2021-4-13 | 土木工程论文
1虚拟现实技术概论及其具备的特征
VR技术浸没感是依据人们视觉、听觉的生理特点，通过电脑产生非真的三维图像世界，只需参与者戴上头盔显示器和数据手套等设备，就可以将自己进入虚拟的环境中并成为其中一员。参与者同虚拟环境中各种事物的相互作用就好像在真实的世界一般，所有感觉都是那么真切，有一种真实世界的感觉。VR系统中的人机交互系统是一种似乎正常的交互，用户可以通过键盘或鼠标进行交互，也可以通过头盔显示器和数据手套等设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟世界中的对象进行操作或测察。构想性，又称“自主性”，强调VR技术要具备广阔富裕的想象空间，开阔人类的认知视野，虚拟现实技术不仅能再现逼真的环境，也能构想不存在或不能发生的环境。一个完整的VR系统是以虚拟环境处理器———高端计算机、以视觉系统———特殊头盔、以听觉系统———语音识别、声音合成与声音定位、以身体方位姿态跟踪设备———方位跟踪器和数据手套，以及多种感的觉反馈系统等功能构成编辑本段面临的问题。因为VR系统中装有视觉系统、听觉系统、触觉系统、动觉系统等设备装置，因此用户参与者在虚拟的世界环境中可获得多种感受感知，从而达到真实世界的感觉。
2虚拟现实技术在土木工程中的应用
2.1土木工程中虚拟现实技术应用的前景
以前在土木工程这个行业中，人们只能用很抽象的理论概念来表达很丰富的内容，譬如用平面设计图、剖面设计图、立面设计图等多种平面设计图来形成一些特定的符号，表示出三维图像的立体建筑，并用抽象的图形和精练的语言作为辅助来描述要建造的建筑物以传递信息。但是这种传递方式对信息接受者来说会受到限制，因为每个接受者所从事的工作、知识水平的高低以及理解能力的是不同的，这样就会很难交流，就无法传递原本想要传递的信息。虚拟现实技术的兴起与发展，成为克服这一困难的好助手，提供了极其有效的手段。用VR技术不仅能出现虚拟的世界，而且也能再现真实的世界。再现真实的世界时，它可以突破空间和时间的束缚，真正的做到“超越现实”；而在虚拟的世界时，它又能使虚拟世界环境中的对象表现出逼真的三维立体图像，使人感到一种身临其境的感觉，最后形成一种“浸没感、交互性、构想性和多感知性的三维信息空间”。虚拟现实技术对参与者来说是一种新型高端的人机接口，这种技术是利用电子计算机来生成的三维立体环境，不仅能使用户感受到虚拟世界环境中对象的逼真存在，而且也能使用户在虚拟世界中的运动和操作及时做出准确的反应。
2.2土木工程中虚拟现实技术应用的领域
在建筑工程施工时，施工的方案设计结构复杂，施工结构计算也很复杂，这两项在施工中都是大问题，施工的方案设计问题在于建筑施工现场的结构构件和施工机械设备之间关系的表述；施工结构计算的问题在于施工结构在施工状态下的变形大于建筑结构建成后。虚拟现实技术应用于土木工程的施工方案设计中是指利用VR技术，在虚拟的世界中，建立建筑场景实物、建筑结构的构件和人工接口的机械设备等构成的的三维立体模型，其形成还基于计算机各种功能的仿真系统，让虚拟环境中的模型对象具有动态性能，还可以对虚拟世界环境中的模型进行装配设备，并依据所操作的装配结果，在人机交互的虚拟世界环境中对虚拟施工方案进行操作和修改。“建筑施工方案设计结构复杂，其涉及的因素也比较多，如对起重机的位置、高度和缆风绳着力点的选择、构件放置位置、起重机开行路线及起吊路线等都是建筑施工方案设计必须考虑的问题”。如果对以上因素考虑不周，那么整个建筑工程的施工进度和成本都会受到严重影响，甚至还会造成安全事故的发生。建筑工程施工前要对施工方案进行受力状态复核“。比如在建筑物空间跨度大的结构施工中，不仅要考虑到施工过程中的安全和可行，还要考虑建筑结构自身在建筑施工过程中的安全和可行”。某建筑结构，钢结构屋盖支承在钢桅杆上，桅杆两端为锥形，与下部混凝土结构铰结。在钢屋盖桅杆和混凝土之间采用前索、背索、稳定索和撑杆构成一个稳定的结构体系，来减小钢桁架的变形。在钢结构的施工过程中，不同的支撑方案、拼接方案，在不同的部位就会引起不同的效应。随着连接杆件的安装，这些施工阶段的应力将残余在结构部位上，并最终影响结构受力的安全性以致在就位过程中有可能失稳和变形，这就需要进行施工过程的精确分析。如果采用VR技术就可以对不同的方案做出大量的分析，从而保证施工方案的最优化。
