關于VR技術在土木工程中應用的研究

左達遠　張健

摘要：虛擬現實技術（英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR）是20世紀發展起來的一項全新的實用技術，由于在各項領域的應用優勢都特別明顯，因此VR技術也開始在土木工程領域展開，文章即針對該項技術的特點，分析了VR技術在土木工程中應用的發展及前景，指出該項技術的優勢，從而說明VR技術一定會在以后的工程中發揮重要的作用。

關鍵詞：虛擬現實;土木工程;工程管理;影響與作用

隨著社會經濟的快速增長，基礎建設的實力壯大，土木工程的結構形式及造型越來越復雜，人們對土木工程建設的要求也越來越高，不僅僅局限在按照以往的施工經驗及圖紙的按部就班對質量、成本、進度與安全這些基本的要求進行嚴格控制，更偏向于將工程建設的過程與結果變得可預知及透明化。VR技術便在土木工程中應用開來，它是一種將虛擬與現實結合，建立出一個虛擬世界的可視化、集成化、信息化的仿真系統，將二維線條通過三維模型表現出來。

一、虛擬現實技術的概述與發展

（一）起源

1929年，EdwARd Link為了減少飛行員在飛行中出現的傷亡事故，設計出用于訓練飛行員的模擬器，使飛行員提前感受飛行過程，這是虛擬現實技術的萌芽。

在20世紀50年代，著名電影攝影師莫頓海利格（Morton Heilig）創造了Sensorama。 這是一個多通道全傳感仿真器，它可以在視覺和聽覺上激發更多的感官體驗。許多年后，他又研發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，擁有較好的視覺專場和3D視覺效果，但是還缺乏運動跟蹤的功能，只能播放非交互式視頻，這是VR技術發展的開始。

真正的具有虛擬現實意義上的頭戴式顯示器是由20世紀60年代兩位Philco公司的工程師創建的具有頭部跟蹤系統的頭戴式顯示器，由于畫面可以伴隨著頭部的移動而移動，所以能夠感受到更加自然和真實的效果，這對VR技術來說是一個巨大的進步。

1972年，NolanBushell開發出第一個交互式電子游戲Pong。

從此，虛擬現實技術便在各個領域逐漸發展開來。

（二）特點

1. 交互性

使用者可通過輔助設備達到現實與虛擬現實之間的人機交互，比二維圖形的交互更加具有深刻性。

2. 沉浸性

沉浸性又稱臨場感，它被認為是表征虛擬現實環境性能的重要指標，能夠給體驗者帶來身臨其境的感覺。同時觸發視覺、聽覺等感官和心理作用，使參與者仿佛置身于真實的客觀世界中。

3. 想象性

VR技術可以使體驗者由被動轉為主動感受新事物，通過感性和理性這兩方面發揮主觀能動性，在現有的認知上發掘新的信息。

（三）VR技術在不同領域中的應用

1. 商業領域

VR全息投影是一種比較常用的技術，能夠將場景立體的投影出來，雖說是3D圖形技術，但是在圖形渲染及表現上遠遠不如其與造型技術的虛擬現實技術的交互性。但是也有著廣闊的發展空間，例如用于房地產展示，旅游場景的展示，博物館內歷史場景的還原與介紹，天氣預報的展示等等，可讓人們對不可能看到場景有了一次切身的視覺感受，能夠讓人們真實感受到不可能的場景片段，對該場景有更加深刻的體驗。

2. 教育領域

在傳統的教學模式中，老師只能通過板書和圖片展示來輔助教學，但有些場景或圖形無法描述出來，或者能抽象描述出來，但是學生們不能直觀地想象出來并理解，因此引入VR技術，通過各種交互設備的使用，可解決此項問題。隨著虛擬現實技術的日益成熟，亦可通過虛擬現實技術建立一個虛擬校園，將校園進行1：1的還原，使學生做到在家就能上學的目的。同樣在學生進行三維物體學習時，有更加直觀的體驗，加深學習的印象，培養同學腦海中的三維模擬意向。

3. 醫學領域

醫生，作為一種理論知識和實踐經驗都必須大量積累的職業，能夠成為一名合格而又出色的醫生是很耗時耗力的。很多醫學院的學生好不容易在醫學院用7～8年的時間完成了學業，但是又要用好幾年的時間在醫院學習，并且因為條件和各種原因限制了醫學生的動手實操經驗，因此，引入VR技術就可以在一定程度上幫助醫學生解決這方面問題。虛擬醫療就是用虛擬現實技術構建虛擬的人體模型器官，這樣可以在安全的前提下提高醫學生的專業能力。并且VR技術也可以構建各種手術環境及突發情況，鍛煉了醫學者的臨床應急反應能力。在醫學領域，通過VR技術也可以來對藥物研究進行模擬，包括藥物的臨床試驗，可以通過VR技術模擬數據，創造與人體類似的信息數據，通過模擬注射環境，注射的數據，最終來得出結論。

