虛擬現實技術在土木工程中的應用

張慶高+孫建剛

摘要：本文基于Unity 3D平臺和Visual Studio 2010開發環境，在3Ds Max建模軟件的基礎上，結合.Net腳本以及Winform窗體設計完成大型儲罐地震動實驗的虛擬實驗系統，解決了直徑為60m～80m的大型儲罐地震動實驗因缺少振動臺、耗資巨大而無法完成的問題，同時為土木工程專業的實驗教學方案提供了一定的幫助。

關鍵詞：Unity 3D；大型儲罐；地震動實驗

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）20-0096-04

● 引言

隨著社會的發展，抗災減災及抗震減災已成為單獨學科或者土木工程專業附屬學科，儲罐地震動研究也成為一個主要科目。作為當代大學生，尤其是土木相關行業的學生及從業者，有必要深入了解儲罐地震動的相關基本知識。[1]盡管部分高校有著先進的振動臺及儲罐實驗罐體，但是由于振動臺屬于大型液壓傳動設備，液壓元件均按照國家工業標準進行設計制造，屬于精密度極高的液壓元器件，使用壽命有限，且無論是振動臺還是儲罐都屬于大型教學試件，尤其是地震的晃動存在很多潛在的危險性，所以學校一般不會要求學生集體參與其中。此外，學校本身技術、實驗空間等客觀條件的約束仍然存在。目前，市場上主流的振動臺臺面尺寸多為0.5m×0.5m、0.8m×0.8m、1.0m×1.0m、1.5m×1.5m、3.0m×3.0m等，承重為100kg、200kg、300kg、500kg、1500kg，我國最大新型振動臺為中國建筑科學研究院使用的，臺面尺寸為6m×6m，承重達到60t，真實地震動實驗涉及儲罐直徑為60m～80m，滿灌液體重量達到50000t～150000t，以目前市場上的振動臺無法滿足地震動實驗的要求。

一般高校只能按比例縮小實際儲罐的尺寸，制作模型來完成大型儲罐地震動實驗，無法實現對實際儲罐進行地震動實驗。在實驗過程中，學生只能作為旁觀者觀看，片面了解實驗過程中所涉及的相關設備及原理，無法進行深層次的學習，更不能發揮主觀能動性。[2]為了節省學校資源，避免實驗準備周期長，并讓師生在虛擬現實的大型實驗中學到更多、更直接的專業知識，解決現實中無法完成大型儲罐地震動實驗的難題，本文通過對小型儲罐地震動實驗方案和結果的研究，以及對大型儲罐地震動實驗的虛擬仿真，設計了以大型儲罐（50000m3～100000m3）為實驗對象的地震動虛擬實驗系統。

● 系統設計與構成

大型儲罐地震動實驗系統的設計分為四個階段：①資料搜集階段。這一階段作為基本信息的搜集整理階段，是整個系統的基礎，它能分析大型儲罐的材料、大小及浮頂設計原理，同時能對市場上各種振動臺進行調研，動力系統考證一系列論證實現虛擬環境下振動臺的數值需求，選取適合本實驗的測量設備，如位移傳感器、加速度傳感器、應變傳感器等，還能對遙感測量技術進行研究，以及對出事實驗基地的尺寸設計及外圍環境進行設置。②3D建模階段。根據收集的實驗室、儲罐、設備等資料，利用3Ds Max建模軟件，結合數據換算，建立虛擬仿真模型。③引擎編譯階段。將建造好的模型導出FBX后，導入Unity 3D引擎中，設計正常的物理運動，在儲罐振動、作動頭往復、作動軸擺動等現實場景中可以看到動態場景。④系統發布。系統開發完成后，需要在Unity 3D平臺下進行打包發布處理。

