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虛擬現實(shí)可視化技術(shù)在橋梁工程中的開(kāi)發(fā)與應用

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：將虛擬現實(shí)可視化技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，引入到實(shí)際鋼結構橋梁中，深入研究大型復雜鋼結構橋梁整個(gè)施工過(guò)程的仿真，對不同施工組織設計進(jìn)行優(yōu)化組合，具有可操作性強、人機交互功能。為我國大型鋼結構橋梁的施工組織設計提供科學(xué)的理論方法，并對先進(jìn)技術(shù)手段進(jìn)行虛擬預演。提供橋梁從設計、制作、安裝全過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化虛擬現實(shí)模型和工程動(dòng)畫(huà)，指導工程施工和方案優(yōu)化，具有明顯的經(jīng)濟效益和科學(xué)進(jìn)步意義，是虛擬現實(shí)在橋梁建設中創(chuàng )新性應用。
    關(guān)鍵詞：虛擬現實(shí) 鋼結構工程 橋梁 動(dòng)畫(huà) 預演 漫游

    1 引言
    隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，工程界各種專(zhuān)業(yè)性軟件的普及、應用,結構內力計算、施工圖繪制逐步實(shí)現計算機代替人工繪制，極大地提高了生產(chǎn)效率。但是平面模式的結構施工圖紙,其在表現形式上的局限性是顯而易見(jiàn)的,只能面對專(zhuān)業(yè)的工程技術(shù)人員,復雜的線(xiàn)條和文字標注以及表格,極易出現識圖錯誤,例如,在橋梁結構中幾千個(gè)不同部位桿件尺寸等。應用AUTODESK-CIVIL3D、3D Max等軟件雖然能實(shí)現三維模型表現和工程結構構件內部構造的描述，但在顯示器觀(guān)察時(shí)只能展示結構的一個(gè)角度或一個(gè)側面。
    在以往為了實(shí)現對構件內部結構進(jìn)行深入觀(guān)察，主要采用瀏覽動(dòng)畫(huà)的方式,但這種動(dòng)畫(huà)的可操作性、人機交互性較差,無(wú)法直觀(guān)描述構件的細部情況，對施工過(guò)程的受力變形情況更是難以表現出來(lái)。因此，如何實(shí)現真正意義上的三維建筑結構表現形式、模擬結構受力變形[1]是現代工程設計表現的一個(gè)新議題。通過(guò)虛擬現實(shí)技術(shù)結合到橋梁工程中，人們可以自由地與虛擬環(huán)境中的場(chǎng)景對象交互，產(chǎn)生了一種身臨其境的感覺(jué)，從而為橋梁的設計者、施工者與決策者提供了可視化的決策工具。

