分析等等只有采用计计算机模拟仿仿真，分析才才能大量进行行。又如在高高速荷载作用用下，结构反反应很快，人人们在真实试试验中只能观观察到最终结结果，而不能能观察试验的的全过程。如如果采用计算算机模拟仿真真试验，则可可观察其破坏坏的全过程，便便于破坏机理理的研究。对对于长期的徐徐变过程则可可在模拟中加加快其变
17、化过过程，让人们们清楚地看到到其过程。2.2基于虚虚拟现实技术术的仿真与建建模传统的系统统仿真技术很很少研究人的的感知模型的的仿真，因而而无法模拟人人对外界环境境的感知(听听觉、视觉、触触觉)。随着着多媒体技术术、计算机动动画、传感技技术的发展，计计算机模拟外外界环境对人人的感官刺激激开始成为可可能。事实证证明，人类对对于图像、声声音等感官信信息的理解能能力远远大于于数字和文字字等抽象信息息的理解能力力。把虚拟现现实技术引入入系统模拟仿仿真的各个阶阶段，可使人人沉浸其中，对对所需解决的的问题有清晰晰的认识，而而不必在屏幕幕外面去观察察仿真的结果果，将使模型型的建立和验验证更加方便便。虚拟现实实
18、技术主要体体现在：计算算机根据所建建立的领域知知识库和数据据库运用人工工智能、模式式识别等技术术，主控机构构进行建模、学学习、规划和和计算。通过过三维动画制制作和显示头头盔进行该领领域的视觉模模拟；通过传传感机制和触触觉手套来进进行该领域的的模拟；通过过音响制作和和音效卡进行行声音模拟；通过机械控控制和传动装装置进行动感感模拟。然后后将人对这些些感官刺激所所作的动作反反应反馈给主主控机构，从从而实时产生生新的感觉模模型的模拟。土木工程和和人们的生活活息息相关，建建立多维信息息感知模型，并并将其应用于于仿真系统中中对于这一行行业具有重大大意义。虚拟拟现实技术在在土木工程仿仿真与建模中中主要应用于
19、于：在减灾、防防灾中的应用用虚拟现实实技术在减灾灾、防灾仿真真建模中的应应用已在积极极尝试之中。11993年，英英国的ColltVirrtualRealiity公司开开发了一个称称为Vegaas的火灾疏疏散演示设计计模拟防真系系统。该系统统是基于DiimensiionInnternaationaal的Supperscaape虚拟现现实系统而开开发的，该系系统的三维动动画可以演示示火灾时人员员的疏散情况况，并可以方方便地修改各各种参数。应应用该系统对对地铁、港口口等典型建筑筑物火灾时的的人员疏散情情况进行了模模拟仿真验证证，取得了良良好的效果。该系统使用用户具有沉浸浸感，让用户户能够亲身体体验火
20、灾时的的感受，根据据用户的描述述，研究火灾灾时人们的心心理表现。另另外，还可以以进行消防人人员救火抢险险的模拟训练练，疏散人群群的模拟训练练，而不必再再采用真正点点火的方法进进行类似实验验。通过普通通用户的参与与，培养大众众在火灾到来来时，能够具具有良好的防防灾意识，迅迅速离开火场场或采取报警警、救人等措措施。我们还可以以利用虚拟现现实技术建立立其他抗灾、防防灾的仿真模模型，使社会会具有一定的的应变能力。在模拟施工工过程中的应应用建筑施施工是复杂的的大型的动态态系统，它通通常包括立模模、架设钢筋筋、浇注、振振捣、拆模、养养护等多道工工序，而这些些工序中涉及及的因素繁多多，其间关系系复杂，直接接
21、影响着混凝凝土浇筑的进进程。模拟施施工过程是为为了通过仿真真手段，去发发现实际施工工中存在的问问题或可能出出现的问题，这这就需要对实实际施工进行行仿真。而目目前施工过程程的模拟只是是从几何形体体方面模拟施施工的过程，即即按楼层关系系由下而上，每每一层按柱、梁梁、板的几何何形状加以着着色来实现对对施工过程的的模拟。现有有的模拟只是是对进度计划划起到了一定定作用，并没没有对施工过过程起到真正正的作用。基于以上原原因，需对施施工过程建立立合适的模型型，以达到模模拟仿真的效效果。例如，大大型水利枢纽纽混凝土在运运输浇筑系统统的模拟仿真真模型，是由由运输子系统统和浇注子系系统构成的，模模型是按进程程交互
