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1、 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。对建立用户能够沉侵其中、超越其上、自如时实交互的多维信息系统的追求，推动了虚 拟现实技术在土木工程中发展和应用。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，现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。本文将从下列 6 个方面，介绍土木工程中虚拟现实技术的研究现状和发展前景。1土木工程仿真建模中的虚拟现
2、实技术：包括抗灾与防灾的模拟仿真系统；岩土工程 中的模拟仿真系统；项目管理系统；投标决策系统；工程结构分析的模拟仿真系统；施工过 程的模拟仿真系统；土木工程中的专家系统与仿真系统的集成等；2建筑 CAD 中的虚拟现实技术：包括城市规划、工程项目规划；建筑设计与结构设 计；项目管理；室内装饰；建筑机械设计等；3建筑、结构设计与施工过程的可视化计算：包括建筑设计与结构设计的可视化计算；建筑物、大型结构的风洞试验的可视化计算；结构有限元分析的可视化计算；施工过程模拟 的可视化计算等；4建筑、结构设计与施工的先期技术成果演示和验证技术：包括大型的公共建筑项目 或比较重要的建筑（如车站、新机场、桥梁、港
3、口、大坝、核电站等大型工程）、城市规划设 计方案、城市交通布局设计方案、建筑物室内设计、布置和装饰效果的先期演示、验证；建 筑设计成果、结构设计成果的先期演示、验证等；5建筑机器人中的虚拟现实技术：包括表面修整机器人；隧道工程用机器人；挖掘用 机器人；组装机器人；检查用机器人；放射性混凝土切割机器人等；6建筑、结构艺术与虚拟现实技术。1 引言 我国是一个发展中的国家，有大量繁重的基本建设任务。人口城市化已成为不可逆的总 趋势，而人口城市化的比例已成为衡量一个国家经济发展水平的一个重要指标。我国目前的 城市人口约占总人口的 26.4%左右;估计到 2000 年，全国城市将发展到 580 个左右，
4、城市 人口可达到 33%。据统计资料，一个发展中国家的城市人口达到 30%左右时，整个国家的 经济会有一个飞跃。依据这个规律，我国在本世纪末将会出现国民经济的大飞跃，预计到 2020 年，全国城市将会发展到 1100 个左右，城市人口可达到 50%。考虑到我国的总人数和 四化建设的规模，应该说我们正从事的是世界上最大规模的基本建设，而且正处在一个经济 大飞跃的前夕。这种发展将为土木工程各学科提供优良的发展环境。这一优势，甚至西方国 家目前也不具备。这一大好形势为我国土木工程科技工作者提供了空前难得的向国际水平冲 击的良好机遇，同时，如何把握住世纪之交时土木工程学科的发展趋势，开创土木工程学科
5、的新纪元，是对我们这些跨世纪一代人的严峻挑战。在上述形势下，开创土木工程高新技术的信息化与集成环境的新纪元的研究与技术竞争 已经开始，谁先成功地掌握和运用土木工程高新技术的信息化与集成环境技术，谁就能在国 民经济支柱产业建筑业的国际竞争和土木工程学科的发展中取得优势。作为土木工程科 技工作者，我们深受这一大好形势的鼓舞，非常强烈地感受到了信息时代对各个学科、是对土木工程学科发展所带来的迅猛冲击。感到与其被动地等待信息革命的浪潮扑来，特别 不如 因势利导、冲在信息革命浪潮的风口浪尖上，积极主动地推动中国土木工程的信息化与集成 化。我们应当抓住当前这一大好时机，组织全国的科研力量，投入人力和物力，
6、研究与开发 土木工程的高新技术，以促进我国土木工程学科和建筑业的发展。我们在这里介绍的虚拟现 实技术就是土木工程高新技术的其中之一。虚拟现实(Virtual Reality VR)，有时也称为灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境(Virtual Environment)或给定仿真对 象的全体。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其 境的感觉的交互式视景仿真，因而一个身临其境的虚拟环境系统是由包括计算机图形学、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
