關(guān)于VR技術(shù)在土木工程中應(yīng)用的研究

左達(dá)遠(yuǎn)　張健

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR）是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)，由于在各項(xiàng)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)都特別明顯，因此VR技術(shù)也開(kāi)始在土木工程領(lǐng)域展開(kāi)，文章即針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)，分析了VR技術(shù)在土木工程中應(yīng)用的發(fā)展及前景，指出該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而說(shuō)明VR技術(shù)一定會(huì)在以后的工程中發(fā)揮重要的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);土木工程;工程管理;影響與作用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，基礎(chǔ)建設(shè)的實(shí)力壯大，土木工程的結(jié)構(gòu)形式及造型越來(lái)越復(fù)雜，人們對(duì)土木工程建設(shè)的要求也越來(lái)越高，不僅僅局限在按照以往的施工經(jīng)驗(yàn)及圖紙的按部就班對(duì)質(zhì)量、成本、進(jìn)度與安全這些基本的要求進(jìn)行嚴(yán)格控制，更偏向于將工程建設(shè)的過(guò)程與結(jié)果變得可預(yù)知及透明化。VR技術(shù)便在土木工程中應(yīng)用開(kāi)來(lái)，它是一種將虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合，建立出一個(gè)虛擬世界的可視化、集成化、信息化的仿真系統(tǒng)，將二維線條通過(guò)三維模型表現(xiàn)出來(lái)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述與發(fā)展

（一）起源

1929年，EdwARd Link為了減少飛行員在飛行中出現(xiàn)的傷亡事故，設(shè)計(jì)出用于訓(xùn)練飛行員的模擬器，使飛行員提前感受飛行過(guò)程，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的萌芽。

在20世紀(jì)50年代，著名電影攝影師莫頓海利格（Morton Heilig）創(chuàng)造了Sensorama。 這是一個(gè)多通道全傳感仿真器，它可以在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上激發(fā)更多的感官體驗(yàn)。許多年后，他又研發(fā)了一款頭戴式顯示器并命名為TelesphereMask，也是第一款頭戴式顯示器，擁有較好的視覺(jué)專場(chǎng)和3D視覺(jué)效果，但是還缺乏運(yùn)動(dòng)跟蹤的功能，只能播放非交互式視頻，這是VR技術(shù)發(fā)展的開(kāi)始。

真正的具有虛擬現(xiàn)實(shí)意義上的頭戴式顯示器是由20世紀(jì)60年代兩位Philco公司的工程師創(chuàng)建的具有頭部跟蹤系統(tǒng)的頭戴式顯示器，由于畫面可以伴隨著頭部的移動(dòng)而移動(dòng)，所以能夠感受到更加自然和真實(shí)的效果，這對(duì)VR技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

1972年，NolanBushell開(kāi)發(fā)出第一個(gè)交互式電子游戲Pong。

從此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)便在各個(gè)領(lǐng)域逐漸發(fā)展開(kāi)來(lái)。

（二）特點(diǎn)

1. 交互性

使用者可通過(guò)輔助設(shè)備達(dá)到現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)之間的人機(jī)交互，比二維圖形的交互更加具有深刻性。

2. 沉浸性

沉浸性又稱臨場(chǎng)感，它被認(rèn)為是表征虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境性能的重要指標(biāo)，能夠給體驗(yàn)者帶來(lái)身臨其境的感覺(jué)。同時(shí)觸發(fā)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官和心理作用，使參與者仿佛置身于真實(shí)的客觀世界中。

3. 想象性

VR技術(shù)可以使體驗(yàn)者由被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)感受新事物，通過(guò)感性和理性這兩方面發(fā)揮主觀能動(dòng)性，在現(xiàn)有的認(rèn)知上發(fā)掘新的信息。