系統主要由三維模型建立、數據提取保存、UI交互三個模塊構成，各個模塊的實現過程如圖1所示。

● 虛擬場景搭建

虛擬場景的搭建是大型儲油庫地震動實驗系統的基礎，主要對實驗室、大型儲罐、振動臺以及所用的檢測儀器、設備等進行3Ds Max建模以及Photoshop貼圖處理。實驗室模型的建立按照本校土木工程學院結構實驗室按比例放大設計。大型儲罐針對5萬方、10萬方和15萬方容量進行建模，并按照實際實驗的布置位置和方法布置位移傳感器、加速度傳感器及應變片等。

● 數據提取保存

實驗數據通過ADINA有限元數值仿真分析軟件計算得到，采用Newmark-β逐步積分法求解[3]，在儲罐上布置加速度測點7個，位移測點7個，為測試晃動波高在液面頂部布置7個位移傳感器。在數據提取過程中，定義點對每一點進行數據提取，提取罐壁加速度時稱曲線、有效應力時稱曲線、環向應力時稱曲線、軸線應力時稱曲線等。以“蘭州波2”為例進行說明，數據如圖2所示。

數據提取處理完成后，導入SQL Server 2008數據庫進行存儲，數據類型設計如圖3所示。

● UI交互實現

Unity自發布以來，在版本Unity 4.6之前，官方只提供OnGUI函數來進行GUI開發，由于在開發過程中問題較多，且不支持可視化開發，所以UI設計形成了很大的局限性，但這一現狀很快被NGUI插件打破，它成了Unity開發必備插件，支持可視化開發，同時支持2D與3D的UI界面開發，性能更穩定。本系統采用Unity 3D自帶的UGUI開發體系，應用了UGUI中的Canvas、Text、Image、Button等14個控件進行界面的設計，系統的UI交互設計如圖4所示。

1.登錄系統

登錄系統的存在是完整系統組成的必要部分，設置系統登錄操作不僅能有效保護系統的安全性，還能很好地甄別擁有不同權限用戶登錄后所獲取的不同服務功能。

系統登錄后，打開系統介紹界面，即可了解虛擬現實技術應用于該領域的目的和意義，同時對該虛擬實驗場景進行場地區域劃分說明，這能讓學生更快地了解軟件的場景構成，減少系統學習使用時間。

系統介紹閱讀完畢后，正式進入實驗準備階段。本系統完全依照真實實驗進行設計，實驗系統包括5萬方、10萬方、15萬方等三種不同儲量的大型浮頂儲罐，針對不同場地類型及多條地震波進行實驗，設計了多種實驗方案，主要內容包括儲罐類型，應變片選取，加速度傳感器選取，實驗過程中涉及的原理公式、施工方式方法等。endprint

2.實驗場景

實驗場景主要包括實驗準備、開始、停止以及資料學習等場景。在實驗準備模塊中，大量的UI交互開始介入實驗系統，秉承UI設計的一致性、準確性、布局合理、操作合理、響應時間的多重原則，設計后續UI圖標及交互方式。本次UI設計依照極簡、矢量、扁平化等目前比較流行的設計風格，主題圖標顏色以黑色為主，每個圖標擁有自己獨立的掛載腳本和獨立功能，在交互過程中不會出現干擾，在UI交互獨立性控制的同時，能控制UI控件的響應時間，使人機操作更加和諧。大型儲罐地震動實驗系統采取的交互UI位于主屏幕右側，按照實驗操作順序進行布置，同時設置提示模塊，顯示各步驟的指示操作，引導學生按步驟操作實驗。

在實驗準備界面的設計場景中，按鈕功能如下表所示，效果圖如下頁圖5～圖7所示。

3.部分功能實現代碼

在實驗場景內，為了高度還原地震動實驗場景，筆者設計了吊車吊裝儲罐從原始位置到達振動臺以及實驗結束后，將儲罐吊回的動畫場景。本實驗系統通過設定時間函數，對吊車及儲罐進行控制，隨時間t從零開始，按步驟實現吊起、向前平移至振動臺、放下儲罐、退回原始位置這一運動軌跡進行吊裝演示，關鍵代碼如下：

