虛擬現實在橋梁工程中的應用

（廣東粵路勘察設計有限公司 510000）

虛擬現實在橋梁工程中的應用

黎樂濤

（廣東粵路勘察設計有限公司 510000）

作為世界橋梁大國，我國橋梁建設離飽和程度還有很遠一段距離，十分需要更加先進技術，去完善我國的橋梁交通網絡系統。此時，虛擬現實的蓬勃發展正給橋梁工程界帶來了希望。

虛擬現實；橋梁；建模

一、我國橋梁概況

作為交通系統的重要組成部分，交通線路的主要節點，各種造型獨特美觀、跨度歷程長、結構復雜、施工難度高的大型橋梁像雨后春筍般建成[1]。盡管已有橋梁數目已經達到50萬余座，是名副其實的世界橋梁大國。但由于我國領土寬廣，海川縱橫，橋梁建設離飽和程度還有很遠一段距離，十分需要更加先進技術，去完善我國的橋梁交通網絡系統，方便城市間或地域間的交通來往，促進經濟的進一步發展[2]。此時，虛擬現實的蓬勃發展正給橋梁工程界帶來了希望。

二、虛擬現實技術簡述

虛擬現實（Virtual Reality，一般簡稱VR）是一種仿真學和計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術和網絡技術等多領域融合的交叉技術。它以計算機技術為核心，在計算機的數字化環境中建立一個模擬現實的仿真世界，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行操作互動。應用虛擬現實技術，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和探索，享受親臨其境的感覺。

虛擬現實這一技術從思想的產生，到具體技術手段發展至今已接近百年。1929年，Link E.A.制作出了一種讓乘坐者體驗飛行感覺的飛行模擬器，讓未能親身搭坐飛機的人也能體會那種感覺[3]。這可算是人類對現實物理的初次模擬嘗試。這個時候，人們已經逐漸意識到對現實事物模擬的重要性。盡管限制于當時科技的原因，尤其是計算機技術還處于萌芽階段，人們還是發揮創造力陸續制造出了各種仿真模擬器。計算機圖形學的代表人物之一Sutherland博士在1965年發表了一篇文章，講述的是他這么一個構思：未來在計算機的幫助下，使用者能在虛擬環境中作觸摸感知、控制虛擬事物等，如同生活在真實生活里面一樣。從人機交互的方面提出了虛擬現實的思想，啟發了后人對這項技術的研究與應用。受制于計算機技術本身的發展，虛擬現實得不到實質性的突破，仍停留在概念和技術的醞釀期。

來到上世紀90年代，高性能計算機的誕生和軍事、航空航天等國家重點支持的應用領域的巨大需求，虛擬技術進入了飛速發展的新階段。實時3D圖形生成、多感官交互體驗技術和數字高清顯示技術等虛擬現實相關技術應運而生，成為各領域學者的新寵兒。在虛擬現實系統中，硬件產品起著舉足輕重的作用。更高的運算速度、傳輸速度，更全方位的參數輸入輸出方能給用戶帶來更加逼真的使用感受。超級計算機、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，還有能感知手指關節的伸展軌跡，對用戶的行為作出力反饋的數據手套等等，為人們模擬現實世界帶來了極大的幫助。同時，作為相輔相成的軟件技術也是必不可少的。例如主要應用與3D地理信息制作、展示以及古跡原貌還原的VEStudio等功能強勁的軟件陸續面世。