22、的仿真真策略建立的的，按这种条条件建立的模模型能与仿真真程序间保持持紧密的对应应关系，程序序所要模仿的的行为比较直直观、清晰。程程序流程直接接与模型结构构和系统状态态相对应。如如果在其中引引入虚拟现实实技术，使其其实现对施工工过程的仿真真模拟，并且且通过人机接接口(头盔、立立体眼镜以及及数据手套等等)使得决策策者处于这一一虚拟的环境境之中，则达达到了模拟施施工过程，发发现问题的目目的。3计算机辅助助设计(CAAD)中的虚虚拟现实技术术 在土木工程程行业中应用用CAD技术术，一般可以以收到如下效效果：首先，可可以缩短设计计工期。由于于计算处理速速度快，并能能不间断的工工作，因而可可以大大地提提高
23、设计效率率，从而缩短短了设计工期期，设计工期期的缩短意味味着建设成本本的降低，同同时便于方案案优化。其次次，可以提高高设计质量。使使用自动化程程度较高的CCAD系统进进行设计时，设设计者只需输输入一些有关关设计初始条条件的数据，由由计算机调用用结构分析程程序进行分析析计算，就可可得到设计结结果，此外利利用计算机可可以得到清晰晰、整齐、美美观的设计图图纸和文档，便便于校核和修修改，从而有有效地防止了了手工绘图中中尺寸标注错错误，不同图图纸在表达同同一构件时的的不一致性等等错误的产生生，从而提高高了设计质量量。另外，可可以降低设计计成本。应用用CAD技术术可以帮助设设计者提高设设计效率，当当设计费
24、较高高而CAD系系统费用较低低时，就会使使成本降低，取取得了明显的的经济效益。一般建筑或或建筑物的建建设都要经过过规划、设计计、施工、维维护管理等阶阶段，目前，CCAD技术已已经被广泛应应用于各个阶阶段中，下面面从CAD技技术的应用角角度探讨一下下虚拟现实技技术的研究现现状和应用前前景。3.1在规划划中的应用对于任何工工程项目，规规划工作都是是十分重要的的。一般土木木建筑工程的的规划都需要要考虑众多的的因素，例如如，土地利用用、经济、交交通、景观、法法律等有关社社会经济的因因素，气象、地地质、地形、水水等有关自然然的因素，以以及水质、噪噪音、土地污污染、绿化等等生活环境的的因素等等。对应于该阶
25、阶段的CADD系统主要有有两类：规划信息的的存储和查询询系统例如如土质数据库库系统，地域域信息系统，地地理信息系统统，城市政策策信息系统等等。这一类系系统多采用数数据库系统的的形式。现行行数据库的一一个缺陷在于于数字化程度度高，可视化化程度低，这这种数据表现现出来是抽象象的，可接受受性差，例如如，地理信息息系统对地形形地貌的表现现，如果只是是由数字来表表现，则可读读性很差，如如果表现为地地形图的形式，则相相对容易接受受。而采用虚虚拟现实技术术，在系统中中输入地形、地地貌的数据，则则可以从不同同的角度去观观察，不但可可以取得必要要的数据，而而且能够有直直观的感受，不不用再劳神费费力地想象地地形图
26、所表现现的实际地形形情况。规划的辅助助表现集成系系统例如景景观表现系统统，交通规划划系统等。目目前，景观表表现系统其表表现物段主要要是二维的图图片，如果能能够让用户产产生一种身临临其境“人在画中游游”的感觉，则则景观的规划划将更加科学学合理、全面面，而这种身身临其境的感感觉，正是虚虚拟现实技术术要解决的问问题。实际上上应用于景观观表现的虚拟拟现实系统已已经开始试用用，德国的FFrankffort的中中心城市，最最近将城市模模型输入虚拟拟环境，用以以规划一座银银行，其实现现并不是很复复杂：首先把把各个建筑物物的平面图(轮廓)输入入到记录地区区的数据库中中，将各建筑筑物的高度赋赋于适当的值值的自动
27、生成成三维城市模模型；再对重重要建筑物利利用CAD系系统以不同精精度进行修改改，把建筑物物正面的照片片扫描进去经经过修改加工工输入CADD数据库；最最后在VR系系统及数据模模型中加上动动态措施及环环境因素。目目前，这一系系统可以让人人得到在其中中漫游的感觉觉，以后还可可望在此基础础继续修正。3.2在建筑筑设计中的应应用建筑设计CCAD的类型型及缺陷一一般土建结构构的设计都包包含结构形式式的选定，形形状尺寸的假假定、模型化化、结构分析析验算、图面面绘制、材料料计算等过程程。CAD技技术在土建工工程中最早的的应用就是在在结构设计中中，目前对应应于设计的CCAD系统也也可以分为三三类：第一类，对对应