    2.虛擬現實(shí)的概念及現狀
    2.1概念
    虛擬現實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)是近年來(lái)出現的高新技術(shù)。VR是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計算機生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅覺(jué)等感覺(jué)，使人作為參與者，通過(guò)適當裝置自然地對虛擬世界進(jìn)行體驗和交互作用。
    概括地說(shuō)，虛擬現實(shí)是人們通過(guò)計算機對復雜數據進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。
    2.2虛擬現實(shí)的關(guān)鍵特征
    虛擬現實(shí)的關(guān)鍵特征[2]是：
    （1）沉浸感（Immersion）
    又稱(chēng)臨場(chǎng)感，指用戶(hù)感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應該使用戶(hù)難以分辨真假，使用戶(hù)全身心地投入到計算機創(chuàng )建的三維虛擬環(huán)境中，所達到的最高境界就是：環(huán)境中的一切看上去是真的，聽(tīng)上去是真的，動(dòng)起來(lái)是真的，甚至聞起來(lái)、嘗起來(lái)等一切感覺(jué)都是真的，如同在現實(shí)世界中的感覺(jué)一樣。
    （2）交互性（Interactivity）
    指用戶(hù)對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。例如，用戶(hù)可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著(zhù)東西的感覺(jué)，并可以感覺(jué)物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著(zhù)手的移動(dòng)而移動(dòng)。
    （3）構想性（Imagination）
    強調虛擬現實(shí)技術(shù)應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類(lèi)認知范圍，不僅可再現真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構想客觀(guān)不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。
    2.3虛擬現實(shí)的分類(lèi)
    虛擬現實(shí)技術(shù)是通過(guò)一些特殊的外部設備來(lái)實(shí)現的。虛擬現實(shí)技術(shù)可分為：
    (1)被動(dòng)式虛擬現實(shí) ：在三維環(huán)境中為用戶(hù)提供一個(gè)封閉的過(guò)程，行進(jìn)路程和觀(guān)察對象由軟件嚴格、獨立地控制，用戶(hù)除了退出會(huì )話(huà)外，沒(méi)有其它控制權。
    (2)查詢(xún)式虛擬現實(shí) ：提供一個(gè)通過(guò)三維環(huán)境時(shí)，為用戶(hù)指出地形圖，參與者可以選擇路程和觀(guān)察，但不能再有其它與三維場(chǎng)景的交互作用。
    (3)交互式虛擬現實(shí) ：提供一個(gè)通過(guò)三維環(huán)境時(shí)用戶(hù)指出的行程。另外，三維環(huán)境還是虛擬實(shí)體反應并作用到行為的參與者。
    2.4虛擬現實(shí)發(fā)展現狀
    從1994年Vrml規范問(wèn)世到2000年實(shí)現Vrml,再到X3D的轉換,虛擬技術(shù)有了很大的發(fā)展。X3D 整合了正在發(fā)展的Xml和Java等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現了參數化和可視化計算。許多大型的圖形圖像處理軟件如3D Studio Max ,Director中,都集成了基本的虛擬技術(shù)。目前,在國內外出現的一些專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)虛擬現實(shí)制作軟件的公司及虛擬軟件已經(jīng)相當成熟和完善，極大地推進(jìn)了虛擬技術(shù)的發(fā)展、普及及應用。
    近年來(lái)，隨著(zhù)計算機硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬技術(shù)在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來(lái)越顯示出廣闊的應用前景。國內在虛擬現實(shí)軟件領(lǐng)域也是比較長(cháng)足的發(fā)展，推出的軟件有了VRP-SDK ，Converse 3D等，特別是VRP-SDK軟件包為客戶(hù)提供了VRP的內核接口，更方便對其進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
    2.5虛擬現實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）
    VRML空間不僅僅是場(chǎng)景的建立，還應該包括環(huán)境中各個(gè)對象屬性與行為的定義，甚至將對象的表情，動(dòng)作等都可反映出來(lái)，新的技術(shù)正不斷完善它的功能。
    VRML語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)：
    (1)平臺無(wú)關(guān)性 ：VRML語(yǔ)言建立在三維虛擬實(shí)驗場(chǎng)景的優(yōu)勢在于其可以非常方便的生成三維幾何實(shí)體，也具有平臺無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)。
    (2)C/S的工作模式 ：VRML的訪(fǎng)問(wèn)方式是基于客戶(hù)/服務(wù)器模式的。其中服務(wù)器提供VRML文件所支持的資源（圖象視頻、聲音等），客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載希望訪(fǎng)問(wèn)的文件。并通過(guò)本地平臺上的VRML瀏覽器交互式的訪(fǎng)問(wèn)該文件的虛擬境界。
    (3) 實(shí)時(shí)3D圖形渲染 ：實(shí)時(shí)3D著(zhù)色引擎在VRML中得到了更好的體現。這一特性使VRML建模和實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)更明確地隔離開(kāi)， VRML不同于其他3D建模動(dòng)畫(huà)，它具有交互性。
    (4) 網(wǎng)絡(luò )傳輸容易 ：VRML適合于計算機網(wǎng)絡(luò )的傳輸，并不要求有很高的網(wǎng)絡(luò )傳輸帶寬，而且圖形生成的工作放在要求不高的客戶(hù)機上。由于VRML可以在低帶寬異構網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中實(shí)時(shí)進(jìn)行三維信息的遠程傳輸和遠程指令的接受，而且對三維圖形生成的計算機性能要求不高，所以，用它來(lái)構筑分布式虛擬環(huán)境具有低代價(jià)集約化的特點(diǎn)。
    (5) VRML具有可伸縮性 ：首先對VRML瀏覽器來(lái)說(shuō)，從理論上講，應能處理由數億個(gè)對象組成的分布在Internet上的境界。其次，VRML境界可以相對于網(wǎng)絡(luò )性能而伸縮，可用于不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )連接中。