4. 游戲領域

VR技術被廣大群眾所認知還是在于它在游戲領域的發展。

2015年HTC率先發售了第一款正面向PC游戲的VR設備 VIVE，雖然VIVE有著笨重，手柄過大的缺點，但是擁有著名為“燈塔”的專利定位技術。不僅成為行業先行者，依靠著穩定精確的定位，至今仍然是VR設備的標桿。VR游戲開發包含著三項關鍵技術，一是屏幕技術，二是定位技術，三是虛擬世界的設計建模。通過眼鏡、頭盔、手柄以及其他重力感應等設備的互相配合，使傳統的二維體感轉變成三維體感，由于技術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。現如今大多數大型商場內部均有VR游戲設備，眾多顧客在體驗之后的評價均可以，并且也有很多游戲達人，在家中購置VR游戲設備，來進行3D游戲的模擬游玩。

二、虛擬現實技術在土木工程中的應用

（一）前景

1. 技術方面

在土木工程這個行業中，圖紙是必不可少的部分，從方案設計階段到竣工驗收階段，通過圖紙將工程的建筑樣式、內部結構以及工程做法表達出來，但是各種復雜的線條以及符號使得一些剛接觸這個行業的人員不能夠理解，特別是一些節點處，更是霧里看花，還有各類構件的各種參數，很容易記錯，一旦發生這樣的情況，會直接影響到工程的質量。但隨著計算機軟件的迅速發展，建筑信息模型（簡稱BIM）開始應用在工程領域中，它是將二維線條轉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件，以及對設計出來的建筑進行整體渲染和將周邊環境聯系在一起，實現對建筑整體的有效還原，從而實現建筑的360度全景展示效果。并且通過計算機強大的計算功能對工程的工程量以及結構的力學性能快速并且準確的計算出來，可以同時生成多種方案并通過智能化調整篩選出有效方案，不再僅僅只靠憑空想象，將合理性提至最優，避免了人工算法的錯誤，使結算結果更加具有準確性。

2. 安全方面

眾所周知，在施工現場，安全高于一切，所有工程建設工作的開展都是基于安全的基礎上，其中包括防護設施，人員安全意識以及作業是否規范等等因素都與安全掛鉤。因為建筑生產常與大型機械相伴，高空塔吊作業多，人員活動較為集中，因此建筑業一直是高危行業，建筑領域的傷亡事故頻繁發生，給國家、人民群眾的生命財產帶來了巨大的損失。據資料統計，施工現場每年的傷亡事故平均發生一千多起，其中原因包括高中墜落、墜物打擊、火災爆炸、建筑坍塌等意外情況。這些事故的發生很大一部分原因是在于企業與作業人員的安全意識不強。作業人員為圖作業方便，操作不規范以及防護設備不按要求穿戴，企業對人員的安全教育不夠重視。都覺得危險離自己很遠，才導致這樣的后果。因此虛擬現實技術引入到安全教育這一塊來。結合現場實際通過軟件制作出接近于真實的模擬環境，如圖2可通過此項技術模擬各種安全事故以及防護方案，體驗人員可通過頭戴式眼鏡以及手柄達到人機交互，在程序中進行作業，一旦操作不規范，體驗人員可深刻感受到各種危險帶來的恐懼感，在日后的工作中能夠提高警惕，安全對待，防患于未然。同時可以通過體驗人員的參與來檢驗模擬建立的防護方案是否有效，進而確保項目的安全又穩定地推進。

（二）優勢

對于現場實際操作人員而言，建筑業是勞動密集型產業，在國民經濟中具有舉足輕重、不可替代的作用。而且建筑施工行業的工作環境差，危險性大，技術要求較低，入行的門檻低，很大部分勞動力來自農村剩余勞動力，據統計，我國3800多萬建筑業從業人員中，80%是來自農村的農民工。行業的特殊性客觀上影響了隊伍素質的提高。另外，由于中小型建筑施工企業不具備與同行業的大企業相抗衡的競爭能力，所接洽的項目不連續，也許上個項目完成了，下個項目又不知什么時候開始，影響了企業經濟效益和企業的長遠發展，造成員工流動性過大，人才大量無序的流動使施工隊伍素質的提高也受到沖擊。因此人員對工作的態度非常不嚴謹，倘若讓施工人員運用虛擬現實技術制作的事故發生現場置身其中，切身感受到事故的危險性及可怕性，必定能大大提高施工人員對安全的認識。

