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摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項綜合性極強(qiáng)的高新信息技術(shù)。通過計算機(jī)3D渲染效果圉和動畫模擬、可視化計算、集成化系統(tǒng)三方面論述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地下工程中的應(yīng)月。虛擬現(xiàn)妾技術(shù)涉及到地下工程的規(guī)劃、設(shè)計和施工等各個方面．技術(shù)潛力十分巨大．應(yīng)月前景非常廣闊。...

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用

董軼男

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽  lll000)

    虛擬現(xiàn)實(shí)(Vigual Reality，即VR)，也稱為靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，可以形成一種“人能沉浸其中、超越其上、進(jìn)出自如、交互作用的多維信息空間”VR技術(shù)利用計算機(jī)生成的交互式三維環(huán)境，不僅使參與者能夠感到景物或模型十分逼真地存在，而且能對參與者的操作做出實(shí)時準(zhǔn)確的響應(yīng)，其技術(shù)實(shí)質(zhì)在于提供了一種高級的人機(jī)接口。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是綜合性極強(qiáng)的高新信息技術(shù)該技術(shù)在隧道與地下工程中的應(yīng)用涉及到工程的規(guī)劃、設(shè)計與施工，并已顯示出一定的實(shí)用性與優(yōu)越性，技術(shù)潛力十分巨大．應(yīng)用前景非常廣闊。

    在地下工程中，長期以來人們不得不用抽象的概念表示非常豐富的內(nèi)容，如用平面圖、剖面圖、立面圖等平面圖形加些規(guī)定的符號來表示三維的立體建筑，用比較抽象的圖形和精練的語言來描述復(fù)雜的場景，以傳遞大量的信息。但這  一種信息處理與傳遞方式受到信息接受者所從事的職業(yè)、知識結(jié)構(gòu)及理解能力的髟響，交流起來非常困難。VR技術(shù)的發(fā)展為我們克服這一困難提供了極其有效的手段。

1.計算機(jī)3D效果圖與動畫模擬

    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們?nèi)找骊P(guān)注城市地下空間的綜合利用。然而地下空間的利用由于地質(zhì)因素復(fù)雜且包含多種未知因素，使得地下空間的綜臺利用與開發(fā)比較困難且投資較大，地下工程設(shè)施一旦建成投人使用，再進(jìn)行改建或構(gòu)筑是相當(dāng)困難的。因此地下空間規(guī)劃設(shè)計方案的比選顯得更為重要。

    計算機(jī)3D效果圖比其它規(guī)劃設(shè)計圖紙更形象、直觀地表達(dá)了地下空間構(gòu)筑物形狀、規(guī)模及其與地上構(gòu)筑物的位置關(guān)系，更清楚地表示了新建地下構(gòu)筑物與既有地下構(gòu)筑物(如既有地鐵、地下商業(yè)街、地下停車場等等)的位置廈通道連接關(guān)系。而且計算機(jī)3D模型可以方便地進(jìn)行各種修改(如貼面材料，顏色、燈光、結(jié)構(gòu)形式、與既有構(gòu)筑物連接方式等)，且易存儲、備份，方便傳輸，可大大提高規(guī)劃設(shè)計的速度和質(zhì)量。此外，計算機(jī)3D動畫模擬將設(shè)計方案的總體效果以連續(xù)拍攝的動態(tài)形式更為形象逼真地呈現(xiàn)在人們面前，使人們能夠身臨其境般漫游在未建成的虛擬地下空間中。因此，計算機(jī)3D效果圖和動畫模擬在地下空間規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用有助于輔助進(jìn)行工程評價，可以使領(lǐng)導(dǎo)、工程設(shè)計人員對所規(guī)劃的設(shè)計方案建成后的情況在規(guī)劃設(shè)計階段就有一個形象、直觀的丁解，為領(lǐng)導(dǎo)決策和設(shè)計人員的設(shè)計創(chuàng)造了有利條件。圖l是一些地鐵車站的計算機(jī)3D效果圖。