usingUnityEngine；

usingSystem.Collections；

public class DC5 ： MonoBehaviour

{private float t = 0.0f；

void Start（）{}

void Update（）

{t += Time.deltaTime；

if （t < 7.2f）

{transform.Translate（Vector3.forward * Time.deltaTime * -10， Space.World）；}

else if （t > 7.20f && t < 7.48f）

{transform.Translate（Vector3.right * Time.deltaTime * 0， Space.World）；}

else if （t > 7.48f && t < 11.08f）

{transform.Translate（Vector3.down * Time.deltaTime * 0， Space.World）；}

else if （t > 11.08f && t < 14.68f）

{transform.Translate（Vector3.up * Time.deltaTime * 0， Space.World）；}

else if （t > 14.68f && t < 19.53f）

{transform.Translate（Vector3.forward * Time.deltaTime * -10， Space.World）；}

else if （t > 19.53f && t < 20.5f）

{transform.Translate（Vector3.down * Time.deltaTime * 0， Space.World）；}

else if （t > 20.5f && t < 21.47f）

{transform.Translate（Vector3.up * Time.deltaTime * 0， Space.World）；}

else if （t > 21.47f && t < 33.52f）

{transform.Translate（Vector3.forward * Time.deltaTime * 10， Space.World）；}}

除了實驗吊裝外，操作實驗動畫開始，儲罐在振動臺作用下隨地震波的輸入便開始震動是另一重要場景還原，利用Unity內的Dropdown的聯合使用，進行數據窗體激活，其主要代碼如下：

if （DropD1.options[DropD1.value].text == "15萬方儲罐" && DropD2.options[DropD2.value].text == "Ⅰ類場地土" && DropD3.options[DropD3.value].text == "CPM_CAPE MENDOCINO_90"）

{G15.AddComponent（）；

FD15.AddComponent（）；

TST.SetActive（true）；

panel.SetActive（false）；

Process.Start（"C：＼＼Users＼＼LDC＼＼Desktop＼＼11"）；

Process.Start（"C：＼＼Users＼＼LDC＼＼Desktop＼＼22"）；}

if （DropD1.options[DropD1.value].text == "15萬方儲罐" && DropD2.options[DropD2.value].text == "Ⅰ類場地土" && DropD3.options[DropD3.value].text == "CPM_CAPE MENDOCINO_00"）

{G15.AddComponent（）；

ZDT.AddComponent（）；

FD15.AddComponent（）；

Process.Start（"H：＼＼數據窗體＼＼15萬方＼＼1＼＼c00＼＼c00"）；

TST.SetActive（true）；}

4.Winform窗體實現

Winform窗體在Visual Studio 2010開發環境下設計完成，窗體主要實現數據庫連接加載數據顯示、曲線生成等。Winform窗體由Unity 3D觸發彈出，實現與Unity 3D場景實驗加載的同步（如圖8）。

● 結語

大型儲油罐地震動系統以Unity 3D平臺為基礎，結合Visual Studio 2010開發環境、3Ds Max建模軟件、.Net腳本以及Winform窗體設計完成，解決了針對60m～80m直徑大型儲罐地震動實驗因缺少振動臺及耗資巨大而無法完成實驗的問題，為土木工程專業的學生和教師提供了了解和學習科研實驗的良好環境，為學校的實驗教學方案提供了一定的幫助，同時為虛擬現實技術的應用提供了較好的例證。

參考文獻：

[1]趙敏.大型LNG儲罐隨機地震響應與抗震可靠度分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[2]劉德建，劉曉琳，張琰，等.虛擬現實技術教育應用的潛力、進展與挑戰[J].開放教育研究，2016（4）：25-31.

[3]孫建剛，崔利富，張營.全容式LNG儲罐地震響應數值模擬研究[C].低碳經濟與土木工程科技創新——2010中國（北京）國際建筑科技大會論文集，2010：6.

作者簡介：張慶高（1989—），男，漢族，山東濰坊人，助理工程師，碩士，主要從事軟件開發；孫建剛（1959—），男，漢族，遼寧大連人，教授，博士，主要從事防災減災工程研究。