7、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，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。正是由于对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性的追求，以及建立个人能够沉浸其 中，超越其上进出自如交互作用的多维信息系统推动了虚拟现实技术在土木工程中的发展与 应用。土木工程中的虚拟现实技术涉及土木工程的各个学科，已显示出一定的实用性，而且 技术潜力巨大，应用前景十分广阔。2 虚拟现实技术在仿真与建模中的应用 2.1 传统的仿真与建模 仿真(Simulation)是通过对系统模型的实验去研究一个
8、存在的或设计中的系统。这里的 系统包括技术系统，如土木、电气、机械、机电、水力、声学、热学等，也包括社会、经济、生态、生物和管理系统等非技术系统。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技 术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的发展，力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。仿真技术得以发展的主要原因是它带来了重大的社会和经济效益。可分为：对已有系统进行分析时采用仿真技术；对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术；在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的、现在的、甚至是未
9、来的信息，以便用户实时作出正确的决策；在系统运行前，利用仿真模型作为预测器，向用 户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以便用户修订计划或决策；利用仿真模型作为 训练器，训练系统操纵人员或管理人员。对于工程领域仿真技术可以降低系统的研制成本，可以提高系统实验、调试和训练过程的安全性；对于非工程领域，仿真技术作为研究系统的 必要手段，可以尽可能地避免直接实验。建立模型(建模)是仿真的第一步，也是十分重要的一步。传统仿真技术中，一个仿真系 统要首先建立起系统的数学模型一次仿真模型，然后再改写成适合计算机处理的形式 仿真模型。仿真模型可以说是系统的二次近似模型。建立起仿真模型后，才能书写相应的程
10、序。仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验要了解系统中变量之间的关 系，要观察系统模型变量变化的全过程，此外，为了对仿真模型进行深入研究和结果优化，还必须进行多次运行，系统优化等工作，因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特 性。仿真技术最早应用于航空航天领域，近年来在机械制造、电气、水力、社会、经济、生 生物等各个领域都得到了广泛的应用。在土木工程中计算机仿真已经应用于如下几个方 系统仿真的应用大致 控制工程和系统工程 则为仿真提供了强有 态、面：在防灾工程中的应用：长期以来，人类一直与洪水、火灾、地震等自然灾害进行着坚持 不懈的斗争。由于自然灾害的原型重复实验几乎是不可能的
11、，应用就更有意义。目前已有不少抗灾、防灾的模拟仿真系统制作成功，的洪水发展过程演示系统。该系统预先存储了泛滥区的地形地貌和地物，等高线，只要输入洪水标准（如百年一遇的洪水）及预定河堤决口位置，流速区域面积及高程数据算出不同时刻的淹没地区，并在显示器和大型屏幕上显示出来。们从屏幕上可以看到水势从低处向高处逐渐淹没的过程，这样对防洪规划以及遭遇洪水时指 导人员疏散是很有作用的。又如在火灾方面，对森林火灾的蔓延，建筑物中火灾的传播均已 开发出相应的模拟仿真系统，这对消防工程起到了很好的指导作用。在岩土工程中的应用：岩土工程处于地下，往往难于直接观察，而计算机仿真则可把内 部过程展现出来，有很大实用价
12、值。例如，地下工程开挖经常会塌方冒项。根据地质勘察，我们可以知道断层、裂隙和节理的走向密度，通过小型试验，可以确定岩体本身的力学性能 及岩体夹层界面的力学特性、强度条件，并存入计算机中。在数值模型中，除了有限元方法 外，还可采用分离单元。分离单元在平衡状态下的性能与有限元相仿，而当它失去平衡时，则在外力和重力作用下产生运动直到获得新的平衡为止。分析地下工程的围岩结构，边坡稳 定等问题时，可以把节理断层划分为许多离散单元。这一过程可以在显示器和大型屏幕上显 示出来，最终可以看到塌方的区域及范围，这就为支护设计提供了可靠依据。在建筑系统工程中的应用：在建筑系统工程中，如项目管理系统、投标决策系统，
