利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)優(yōu)化橋梁設計

古勁松

（江西省尋烏縣縣鄉(xiāng)公路管理站，江西 尋烏 342200）

1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)及其在橋梁設計中運用的優(yōu)點

1.1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)式上個世紀九十年代在科學界和工程界首先得到關注的技術，此系統(tǒng)的發(fā)明不僅為人機交互界面的發(fā)展做出了巨大的貢獻，更為各中大型工程數(shù)據(jù)的整理和分析提供了一種新的捷徑，它實現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)的可視化。此系統(tǒng)的具體操作過程是通過計算機技術生成逼真的三維虛擬環(huán)境，這樣用戶就可以在該虛擬的環(huán)境中瀏覽數(shù)據(jù)、事物和場景，實現(xiàn)了交互性和自主性。虛擬現(xiàn)實技術應用的領域十分廣泛，它不僅在建筑界得到充分利用，在航天、經(jīng)濟、軍事、娛樂和體育領域的應用也正在日益擴展。

1.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在橋梁設計中的運用

此部分具體來講虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在橋梁設計中的應用，虛擬現(xiàn)實技術在橋梁設計和建設方面具有重要意義。虛擬現(xiàn)實在應用在橋梁建筑領域之前，橋梁設計成果若要實現(xiàn)可視化，主要借助的方式是效果圖或三維動畫的方式，一方面由于效果圖的靜態(tài)特征，這樣就使交互性無法實現(xiàn)，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的三維動畫雖實現(xiàn)了動態(tài)化，但卻具有一定的局限性，那就是只能按照事先設定的方式進行觀察，無法實現(xiàn)自主性。于此相對比，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在交互性和自主性方面都得到了體現(xiàn)，通過虛擬系統(tǒng)，橋梁的設計人員能夠充分科學地展示橋梁的設計成果圖。另外，還可通過效果的展示來檢驗設計的科學性和合理性。

在橋梁的設計階段，若能采用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來建模語言構造和虛擬橋梁，可使橋梁的建設方案更加科學化、人性化，設計人員和建設方雖在異地，也可充分地討論橋梁的建設方案，使之完善化。一方面，建設方可通過視覺化的設計方案實現(xiàn)橋梁整體造型的感知明確其細部構造，另一方面針對建設方提出的具體建議和方案，設計方也可針對建設反提出的建議進行方案的完善化。與傳統(tǒng)的方法相比，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了橋梁設計方和建設方的有效和良好溝通，可有效地使二者的意見達成一致且認識趨于一致，另一方面也節(jié)省了工程的造價。

2 橋梁虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構建模塊

當前，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在橋梁設計和建設中的應用基本上集中在以下幾個主要的方面，分別是：計算的可視化；橋梁所處地形的三維效果演示；設計方案的可視化演示。其中的設計方案的可視化在橋梁建設中具有重要的意義，具體來講，它的作用機理主要是通過建筑設計界中應用普及的3DS來導入動畫數(shù)據(jù)，然后通過虛擬現(xiàn)實工具包軟件轉(zhuǎn)換來輸出相應格式，且要在該工具包生成的虛擬現(xiàn)實場景中被讀取、顯示和調(diào)用。

具體來講，橋梁虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包括兩大功能模塊，分別是三維建模模塊和視景仿真模塊：

2.1 橋梁參數(shù)化建模軟件

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，最基本的任務是將場景和模型進行三維建模是。這種建模是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能否具有交互性和自主性的關鍵環(huán)節(jié)，對于真實感的產(chǎn)生具有關鍵性的作用。橋梁的三維建模通常是在AUTO-CAD或3dsmax中進行，這種方法的弊端是進行的過程和環(huán)節(jié)較為復雜，且隨機性還較大，精確性得不到有效的保證，而且已經(jīng)模型建構成功，它的修改比較困難，以至于后期若發(fā)現(xiàn)問題和弊端亦不利于及時地修改。當前為了克服這些困難，以AUTO-CAD為基礎的強大的圖形數(shù)據(jù)庫，得到了較為廣泛的應用，且它的實用性相較于原來也有很大的提高。