（三）VR技術(shù)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用

1. 商業(yè)領(lǐng)域

VR全息投影是一種比較常用的技術(shù)，能夠?qū)?chǎng)景立體的投影出來(lái)，雖說(shuō)是3D圖形技術(shù)，但是在圖形渲染及表現(xiàn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其與造型技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性。但是也有著廣闊的發(fā)展空間，例如用于房地產(chǎn)展示，旅游場(chǎng)景的展示，博物館內(nèi)歷史場(chǎng)景的還原與介紹，天氣預(yù)報(bào)的展示等等，可讓人們對(duì)不可能看到場(chǎng)景有了一次切身的視覺(jué)感受，能夠讓人們真實(shí)感受到不可能的場(chǎng)景片段，對(duì)該場(chǎng)景有更加深刻的體驗(yàn)。

2. 教育領(lǐng)域

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，老師只能通過(guò)板書和圖片展示來(lái)輔助教學(xué)，但有些場(chǎng)景或圖形無(wú)法描述出來(lái)，或者能抽象描述出來(lái)，但是學(xué)生們不能直觀地想象出來(lái)并理解，因此引入VR技術(shù)，通過(guò)各種交互設(shè)備的使用，可解決此項(xiàng)問(wèn)題。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日益成熟，亦可通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立一個(gè)虛擬校園，將校園進(jìn)行1：1的還原，使學(xué)生做到在家就能上學(xué)的目的。同樣在學(xué)生進(jìn)行三維物體學(xué)習(xí)時(shí)，有更加直觀的體驗(yàn)，加深學(xué)習(xí)的印象，培養(yǎng)同學(xué)腦海中的三維模擬意向。

3. 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

醫(yī)生，作為一種理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都必須大量積累的職業(yè)，能夠成為一名合格而又出色的醫(yī)生是很耗時(shí)耗力的。很多醫(yī)學(xué)院的學(xué)生好不容易在醫(yī)學(xué)院用7～8年的時(shí)間完成了學(xué)業(yè)，但是又要用好幾年的時(shí)間在醫(yī)院學(xué)習(xí)，并且因?yàn)闂l件和各種原因限制了醫(yī)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，因此，引入VR技術(shù)就可以在一定程度上幫助醫(yī)學(xué)生解決這方面問(wèn)題。虛擬醫(yī)療就是用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬的人體模型器官，這樣可以在安全的前提下提高醫(yī)學(xué)生的專業(yè)能力。并且VR技術(shù)也可以構(gòu)建各種手術(shù)環(huán)境及突發(fā)情況，鍛煉了醫(yī)學(xué)者的臨床應(yīng)急反應(yīng)能力。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)VR技術(shù)也可以來(lái)對(duì)藥物研究進(jìn)行模擬，包括藥物的臨床試驗(yàn)，可以通過(guò)VR技術(shù)模擬數(shù)據(jù)，創(chuàng)造與人體類似的信息數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬注射環(huán)境，注射的數(shù)據(jù)，最終來(lái)得出結(jié)論。

4. 游戲領(lǐng)域

VR技術(shù)被廣大群眾所認(rèn)知還是在于它在游戲領(lǐng)域的發(fā)展。

2015年HTC率先發(fā)售了第一款正面向PC游戲的VR設(shè)備 VIVE，雖然VIVE有著笨重，手柄過(guò)大的缺點(diǎn)，但是擁有著名為“燈塔”的專利定位技術(shù)。不僅成為行業(yè)先行者，依靠著穩(wěn)定精確的定位，至今仍然是VR設(shè)備的標(biāo)桿。VR游戲開(kāi)發(fā)包含著三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，一是屏幕技術(shù)，二是定位技術(shù)，三是虛擬世界的設(shè)計(jì)建模。通過(guò)眼鏡、頭盔、手柄以及其他重力感應(yīng)等設(shè)備的互相配合，使傳統(tǒng)的二維體感轉(zhuǎn)變成三維體感，由于技術(shù)的成熟使得制造成本的降低，VR游戲已被廣大游戲玩家所接受。現(xiàn)如今大多數(shù)大型商場(chǎng)內(nèi)部均有VR游戲設(shè)備，眾多顧客在體驗(yàn)之后的評(píng)價(jià)均可以，并且也有很多游戲達(dá)人，在家中購(gòu)置VR游戲設(shè)備，來(lái)進(jìn)行3D游戲的模擬游玩。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