13、在数 学上可归纳为一定约束条件下的优化模型，这种计算量往往十分巨大，模型也很复杂，人工 难于求解，而运用高速计算机可快速求出可行解。在复杂系统中，许多环节都具有随机性，我们可以在统计的基础上将随机事件概率引入仿真系统中，这样可以从仿真结果中得到相应 的风险评价。在工程结构分析中的应用：工程结构在各种荷载作用下的反应，其破坏特征和极限承载 力是人们所关心的。当结构形式特殊，荷载及材料特性复杂时，人们往往求助于模型试验来 测定其受力性能，但模型试验往往受到场地和设备的限制，只能做小比例模型试验，难以完 全反映结构的实际情况。若用计算机仿真技术，则可以进行足尺寸的试验，还可以很方便地 修改参数。此外
14、，有些结构难于进行直接试验，用计算机模拟仿真就更能体现出优越性，如 核反应堆安全壳事故反演分析，汽车高速碰墙的检验试验，地震作用下的构筑物倒塌分析等 只有采用计算机模拟仿真，分析才能大量进行。又如在高速荷载作用下，结构反应很快，人 们在真实试验中只能观察到最终结果，而不能观察试验的全过程。如果采用计算机模拟仿真 试验，则可观察其破坏的全过程，便于破坏机理的研究。对于长期的徐变过程则可在模拟中 加快其变化过程，让人们清楚地看到其过程。2.2 基于虚拟现实技术的仿真与建模 传统的系统仿真技术很少研究人的感知模型的仿真，因而无法模拟人对外界环境的感知（听觉、视觉、触觉）。随着多媒体技术、计算机动画、
15、传感技术的发展，计算机模拟外界环 境对人的感官刺激开始成为可能。事实证明，人类对于图像、声音等感官信息的理解能力远 远大于数字和文字等抽象信息的理解能力。把虚拟现实技术引入系统模拟仿真的各个阶段，可使人沉浸其中，对所需解决的问题有清晰的认识，而不必在屏幕外面去观察仿真的结果，将使模型的建立和验证更加方便。虚拟现实技术主要体现在：计算机根据所建立的领域知识 库和数据库运用人工智能、模式识别等技术，主控机构进行建模、学习、规划和计算。通过 三维动画制作和显示头盔进行该领域的视觉模拟；通过传感机制和触觉手套来进行该领域的 模拟；通过音响制作和音效卡进行声音模拟；通过机械控制和传动装置进行动感模拟。将
16、人对这些感官刺激所作的动作反应反馈给主控机构，从而实时产生新的感觉模型的模拟。土木工程和人们的生活息息相关，建立多维信息感知模型，并将其应用于仿真系统中对因而计算机仿真在这一领域的 例如洪水泛滥淹没区 有高程数据可确定 计算机就可根据水量、人 然后 于这一行业具有重大意义。虚拟现实技术在土木工程仿真与建模中主要应用于：在减灾、防灾中的应用 虚拟现实技术在减灾、防灾仿真建模中的应用已在积极尝试之 中。1993年，英国的Colt Virtual Reality公司开发了一个称为 Vegas的火灾疏散演示设计 模拟防真系统。该系统是基于Dimension International的Supersca
17、pe虚拟现实系统而开发的，该系统的三维动画可以演示火灾时人员的疏散情况，并可以方便地修改各种参数。应用该系 统对地铁、港口等典型建筑物火灾时的人员疏散情况进行了模拟仿真验证，取得了良好的效 果。该系统使用户具有沉浸感，让用户能够亲身体验火灾时的感受，根据用户的描述，研究 火灾时人们的心理表现。另外，还可以进行消防人员救火抢险的模拟训练，疏散人群的模拟 训练，而不必再采用真正点火的方法进行类似实验。通过普通用户的参与，培养大众在火灾 到来时，能够具有良好的防灾意识，迅速离开火场或采取报警、救人等措施。我们还可以利用虚拟现实技术建立其他抗灾、防灾的仿真模型，使社会具有一定的应变 能力。在模拟施工过
18、程中的应用 建筑施工是复杂的大型的动态系统，它通常包括立模、架设 钢筋、浇注、振捣、拆模、养护等多道工序，而这些工序中涉及的因素繁多，其间关系复杂，直接影响着混凝土浇筑的进程。模拟施工过程是为了通过仿真手段，去发现实际施工中存在 的问题或可能出现的问题，这就需要对实际施工进行仿真。而目前施工过程的模拟只是从几 何形体方面模拟施工的过程，即按楼层关系由下而上，每一层按柱、梁、板的几何形状加以 着色来实现对施工过程的模拟。现有的模拟只是对进度计划起到了一定作用，并没有对施工 过程起到真正的作用。基于以上原因，需对施工过程建立合适的模型，以达到模拟仿真的效果。例如，大型水 利枢纽混凝土在运输浇筑系统
