探討建筑工程多媒體仿真系統的研制與應用

【摘 要】為了擴展現有階段建筑工程計算機仿真的內容以及表現模式，建立起了集成建筑場景的三維建模、結構動靜態響應分析、仿真結果的三維實時動態顯示的SIMU WHIS的仿真系統。在該系統的研制中提出并實現集建筑建模器—結構分析器—仿真演示器三位一體化的建筑工程輔助設計及軟件開發的思維過程。通過實際操作證明了廣泛運用于建筑工程領域的多種開發以及研究的范圍，特別在求解建筑結構的時態運動的描述上，更加適用于建筑科學以及工程設計的需求。

【關鍵詞】建筑工程；多媒體仿真

傳統的數字仿真技術對于多媒體技術的發展而言，從方法、概念、體系上不單具有擴展、改造，還具有重新構造的意義。多媒體仿真指的是使用不一樣的媒體形態描述不同性質的模型信息，建立起反映系統外在表現形態以及內在運動規律的仿真模型，在仿真的運行過程 中可以產生定量、定性相互結合的系統動態演變過程[1]。

當前中國用戶建筑工程設計分析的軟件仍無法達到上述要求。美國的SAP軟件則具備較為完整的動力的分析功能，并且可以用三維線框的方法來表示各個階段振型，可以仍不具有三維實體結構動力響應的實時動態顯示等等多媒體的仿真功能。希臘的Nautl大學的Symakexzis C.等人使用了真實試驗圖像同計算機模型配合的方法建立塔架在地震荷載作用下的行為模型，這個試驗在實體的可視化方面獲得了較為積極的結果。美國的國家宇航局Amesr研究中心研制的分布式虛擬風洞是在虛擬現實技術的大型系統基礎上完成的，要求的設備條件不單單是獨立微機可以完成的，也無法在一般的設計院中應用推廣。

筆者認為多媒體的仿真系統軟件的設計關鍵點在于技術，建立仿真系統的動態的多媒體表現模型讓其外在媒體表現、形態模式、行為模式、抽象的時空形象與內在的數理規律具有一定的一致性。所以，在對多媒體體仿真原型系統進行設計時，筆者提出了集建筑建模型、動態傳真演示器、結構力學的分析器三位一體化的設計方案，并且在高檔的微機上實現了關于風荷載用下高聳結構多媒體的仿真系統SIMU WHIS。

1.建筑工程多媒體仿真技術的理論與方法

建筑工程多媒體仿真系統所強調的是：工程中建筑實體、場景物理屬性建模、自然表現屬性建模的結合、建筑結構系統響應定性與定量分析結合、仿真表現的抽象結合、形象媒體表現的時空上的結合。不管從建模機制、成果表現、仿真環境上看，多媒體仿真技術在建筑工程領域中都有相應的突破性的發展。

1.1面對建筑實體的新型建模的機制

關于建筑工程的多媒體仿真系統是面對仿真對象的。仿真對象和現實中的真實建筑實體是相互對應的，不單單是系統分析的基本概念單位，同樣也是系統設計的基本的模型單位，而且同時還是仿真程序的基本編程的單位。建筑結構的仿真模型的組成是由層次化、多媒體屬性的仿真對象、對象之間的關系組成的。仿真對象包括了關于此對對象所有屬性的定義、物理數字模型以及在仿真中所具有的可能操作性。而仿真模型描述仿真所包括的所有對象、對象與對象之間的層次關系和仿真對對象之間的相互作用、相互限制的關系[2]。

1.2建筑工程多媒體體環境設計的新的特點

建筑工程多媒體的仿真環境的與傳統的仿真有著非常大的不同性，從功能以及核心的技術來看，主要有以下的各個方面：

（1）支持建筑實體的仿真對象從建模到仿真過程的多種的媒體的表現。

（2）所建的建筑實體的仿真對象一定的仿真機制下進行運行的時候，能夠體現其固有的、虛擬的媒體特征，包括了自動生成的運動方程。

（3）支持建筑工程仿真系統的實驗校正、實驗交互控制。

（4）支持仿真數據的管理、查詢、操作。

針對建筑工程的仿真而方，還需要特別要求以下的核心技術進行支持：

（1）三維的工程數據場的顯示技術。

（2）四維的曲面空間數據場靜態、動態顯示以及控制的技術。

（3）不一樣的媒體對象的歸一化的處理以及集成技術。

2.SIMUWHIS系統設計機制

系統體系的結構:

