虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用探析

郭 良 山西六建集團(tuán)有限公司

1 虛擬仿真技術(shù)概述

1.1 虛擬仿真技術(shù)的定義

虛擬仿真技術(shù)從本質(zhì)上而言是一種計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。虛擬仿真技術(shù)是指將傳感技術(shù)和數(shù)字處理融合于一體的技術(shù)，通過虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)真實(shí)情景的創(chuàng)設(shè)和體驗(yàn)。虛擬仿真技術(shù)實(shí)際上是在依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，模擬衍生出的另一個(gè)系統(tǒng)，具有交互功能。

虛擬仿真技術(shù)作為一項(xiàng)技術(shù)系統(tǒng)，能夠結(jié)合圖形技術(shù)、傳感技術(shù)和仿真技術(shù)建立虛擬的信息空間，在空間里能夠進(jìn)行人性化的模擬仿真互動(dòng)，憑借著系統(tǒng)的優(yōu)越性和實(shí)用性，在室內(nèi)設(shè)計(jì)、建立數(shù)字城市、游戲設(shè)計(jì)等方面有著廣泛的應(yīng)用。

虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用主要是對工程的施工方案進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，通過驗(yàn)證結(jié)果的分析對方案進(jìn)行及時(shí)的優(yōu)化，提前根據(jù)合理科學(xué)的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)在建筑工程方案中的問題，在極大的程度上避免了建筑工程在施工過程中可能出現(xiàn)的事故和失誤。

在建筑工程中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)可以在建筑工程施工之前就顯示按照建筑工程設(shè)計(jì)和施工方案現(xiàn)實(shí)實(shí)施之后的效果，給予了建筑工程施工方案更多的設(shè)計(jì)空間，幫助建筑工程施工實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，因此虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用能夠縮短建筑工程的施工周期、提高施工質(zhì)量、加深相關(guān)設(shè)計(jì)和工作人員對整個(gè)建筑工程的結(jié)果和流程、有利于保障施工人員的人身安全等。

1.2 虛擬仿真技術(shù)的特征

虛擬仿真技術(shù)可以根據(jù)自身特質(zhì)制定優(yōu)良的技術(shù)模式，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。虛擬仿真技術(shù)具有真實(shí)的沉浸式、豐富的想象性、實(shí)時(shí)的交互性等特征。

1.2.1 真實(shí)的沉浸式

沉浸感是讓客戶感受到真實(shí)的虛擬世界，可以通過計(jì)算機(jī)的輔助將場景參數(shù)模擬出來，而用戶則只需通過眼鏡或是頭盔等傳感工具的輔助實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景的感同身受。從而通過自身感受來實(shí)際的表達(dá)和提議，使整體效率得到穩(wěn)步提升。虛擬仿真技術(shù)可以模擬真實(shí)世界，用戶能夠在虛擬世界中感受到與現(xiàn)實(shí)一樣的感覺，這種技術(shù)是對人類感官的全面模擬，能夠帶來極為真實(shí)的體驗(yàn)。

1.2.2 豐富的想象性

豐富的想象性是虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的重要特點(diǎn)，基于這種特點(diǎn)能夠讓用戶充分感受到虛擬世界的真實(shí)感，并完全沉浸在其中。由于虛擬仿真技術(shù)是一種模擬技術(shù)（未來事物或虛擬事物），因而用戶可以在實(shí)際的模擬場景中通過豐富的聯(lián)想開闊思維，使得創(chuàng)造力得到有效提升，達(dá)到建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)的綜合效果，拓寬人們的認(rèn)知限度。

1.2.3 實(shí)時(shí)的交互性

交互性主要指的是用戶能夠根據(jù)自己的需求對虛擬世界進(jìn)行操作，這種操作具有一定的實(shí)時(shí)性，通過對虛擬世界操作能夠獲得及時(shí)的反饋，常用的交互方式包括動(dòng)作捕捉、觸覺反饋等。例如，在某個(gè)虛擬的場景中拿物體，這樣就可以使客戶感受到真正拿住物體的感覺，還能夠體驗(yàn)物體自身的重量。

2 虛擬仿真技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用意義

2.1 全方位模擬空間感受

對建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)來說，室內(nèi)空間設(shè)計(jì)需要更加直觀的感受才能更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)前比較常用的方法是通過拍照、攝影和繪制三維模擬模型來完成，目前的方法還僅僅只是基于視覺這方面，真正的空間體驗(yàn)應(yīng)該還包括聽覺、觸覺等感受。

