虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)在橋梁工程中的開發(fā)與應(yīng)用

1、虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)在橋梁工程中的開發(fā)與應(yīng)用魏群 姜華 彭運(yùn)動（華北水利水電學(xué)院 中交公路規(guī)劃設(shè)計院 有限公司）摘 要： 將虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，引入到實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，深入研究大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)橋梁整個施工過程的仿 真，對不同施工組織設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化組合，具有可操作性強(qiáng)、人機(jī)交互功能。為我國大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工組織 設(shè)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(yù)演。提供橋梁從設(shè)計、制作、安裝全過程的動態(tài)可視 化虛擬現(xiàn)實(shí)模型和工程動畫，指導(dǎo)工程施工和方案優(yōu)化，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和科學(xué)進(jìn)步意義，是虛擬現(xiàn)實(shí)在 橋梁建設(shè)中創(chuàng)新性應(yīng)用。關(guān)鍵詞 ： 虛擬現(xiàn)實(shí) 鋼結(jié)構(gòu)工程 橋梁 動畫 預(yù)演 漫游1 引言隨

2、著計算機(jī)技術(shù)的迅 速發(fā)展，工程界各種專業(yè)性軟件的普及、 應(yīng)用 ,結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算、 施工圖繪制逐步 實(shí)現(xiàn)計算機(jī)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(jié)構(gòu)施工圖紙 , 其在表現(xiàn)形式上的局 限性是顯而易見的 , 只能面對專業(yè)的工程技 術(shù)人員 , 復(fù)雜的線條和文字標(biāo)注以及表格 , 極易出現(xiàn)識圖錯誤 例如，在橋梁結(jié)構(gòu)中幾千個不同部位桿件尺寸等。應(yīng)用AUT0DESK-CIVIL3D 3D MaX等軟件雖然能實(shí)現(xiàn)三維模型表現(xiàn)和工程結(jié)構(gòu) 構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)造的描述，但在顯示器觀察時 只能展示結(jié)構(gòu)的一個角度或一個側(cè)面。在以往為了實(shí)現(xiàn)對構(gòu) 件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入觀察，主要采用瀏覽 動畫的方式 ， 但這種動 畫的

3、可操作性、 人機(jī)交互性較差 ， 無法直觀描述構(gòu)件的細(xì)部 情況，對施工過程的受力變形情況更是 難以表現(xiàn)出來。因此， 如何實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式、模擬結(jié)構(gòu)受力變形 1 是現(xiàn)代工程設(shè)計表現(xiàn) 的一個新議題。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合到橋梁工程中，人們可以自由地與虛擬環(huán)境中的場景對象交互，產(chǎn)生了一種身臨其境的感覺，從而為橋梁的設(shè)計者、施工者與決策者提供了可視化的決策工具。2 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及現(xiàn)狀2.1 概念虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)。VR是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交 互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它 用計算機(jī)生成逼真的三維視、聽

4、、嗅覺等 覺，使人作為參與 者，通過適當(dāng)裝置自然地對虛擬世界進(jìn)行 體驗(yàn)和交互作用。概括地說，虛擬現(xiàn)實(shí) 是人們通過計算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化 操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng) 的人機(jī)界面以及流行 的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上 有了質(zhì)的飛躍。2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵特征 虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵特征 2 是：（ 1）沉浸感（ Immersion ）又稱臨場感，指用戶 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(yīng)該使用戶難以中，所達(dá)到的最高境界就是：環(huán)境中的一、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)分辨真假，使用戶全 身心地投入到計算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境 切看上去是真的，聽 上去是真的，動起來

5、是真的，甚至聞起來 實(shí)世界中的感覺一樣 。2）交互性（ Interactivity ） 手去直接抓取模擬環(huán) 境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感 覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓 的物體也能立刻隨著 手的移動而移動。指用戶對模擬環(huán)境內(nèi) 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)時性。例如，用戶可以用( 3 )構(gòu)想性( Imagination )強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng) 具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知 范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境， 也可以隨意構(gòu)想客觀 不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)的分類虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過 一些特殊的外部設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實(shí) 技術(shù)可分為：(1)

6、 被動式虛擬現(xiàn)實(shí) ：在三維環(huán)境中為用戶提 供一個封閉的過程，行進(jìn)路程和觀察對象 由軟件嚴(yán)格、 獨(dú)立地控制，用戶除 了退出會話外，沒有其它控制權(quán)。(2) 查詢式虛擬現(xiàn)實(shí) ：提供一個通過三維環(huán)境 時，為用戶指出地形圖，參與者可以選擇 路程和觀察， 但不能再有其它與三 維場景的交互作用。(3) 交互式虛擬現(xiàn)實(shí) ：提供一個通過三維環(huán) 境時用戶指出的行程。另外，三維環(huán)境還是 虛擬實(shí)體反 應(yīng)并作用到行為的參 與者。2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展現(xiàn)狀從1994年Vrml規(guī)范問世到2000年實(shí)現(xiàn)Vrml,再到X3D勺轉(zhuǎn)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(xiàn)了參數(shù)化和可視化計算