19、的模拟仿真模型，是由运输子系统和浇注子系统构成的，模型 是按进程交互的仿真策略建立的，按这种条件建立的模型能与仿真程序间保持紧密的对应关 系，程序所要模仿的行为比较直观、清晰。程序流程直接与模型结构和系统状态相对应。如 果在其中引入虚拟现实技术，使其实现对施工过程的仿真模拟，并且通过人机接口（头盔、立体眼镜以及数据手套等）使得决策者处于这一虚拟的环境之中，则达到了模拟施工过程，发现问题的目的。3计算机辅助设计（CAD）中的虚拟现实技术 在土木工程行业中应用 CAD技术，一般可以收到如下效果：首先，由于计算处理速度快，并能不间断的工作，因而可以大大地提高设计效率，工期，设计工期的缩短意味着建设成
20、本的降低，同时便于方案优化。其次，量。使用自动化程度较高的 CAD系统进行设计时，设计者只需输入一些有关设计初始条件 的数据，由计算机调用结构分析程序进行分析计算，就可得到设计结果，此外利用计算机可 以得到清晰、整齐、美观的设计图纸和文档，便于校核和修改，从而有效地防止了手工绘图 中尺寸标注错误，不同图纸在表达同一构件时的不一致性等错误的产生，从而提高了设计质 量。另外，可以降低设计成本。应用 CAD技术可以帮助设计者提高设计效率，当设计费较 高而CAD系统费用较低时，就会使成本降低，取得了明显的经济效益。一般建筑或建筑物的建设都要经过规划、设计、施工、维护管理等阶段，目前，CAD 技术已经被
21、广泛应用于各个阶段中，下面从 CAD技术的应用角度探讨一下虚拟现实技术的 研究现状和应用前景。3.1在规划中的应用 对于任何工程项目，规划工作都是十分重要的。一般土木建筑工程的规划都需要考虑众 多的因素，例如，土地利用、经济、交通、景观、法律等有关社会经济的因素，气象、地质、可以缩短设计工期。从而缩短了设计 可以提高设计质 地形、水等有关自然的因素，以及水质、噪音、土地污染、绿化等生活环境的因素等等。对应于该阶段的 CAD系统主要有两类：规划信息的存储和查询系统 例如土质数据库系统，地域信息系统，地理信息系统，城 市政策信息系统等。这一类系统多采用数据库系统的形式。现行数据库的一个缺陷在于数字
22、 化程度高，可视化程度低，这种数据表现出来是抽象的，可接受性差，例如，地理信息系统 对地形地貌的表现，如果只是由数字来表现，则可读性很差，如果表现为地形 图的形式，则相对容易接受。而采用虚拟现实技术，在系统中输入地形、地貌的数据，则可 以从不同的角度去观察，不但可以取得必要的数据，而且能够有直观的感受，不用再劳神费 力地想象地形图所表现的实际地形情况。规划的辅助表现集成系统 其表现物段主要是二维的图片，则景观的规划将更加科学合理、3.2在建筑设计中的应用 建筑设计CAD的类型及缺陷 一般土建结构的设计都包含结构形式的选定，形状尺寸 的假定、模型化、结构分析验算、图面绘制、材料计算等过程。CAD
23、技术在土建工程中最 早的应用就是在结构设计中，目前对应于设计的 CAD系统也可以分为三类：第一类，对应于各个设计过程中的系统。例如结构形式选择系统、结构分析系统、设计 系统、绘图系统、材料计算系统等，其中每个系统都可以处理多种结构形式。第二类，集成化设计系统。这类系统的自动化程度一般较高，只需输入少量的数据，利 用集成系统即可完成设计的全过程。第三类，通用 CAD系统，如AutoCAD,Microstation等。这类系统只提供基本的图形 处理功能，可用来绘制各个工程领域的设计图纸。该类系统的作业效率一般较低，需要进行 二次开发，以适用不同专业的需要。这些CAD系统擅长于进行几何数据处理，以表
24、现三维空间的物体以及着色；但对于处 理建筑设计工程中的复杂物理数学关系，如结构应力，热传导，为力。另外，由于适用各个设计过程的系统使用起来不方便，系统，不但要掌握每个系统的使用方法还需重复输入大量数据，代各种分项设计系统的趋势。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。在绘 图阶段单纯地就是绘图，计算机辅助设计体现在将设计人员的思想用图形表现出来（特别是 用于绘制施工图时），而不是在全局上，从方案选择、具体设计、分析计算到施工图 绘制辅助设计人员设计全过程。人们希望有了设计人员的知识，经验及设想后，通过计 算机的分析，计算比较判断，不仅将方案形象地表现出来，而且将
25、量化后的数据及结论输出 来，设计者再依据它修改方案。这就是绘图与结构计算一体化的思想。目前的集成化软件虽然已经向绘图与计算相结合的目标迈进，即实现了在建模后紧接着 例如景观表现系统，交通规划系统等。目前，景观表现系统 如果能够让用户产生一种身临其境一“人在画中游”的感觉,全面，而这种身临其境的感觉，正是虚拟现实技术要解决的 问题。实际上应用于景观表现的虚拟现实系统已经开始试用，德国的Frankfort的中心城市，最近将城市模型输入虚拟环境，用以规划一座银行，其实现并不是很复杂：首先把各个建筑 物的平面图（轮廓）输入到记录地区的数据库中，将各建筑物的高度赋于适当的值的自动生成 三维城市模型；再对