    3.虛擬現實(shí)技術(shù)在橋梁工程中的開(kāi)發(fā)和應用
    Vb6.0作為一種可視化的、面向對象和采用事件驅動(dòng)方式的結構化高級程序設計語(yǔ)言結合VRP平臺，開(kāi)發(fā)的面向橋梁工程可視化仿真系統界面（以下簡(jiǎn)稱(chēng)VBB-VRP)，集合了計算機圖像學(xué)、數據庫技術(shù)、人機交互技術(shù)于一體，實(shí)現了真正意義上的人機交互式的虛擬現實(shí)在鋼結構橋梁工程上的的具體應用。
    3.1 VBB-VRP操作界面介紹
    本系統是結合壩凌河特大鋼絎橋工程的需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，它通過(guò)對虛擬現實(shí)模型的實(shí)時(shí)結合，實(shí)現虛擬模型與操作的實(shí)時(shí)、交互控制，呈現架設過(guò)程各構件的截面尺寸、材料屬性、長(cháng)度、重量、位移和完成工作進(jìn)度的實(shí)時(shí)查詢(xún)功能。
    系統主要由5部分組成，即VRP顯示系統、Treeview部分、 Listview部分、Picturebox部分、Textbox及Button鍵部分（詳見(jiàn)圖3.1所示）。
    （1）VRP顯示系統，為主程序提供直觀(guān)、友好的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景，通過(guò)動(dòng)畫(huà)展示架設過(guò)程，操作者可以隨機進(jìn)行交互操作，可以進(jìn)行放大、旋轉等各種控制和深入觀(guān)察。
    （2）Treeview部分，主程序的控制既通過(guò)它來(lái)實(shí)現，它是以目錄樹(shù)的形式分級顯示各架設階段，層次清楚，查詢(xún)方便，操作者可以通過(guò)該控件直觀(guān)的調用查詢(xún)任意架設段各桿件截面尺寸、材料屬性、重量長(cháng)度等參數；
    （3）Listview部分，連接數據庫部分。它的作用是進(jìn)行結果輸出，通過(guò)treeview目錄樹(shù)結點(diǎn)的激發(fā)，把調用的結果數據在listview內呈現出來(lái)。
    （4）Picturebox部分，為了給操作者提供更直觀(guān)的數據查詢(xún)圖片，設計中充分運用圖片提供出桁架的架設位置、控制結點(diǎn)的位置以及纜索和梁的截面形式。
    （5）Textbox和Button鍵，實(shí)現對主程序的操作功能和信息顯示。

    該系統一方面可以詳細地展現各施工階段每一桿件的截面尺寸、形狀、面積、長(cháng)度、重量和實(shí)時(shí)施工完成百分比，以及提供詳細的施工動(dòng)畫(huà)演示等，為施工單位進(jìn)行梁截面的施工和校核工作提供了很大方便；二是實(shí)現了對橋梁計算結果數據庫化，可以任意查詢(xún)各架設過(guò)程施工控制點(diǎn)的計算結果，極大的方便了使用者對結果數據的調用，改變了單一的采用數據列表和圖表顯示，實(shí)現施工控制的自動(dòng)化。
    3.2 VBB-VRP的應用實(shí)例
    壩陵河大橋是目前國內首座跨徑超過(guò)千米的鋼桁加勁梁懸索橋（見(jiàn)圖3.2），工程規模較大、建設條件復雜、技術(shù)難度高。大橋主纜橫橋向間距為28.0m，吊索順橋向間距為10.8m，主跨1088m，是“中國第一，世界第七”的大跨徑鋼桁加勁梁懸索橋[3]。

    3.2.1 VBB-VRP系統概況
    在模型建立時(shí)考慮施工需要，坐標系的選用采用以東西方向為坐標軸的X軸方向，西方向為坐標軸的正方向，南北方向為坐標軸的Y軸方向，南方向為坐標軸的正方向，（見(jiàn)示意圖3.3（a））豎直方向為Z軸方向，其中X的零點(diǎn)在壩陵河大橋東索塔軸線(xiàn)，Z方向坐標采用設計圖紙所給出的坐標，見(jiàn)示意圖3.3（b）。


    纜索和桁架梁截面參數的查詢(xún)、校核也是施工中一項重要工作，因此，程序中對各施工段梁的截面形式和參數也進(jìn)行了匯總，其中纜索截面為圓形，桁架梁的截面為箱形和工字形，分別見(jiàn)圖3.4所示。
    坐標控制點(diǎn)為每架設段桁架的控制點(diǎn)如圖3.5所示，每架設段取點(diǎn)16個(gè)，其中角點(diǎn)8個(gè)，球形鉸支座位置處8個(gè)，整跨鋼桁架橋控制點(diǎn)為808個(gè)，經(jīng)各架設段計算之后，數據總計為12016組坐標，通過(guò)數據庫把數據和虛擬現實(shí)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接。