28、于各个设设计过程中的的系统。例如如结构形式选选择系统、结结构分析系统统、设计系统统、绘图系统统、材料计算算系统等，其其中每个系统统都可以处理理多种结构形形式。第二类，集集成化设计系系统。这类系系统的自动化化程度一般较较高，只需输输入少量的数数据，利用集集成系统即可可完成设计的的全过程。第三类，通通用CAD系系统，如AuutoCADD，Micrrostattion等。这这类系统只提提供基本的图图形处理功能能，可用来绘绘制各个工程程领域的设计计图纸。该类类系统的作业业效率一般较较低，需要进进行二次开发发，以适用不不同专业的需需要。这些CADD系统擅长于于进行几何数数据处理，以以表现三维空空间的物体
29、以以及着色；但但对于处理建建筑设计工程程中的复杂物物理数学关系系，如结构应应力，热传导导，声，光效效应等，则显显得无能为力力。另外，由由于适用各个个设计过程的的系统使用起起来不方便，为为完成一项设设计需要使用用多个系统，不不但要掌握每每个系统的使使用方法还需需重复输入大大量数据，所所以集成化设设计系统已有有取代各种分分项设计系统统的趋势。目前的CAAD系统大都都建立在绘图图支撑软件的的基础上，绘绘图与分析计计算是分开的的。在绘图阶阶段单纯地就就是绘图，计计算机辅助设设计体现在将将设计人员的的思想用图形形表现出来(特别是用于于绘制施工图图时)，而不不是在全局上上，从方案选选择、具体设设计、分析计
30、计算到施工图图绘制辅助设设计人员设计计全过程。人人们希望有了了设计人员的的知识，经验验及设想后，通通过计算机的的分析，计算算比较判断，不不仅将方案形形象地表现出出来，而且将将量化后的数数据及结论输输出来，设计计者再依据它它修改方案。这这就是绘图与与结构计算一一体化的思想想。目前的集成成化软件虽然然已经向绘图图与计算相结结合的目标迈迈进，即实现现了在建模后后紧接着进行行计算，建模模所形成的数数据可为后续续的计算所利利用。但是，两两者还是各自自为政的。更更进一步的做做法是将两者者结合起来，随随着模型的建建立进行分析析比较，将所所得出的信息息作为建模的的参考。目前前此类软件的的缺点在于操操作时规定限
31、限制多，且菜菜单级别过多多，过分强求求树状结构，使使操作繁杂。虚拟现实技技术在建筑设设计中的应用用将虚拟现现实技术应用用于集成化CCAD系统中中，能够较好好地解决以上上存在的问题题，实现理想想的绘图与结结构计算一体体化。如果把把虚拟现实技技术与现在的的集成化CAAD系统的设设计思想相结结合，创建虚虚拟现实的集集成化CADD系统，从设设计的建筑方方案、结构方方案的选择直直至最后结果果的实现必将将大大提高设设计效率，提提高设计质量量。首先，建筑筑师利用虚拟拟现实CADD系统可以很很方便地建立立和修改建筑筑方案。建筑筑师仿佛置身身于待建场地地中，很方便便地从库中提提取各种物件件和材料、家家具、设备，
32、象象搭积木一样样搭起一座虚虚拟的建筑，该该虚拟建筑的的尺寸可以和和实际设计中中的建筑一样样，其色彩逼逼真，并且有有材料的质感感，建筑师可可以对其进行行着色，修改改，并可以在在随时改变视视角和光源的的条件下从任任何视点去观观察这座建筑筑，以便得出出满意的方案案。然后，结构构设计师就可可以利用已经经建起的模型型，选取结构构方案调整荷荷载和定义荷荷载，由系统统自动进行结结构分析，得得出结果如配配筋量和配筋筋图等，如果果不能满意，则则可修改参数数或方案。设计中比较较令人头痛的的一个问题就就是建筑、结结构、设备等等各方的协调调问题。目前前采用的方法法是各方分别别设计，再一一起讨论，协协商修改，反反复进行