另外，空間是靜止的，但是在其中的人相對于空間是運(yùn)動(dòng)的，在對真實(shí)世界模擬的過程中，虛擬仿真技術(shù)能夠從多個(gè)角度對虛擬世界進(jìn)行全方位的展現(xiàn)，并對用戶到達(dá)的目的地提供多種不同的路線方案選擇，模擬人在空間運(yùn)用時(shí)所感受到的不同體驗(yàn)。

2.2 解決時(shí)間和場地局限

建筑室內(nèi)空間從早到晚的視覺光線感受是不一樣的，要想研究清楚光線的不同變化也許要在該空間中待上一天時(shí)間來感受體會(huì)。而虛擬仿真技術(shù)能有效解決這一問題，它可以模擬一年四季，一天中各個(gè)時(shí)間段光線照進(jìn)屋的不同感覺。

除了時(shí)間，在不同項(xiàng)目場地方面也存在類似的問題，由于每個(gè)房間所處的位置和方向存在差異，導(dǎo)致房間的光線、通風(fēng)等情況也存在差別，考慮到成本問題，很難對每個(gè)房間都制作模型進(jìn)行分析。因此在這種情況下，虛擬仿真技術(shù)就能夠解決這一問題，根據(jù)比例以及所處的房間位置對真實(shí)場景進(jìn)行還原。

2.3 降低時(shí)間和資金成本

傳統(tǒng)室內(nèi)空間設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)、水電、硬裝、軟裝、家居配飾到驗(yàn)收，大概需要幾個(gè)月的時(shí)間。而用虛擬仿真技術(shù)能夠在很大程度上降低時(shí)間成本，在短期內(nèi)設(shè)計(jì)出樣板房，達(dá)到與真實(shí)樣板房相差無幾的效果，大幅提升工作效率，并降低資金成本。

2.4 它增強(qiáng)了傳統(tǒng)藝術(shù)的趣味性，有利于形成普遍的社會(huì)價(jià)值

現(xiàn)代社會(huì)對藝術(shù)形式的快感要求越來越高。在感知過程中，情感的輸入和獲得成為衡量藝術(shù)形式能否傳播的標(biāo)志性因素。具有社會(huì)意義的傳統(tǒng)藝術(shù)本身能夠滿足人們對美和秩序最原始的需求。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬沉浸效果，運(yùn)用形式、色彩、形式和綜合體驗(yàn)，從感官本能層面?zhèn)鬟_(dá)最直接、最實(shí)在的感官情感。

在當(dāng)代藝術(shù)和技術(shù)的影響下，傳統(tǒng)藝術(shù)形式逐漸從邊緣化回歸視覺中心。數(shù)字技術(shù)使傳統(tǒng)藝術(shù)以一種新的表現(xiàn)語言閃耀在公眾面前，在虛擬仿真技術(shù)的演繹下，傳統(tǒng)藝術(shù)的精神和內(nèi)涵更生動(dòng)、更直接地呈現(xiàn)在人們眼前，縮短了人們與傳統(tǒng)藝術(shù)的距離。表現(xiàn)形式的多樣性有利于傳統(tǒng)藝術(shù)的延續(xù)和傳播。

隨著移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展和技術(shù)的升級(jí)，人們越來越習(xí)慣于對電子設(shè)備和儀器的控制。在新媒體的支持下，傳統(tǒng)藝術(shù)的表現(xiàn)語言由傳統(tǒng)的視覺或聽覺上升為立體的綜合感知，激發(fā)了人們對傳統(tǒng)文化藝術(shù)的敏感性。從愉悅的角度看，在媒介傳播的過程中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從內(nèi)容到形式都呈現(xiàn)出傳統(tǒng)藝術(shù)的固有特征。人的體驗(yàn)所帶來的快樂、美感和沖擊力，在情感上影響著人的認(rèn)知。這種快樂適應(yīng)了人們的生理和心理需求。同時(shí)，通過新媒體的傳播，傳統(tǒng)藝術(shù)帶來的審美愉悅也是一種普遍的社會(huì)價(jià)值。

3 虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中的具體應(yīng)用

3.1 虛擬仿真技術(shù)和建筑過程方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

傳統(tǒng)建筑工程施工的合理性只要依靠相關(guān)設(shè)計(jì)人員以往的工作經(jīng)驗(yàn)來判斷，但是通過經(jīng)驗(yàn)制定的施工方案并不能真正地保證建筑工程施工的安全有效性，在一定的程度上會(huì)造成施工周期過長、施工質(zhì)量出現(xiàn)問題、方案具有局限性。