    3.2.2 VBB-VRP系統實(shí)現的功能
    項目中應用虛擬現實(shí)和三維可視化仿真技術(shù)為國內最大的鋼桁架橋梁壩陵河大橋架設過(guò)程提供了安裝全過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化虛擬現實(shí)模型和動(dòng)畫(huà)。把整個(gè)工程作為一個(gè)大的系統，綜合考慮系統工程中各個(gè)單項工程之間的相互影響、相互制約、及整體的施工進(jìn)度、施工強度、流程程度等關(guān)鍵問(wèn)題，獲得更為真實(shí)的施工情況，在虛擬模型中充分進(jìn)行模擬預演，從而達到為施工組織提供科學(xué)的依據和措施。
    通過(guò)所設計的VBB-VRP平臺，實(shí)現圖像與操作的實(shí)時(shí)、交互控制，實(shí)現了架設過(guò)程各構件的截面尺寸、材料屬性、長(cháng)度、重量、位移和完成工作進(jìn)度的實(shí)時(shí)查詢(xún)功能以及施工動(dòng)畫(huà)的演示，并實(shí)現對橋梁的施工過(guò)程隨時(shí)多角度細致查看和準確查詢(xún)（界面截圖見(jiàn)圖3.6-3.8），把現代化施工管理的做到“圖像化”、“具體化”和“簡(jiǎn)單化”。



    同時(shí)，該平臺的建立還對對確定合理可行的施工方案提供技術(shù)保證， 對提高生產(chǎn)效率具有的現實(shí)意義包括：
    (1) 橋梁施工方案的選擇和優(yōu)化。以往的橋梁工程施工方法及施工組織選擇和優(yōu)化主要是建立在施工經(jīng)驗的基礎上，存在一定局限性，同時(shí)，橋梁工程施工具有不可重復性。使用該平臺的虛擬現實(shí)技術(shù)將可以直觀(guān)、科學(xué)地展示不同施工方法的效果，可以定性地完成施工方案的對比，有助于施工方案的選擇和優(yōu)化，實(shí)現真正最優(yōu)施工。
    (2)施工技術(shù)的革新和新技術(shù)的引入， 使施工模擬技術(shù)一方面能使廣大施工技術(shù)人員低成本地試驗施工新工藝和革新思路，有助于充分發(fā)揮創(chuàng )造性。同時(shí)能真實(shí)地展示新技術(shù)的成效，縮短橋梁行業(yè)新技術(shù)的引入期和推廣期，降低新技術(shù)、新工藝的試驗風(fēng)險。
    虛擬現實(shí)與可視化仿真計算及顯示方法已經(jīng)成為現代鋼結構橋梁設計、施工優(yōu)先考慮的手段。隨著(zhù)工程規模的不斷擴大，人們對現代的橋梁工程設計理論、制作工藝、施工組織設計將提出更高的要求。

    4.結論
    將虛擬現實(shí)技術(shù)引入到鋼結構橋梁建設中，深入研究大型復雜鋼結構橋梁整個(gè)施工過(guò)程對不同施工組織設計進(jìn)行優(yōu)化，具有可操作性強、人機交互功能，為我國大型鋼結構橋梁的施工組織設計提供科學(xué)的理論方法和先進(jìn)技術(shù)手段，指導工程施工和方案優(yōu)化，具有很好的經(jīng)濟價(jià)值和科學(xué)進(jìn)步意義，是虛擬現實(shí)與可視化仿真技術(shù)在鋼橋梁建設中創(chuàng )新性應用。


    參考文獻：
    1.姜華，魏群，焦濤，嚴斌. 梁腹板開(kāi)圓孔鋼框架的抗震性能分析[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報. Vo1.27,2008
    2. 魏群，邏輯產(chǎn)品模型的研發(fā)和應用[J]，新世紀水利工程科技前沿，天津大學(xué)出版社，2005
    3. 魏群，彭成山，姜華，嚴斌等. 鋼桁梁架設過(guò)程仿真技術(shù)（報告）.華北水利水電學(xué)院鋼結構與工程研究所.2007.3
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