建筑行业已成为我国的支柱性产业，长期以来建筑市场的竞争过度。如今建筑工程项目的运作对业主来说绝对占优势。在投标的有限时间内，怎样才能使业主和评标专家清楚地了解招标投标文件的编制，以及被认可程度的高低，这关系到承包商最终能不能中标。为此，承包商不仅注重投标方案技术的可行性和报价合理性的同时，而且也非常注重投标方案的包装。“特别是国际工程、国家重点工程和大型工程的招标投标，常常在项目企划时期就已经开始着手这方面的运作”。利用虚拟现实技术，把抽象复杂的施工过程和建筑方案逼真的表现出来，这种技术不仅能节约时间和投资，而且也不用项目负责人的现场讲述和答辩，通过虚拟逼真系统将投标方案表现的一目了然，这对承包商中标的几率必然大大增加。
今后可视化计算将是个重要的发展。在科学研究中，人们要在大量的数据中得出有价值的规律和结论，就必须对这些大量数据量进行整理和分析。最终把科学的数据进行三维立体图形显示，并通过交互系统变换参数来观察计算结果的过程及其全貌，实现可视化计算，实现VR技术飞跃式的发展。“在运用有限元法进行结构分析时，利用VR技术可以通过用不同的颜色来表示三维物体中各点力的大小；也可以随意变换角度，从个个点去观察”。还可以利用虚拟现实技术的交互性能修改各种数据，以便对各种建筑方案和其结果进行比较。如此一来就能使工程师的思维更形象化、概念更容易理解。将复杂的建筑结构设计、结构分析和工程控制通过利用可视化计算技术来提高计算机软件的处理能力。比如，在桥梁和结构分析时就能借助图形或图像实施动态控制结构分析，实施动态演示。还可以进行倒拆动态演示、结构施工线型显示、分桥结构拼装动态演示、危险截面应力分布图显示、施工阶段主梁形心线的设计曲线和实测拟合曲线的显示、主梁内力图显示、施工预告图形显示等等。
3虚拟现实技术在土木工程中的作用
虚拟现实技术在城市规化中起着重要作用。例如，每个城市都有自己的近期、中期和远景规划。在规划中需要考虑各个建筑同周围环境是否和谐相容，新建筑是否同周围环境的原有的建筑协调，以免造成建筑物建成后，才发现它破坏了城市原有的风格和合理布局。虚拟现实技术应用于建立建筑规划图更是一览无遗。譬如建立起的三峡水库模型，便可在水库建成之前，直观地看到建成后的壮观景象。蓄水后将最先淹没那些村庄和农田，哪些文物将被淹没，这样能主动及时解决问题。把虚拟现实技术应用于土木工程中一大优势是很好的推销。比如，在建筑工程项目投标时，通过虚拟现实技术把设计好的投标文件方案展现出来，利用VR技术的设备头盔显示器把业主带入虚拟的未来的建筑物里参观，使业主可逼真的感受到虚拟建筑物门的高度、屋内设计和窗户朝向以及采光多少等，就如同在现实一般。因此，用VR技术展示这些建筑装饰比用枯燥的文字和简单的图片宣传更有吸引力。虚拟现实技术应用于土木工程中的有一大优势是节约时间和工程投资。比如，克莱斯勒公司在1988年在设计某两种新型车上取得的突破就是利用了虚拟现实技术，这项技术第一次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线，可以说完全省略了试生产这项过程。也正是利用了这项新型高新技术，才使得克莱斯勒公司避免了1500项设计差错，既节约了工程开发时间和又节省了工程投资费用。“利用VR技术还可以进行汽车冲撞试验，不必使用真的汽车便可以显示出在不同条件下冲撞后的后果”。现今VR技术已经成为人类探索客观世界规律的三大手段之一，与理论分析、科学实验并排。因此用VR技术来设计新材料，不仅能预先了解改变成分对新材料的影响，而且还能在新材料没有出来前就预先了解到用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。因此，把虚拟现实技术应用于土木工程建筑必然是一种新的尝试，以上例证说明虚拟现实技术应用于土木工程对土木工程行业是一种突破，具有巨大作用。
4结语
VR技术的发展还需要计算机图形和多媒体信息处理的高性能使其处理能力上升百倍，而三维图形算法和参数化建模算法能使VR技术更加成熟。当前，VR技术还存在着许多不足，特别是在建筑领域的研究。要把虚拟现实技术应用到土木工程中，建立VR技术实验室，开发VR工程系统，使此技术在建筑设计、工程施工和工程管理等方面得到广泛应用。
本文作者：李金龙 单位：许昌方圆勘测设计有限公司