（一）前景

1. 技術(shù)方面

在土木工程這個(gè)行業(yè)中，圖紙是必不可少的部分，從方案設(shè)計(jì)階段到竣工驗(yàn)收階段，通過(guò)圖紙將工程的建筑樣式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工程做法表達(dá)出來(lái)，但是各種復(fù)雜的線條以及符號(hào)使得一些剛接觸這個(gè)行業(yè)的人員不能夠理解，特別是一些節(jié)點(diǎn)處，更是霧里看花，還有各類構(gòu)件的各種參數(shù)，很容易記錯(cuò)，一旦發(fā)生這樣的情況，會(huì)直接影響到工程的質(zhì)量。但隨著計(jì)算機(jī)軟件的迅速發(fā)展，建筑信息模型（簡(jiǎn)稱BIM）開(kāi)始應(yīng)用在工程領(lǐng)域中，它是將二維線條轉(zhuǎn)換成三維模型的一種輔助軟件，如圖1所示，可以讓施工人員很直觀看到圖紙上的各類構(gòu)件，以及對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的建筑進(jìn)行整體渲染和將周邊環(huán)境聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑整體的有效還原，從而實(shí)現(xiàn)建筑的360度全景展示效果。并且通過(guò)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能對(duì)工程的工程量以及結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能快速并且準(zhǔn)確的計(jì)算出來(lái)，可以同時(shí)生成多種方案并通過(guò)智能化調(diào)整篩選出有效方案，不再僅僅只靠憑空想象，將合理性提至最優(yōu)，避免了人工算法的錯(cuò)誤，使結(jié)算結(jié)果更加具有準(zhǔn)確性。

2. 安全方面

眾所周知，在施工現(xiàn)場(chǎng)，安全高于一切，所有工程建設(shè)工作的開(kāi)展都是基于安全的基礎(chǔ)上，其中包括防護(hù)設(shè)施，人員安全意識(shí)以及作業(yè)是否規(guī)范等等因素都與安全掛鉤。因?yàn)榻ㄖa(chǎn)常與大型機(jī)械相伴，高空塔吊作業(yè)多，人員活動(dòng)較為集中，因此建筑業(yè)一直是高危行業(yè)，建筑領(lǐng)域的傷亡事故頻繁發(fā)生，給國(guó)家、人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，施工現(xiàn)場(chǎng)每年的傷亡事故平均發(fā)生一千多起，其中原因包括高中墜落、墜物打擊、火災(zāi)爆炸、建筑坍塌等意外情況。這些事故的發(fā)生很大一部分原因是在于企業(yè)與作業(yè)人員的安全意識(shí)不強(qiáng)。作業(yè)人員為圖作業(yè)方便，操作不規(guī)范以及防護(hù)設(shè)備不按要求穿戴，企業(yè)對(duì)人員的安全教育不夠重視。都覺(jué)得危險(xiǎn)離自己很遠(yuǎn)，才導(dǎo)致這樣的后果。因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到安全教育這一塊來(lái)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際通過(guò)軟件制作出接近于真實(shí)的模擬環(huán)境，如圖2可通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)模擬各種安全事故以及防護(hù)方案，體驗(yàn)人員可通過(guò)頭戴式眼鏡以及手柄達(dá)到人機(jī)交互，在程序中進(jìn)行作業(yè)，一旦操作不規(guī)范，體驗(yàn)人員可深刻感受到各種危險(xiǎn)帶來(lái)的恐懼感，在日后的工作中能夠提高警惕，安全對(duì)待，防患于未然。同時(shí)可以通過(guò)體驗(yàn)人員的參與來(lái)檢驗(yàn)?zāi)M建立的防護(hù)方案是否有效，進(jìn)而確保項(xiàng)目的安全又穩(wěn)定地推進(jìn)。

（二）優(yōu)勢(shì)