26、重要建筑物利用 CAD系统以不同精度进行修改，把建筑物正面的照片 扫描进去经过修改加工输入 CAD数据库；最后在 VR系统及数据模型中加上动态措施及环 境因素。光效应等，则显得无能 为完成一项设计需要使用多个 所以集成化设计系统已有取 声,进行计算，建模所形成的数据可为后续的计算所利用。但是，两者还是各自为政的。更进一 步的做法是将两者结合起来，随着模型的建立进行分析比较，将所得出的信息作为建模的参 考。目前此类软件的缺点在于操作时规定限制多，且菜单级别过多，过分强求树状结构，使 操作繁杂。虚拟现实技术在建筑设计中的应用 将虚拟现实技术应用于集成化 CAD系统中，能够 较好地解决以上存在的问题
27、，实现理想的绘图与结构计算一体化。如果把虚拟现实技术与现 在的集成化CAD系统的设计思想相结合，创建虚拟现实的集成化 CAD系统，从设计的建 筑方案、结构方案的选择直至最后结果的实现必将大大提高设计效率，提高设计质量。首先，建筑师利用虚拟现实 CAD系统可以很方便地建立和修改建筑方案。建筑师仿佛 置身于待建场地中，很方便地从库中提取各种物件和材料、家具、设备，象搭积木一样搭起 一座虚拟的建筑，该虚拟建筑的尺寸可以和实际设计中的建筑一样，其色彩逼真，并且有材 料的质感，建筑师可以对其进行着色，修改，并可以在随时改变视角和光源的条件下从任何 视点去观察这座建筑，以便得出满意的方案。然后，结构设计师
28、就可以利用已经建起的模型，选取结构方案调整荷载和定义荷载，由 系统自动进行结构分析，得出结果如配筋量和配筋图等，如果不能满意，则可修改参数或方 案。设计中比较令人头痛的一个问题就是建筑、结构、设备等各方的协调问题。目前采用的 方法是各方分别设计，再一起讨论，协商修改，反复进行直到满意。如果采用VR集成CAD 系统，则可以实现各方同时设计，在设计过程中遇见冲突随时协调直到满意为止。3.3在室内装饰中的应用 工程项目进入室内装修阶段通常临近预定的竣工日期，工期非常紧，而装饰施工图又比 较粗糙，在不少施工图中装饰线条的尺寸比例估计不足，因而在装饰施工中，返工是屡见不 鲜的，由此而造成工期延长，造价增
29、加，有时还不可避免地影响外观效果与内在质量。VR集成CAD技术在施工前就可以事先在计算机上进行室内装饰的模拟，从计算机的显示 屏上进行修改，以解决设计中某些与实际脱节的现象，使上述弊病得以避免。随着建筑业的发展，越来越多的建筑物采用外墙贴铺面砖面，面砖的色彩丰富，规格多 样，加之建筑造型各异，使得面砖贴铺方案的确定大有文章可做，目前的常规方法是在建筑 施工立面图上划出面砖的分隔，并着色来观察效果，确定方案，这种做法缺点是立面越多，考虑的方案越多，要绘的图纸就越多，工作量很大。运用 VR集成CAD 技术在计算机上 模拟贴面砖，模拟面砖色彩，即可减少重复制图还可以在计算机屏幕上显示出用绘图仪绘制
30、出模拟效果以便进行比较。CAD技术不仅可用于外墙贴面砖的模拟，还可以用于模拟室内 外铺贴地砖，花岗石大理石等。由于在施工过程中，进行模拟绘制，是按现场粉涮后则得的 实际尺寸进行模拟和绘制的，这样的模拟与实际非常贴近，使得现场施工时定位放线与模拟 图十分吻合，从而避免了以往施工放线时的尺寸与原施工图尺寸有误差而带来的种种麻烦。由此可见，装饰工程中引入 VR集成CAD 技术的前景是十分诱人的。如果在计算机 中输入装饰房间的模型，再接入虚拟现实设备，设计者就能身临其境地处在房间中，可以直 接体验各种装饰方案，也可以对装饰方案进行修改，这样即节省了时间，也使最终方案具有 更强的可信性。在室内装饰的其它
31、方面，如选择贴墙纸还是贴面砖，面砖、地砖的颜色、图案、分隔形 状的选择都是很繁的，传统的方法是做出缩小的实际模型，在实际的模型上进行实验，这样 做不仅费时、费钱而且其效果并不好。如果在计算机中输入实际房间的模型，再引入虚拟现 实设备，一切就将变得简单轻松，设计者身处所需装饰的房间，按照自己的构思去装饰、修 改，并且可以变换自己在房间中的位置，去观察装饰的效果，直到满意为止，这样既节约了 运用 时间，又节省了做模型的费用，其结果更可信。可以设想，在未来的装饰工程中虚拟现实技 术将会代替现有的实际模型而显示出其强大的生命力。3.4 在建筑机械设计中的应用 建筑机械的适用程度是直接影响到建设时间和建