33、直到到满意。如果果采用VR集集成CAD系系统，则可以以实现各方同同时设计，在在设计过程中中遇见冲突随随时协调直到到满意为止。3.3在室内内装饰中的应应用工程项目进进入室内装修修阶段通常临临近预定的竣竣工日期，工工期非常紧，而而装饰施工图图又比较粗糙糙，在不少施施工图中装饰饰线条的尺寸寸比例估计不不足，因而在在装饰施工中中，返工是屡屡见不鲜的，由由此而造成工工期延长，造造价增加，有有时还不可避避免地影响外外观效果与内内在质量。运运用VR集成成CAD技术术在施工前就就可以事先在在计算机上进进行室内装饰饰的模拟，从从计算机的显显示屏上进行行修改，以解解决设计中某某些与实际脱脱节的现象，使使上述弊病得
34、得以避免。随着建筑业业的发展，越越来越多的建建筑物采用外外墙贴铺面砖砖面，面砖的的色彩丰富，规规格多样，加加之建筑造型型各异，使得得面砖贴铺方方案的确定大大有文章可做做，目前的常常规方法是在在建筑施工立立面图上划出出面砖的分隔隔，并着色来来观察效果，确确定方案，这这种做法缺点点是立面越多多，考虑的方方案越多，要要绘的图纸就就越多，工作作量很大。运运用VR集成成CAD技技术在计算机机上模拟贴面面砖，模拟面面砖色彩，即即可减少重复复制图还可以以在计算机屏屏幕上显示出出用绘图仪绘绘制出模拟效效果以便进行行比较。CAAD技术不仅仅可用于外墙墙贴面砖的模模拟，还可以以用于模拟室室内外铺贴地地砖，花岗石石
35、大理石等。由由于在施工过过程中，进行行模拟绘制，是是按现场粉涮涮后则得的实实际尺寸进行行模拟和绘制制的，这样的的模拟与实际际非常贴近，使使得现场施工工时定位放线线与模拟图十十分吻合，从从而避免了以以往施工放线线时的尺寸与与原施工图尺尺寸有误差而而带来的种种种麻烦。由此可见，装装饰工程中引引入VR集成成CAD技技术的前景是是十分诱人的的。如果在计计算机中输入入装饰房间的的模型，再接接入虚拟现实实设备，设计计者就能身临临其境地处在在房间中，可可以直接体验验各种装饰方方案，也可以以对装饰方案案进行修改，这这样即节省了了时间，也使使最终方案具具有更强的可可信性。在室内装饰饰的其它方面面，如选择贴贴墙纸
36、还是贴贴面砖，面砖砖、地砖的颜颜色、图案、分分隔形状的选选择都是很繁繁的，传统的的方法是做出出缩小的实际际模型，在实实际的模型上上进行实验，这这样做不仅费费时、费钱而而且其效果并并不好。如果果在计算机中中输入实际房房间的模型，再再引入虚拟现现实设备，一一切就将变得得简单轻松，设设计者身处所所需装饰的房房间，按照自自己的构思去去装饰、修改改，并且可以以变换自己在在房间中的位位置，去观察察装饰的效果果，直到满意意为止，这样样既节约了时时间，又节省省了做模型的的费用，其结结果更可信。可可以设想，在在未来的装饰饰工程中虚拟拟现实技术将将会代替现有有的实际模型型而显示出其其强大的生命命力。3.4在建筑筑
37、机械设计中中的应用建筑机械的的适用程度是是直接影响到到建设时间和和建筑质量的的一个重要，很很长的一段时时间内人们并并未认识到这这个问题，但但随着科学的的不断进步，建建筑机械化程程度的不断提提高，这个问问题将会被人人们所重视。在在目前的机械械设计上，用用机械CADD也可以实现现屏幕上的三三维动画演示示，但它无法法实现操作者者的虚拟实际际操作。我们知道建建筑机械的适适用包括两个个方面，一方方面是要最大大程度地发挥挥该机械的效效能，另一方方面，它的操操作应该简单单适用。如果果设计出一个个新的机型，却却无法实现操操作者的虚拟拟实际操作那那么该机型在在实际操作中中可能存在的的问题就无法法发现。第一个受虚
38、虚幻现实影响响的设计是11996年推推出的反铲载载机。美国卡卡特彼勒公司司建筑机械产产品部工程师师贝特纳在光光谱杂志上上发表文章，阐阐述他们在理理论上有三个个看上去都是是可行的不同同设计，用他他们开发的虚虚幻环境系统统对这三个设设计方案进行行了先期效果果的演示验证证，结果发现现其中两个设设计在操纵反反铲传动机时时，会不时进进入视野死角角。如果不使使用虚幻环境境系统，只有有在样机造出出后才能发现现。结果卡特特彼勒公司提提前9个月选选定了设计方方案，并且节节约了按其它它两个较差设设计方案试制制样机所需的的巨额费用。在建筑机械械设计中应用用虚拟现实技技术主要有以以下几个特点点：1建立虚虚拟模型将减减