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作人員而言，建筑業(yè)是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重、不可替代的作用。而且建筑施工行業(yè)的工作環(huán)境差，危險(xiǎn)性大，技術(shù)要求較低，入行的門檻低，很大部分勞動(dòng)力來(lái)自農(nóng)村剩余勞動(dòng)力，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)3800多萬(wàn)建筑業(yè)從業(yè)人員中，80%是來(lái)自農(nóng)村的農(nóng)民工。行業(yè)的特殊性客觀上影響了隊(duì)伍素質(zhì)的提高。另外，由于中小型建筑施工企業(yè)不具備與同行業(yè)的大企業(yè)相抗衡的競(jìng)爭(zhēng)能力，所接洽的項(xiàng)目不連續(xù)，也許上個(gè)項(xiàng)目完成了，下個(gè)項(xiàng)目又不知什么時(shí)候開(kāi)始，影響了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，造成員工流動(dòng)性過(guò)大，人才大量無(wú)序的流動(dòng)使施工隊(duì)伍素質(zhì)的提高也受到?jīng)_擊。因此人員對(duì)工作的態(tài)度非常不嚴(yán)謹(jǐn)，倘若讓施工人員運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的事故發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)置身其中，切身感受到事故的危險(xiǎn)性及可怕性，必定能大大提高施工人員對(duì)安全的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于施工管理者而言，要想成為一名具有說(shuō)服力的管理者，必先對(duì)工程建設(shè)的每個(gè)施工工藝、技術(shù)流程和質(zhì)量參數(shù)非常熟悉，以及要具有極強(qiáng)的臨場(chǎng)應(yīng)變能力。但是這些都是要經(jīng)過(guò)時(shí)間磨合出來(lái)的，而作為剛踏入建筑行業(yè)的新人來(lái)說(shuō)要消耗很大的精力去學(xué)習(xí)。目前，VR技術(shù)雖然只是在安全教育這一塊應(yīng)用起來(lái)，但隨著科技的進(jìn)步與社會(huì)對(duì)建筑行業(yè)效率的要求，VR技術(shù)可借鑒其他行業(yè)的學(xué)習(xí)模式建立一個(gè)虛擬施工現(xiàn)場(chǎng)，讓體驗(yàn)者從基坑開(kāi)始對(duì)整個(gè)工程建設(shè)的工序與工藝進(jìn)行模擬，不再靠憑空想象，而是可以親手去驗(yàn)證，不僅節(jié)省了人力物力，還避免了因操作與指揮不當(dāng)導(dǎo)致返工而引起的工程成本增加。這對(duì)新管理者來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

在建筑工程項(xiàng)目施工管理中，通過(guò)采用VR技術(shù)，進(jìn)行虛擬施工步驟及施工程序，管理層可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)指導(dǎo)施工。在建筑工程項(xiàng)目中，良好的施工組織設(shè)計(jì)不僅可以加快工期，而且降低施工成本和管理成本，還可以間接地提高施工質(zhì)量和施工效率。采用 VR技術(shù)，通過(guò)仿真模擬，可以詳細(xì)地展示工程的空間布置信息，吸引不同專業(yè)人員的參與，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)方案、施工方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定相應(yīng)工程參數(shù)，根據(jù)工序的先后順序制定合理的物資進(jìn)場(chǎng)計(jì)劃，從而使建筑施工更綠色，更高效。 VR利用虛擬技術(shù)，對(duì)施工的重點(diǎn)部位或重要構(gòu)件進(jìn)行施工動(dòng)畫模擬，使具體施工更為細(xì)節(jié)化、形象化、可視化，可使施工人員更加具體了解施工工藝流程，避免施工錯(cuò)誤的發(fā)生。VR技術(shù)將以往單調(diào)的施工安全教育借助虛擬的三維場(chǎng)景形象化展示，使得體驗(yàn)者感覺(jué)如同親臨現(xiàn)場(chǎng)，感受和體驗(yàn)事故發(fā)生的危害，深刻理解安全教育的本質(zhì)，從而使安全教育更加深化，工人安全知識(shí)掌握更加牢固。在施工工序上，VR技術(shù)可以進(jìn)行施工流水碰撞模擬，當(dāng)不同的施工工序存在碰撞時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)提示出現(xiàn)碰撞的工序，這樣方便施工技術(shù)人員及時(shí)調(diào)整，從而減少施工工序干擾，提高生產(chǎn)效率。通過(guò) VR技術(shù)對(duì)建筑工程施工全過(guò)程或關(guān)鍵工序進(jìn)行模擬，促進(jìn)了施工方案的保證性和可行性;對(duì)重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬承載實(shí)驗(yàn)或破壞實(shí)驗(yàn)，可以找出影響構(gòu)件質(zhì)量的主要因素，從而達(dá)到質(zhì)量控制和優(yōu)化施工的目的，大大提高工程的實(shí)施和管理效率。