32、筑质量的一个重要，很长的一段时间内 人们并未认识到这个问题，但随着科学的不断进步，建筑机械化程度的不断提高，这个问题 将会被人们所重视。在目前的机械设计上，用机械CAD也可以实现屏幕上的三维动画演示，但它无法实现操作者的虚拟实际操作。我们知道建筑机械的适用包括两个方面，一方面是要最大程度地发挥该机械的效能，另 一方面，它的操作应该简单适用。如果设计出一个新的机型，却无法实现操作者的虚拟实际 操作那么该机型在实际操作中可能存在的问题就无法发现。第一个受虚幻现实影响的设计是 1996年推出的反铲载机。美国卡特彼勒公司建筑机械 产品部工程师贝特纳在光谱杂志上发表文章，阐述他们在理论上有三个看上去都是
33、可行 的不同设计，用他们开发的虚幻环境系统对这三个设计方案进行了先期效果的演示验证，结 果发现其中两个设计在操纵反铲传动机时，会不时进入视野死角。如果不使用虚幻环境系统，只有在样机造出后才能发现。结果卡特彼勒公司提前 9个月选定了设计方案，并且节约了按 其它两个较差设计方案试制样机所需的巨额费用。在建筑机械设计中应用虚拟现实技术主要有以下几个特点：1.建立虚拟模型将减少或者消除对昂贵的实际模型所需要的费用。2.通过综合虚拟模型的虚拟结果工程分析将使结果更加有效。3.进行性能和人机工程方面的研究时，将允许人直接参与操作模拟。4.对装配、制造和维修等工作进行虚拟仿真模拟，可在设计过程的最初阶段发现
34、可能 存在的缺陷和问题，减少不必要的浪费，进行模拟职业培训，提高劳动力的适用性和技能。由此可以看出，在未来的建筑机械设计中，虚拟现实技术有着极其广泛的前景，以相信，在将来的建筑机械设计中，虚拟模型将会代替实际模型，并以目前的VR 技术的优势而取代现有的设计方式。4建筑与结构的设计和施工过程的可视化计算技术 在科学研究中，人们会遇到大量的数据。为了从中得到有价值的规律和结论，些数据进行认真分析。例如，为了设计出阻力小的机翼，科学家必须详细分析空气的动力学 特性，这需要巨大的计算量。为了使这种分析更加直观而发明了风洞试验的方法：通过使用 烟雾气体，可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情况，因而大大
35、提高了对机翼的空气动 力学特性的了解。在研究微观领域，如蛋白质的结构以及分子结构时，由于这些结构超出了 人眼所能观察的范围，使人难于理解和接受。我们通常采用分子结构模型、蛋白质结构模型 来研究这些问题，使得问题更加易于理解。这种把不能或不易直接观察的现象转化为眼睛能 够观察到的现象的技术称为可视化技术。在计算机图形学和工程设计领域，科学可视化可以 定义为：对科学计算取得的数据进行可视化加工或三维图形显示，并可通过交互地改变参数 来观察计算结果的全貌及其变化。在我国的现代化建设中，建筑业越来越成为对国民经济发展起制约作用的支柱产业。时，随着社会和科技的发展，建筑物的规模、功能、造型和相应的建筑技
36、术越来越大型化、复杂化和多样化。所采用的新材料、新设备、新的结构技术和施工技术日新月异，节能技术、信息控制技术、生态技术等日益与建筑相结合。建筑业和建筑物本身正在成为许多新技术的 复合载体。而超高层和超大跨度建筑、特大跨度桥梁及作为这些超大型复杂结构核心问题的 现代结构技术则是代表一个国家建筑科学技术发展水平的重要标志。超高层、超大跨度建筑和特大跨度桥梁这些超大型复杂结构的设计和施工技术含量高，我们可 集成CAD 需要对这 具有结构形式丰富、设计与施工高度相互作用、设计和施工内业工作量大等特点。可视化计 算技术将给这些超大型复杂结构的设计和施工控制技术带来了新的内涵，将使其变得比较容 易，方便
37、和更加直观。例如，大跨度斜拉桥的施工大都采用悬臂浇注或拼装的方法，一般要经过多次的循环，而每一个循环内还要包括好几个工况，另外，由施工中的实际结构来反馈影响设计也是大跨 度斜拉桥的一大特点。因此，在设计阶段无论是组织数据，编排仿真计算过程，阶段内力调 整还是数据的输入以及计算结果的整理其工作量非常之大，且极容易出错，而对于斜拉桥施 工阶段的内力和标高控制问题，更是具有显著的特点，其中最主要的是要根据施工中的实际 结构来修正起初设计中的一些基本条件。以前由于受计算机技术的限制，这方面的研究工作 相对滞后于桥梁工程的发展需要。因此，研制开发超大型复杂结构的设计和施工控制的可视 化计算技术是当务之急