2.2 視景仿真軟件

交互性、動態(tài)性和實時性是視景仿真應當具有的特點和效能，通過視景仿真軟件，用戶就可通過相關設備的使用與系統(tǒng)實現(xiàn)溝通和交互，之后系統(tǒng)便會立即對用戶的溝通行為作出回應，來響應這些操作，最后計算機就可聲稱施工工程或場景的圖像，然后在計算機屏幕上得到顯示。OpenGL軟件是以SGI的GL三維圖形庫為基礎制定的，它是當前一種通用和共享的開放式的三維圖形標準。是目前高性能圖形和交互式視景處理的主要工具和形式，其根據(jù)科學的計算機圖形學原理、光學和視覺的原理設計而成，是實現(xiàn)可視化仿真系統(tǒng)的重要軟件。

3 虛擬樣機技術在橋梁設計中的應用

本文主要通過虛擬樣機技術在橋梁檢測中的應用來介紹虛擬系統(tǒng)在優(yōu)化橋梁設計中的作用。

虛擬樣機技術是進行樣機設計的有效手段，它的優(yōu)點在于不但可以幫助設計部門擺脫對于物理樣機的過度依賴，而且可簡化系統(tǒng)的分析過程，縮短實驗的研究周期，這樣就減少了工程在設計和研究階段的工程造價和成本，同時還可明顯地提高工程的質(zhì)量和性能，使設計方案得到優(yōu)化和精確。

3.1 虛擬樣機技術簡介

虛擬樣機技術是工程設計技術、建模技術、VR/可視化技術為一體的集成技術。虛擬樣機設計的設計師可利用虛擬樣機來代替物理樣機對產(chǎn)品各種特性進行的分析和評估,比較多種方案，從而對方案進行優(yōu)化。虛擬樣機技術的優(yōu)點在于，它在實施中通過對虛擬環(huán)境的利用，可將涉及方案可視化，這樣施工方和設計方就可對產(chǎn)品真實工況下的特性進行預測、分析和考量。且虛擬樣機技術十分注重橋梁工程的整體性和系統(tǒng)性，周期從產(chǎn)品概念的設計直到工程的運行，不同的設計師可以從不同的角度對同一虛擬樣機進行考量這樣便有助于實現(xiàn)方案的最優(yōu)化。

3.2 虛擬樣機技術在橋梁施工中的應用

本部分主要介紹的是虛擬樣機技術在橋梁檢測中的應用，在具體的檢測工作中，橋梁檢測車是一種不可缺少的設備。

橋梁檢測車指的是裝備有橋梁檢測儀器和工作臺、用于對橋梁進行流動檢測、維修的專用汽車。它的主要工作內(nèi)容是要對橋梁下部的結(jié)構進行全面的檢查和修理，這其中包括對大橋主梁梁底裂紋的檢測和對全橋支座的檢查養(yǎng)護。

虛擬樣機技術在橋梁檢測車中的應用具有諸多優(yōu)點，它可以使設計人員實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中模作業(yè)并且快速分析設計方案的作業(yè)；可以幫助設計人員進行數(shù)次的仿真試驗，這樣可以使設計方案得到優(yōu)化。同時，它作為集樣機設計、仿真研究為一體的的有效研究手段，不僅可使設計人員加強對設計方案的完善，同時還可簡化機械系統(tǒng)的設計和分析過程，實現(xiàn)可視化，這樣不僅縮短了試驗周期、減少了開發(fā)成本，最重要的是還可以使工程的質(zhì)量和性能得到保障。

三維實體模型橋梁檢測車虛擬樣機模型的重要組成部分和技術關鍵環(huán)節(jié)。ADAMS軟件為實體建模的功能提供了可能性，但當前，模型普遍比較復雜，ADAMS軟件在建立這類模型方面不具有明顯長處，因此當需建立復雜模型時，可利用SolidWorks軟件，這種軟件的優(yōu)點在于可快建立各零部件的實體模型并組成裝配體的快速性。利用ADAMS軟件時，設計人員可利用IGES、STEP、STL、等產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換庫來實現(xiàn)CAD/CAM/CAE軟件之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

總之，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在橋梁設計和施工階段的運用不僅可減少工程在設計階段的造價和成本，還可在施工階段從整體上提高工程的質(zhì)量和性能，真正實現(xiàn)科學施工和管理。因此，應當在橋梁的設計和施工階段科學地引進和運用這種先進的技術形式。

[1]石教英.虛擬現(xiàn)實基礎及實用算法[M].北京科學出版社，2002，3.

[2]劉怡，張洪定，崔欣.虛擬現(xiàn)實VRML程序設計[M].天津：南開大學出版社，2007.35.

[3]王福建，吳國雄.道路工程三維建模技術[M].北京：人民交通出版社，2004年版.