7、。許多大型的圖形圖像處理軟件如 3D StudioMax ,Director 中, 都集成了基本的虛擬技術(shù)。目前 , 在國內(nèi)外出現(xiàn)的一些專業(yè)開發(fā) 虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件的公 司及虛擬軟件已經(jīng)相 當(dāng)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(yīng)用。近年來，隨著計算機(jī) 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 越來越顯示出廣闊的 應(yīng)用前景。國內(nèi)在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件領(lǐng)域也是比較長足的發(fā)展，推出的軟件有了VRP-SDK，Converse 3D等，特別是VRP-SD軟件包為客戶提供了 VRP勺內(nèi)核接口，更方便對其進(jìn) 行開發(fā)。2.5虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言( VRM)LVRML空間不僅僅是場

8、景的建立，還應(yīng)該包括環(huán)境中各 個對象屬性與行為的定義，甚至將對象的表情，動作等都可反映出來 ，新的技術(shù)正不斷完善它的功能。VRML語言的優(yōu)點(diǎn)：(1) 平臺無關(guān)性 ：VRML語言建立在三維虛擬實(shí)驗(yàn)場景的 優(yōu)勢在于其可以非常方便的生成三維幾何實(shí) 體，也具有平臺無關(guān) 性的特點(diǎn)。(2) C/S的工作模式 ：VRML的訪問方式是基于客戶/服務(wù)器模式的。其中服務(wù)器提供 VRM文件所支 持的資源(圖象視頻、聲音等)，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)下載希望訪 問的文件。并通過本地平臺上的 VRML瀏覽 器交互式的訪問該文 件的虛擬境界。(1) 實(shí)時3D圖形渲染：實(shí)時3D著色引擎在VRML中得到了更好的體現(xiàn)。這一特性使VRMI

9、建模和實(shí) 時訪問更明確地隔離 開，VRMI不同于其他3D建模動畫，它具有交互性。(2) 網(wǎng)絡(luò)傳輸容易：VRML適合于計算機(jī)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機(jī)上。由于 VRML可以在低帶寬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)時進(jìn)行三維信息的遠(yuǎn)程傳輸和遠(yuǎn)程指令的接受 ，而且對三維圖形生成的計算機(jī)性能要求 不高，所以，用它來構(gòu)筑分布式虛擬環(huán)境 具 有低代價集約化的 特點(diǎn)。(3) VRML具有可伸縮性：首先對VRML瀏覽器來說，從理論上 講，應(yīng)能處理由數(shù)億個對象組成的分布在In ternet上的境界。其次，VRML境界可以相對于網(wǎng)絡(luò)性能而伸縮，可用于不同類型的網(wǎng)絡(luò)連接中。3虛

10、擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在橋梁工程中的開發(fā)和應(yīng)用Vb6.0作為一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計語言結(jié)合VRP平臺,開發(fā)的面向橋梁工程 可視化仿真系統(tǒng)界面（以下簡稱 VBB-VRP）,集合了計算機(jī)圖像學(xué)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人 機(jī)交互技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的人機(jī)交互式的虛擬現(xiàn)實(shí)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程上的的具體應(yīng)用。3.1 VBB-VRP操作界面介紹本系統(tǒng)是結(jié)合壩凌河 特大鋼絎橋工程的需要進(jìn)行開發(fā)的，它通 過對虛擬現(xiàn)實(shí)模型的實(shí)時結(jié)合，實(shí)現(xiàn) 虛擬模型與操作的實(shí) 時、交互控制，呈現(xiàn)架設(shè)過程各構(gòu)件的截 面尺寸、材料屬性、長度、重量、位移和 完成工作進(jìn)度的實(shí)時 查詢功能。Listview 部分、Pi

11、cturebox 部分、系統(tǒng)主要由5部分組成，即VRP顯示系統(tǒng)、Treeview部分、Textbox及Butt on鍵部分（詳見圖3.1所示）。（1）VRP顯示系統(tǒng)，為主程序提供直觀、友好的動畫場景，通過動畫展示架設(shè) 過程，操作者可以隨以目錄樹的形式分級顯示各架設(shè)階段，層意架設(shè)段各桿件截面尺寸、材料屬性、重果輸出，通過treeview目錄樹結(jié)點(diǎn)的激詢圖片，設(shè)計中充分運(yùn)用圖片提供出桁架機(jī)進(jìn)行交互操作，可 以進(jìn)行放大、旋轉(zhuǎn)等各種控制和深入觀察（2）Treeview部分，主程 序的控制既通過它來實(shí)現(xiàn)，它是 次清楚，查詢方便，操作者可以通過該控件直觀的調(diào)用查詢?nèi)?量長度等參數(shù)；（3）Listview

