虛擬現(xiàn)實(shí)在橋梁工程中的應(yīng)用

（廣東粵路勘察設(shè)計(jì)有限公司 510000）

虛擬現(xiàn)實(shí)在橋梁工程中的應(yīng)用

黎樂濤

（廣東粵路勘察設(shè)計(jì)有限公司 510000）

作為世界橋梁大國，我國橋梁建設(shè)離飽和程度還有很遠(yuǎn)一段距離，十分需要更加先進(jìn)技術(shù)，去完善我國的橋梁交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此時，虛擬現(xiàn)實(shí)的蓬勃發(fā)展正給橋梁工程界帶來了希望。

虛擬現(xiàn)實(shí)；橋梁；建模

一、我國橋梁概況

作為交通系統(tǒng)的重要組成部分，交通線路的主要節(jié)點(diǎn)，各種造型獨(dú)特美觀、跨度歷程長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度高的大型橋梁像雨后春筍般建成[1]。盡管已有橋梁數(shù)目已經(jīng)達(dá)到50萬余座，是名副其實(shí)的世界橋梁大國。但由于我國領(lǐng)土寬廣，海川縱橫，橋梁建設(shè)離飽和程度還有很遠(yuǎn)一段距離，十分需要更加先進(jìn)技術(shù)，去完善我國的橋梁交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，方便城市間或地域間的交通來往，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展[2]。此時，虛擬現(xiàn)實(shí)的蓬勃發(fā)展正給橋梁工程界帶來了希望。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡述

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，一般簡稱VR）是一種仿真學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多領(lǐng)域融合的交叉技術(shù)。它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，在計(jì)算機(jī)的數(shù)字化環(huán)境中建立一個模擬現(xiàn)實(shí)的仿真世界，通過其他附屬輔助裝備，使得用戶能從視覺、聽覺和觸覺等主要感知途徑與虛擬世界的各種對象進(jìn)行操作互動。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，用戶能夠一定程度的超越空間的界限和時間的限制去體驗(yàn)和探索，享受親臨其境的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)這一技術(shù)從思想的產(chǎn)生，到具體技術(shù)手段發(fā)展至今已接近百年。1929年，Link E.A.制作出了一種讓乘坐者體驗(yàn)飛行感覺的飛行模擬器，讓未能親身搭坐飛機(jī)的人也能體會那種感覺[3]。這可算是人類對現(xiàn)實(shí)物理的初次模擬嘗試。這個時候，人們已經(jīng)逐漸意識到對現(xiàn)實(shí)事物模擬的重要性。盡管限制于當(dāng)時科技的原因，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)還處于萌芽階段，人們還是發(fā)揮創(chuàng)造力陸續(xù)制造出了各種仿真模擬器。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的代表人物之一Sutherland博士在1965年發(fā)表了一篇文章，講述的是他這么一個構(gòu)思：未來在計(jì)算機(jī)的幫助下，使用者能在虛擬環(huán)境中作觸摸感知、控制虛擬事物等，如同生活在真實(shí)生活里面一樣。從人機(jī)交互的方面提出了虛擬現(xiàn)實(shí)的思想，啟發(fā)了后人對這項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用。受制于計(jì)算機(jī)技術(shù)本身的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)得不到實(shí)質(zhì)性的突破，仍停留在概念和技術(shù)的醞釀期。

來到上世紀(jì)90年代，高性能計(jì)算機(jī)的誕生和軍事、航空航天等國家重點(diǎn)支持的應(yīng)用領(lǐng)域的巨大需求，虛擬技術(shù)進(jìn)入了飛速發(fā)展的新階段。實(shí)時3D圖形生成、多感官交互體驗(yàn)技術(shù)和數(shù)字高清顯示技術(shù)等虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為各領(lǐng)域?qū)W者的新寵兒。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，硬件產(chǎn)品起著舉足輕重的作用。更高的運(yùn)算速度、傳輸速度，更全方位的參數(shù)輸入輸出方能給用戶帶來更加逼真的使用感受。超級計(jì)算機(jī)、高分辨率的頭盔顯示器、利用液晶光法告訴切換左右眼圖像原理的立體眼鏡，還有能感知手指關(guān)節(jié)的伸展軌跡，對用戶的行為作出力反饋的數(shù)據(jù)手套等等，為人們模擬現(xiàn)實(shí)世界帶來了極大的幫助。同時，作為相輔相成的軟件技術(shù)也是必不可少的。例如主要應(yīng)用與3D地理信息制作、展示以及古跡原貌還原的VEStudio等功能強(qiáng)勁的軟件陸續(xù)面世。