    在工程項目招投標(biāo)過程中，借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)．把不能預(yù)演的施工過程和方法表現(xiàn)出來，形象易懂．條理清晰，方案的優(yōu)劣一目了然。這無疑大大增加丁承包商中標(biāo)的幾率。此外，在地下工程施工中．由于地質(zhì)情況復(fù)雜多變，引發(fā)事故的原目多種多樣，使得施工安全問題常常具有不可預(yù)見性。利用安全工程虛擬系統(tǒng)，可以在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中模擬各種事故發(fā)生過程及可能造成的后果。根據(jù)模擬結(jié)果，施工方可以采取相應(yīng)措施預(yù)防和制止這些事故。同時，可以借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬現(xiàn)場人員規(guī)避事故的逃離路線。

2.可視化計算

    可視化計算將是今后一個重要的發(fā)屜方向?qū)�科學(xué)計算取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化加工或三維圖形顯示，通過交互改變參數(shù)來觀察計算結(jié)果的全貌及其變化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化及可視化計算，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展。在運(yùn)用計算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以通過顫色的深淺給出三維物體中各電力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點(diǎn)去觀察；還可以動態(tài)顯示結(jié)構(gòu)的變形、力的變化歷程等。對于地下工程而言．還可“通過單元來模擬隧道開挖的力學(xué)動態(tài)變化過程，進(jìn)行實(shí)時動態(tài)地控制結(jié)構(gòu)的重分析和獲取施工控制數(shù)據(jù)二這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。而且有一些現(xiàn)象即使在實(shí)驗室中也是很難觀察到的．比如椽變和瞬間加載．而在計算機(jī)里可以任意地將時間加快和減慢，對其進(jìn)行分析，得到各種重要參數(shù)．由計算機(jī)演算出任意時刻結(jié)構(gòu)的破壞過程．推導(dǎo)出破壞機(jī)理和計算公式。

3.集成化系統(tǒng)

    計算機(jī)3D誼染和動畫模擬可“很好的服務(wù)于建筑方案的設(shè)計、優(yōu)化”可視化計算為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了極大的方使。在地下工程中，建筑與結(jié)構(gòu)是密不可分的，自然而然我們就會想能不能把上述兩種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于集成化CAD系統(tǒng)中．實(shí)現(xiàn)理想的繪圖與結(jié)構(gòu)計算一體化。如果把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)在的集成祀CAD系統(tǒng)的設(shè)計思想相結(jié)合．創(chuàng)建虛擬現(xiàn)宴的集成化CAD系統(tǒng)，從設(shè)計的建筑方案滯構(gòu)方案的選擇直至最后結(jié)果的實(shí)現(xiàn)必將大大提高設(shè)計效率，提高設(shè)計質(zhì)量。建筑師利用虛擬現(xiàn)實(shí)CAD系統(tǒng)可以很方便地建立和修改建筑方案；然后，結(jié)構(gòu)設(shè)計師就可以利用已經(jīng)建起的模型．選取結(jié)構(gòu)方案調(diào)整荷載和定義荷載，由系統(tǒng)自動進(jìn)行結(jié)掏分析，得出結(jié)果，如配筋量和配筋圖等。如果不能滿意，則可修改參數(shù)或方案。設(shè)計中比較令人頭痛的一十問題就是建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各方的協(xié)調(diào)問題。目前采用的方法是各方升別設(shè)計，再一起反復(fù)進(jìn)行討論，協(xié)商修改。直到滿意。如果采用虛擬現(xiàn)實(shí)集成CAD系統(tǒng)，則可以實(shí)現(xiàn)各方同時設(shè)計，在設(shè)計過程中遇見沖突隨時協(xié)調(diào)直到滿意為止。

4.結(jié)束語

    地下工程作為結(jié)構(gòu)實(shí)體與自然界、人類環(huán)境緊密相連．因此可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬虛擬環(huán)境(自然環(huán)境社會環(huán)境)。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在事前模擬各種環(huán)境和活動．實(shí)覡分析各種方案的合理性，修改不同方案參數(shù)的功能，所以可以對規(guī)劃、設(shè)計和施工進(jìn)行優(yōu)化。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用還有很多不完善的地方，我們應(yīng)努力建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗室．面向工程，開發(fā)有價值的虛擬現(xiàn)實(shí)工程系統(tǒng)，使其在地下工程設(shè)計、施工、管理和可視化計算等方面得到更廣泛應(yīng)用。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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