38、，极有必要。可视化技术在土木工程中有着广泛的应用。土木工程离不开数据的处理，数量大，而且较抽象，难于理解。工程师更愿意用内力图来表示内力情况；表示某点的受力状态；用挠度来表示某种荷载下构件或结构的弯曲程度，是眼睛观察不到的。在这种情况下，应用可视化技术可以做到一目了然。主要有：4.1 建筑物、大型结构的风洞试验的可视化计算 在土木工程中，重要结构，如电视塔、大型桥梁、超高层建筑、过街楼等，通常要进行 风洞试验。为了观察空气在建筑物中或建筑物间运动状况，也采用烟雾气体的方法，使科学 家能够直接观察到气体的运行状况。但是，进行传统的风洞试验需要采用实物模型。这种方法的缺点是：制作模型即费时又 昂贵
39、；由于模型通常比实物小，这就使实验存在着一定的误差；另外，人无法在近距离观察 实验情况（因为这样将影响到实验结果），这就给实验数据的获取造成了一些麻烦，从而会加 大实验的误差。虚拟现实技术可以克服传统的可视化计算中存在的这些缺点。虚拟的风洞可以让工程师 看到模拟的空气流场，使其感到好象真的站在风洞里一样。虚拟风洞的目的是让工程师分析 多漩涡的复杂三维性质和效果，空气循环区域被破坏的乱流等。而这些分析利用通常的数字 仿真是很难实现可视化的，利用虚拟现实技术可以很好的解决这个问题。例如，可以将一个 建筑的 CAD 模型数据调入该虚拟风洞进行性能分析，为了分析空气流模式可以往空气流中 注入轨迹追踪物
40、，该追踪物将随气流漂移，并将其运动轨迹显示给工程师。追踪物可以通过 数据手套任意指向指定的位置，工程师可以从任意角度观察其运动轨迹，以得出满意的答案。4.2 结构有限元分析的可视化计算 在运用传统的有限元法进行结构分析时，结构应力的结果通常采用内力图等力线的形式 描绘出来，给人以直观的印象。利用虚拟现实技术则可以通过颜色的深浅给出三维物体中各 点力的大小，用不同颜色表示出不同的等力面；也可以任意变换角度，从任何点去观察。还 可以利用 VR 的交互性能，实时修改各种数据，以便对各种方案及结果进行比较。这样就使 工程师的思维更加形象化，概念更易于理解。超高层、超大跨度建筑和特大跨度桥梁这些超大型复
41、杂结构的设计、工程控制和的施工 控制需要进行多次的结构重分析。如对斜拉桥和大型连续梁桥的理想后退分析、实时前进分 析等。分析之前，首先要建立有限元结构分析总模型和施工阶段模型，其中包括单元拓扑结 构、节点信息、刚度数据、材料特性、边界支持条件、荷载分布等。把可视化计算技术应用 于这些超大型复杂结构的设计、工程控制和结构分析中，将增强计算软件的前后置处理能力。各种数据不仅 用单元受力图来 虽然这些力和挠度 可视化计算的应用 例如，在桥梁工程控制和结构分析的可视化计算中，倒退（拆）分析结构倒拆动态演示、结构 理想施工线型显示、施工阶段主梁形心线的设计曲线和实测拟合曲线的显示、前进分桥结构 拼装动态
42、演示、施工预告图形显示、主梁内力图显示、危险截面应力分布图显示等等。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。4.3 施工过程模拟的可视化计算 可视化计算在土木工程施工过程中也有用武之地。例如，在钢筋的连接方面，现在应用 得很广泛的套筒冷挤压技术，在研究其基理及可靠性时，是用实物挤压，然后再作强度破坏。为了达到施工的安全目的并且给出施工技术，要做成千上万组的实验，然后对实验数据进行 分析，来确定破坏机理，建立力学模型。如果运用可视化计算，在计算机中输入套筒与钢筋 的物理特性、力学特性，建立模型，就可以在计算机屏幕上
43、看到不同型号的套筒和钢筋在不 同压力下的挤压情况，作出钢筋和套筒的力变形曲线，研究其机理，建立力学模型。但是传统的可视化计算也有其局限性，其局限性在于只能观察纵断面和横断面的情况，只能起到一定的辅助作用。如果在可视化计算的基础上，再引入虚拟现实技术，那么在立体 的环境中，工程师可以观察到挤压下钢筋和套筒上任一点的变形从无到有到稳定的全过程。并且对于最后的变形情况有直观的了解。在实物实验的基础上，将实验中所归纳出的基理输 入到计算机中，对原来的模型进行修改，工程师就可以建立出可信的力学模型。同济大学在桥梁工程控制的可视化计算方面做了许多出色的工作。视化计算中，理想施工可视化倒退分析是在成桥结构理
44、想初始状态下，析每次卸除一个施工段对剩余结构的影响各个阶段倒退分析出的结构位移、想的施工状态。一般地，理想施工状态的确定由倒退分析系统完成。析都是对该阶段结构作一次完整的有限元分析，要花费较多机时，很难实现实时地倒拆分析动态演示。采用并行计算技术，其动态演示达到基本同步（准实时）的程度。可视化计算中，可视化前进分析是指按施工阶段逐步进行的一种结构分析。特点是：随着轿梁施工阶段的推进，结构形式、边界条件、载荷形式在不断改变，的结构会发生徐变和几何位置的改变，分析系统是一种有限元分析系统的扩充，混凝土徐变、收缩效应的计入。同样地，采用并行计算技术也可使前进分析像倒退分析一样 快速地进行，从而实现可