39、少或者消除除对昂贵的实实际模型所需需要的费用。2通过综综合虚拟模型型的虚拟结果果工程分析将将使结果更加加有效。3进行性性能和人机工工程方面的研研究时，将允允许人直接参参与操作模拟拟。4对装配配、制造和维维修等工作进进行虚拟仿真真模拟，可在在设计过程的的最初阶段发发现可能存在在的缺陷和问问题，减少不不必要的浪费费，进行模拟拟职业培训，提提高劳动力的的适用性和技技能。由此可以看看出，在未来来的建筑机械械设计中，虚虚拟现实技术术有着极其广广泛的前景，我我们可以相信信，在将来的的建筑机械设设计中，虚拟拟模型将会代代替实际模型型，并以目前前的VR集成成CAD技技术的优势而而取代现有的的设计方式。4建筑与
40、结构构的设计和施施工过程的可可视化计算技技术 在科学研究究中，人们会会遇到大量的的数据。为了了从中得到有有价值的规律律和结论，需需要对这些数数据进行认真真分析。例如如，为了设计计出阻力小的的机翼，科学学家必须详细细分析空气的的动力学特性性，这需要巨巨大的计算量量。为了使这这种分析更加加直观而发明明了风洞试验验的方法：通通过使用烟雾雾气体，可以以用肉眼直接接观察到气体体与机翼的作作用情况，因因而大大提高高了对机翼的的空气动力学学特性的了解解。在研究微微观领域，如如蛋白质的结结构以及分子子结构时，由由于这些结构构超出了人眼眼所能观察的的范围，使人人难于理解和和接受。我们们通常采用分分子结构模型型、
41、蛋白质结结构模型来研研究这些问题题，使得问题题更加易于理理解。这种把把不能或不易易直接观察的的现象转化为为眼睛能够观观察到的现象象的技术称为为可视化技术术。在计算机机图形学和工工程设计领域域，科学可视视化可以定义义为：对科学学计算取得的的数据进行可可视化加工或或三维图形显显示，并可通通过交互地改改变参数来观观察计算结果果的全貌及其其变化。在我国的现现代化建设中中，建筑业越越来越成为对对国民经济发发展起制约作作用的支柱产产业。同时，随随着社会和科科技的发展，建建筑物的规模模、功能、造造型和相应的的建筑技术越越来越大型化化、复杂化和和多样化。所所采用的新材材料、新设备备、新的结构构技术和施工工技术
42、日新月月异，节能技技术、信息控控制技术、生生态技术等日日益与建筑相相结合。建筑筑业和建筑物物本身正在成成为许多新技技术的复合载载体。而超高高层和超大跨跨度建筑、特特大跨度桥梁梁及作为这些些超大型复杂杂结构核心问问题的现代结结构技术则是是代表一个国国家建筑科学学技术发展水水平的重要标标志。超高层、超超大跨度建筑筑和特大跨度度桥梁这些超超大型复杂结结构的设计和和施工技术含含量高，具有有结构形式丰丰富、设计与与施工高度相相互作用、设设计和施工内内业工作量大大等特点。可可视化计算技技术将给这些些超大型复杂杂结构的设计计和施工控制制技术带来了了新的内涵，将将使其变得比比较容易，方方便和更加直直观。例如，
43、大跨跨度斜拉桥的的施工大都采采用悬臂浇注注或拼装的方方法，一般要要经过多次的的循环，而每每一个循环内内还要包括好好几个工况，另另外，由施工工中的实际结结构来反馈影影响设计也是是大跨度斜拉拉桥的一大特特点。因此，在在设计阶段无无论是组织数数据，编排仿仿真计算过程程，阶段内力力调整还是数数据的输入以以及计算结果果的整理其工工作量非常之之大，且极容容易出错，而而对于斜拉桥桥施工阶段的的内力和标高高控制问题，更更是具有显著著的特点，其其中最主要的的是要根据施施工中的实际际结构来修正正起初设计中中的一些基本本条件。以前前由于受计算算机技术的限限制，这方面面的研究工作作相对滞后于于桥梁工程的的发展需要。因
