虛擬現實在工程領域的應用

唐偉偉

摘 要：虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，虛擬現實技術（Virtual Reality簡稱VR），又稱靈境，是以沉浸性、交互性和構想性為基本特征的計算機高級人機界面。基于虛擬現實的仿真技術和可視化技術應用于復雜的建筑施工，能有效地保證建筑施工方案的可行性、經濟性以及施工過程的安全性，并有利于施工管理的動態控制。

關鍵詞：虛擬現實；虛擬現實技術；仿真；可視化

1 虛擬現實與虛擬現實技術

1.1 虛擬現實

概括地說，虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式。虛擬現實中的“現實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環境，它可以是實際上可實現的，也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中，并操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。

1.2 虛擬現實技術

虛擬現實技術是一項綜合集成技術，它綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互，使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。

2 虛擬現實技術在模擬施工過程中的應用

2.1 虛擬現實技術在施工過程中應用意義

現代建筑施工過程是一項十分復雜的活動，每一個工程都是一個大型、復雜的動態系統。隨著建筑業的發展，結構形式和結構體系都發生了巨大的變化。建筑產品作為一件凝固的藝術品，越來越追求單體產品的個性。新結構和新材料的使用大跨度空間結構、高層超高層建筑、復雜地質條件下的地下結構等不斷涌現。這些大體量的結構形式施工方案的制定需要綜合考慮多方面的因素，只依靠施工人員多年積累的實踐經驗或習慣作法，施工的質量是難以保證的。對于這些工作，虛擬現實技術應用于復雜的建筑施工，能有效地保證建筑施工方案的可行性、經濟性，施工過程的安全性，并有利于施工管理的動態控制。

2.2 虛擬現實技術在施工方案的優化和選取中的應用

在建筑施工項目招投標過程中，各施工企業都會準備一套完整的該項目的施工方案和計劃安排。通過將虛擬現實技術與計算機技術相結合，可以逼真地展現建成后的項目是否與周圍環境匹配，以優化規劃方案；建立三維虛擬場景，使建筑、結構、設備設計協同進行；通過改變視點和光源設計，修改材質等，方便設計師和顧客溝通和評價處于設計階段的各種方案，從而提高設計效果和設計質量。

在建筑施工階段，通過虛擬仿真在施工前對施工全過程或其中的關鍵過程進行模擬施工，以驗證施工方案的可行性以及優化施工方案；對重要結構進行計算機模擬試驗以分析影響項目的安全因素，從而達到控制質量和施工安全的目的。

通過模擬局部施工過程，選擇合理的施工方案。施工過程中結構吊裝，主要包括梁、板、柱以及一些特殊構件的吊裝，一直以來是技術難關。通過將虛擬現實技術與計算機軟件開發相結合，對結構吊裝過程，可以制作出吊裝動畫，對于各種形式和類型的構件，采用塔吊或者履帶吊作為吊裝機械的，不僅可以比較形象的顯示整個吊裝過程，更重要的是可以針對施工現場具體的布置情況，合理地選取構件吊裝路徑和方式，形成比較準確且可行的吊裝方案。而施工現場的碰撞檢測更是必須考慮的問題，通過相應的施工現場平面設計軟件可以將材料進場、搬運，設備運行中與場地、構件的碰撞，構件安裝過程的避讓等真實表現出來，從而協助技術人員選取合適的方案。這些應用都將大大提高建設項目的實施效果和管理效率，更提高了現場施工的安全性。

2.3 虛擬現實技術在糾偏施工中的應用

通過仿真手段，去發現實際施工中存在的問題或可能出現的問題。因為施工是動態過程，因此必須保證整個施工過程中各道工序一致、準確地協同運作，同時還要確保不斷變化的結構內力分布仍在安全范圍。而傳統的靜態計算技術已不能對施工過程中測得的大量信息資料進行綜合，也無法跟蹤各工序的效果和結構的變化，更不能對復雜程序的施工方案進行優化，虛擬現實技術正可以彌補這一缺點。通過使用計算機工具分析建筑物建立模型，應用可視化方法做出工程施工方案。即利用虛擬現實技術構造一個虛擬施工環境，在此虛擬環境中，工程技術人員可以對施工環境、施工方案、施工步驟進行虛擬操作，而虛擬環境中的施工現場、施工措施及其作用效果、施工過程和現實世界中一致。所以技術人員可以通過該虛擬施工環境對施工方案進行驗證、選擇和優化，采取不同的施工構件、施工工藝，并允許根據動態過程不斷修改設計參數，使施工方案達到較滿意的效果。但是糾偏仿真模擬過程中需要在虛擬環境中建立結構的三維模型，并進行參數化設計和動態模擬施工方案，并根據動態分析結構反饋施工設計。

3 結語

虛擬現實技術已基本應用到建筑產業鏈的全過程。從規劃構思、方案可行性研究、建筑設計、結構設計、施工管理和施工方案制定等全過程，虛擬現實技術都發揮了巨大的作用，而且技術潛力巨大，應用前景十分廣闊。但是虛擬現實技術是一項高尖端技術，它還有很多不完普的地方，相信通過人類不斷地改進，它將改變人們的傳統理念，帶給工程界一個嶄新的天地。

參考文獻

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