12、部分，連接 數(shù)據(jù)庫部分。它的作用是進(jìn)行結(jié) 發(fā)，把調(diào)用的結(jié)果數(shù)據(jù)在listview 內(nèi)呈現(xiàn)出來。（4）Picturebox 部分，為了給操作者提供更直觀的數(shù)據(jù)查的架設(shè)位置、控制結(jié)點(diǎn)的位置以及纜索和梁的截面形式。（5）Textbox和Butt on鍵，實(shí)現(xiàn)對主程序的操作功能和信息顯示。圖3.1虛擬現(xiàn)實(shí)查詢系統(tǒng)界面該系統(tǒng)一方面可以詳 細(xì)地展現(xiàn)各施工階段每一桿件的截面尺寸、形狀、面積、長度、重量和實(shí)時施工完成百分比，以及 提供詳細(xì)的施工動畫演示等，為施工單位 方便；二是實(shí)現(xiàn)了對 橋梁計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫化，可以任意查詢各方便了使用者對結(jié)果數(shù)據(jù)的調(diào)用，改變了單一的采用數(shù)據(jù)列表進(jìn)行梁截面的施工和校核工作提供了很

13、大 架設(shè)過程施工控制點(diǎn)的計算結(jié)果，極大的 和圖表顯示，實(shí)現(xiàn)施工控制的自動化。3.2 VBB-VRP的應(yīng)用實(shí)例壩陵河大橋是目前國內(nèi)首座跨徑超過千米的鋼桁加勁梁懸索橋（見圖3.2 ），工程規(guī)模較大、建設(shè)條件復(fù)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。圖3.2壩陵河大橋效果圖系統(tǒng)概況在模型建立時考慮施工需要，坐標(biāo)系的選用采用以東西方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的X軸方向，西方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的正方向，南北方向 為坐標(biāo)軸的Y軸方向，南方向?yàn)樽?標(biāo)軸的正方向，（見示意圖3.3 （a）豎直方向?yàn)閆軸方向，其中X的零點(diǎn)在壩陵

14、河大橋東索塔軸線，Z方向坐標(biāo)采用設(shè) 計圖紙所給出的坐標(biāo)，見示意圖3.3 （ b）。W2UW1圖3.4截面形式纜索和桁架梁截面參 數(shù)的查詢、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(shù)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，分別見圖3.4所示。坐標(biāo)控制點(diǎn)為每架設(shè) 段桁架的控制點(diǎn)如圖 3.5所示，每架設(shè)段取點(diǎn) 16個，其中角點(diǎn)8個，球形鉸支 座位置處8個，整跨 鋼桁架橋控制點(diǎn)為 808個，經(jīng)各架設(shè)段計算之 后，數(shù)據(jù)總計為12016組坐標(biāo)，通過 數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行動態(tài)鏈接。(b)西邊跨(c322 VBB-VRP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能項目中應(yīng)用虛擬現(xiàn)

15、實(shí)和三維可視化仿真技術(shù)為國內(nèi)最大的鋼桁架橋梁壩陵河大橋架設(shè)過程提供了安裝全過程的動態(tài)可視化虛擬現(xiàn)實(shí)模型和動畫。把整個工程作為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 真實(shí)的施工情況，在 虛擬模型中充分進(jìn)行模擬預(yù)演，從而達(dá)到一個大的系統(tǒng)，綜合考慮系統(tǒng)工程中各個 工強(qiáng)度、流程程度等關(guān)鍵問題，獲得更為 為施工組織提供科學(xué)的依據(jù)和措施。通過所設(shè)計的 VBB-VRP平臺，實(shí)現(xiàn)圖像與操作的實(shí)時、交互控制，實(shí)現(xiàn)了架設(shè)過程各構(gòu)件的截面尺寸、材料屬性、長度、重量、位移和完成工作進(jìn)度的實(shí)時查詢功能以及施工動畫的演示，并實(shí)現(xiàn)對橋梁的施工過程隨時多角度細(xì)致查看和準(zhǔn)確查詢（界面截圖見圖3.6-3.8），

16、把現(xiàn)代化施工管理的做到“圖像化”、“具體化和“簡單化圖3.6虛擬現(xiàn)實(shí)模型的加載圖3.7完成工程量查詢圖3.8計算結(jié)果查詢圖3.9桿件信息查詢同時，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(xiàn)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(yàn)的基礎(chǔ)上，存在一定局限性，同時，橋梁工程施工具有不可重復(fù)性。使用該平臺的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將可以直觀、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(xiàn)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(yàn)施工新工藝和革新思路，有助于充分發(fā)揮創(chuàng)造性。同時能真實(shí)術(shù)的引入期和推廣期，降低新技術(shù)、新工藝的試驗(yàn)風(fēng)險。虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化仿真計算及顯示方法已經(jīng)成為現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)橋規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對現(xiàn)代的橋梁工程設(shè)計理論、制作工藝地展示新技術(shù)的成效，縮短橋梁行業(yè)新技梁設(shè)計、施工優(yōu)先考慮的手段。隨著工程、施工組織設(shè)計將提出更高的要求。4結(jié)論將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入 到鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)中，深入研究大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)橋梁整個施工過程對不同施工組織設(shè)計進(jìn)行