（三）VR技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用情況

現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)大多數(shù)建筑公司的項(xiàng)目尚未引進(jìn)VR技術(shù)設(shè)備，但是在一些大公司的施工現(xiàn)場(chǎng)可以看到VR設(shè)備，并且在有新人員入職時(shí)，進(jìn)行安全教育時(shí)，就會(huì)讓新入職人員在VR設(shè)備上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安全模擬體驗(yàn)，以便來(lái)進(jìn)行安全教育以及安全交底。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作人員以及現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員來(lái)說(shuō)，在他們心中埋下一顆安全的種子，在之后的施工過(guò)程中，對(duì)保障人員生命安全，保障人員財(cái)產(chǎn)安全都具有深遠(yuǎn)的影響。

（四）現(xiàn)如今狀況的解決方案

1.做一個(gè)關(guān)于VR技術(shù)設(shè)備的詳細(xì)講解會(huì)

邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)的施工企業(yè)來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)他們進(jìn)行宣講，向他們?cè)敿?xì)介紹VR技術(shù)設(shè)備在實(shí)際工程施工中應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全，工程進(jìn)度把控等方面所能達(dá)到的實(shí)際效果。

2.做一個(gè)VR設(shè)備展示車

可以開(kāi)去施工現(xiàn)場(chǎng)，和現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人進(jìn)行溝通，邀請(qǐng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作人員以及現(xiàn)場(chǎng)管理人員來(lái)進(jìn)行實(shí)際體驗(yàn)，并且記錄體驗(yàn)感受，收集數(shù)據(jù)做出總結(jié)報(bào)告。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，來(lái)向一些重點(diǎn)體驗(yàn)較好的單位來(lái)推薦VR技術(shù)設(shè)備的購(gòu)入。

3.解決設(shè)備價(jià)格高的問(wèn)題

可以在大規(guī)模施工場(chǎng)地，聯(lián)系各個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人以及各承包公司的負(fù)責(zé)人，推薦他們可以多個(gè)項(xiàng)目共同購(gòu)買或者租賃一臺(tái)設(shè)備，這樣在施工安全教育方面以及之后的施工進(jìn)度把控方面，幾個(gè)項(xiàng)目也能就通過(guò)VR設(shè)備的體驗(yàn)來(lái)共同探討方案。

三、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)如今的建筑行業(yè)，人員組成錯(cuò)綜復(fù)雜，人員素質(zhì)相對(duì)較低，特別是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操人員方面對(duì)于安全方面意識(shí)薄弱，甚至存在著許多的違規(guī)操作，在項(xiàng)目部實(shí)行安全交底的時(shí)候，表面上是進(jìn)行學(xué)習(xí)了，但是并沒(méi)有意識(shí)到發(fā)生意外會(huì)造成什么后果。通過(guò)VR技術(shù)設(shè)備，可以讓工人更好、更直觀看到發(fā)生意外的后果，讓他們心中提高警惕，在實(shí)際施工過(guò)程中會(huì)更加遵守規(guī)章制度，降低違規(guī)操作的可能性，盡可能杜絕違規(guī)操作，以更好的保障人員的生命以及財(cái)產(chǎn)安全。

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（作者單位：南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院）