而通過虛擬仿真技術(shù)建立起的仿真模型則可以在極大的程度上避免由于人為因素而造成的失誤，科學(xué)驗(yàn)證施工方案的合理性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)在方案中隱藏的漏洞，與此同時(shí)虛擬仿真技術(shù)還可以通過大數(shù)據(jù)掌握建筑物周圍的環(huán)境特征，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對工程的具體環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，及時(shí)對建筑工程設(shè)計(jì)人員給出設(shè)計(jì)建議。例如通過對不同方案的建筑結(jié)構(gòu)能耗數(shù)據(jù)分析計(jì)算，得出節(jié)能效率比例，使得設(shè)計(jì)人員在對方案修改和選擇時(shí)能夠有科學(xué)的依據(jù)。

3.2 虛擬仿真技術(shù)中的三維動(dòng)畫技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的施工過程中，對施工進(jìn)度的判斷通常是基于相關(guān)人員的經(jīng)驗(yàn)，而虛擬仿真技術(shù)可以為施工過程提供一種可視化的手段。通過三維動(dòng)畫技術(shù)，施工過程中的所有細(xì)節(jié)都以高仿真動(dòng)畫的形式展現(xiàn)出來，相關(guān)施工人員可以通過高仿真動(dòng)畫了解和掌握每一個(gè)細(xì)節(jié)，了解施工過程中需要注意的事項(xiàng)，可以在很大程度上避免施工項(xiàng)目方案的重復(fù)修改，縮短施工項(xiàng)目實(shí)施周期。在中央電視臺(tái)新址和上海環(huán)球金融中心的建設(shè)中，采用了虛擬仿真技術(shù)的三維動(dòng)畫技術(shù)。

3.3 虛擬仿真技術(shù)在施工安全中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)作為現(xiàn)代先進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)體系之一，依托計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)建筑工程施工方案的優(yōu)化控制，是傳統(tǒng)建筑工程無法比擬的。施工安全是整個(gè)建設(shè)工程的核心內(nèi)容。為保證施工安全，需要提前對施工方案中存在的問題進(jìn)行預(yù)測，以便及時(shí)采取措施，盡量避免差錯(cuò)的發(fā)生或減少事故發(fā)生后的損失。虛擬仿真技術(shù)可以提前對建筑工程項(xiàng)目方案進(jìn)行系統(tǒng)的仿真演練，從計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中分析建筑工程項(xiàng)目方案中可能出現(xiàn)的問題，以及出現(xiàn)問題的概率，并通過各種數(shù)據(jù)的展示和分析，給出相應(yīng)的建議。

3.4 虛擬仿真技術(shù)在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用

復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工是整個(gè)施工過程中最困難、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。由于不同鋼結(jié)構(gòu)的受力和承載力不同，相關(guān)工作人員需要在不同的施工階段判斷不同鋼結(jié)構(gòu)的平衡性，盡量避免在安裝過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，因?yàn)橐坏╀摻Y(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)或安裝過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，其應(yīng)力就會(huì)降低整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目將受到很大影響，后期建筑的安全也將受到影響，無法得到有力的保障。

鋼結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)和安裝可以避免工程造價(jià)的無效增加。在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工中，相關(guān)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷并不能保證復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確安裝，而虛擬仿真技術(shù)可以通過精確的計(jì)算，準(zhǔn)確計(jì)算出復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置，準(zhǔn)確快速的計(jì)算計(jì)算機(jī)技術(shù)位置。同時(shí)，采用虛擬仿真技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)施工全過程進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)有效控制和精確安裝，降低建筑工程人為因素造成事故的概率，進(jìn)一步提高建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)化建筑工程施工工藝。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國科技的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用越來越普遍、越來越成熟。虛擬仿真技術(shù)和建筑工程的有機(jī)融合，突破了以往傳統(tǒng)的建筑工程中存在的局限，通過計(jì)算機(jī)精密準(zhǔn)確的計(jì)算、三維動(dòng)畫的可視化手段和效果、對建筑工程周圍環(huán)境等因素的綜合考慮、在建筑工程中具體環(huán)節(jié)的應(yīng)用等，在極大的程度上使得建筑工程相較于以往有了在建筑工程質(zhì)量上的提升、施工費(fèi)用的降低、施工周期的縮短、在施工過程中安全性能的提高、復(fù)雜環(huán)節(jié)得到有力保障。虛擬仿真技術(shù)為建筑工程事業(yè)的發(fā)展提供了更加廣闊的空間，切實(shí)促進(jìn)了建筑工程的深遠(yuǎn)發(fā)展。