高度還原真實(shí)環(huán)境和強(qiáng)大的自由交感功能，讓各學(xué)科界別都對虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生了濃厚的興趣，希望借助這個強(qiáng)大技術(shù)手段為其研究或生產(chǎn)帶來進(jìn)步甚至突破。而與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合尤為密切的要數(shù)醫(yī)學(xué)、軍事訓(xùn)練、土木建筑工程這三大領(lǐng)域。醫(yī)學(xué)方面由于人體組織、臟器等構(gòu)造復(fù)雜且真實(shí)樣本不能經(jīng)受反復(fù)試驗(yàn)，需要一個可多次操作的虛擬對象供研究使用；軍事領(lǐng)域則以作戰(zhàn)人員訓(xùn)練項(xiàng)目為例，它希望受訓(xùn)人員能夠反復(fù)在與實(shí)際狀況相近的虛擬環(huán)境里操作和熟練流程。有了虛擬技術(shù)的支持，這些行業(yè)的研究以及生產(chǎn)工作可以說是如魚得水。設(shè)計(jì)類的特點(diǎn)是“無中生有”，需要把尚未存在的事物給呈現(xiàn)出來，這過程中就需要對其作出盡可能逼真的模擬再現(xiàn)，才能更好的檢驗(yàn)和修改該設(shè)計(jì)。為了使工程設(shè)計(jì)工作更加便捷、更加精確和更加人性化，虛擬現(xiàn)實(shí)是從業(yè)人員的又一大助力。就如建筑物的外形設(shè)計(jì)，以往設(shè)計(jì)者需要將三維的立體事物，經(jīng)過自身思維的轉(zhuǎn)化再表現(xiàn)在二維平面圖紙之上。不但操作不方便，還可能受限于設(shè)計(jì)者的轉(zhuǎn)化能力而浪費(fèi)了一些絕妙的想法。有了虛擬現(xiàn)實(shí)的幫助，設(shè)計(jì)人員就能更安心的專注于創(chuàng)作工作了。而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里，虛擬現(xiàn)實(shí)同樣能發(fā)揮積極作用。在以建筑物作為對象建模完成后，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)分析后的數(shù)據(jù)輸入到模型中去，模擬現(xiàn)實(shí)事件的觸發(fā)。由此讓用戶通過這么一個控制虛擬環(huán)境的過程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者和模型的實(shí)時性、可控制性的交互體驗(yàn)。關(guān)學(xué)鋒將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與振動問題的研究相結(jié)合，以車輛為振動問題的背景，在虛擬環(huán)境下建立可交互模型，使抽象的問題變得直觀[4]。張博通過3DS MAX和建模語言對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，使得其力學(xué)分析環(huán)境更加逼真。

三、工程概況

貴州壩陵河大橋是滬瑞國道主干線（GZ65）在貴州省內(nèi)的控制性工程，位于黔西地區(qū)的高原重丘，大橋采用主跨1088米雙塔單跨鋼桁架懸索橋方案，是國內(nèi)首次采用千米以上跨徑的鋼桁架懸索橋，索塔為兩道橫梁門式混凝土塔，東錨碇采用重力式嵌巖錨，西錨碇采用隧道錨。該橋施工場地非常緊張，常規(guī)鋼箱梁無法施工，只能采用鋼桁架加勁梁，是世界上首次在山區(qū)峽谷地帶采用化整為零，集零為整方式架設(shè)安裝超千米跨徑鋼桁架的懸索橋，并在國內(nèi)首次采用氣動翼板抗風(fēng)措施。

四、VR技術(shù)在工程中的應(yīng)用

利用vr虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對該橋進(jìn)行建模，在模型建立時根據(jù)施丁需要，坐標(biāo)系的選用采用以東西方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的軸方向，西方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的正方向，南北方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的y軸方向，南方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的正方向。豎直方向?yàn)閦軸方向，其中的零點(diǎn)在壩陵河大橋東索塔軸線z方向坐標(biāo)采用設(shè)計(jì)圖紙所給出的坐標(biāo)。纜索和桁架梁截面參數(shù)的顯示、校核也是施工中一項(xiàng)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。坐標(biāo)控制點(diǎn)為每架設(shè)段桁架的控制點(diǎn)，整跨鋼檜架橋控制點(diǎn)為808個，經(jīng)各架設(shè)過程計(jì)算之后，數(shù)據(jù)總計(jì)為一萬二千多組坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)庫目錄樹節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行動態(tài)鏈接。項(xiàng)目中應(yīng)用虛擬現(xiàn)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。把整個工程作為一個大的系統(tǒng)，綜合考慮工程中各個單項(xiàng)工程之間的相互影響、相互制約，并考慮整體的施工進(jìn)度、施工強(qiáng)度、流程程度等關(guān)鍵問題，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(yù)演，從而達(dá)到為施工組織提供科學(xué)的依據(jù)和措施。通過所設(shè)計(jì)的VB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。

五、總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)的各方面將起著越來越重要的作用，有著廣泛的應(yīng)用前景。VR技術(shù)在公路橋梁設(shè)計(jì)中也得到了越來越多的具體應(yīng)用。系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了“圖像化”、“具體化”和“簡單化”。但尚有部分算法有待于進(jìn)一步改進(jìn)與完善，如多分辨率的三維地形可視化、可見性剔除等。

[1] 宋玉普. 預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.6

[2] 項(xiàng)海帆、橋梁概念設(shè)計(jì)

[3] 謝廣輝, 邱淑范. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行訓(xùn)練模擬器探討[J]. 中國航天, 2001 (10)： 25-28.

[4] 張博, 劉偉, 剛芹果. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)分析[J]. 山西建筑, 2010 (20)： 42-44.

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1007-6344（2017）04-0010-02