SIMUWHIS系統是根據建筑工程領域自己的特點結合建筑工程的建模、結構分析等等的技術而建立的，研究高聳結構隨機荷載的作用下的運用規律，并且經過多種媒體的表現方式反映出來的建筑工程多媒體仿真的原型系統。

SIMUWHIS系統的整體設計是以建筑工程的設計過程為指導思想（建模—分析—表現）作為基本的思路，把整體的結構分布成為仿真對象的建模、仿真執行求解、仿真表現三大方面的模塊。該系統的功能模塊的實現了跨專業、跨學科，涉及到了多媒體技術、計算機圖形圖像學、計算機視覺、仿真技術、可視化技術、結構分析理論等多學科的領域的探索以及運用。

SIMUWHIS系統的每個功能模塊都是分成行為模型、形態模型的實現。這樣的操作不單單可以確立建立了SIMUWHIS系統仿真對象的多媒體模型，又非常有利于仿真執行以及演示的多媒體表現，有著獨特的多媒體仿真系統的特點，如圖2所示的體系結構：

3.SIMUWHIS系統的主要功能模塊簡介

SIMUWHIS系統的主要功能模塊包括有：仿真建模器、結構靜動力分析器、仿真演示器，這些分別的完成了仿真建模、仿真執行、仿真演示任務。

3.1仿真建模器的介紹

仿真建模器是SIMUWHIS系統的基礎模塊，同樣也是最為重要的模擬之一。其背負著系統的兩大主要仿真對象：塔架和風荷載在抽象的數理邏輯空間以及形象的媒體表現空間和兩大空間上建模，并建立起兩個空間的映射關系。對象仿真模型的確切與否直接關系到整個的仿真過程以及結果的真實性。所以，是整個系統的關鍵的所在。

3.2風振響應解析器的簡介

風振響應解析器是SIMUWHIS系統的內核。用于建立仿真執行的數理規律；計算仿真執行的結果數據。SIMUWHIS系統靜動力分析器利用由仿真建模器創立的模型數據，輸出的仿真結果數據，作為仿真演示器的最初的數據。所以，其是連接仿真建模器與仿真演示器的連接點，SIMUWHIS系統靜動力分析器的主要功能有：

（1）在等效的靜力風荷作用下求解塔架體系桿件的相應內力、應力、應變等靜力的響應，此數據一方面是可以作為塔架桿件結構設計選型的根據，另外一方面也是可以作為該系統初階校正工具的最初原始的數據，也可以依據原已有的塔架設計資料讓客戶對于本系統進行一個關于可靠性的測試。

（2）以脈動風荷載作為結構的輸入方式，求解塔架在隨機荷載作用力下的動力響應：速度、位移、加速度。并且由此求解塔架結構的相應運動軌跡。

3.3系統仿真演示器的簡介

SIMUWHIS系統的仿真演示器是該系統的外在的表現環境。它將仿真器建立的系統模型數據以及解析器演算的系統行為數據轉換成為形象的空間的時變的媒體數據，把仿真擴展至非數字的模型所描述的事物的領域，使其仿真的結果具有定型表現解。該系統的仿演示器的主要功能包括以下幾個方面：

（1）塔架以及其場景的真實性的表達、塔架風振響應的表現、塔架里程行為的動態演示以及定型的表現。

（2）三維的空間坐標是顯示性控制、SIMUWHIS系統仿真對象的相互作用的判斷和控制、仿真對象的表現媒體選擇與相應的協調應用、仿真對象和多種媒體表現的同步的控制等等。

4.結語

本文分析了多媒體的仿真技術在建筑工程領域的應用理論方法，建立了一個建筑工程多媒體仿真系統的原型，建造了一個集建建模—結構分析—仿真演示于一個整體的高聳結構風振響應多媒體的仿真系統，為發揮多媒體仿真技術在建筑工程設計以及研究中的作用提供了一條完整且有效的方法。

在對原型系統的設計與研制的經驗中進行總結，可以認為多媒體仿真支持的新型建筑設計分析系統在系統建模、過程的控制、結果的表現等等方面可以更好的適用于建筑戒工程的設計中，所以，可以明確的是多媒體仿真在建筑工程中具有非常廣闊的發展前景。 [科]

【參考文獻】

［１］王維平，朱一凡，華雪倩等．多媒體仿真研究與發展，系統傳真學報，1997，9（20）：1～5．

［２］吳煒煜，張士綱，建筑工程多媒體仿真系統的研制與應用，清華大學學報（自然科學版），1999，39（10）：29-34．