44、因此，研制开开发超大型复复杂结构的设设计和施工控控制的可视化化计算技术是是当务之急，极极有必要。可视化技术术在土木工程程中有着广泛泛的应用。土土木工程离不不开数据的处处理，各种数数据不仅数量量大，而且较较抽象，难于于理解。工程程师更愿意用用内力图来表表示内力情况况；用单元受受力图来表示示某点的受力力状态；用挠挠度来表示某某种荷载下构构件或结构的的弯曲程度，虽虽然这些力和和挠度是眼睛睛观察不到的的。在这种情情况下，应用用可视化技术术可以做到一一目了然。可可视化计算的的应用主要有有：4.1建筑物物、大型结构构的风洞试验验的可视化计计算在土木工程程中，重要结结构，如电视视塔、大型桥桥梁、超高层层建筑
45、、过街街楼等，通常常要进行风洞洞试验。为了了观察空气在在建筑物中或或建筑物间运运动状况，也也采用烟雾气气体的方法，使使科学家能够够直接观察到到气体的运行行状况。但是，进行行传统的风洞洞试验需要采采用实物模型型。这种方法法的缺点是：制作模型即即费时又昂贵贵；由于模型型通常比实物物小，这就使使实验存在着着一定的误差差；另外，人人无法在近距距离观察实验验情况(因为为这样将影响响到实验结果果)，这就给给实验数据的的获取造成了了一些麻烦，从从而会加大实实验的误差。虚拟现实技技术可以克服服传统的可视视化计算中存存在的这些缺缺点。虚拟的的风洞可以让让工程师看到到模拟的空气气流场，使其其感到好象真真的站在风洞
46、洞里一样。虚虚拟风洞的目目的是让工程程师分析多漩漩涡的复杂三三维性质和效效果，空气循循环区域被破破坏的乱流等等。而这些分分析利用通常常的数字仿真真是很难实现现可视化的，利利用虚拟现实实技术可以很很好的解决这这个问题。例例如，可以将将一个建筑的的CAD模型型数据调入该该虚拟风洞进进行性能分析析，为了分析析空气流模式式可以往空气气流中注入轨轨迹追踪物，该该追踪物将随随气流漂移，并并将其运动轨轨迹显示给工工程师。追踪踪物可以通过过数据手套任任意指向指定定的位置，工工程师可以从从任意角度观观察其运动轨轨迹，以得出出满意的答案案。4.2结构有有限元分析的的可视化计算算在运用传统统的有限元法法进行结构分分
47、析时，结构构应力的结果果通常采用内内力图等力线线的形式描绘绘出来，给人人以直观的印印象。利用虚虚拟现实技术术则可以通过过颜色的深浅浅给出三维物物体中各点力力的大小，用用不同颜色表表示出不同的的等力面；也也可以任意变变换角度，从从任何点去观观察。还可以以利用VR的的交互性能，实实时修改各种种数据，以便便对各种方案案及结果进行行比较。这样样就使工程师师的思维更加加形象化，概概念更易于理理解。超高层、超超大跨度建筑筑和特大跨度度桥梁这些超超大型复杂结结构的设计、工工程控制和的的施工控制需需要进行多次次的结构重分分析。如对斜斜拉桥和大型型连续梁桥的的理想后退分分析、实时前前进分析等。分分析之前，首首先
48、要建立有有限元结构分分析总模型和和施工阶段模模型，其中包包括单元拓扑扑结构、节点点信息、刚度度数据、材料料特性、边界界支持条件、荷荷载分布等。把把可视化计算算技术应用于于这些超大型型复杂结构的的设计、工程程控制和结构构分析中，将将增强计算软软件的前后置置处理能力。例例如，在桥梁梁工程控制和和结构分析的的可视化计算算中，倒退(拆)分析结结构倒拆动态态演示、结构构理想施工线线型显示、施施工阶段主梁梁形心线的设设计曲线和实实测拟合曲线线的显示、前前进分桥结构构拼装动态演演示、施工预预告图形显示示、主梁内力力图显示、危危险截面应力力分布图显示示等等。更重要的是是能借助图形形或图像来进进行实时动态态地控制结构构的重分析和和获取施工控控制数据，同同时能实时动动态演示和控控制设计和施施工的过程。4.3施工过过程模拟的可可视化计算可视化计算算在土木工程程施工过程中中也有用武之之地。例如，在在钢筋的连接接方面，现在在应用得很广广泛的套筒冷冷挤压技术，在在研究其基理理及可靠性时时，是用实物物挤压，然后后再作强度破破坏。为了达达到施工的