45、视化前进分析的准实时动态演示。可视化计算中，实时可视化跟踪分析是指通过现场量测和计算机模型计算对量测数据和 计算数据进行综合分析，以便对下一步施工进行指导，使其不会偏离理想施工状态过大它是 实现桥梁工程控制助关键。其中主要包括量测数据采集、结构分析、温度修正计算、参数识 别和施工预告计算。量测数据采集是以施工控制为目的在施工现场对每个施工阶段的控制变 量（如挠度、应力和斜拉桥索力）进行检测和收集。结构分析对已施工部分进行初步检算和提 供用于参数识别的计算结果。温度修正计算用来扣除由于温度而引起的对识别参数的影响。参数识别是为了消除因设计参数取值的不确切性所引起的在施工中设计与实际的不一致性；通
46、过对实际结构反应（如挠度、索力等）信息的处理，求出符合实际结构的设计参数（如截面特 性、主梁自重、徐变计算中的系数等）。施工预告就是根据这些较符合实际的设计参数，由 可视化前进分析向前计算直至竣工得出的，它预告今后施工可能出现的状态并预告下一阶段 当前已安装好的构件或即将安装的构件是否会出现不满足强度要求的情况，以确定是否要在 本施工阶段对可调变量进行调整。在进行实时跟踪分析时，首先要输入所采集到的现场量测数据，确认后，可视化计算系在桥梁工程控制的可 对结构进行倒折，分 内力状态便是理 每完成一阶段的倒退分 对大型结构，这样的分析在一般的计算机上 可使这种分析及 这种分析的 前期完成 这些因素
47、必须在下一施工阶段分析中予以考虑 前进 扩充内容主要包括阶段模型的自动拼装和已施工段 统将自动拟合所采集到的数据，将“施工阶段主梁形心线的设计曲线”和“实测拟合曲线”显示于屏幕上，供用户分析和参考用。其次，通过结构分析的可视化计算程序，将“监测点 挠度对比”、“监测索索力对比”、“主梁内力图”、“危险截面应力分布图”和“主梁形心线挠 度曲线”显示于屏幕上。通过温度修正可视化计算模块，输入实测温度，系统会自动调用 温度修正计算程序，并在计算完成后，将修正后的数据存人数据库，供参数识别用。然后，系统调用参数识别系统求出较符合实际的设计参数，存人数据库，供可视化前进分析和后退 分析时用。最后，进行“
48、前进分析结构拼装动态演示”、“施工预告图形动态演示”、“主梁内 力图动态演示”、“危险截面应力分布图动态演示”分析，达到对桥梁施工控制的目的。同样，对于一些看不到其内在情况的施工技术，我们也可以运用引入虚拟现实的可视化 计算技术，只作少量的实物实验就可以达到事半功倍的效果。5 先期技术成果演示与论证技术 一个大型的公共建筑工程项目或比较重要的建筑，如车站、机场、电视塔、桥梁、港口、大坝、核电站等，建成后往往会对某一地区的景观、环境等有较大的影响。它们建设成本高，社会影响大，其安全性、经济性以及功能合理性的意义更加重大。目前，这种重大项目的建 设过程的初期经济评价是建立在高度抽象的模型基础上，其
49、结果经常出现很大偏差。项目上 马前的功能评价也只是建立在想象和经验的基础上，经常出现偏差。而这种偏差造成的功能 上的缺陷几乎是无法弥补的。当然，目前也有一些功能评价建立在物理模型和计算机仿真模 型分析的基础上。但物理模型是缩小比例的模型，试验和评价难免出现误差，而且试验周期 长，费用较高。目前，计算机仿真模型由于存在和图形结合差、可视化不强的缺点，许多功 能上的评价，特别是建筑的使用功能的评价，很难达到满意的效果。如何在建筑的设计阶段 是人们所关心的问题。这种评价技术就称为建筑设计的先 一系列社会问题，城市组团密集导致的城市结构系统扩张，的新环境研究，城市建筑（特别是住宅）的高密度和多样化需求
50、提出的新内容、新形式课题，高速运载系统对环境的冲击，大量人口需求户外娱乐对社会和生态的影响，以及人们对环境 质量的新要求，能源匮乏和生态环境面临的危机等，所有这些都与城市实质环境有关。因此，在环境保护意识日益受到重视的今天，我们不能不考虑到一个建筑对周围环境所产生的影 响，毫无疑问，在工程竣工以前，我们不可能以一个与实际建成后的建筑同等比例的模型置 于实际的环境中，用以考察该建筑物对于周边环境的影响。以三峡工程为例，对于本世纪最 大的水利工程，其影响是深远的，一旦其建成以后无论是对生态环境，当大的影响。就在截流前几天，一批科学家对三峡上下游进行全面考察，然是为了得到各方面的相关数据，从而保护上