對于施工管理者而言，要想成為一名具有說服力的管理者，必先對工程建設的每個施工工藝、技術流程和質量參數非常熟悉，以及要具有極強的臨場應變能力。但是這些都是要經過時間磨合出來的，而作為剛踏入建筑行業的新人來說要消耗很大的精力去學習。目前，VR技術雖然只是在安全教育這一塊應用起來，但隨著科技的進步與社會對建筑行業效率的要求，VR技術可借鑒其他行業的學習模式建立一個虛擬施工現場，讓體驗者從基坑開始對整個工程建設的工序與工藝進行模擬，不再靠憑空想象，而是可以親手去驗證，不僅節省了人力物力，還避免了因操作與指揮不當導致返工而引起的工程成本增加。這對新管理者來說是一個很好的學習機會。

在建筑工程項目施工管理中，通過采用VR技術，進行虛擬施工步驟及施工程序，管理層可以結合現場實際情況來指導施工。在建筑工程項目中，良好的施工組織設計不僅可以加快工期，而且降低施工成本和管理成本，還可以間接地提高施工質量和施工效率。采用 VR技術，通過仿真模擬，可以詳細地展示工程的空間布置信息，吸引不同專業人員的參與，進而對設計方案、施工方案進行優化設計，確定相應工程參數，根據工序的先后順序制定合理的物資進場計劃，從而使建筑施工更綠色，更高效。 VR利用虛擬技術，對施工的重點部位或重要構件進行施工動畫模擬，使具體施工更為細節化、形象化、可視化，可使施工人員更加具體了解施工工藝流程，避免施工錯誤的發生。VR技術將以往單調的施工安全教育借助虛擬的三維場景形象化展示，使得體驗者感覺如同親臨現場，感受和體驗事故發生的危害，深刻理解安全教育的本質，從而使安全教育更加深化，工人安全知識掌握更加牢固。在施工工序上，VR技術可以進行施工流水碰撞模擬，當不同的施工工序存在碰撞時，系統將會提示出現碰撞的工序，這樣方便施工技術人員及時調整，從而減少施工工序干擾，提高生產效率。通過 VR技術對建筑工程施工全過程或關鍵工序進行模擬，促進了施工方案的保證性和可行性;對重要結構進行計算機模擬承載實驗或破壞實驗，可以找出影響構件質量的主要因素，從而達到質量控制和優化施工的目的，大大提高工程的實施和管理效率。

（三）VR技術在國內的應用情況

現如今國內大多數建筑公司的項目尚未引進VR技術設備，但是在一些大公司的施工現場可以看到VR設備，并且在有新人員入職時，進行安全教育時，就會讓新入職人員在VR設備上進行現場安全模擬體驗，以便來進行安全教育以及安全交底。對現場實際操作人員以及現場施工管理人員來說，在他們心中埋下一顆安全的種子，在之后的施工過程中，對保障人員生命安全，保障人員財產安全都具有深遠的影響。

（四）現如今狀況的解決方案

1.做一個關于VR技術設備的詳細講解會

邀請國內的施工企業來到現場，對他們進行宣講，向他們詳細介紹VR技術設備在實際工程施工中應用，對現場安全，工程進度把控等方面所能達到的實際效果。

2.做一個VR設備展示車

可以開去施工現場，和現場負責人進行溝通，邀請現場實際操作人員以及現場管理人員來進行實際體驗，并且記錄體驗感受，收集數據做出總結報告。通過大數據分析，來向一些重點體驗較好的單位來推薦VR技術設備的購入。

3.解決設備價格高的問題

可以在大規模施工場地，聯系各個項目的負責人以及各承包公司的負責人，推薦他們可以多個項目共同購買或者租賃一臺設備，這樣在施工安全教育方面以及之后的施工進度把控方面，幾個項目也能就通過VR設備的體驗來共同探討方案。

三、結語

現如今的建筑行業，人員組成錯綜復雜，人員素質相對較低，特別是在現場實操人員方面對于安全方面意識薄弱，甚至存在著許多的違規操作，在項目部實行安全交底的時候，表面上是進行學習了，但是并沒有意識到發生意外會造成什么后果。通過VR技術設備，可以讓工人更好、更直觀看到發生意外的后果，讓他們心中提高警惕，在實際施工過程中會更加遵守規章制度，降低違規操作的可能性，盡可能杜絕違規操作，以更好的保障人員的生命以及財產安全。

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（作者單位：南京航空航天大學金城學院）