高度還原真實環境和強大的自由交感功能，讓各學科界別都對虛擬現實產生了濃厚的興趣，希望借助這個強大技術手段為其研究或生產帶來進步甚至突破。而與虛擬現實技術的結合尤為密切的要數醫學、軍事訓練、土木建筑工程這三大領域。醫學方面由于人體組織、臟器等構造復雜且真實樣本不能經受反復試驗，需要一個可多次操作的虛擬對象供研究使用；軍事領域則以作戰人員訓練項目為例，它希望受訓人員能夠反復在與實際狀況相近的虛擬環境里操作和熟練流程。有了虛擬技術的支持，這些行業的研究以及生產工作可以說是如魚得水。設計類的特點是“無中生有”，需要把尚未存在的事物給呈現出來，這過程中就需要對其作出盡可能逼真的模擬再現，才能更好的檢驗和修改該設計。為了使工程設計工作更加便捷、更加精確和更加人性化，虛擬現實是從業人員的又一大助力。就如建筑物的外形設計，以往設計者需要將三維的立體事物，經過自身思維的轉化再表現在二維平面圖紙之上。不但操作不方便，還可能受限于設計者的轉化能力而浪費了一些絕妙的想法。有了虛擬現實的幫助，設計人員就能更安心的專注于創作工作了。而在結構設計里，虛擬現實同樣能發揮積極作用。在以建筑物作為對象建模完成后，對結構關鍵點分析后的數據輸入到模型中去，模擬現實事件的觸發。由此讓用戶通過這么一個控制虛擬環境的過程實現設計者和模型的實時性、可控制性的交互體驗。關學鋒將虛擬現實技術與振動問題的研究相結合，以車輛為振動問題的背景，在虛擬環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構進行分析計算，使得其力學分析環境更加逼真。

三、工程概況

貴州壩陵河大橋是滬瑞國道主干線（GZ65）在貴州省內的控制性工程，位于黔西地區的高原重丘，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峽谷地帶采用化整為零，集零為整方式架設安裝超千米跨徑鋼桁架的懸索橋，并在國內首次采用氣動翼板抗風措施。

四、VR技術在工程中的應用

利用vr虛擬現實技術對該橋進行建模，在模型建立時根據施丁需要，坐標系的選用采用以東西方向為坐標軸的軸方向，西方向為坐標軸的正方向，南北方向為坐標軸的y軸方向，南方向為坐標軸的正方向。豎直方向為z軸方向，其中的零點在壩陵河大橋東索塔軸線z方向坐標采用設計圖紙所給出的坐標。纜索和桁架梁截面參數的顯示、校核也是施工中一項重要工作，因此，程序中對各施工段梁的截面形式和參數也進行了匯總，其中纜索截面為圓形，桁架梁的截面為箱形和工字形。坐標控制點為每架設段桁架的控制點，整跨鋼檜架橋控制點為808個，經各架設過程計算之后，數據總計為一萬二千多組坐標，通過數據庫目錄樹節點把數據和虛擬現實模型進行動態鏈接。項目中應用虛擬現實和三維可視化仿真技術為國內最大的鋼桁架橋梁壩陵河大橋架設過程提供了安裝全過程的動態可視化虛擬現實模型和動畫。把整個工程作為一個大的系統，綜合考慮工程中各個單項工程之間的相互影響、相互制約，并考慮整體的施工進度、施工強度、流程程度等關鍵問題，獲得更為真實的施工情況，在虛擬模型中充分進行模擬預演，從而達到為施工組織提供科學的依據和措施。通過所設計的VB平臺，實現圖像與操作的實時、交互控制，實現了架設過程各構件的截面尺寸、材料屬性、長度、重量、位移和完成工作進度的實時查詢功能以及施工動畫的演示，并實現對橋梁的施工過程隨時多角度細致查看和準確查詢。

五、總結

隨著計算機軟硬件技術的發展，VR技術在國民經濟的各方面將起著越來越重要的作用，有著廣泛的應用前景。VR技術在公路橋梁設計中也得到了越來越多的具體應用。系統基本實現了“圖像化”、“具體化”和“簡單化”。但尚有部分算法有待于進一步改進與完善，如多分辨率的三維地形可視化、可見性剔除等。

[1] 宋玉普. 預應力混凝土橋梁結構[M]. 機械工業出版社, 2007.6

[2] 項海帆、橋梁概念設計

[3] 謝廣輝, 邱淑范. 基于虛擬現實技術的飛行訓練模擬器探討[J]. 中國航天, 2001 (10)： 25-28.

[4] 張博, 劉偉, 剛芹果. 基于虛擬現實技術的框架結構分析[J]. 山西建筑, 2010 (20)： 42-44.

TQ172

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1007-6344（2017）04-0010-02