【文章內容簡介】 出三維物體中各點力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點去觀察。還可以利用VR的交互性能，實時修改各種數(shù)據，以便對各種方案及結果進行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解?！　〕邔?、超大跨度建筑和特大跨度橋梁這些超大型復雜結構的設計、工程控制和的施工控制需要進行多次的結構重分析。如對斜拉橋和大型連續(xù)梁橋的理想后退分析、實時前進分析等。分析之前，首先要建立有限元結構分析總模型和施工階段模型，其中包括單元拓撲結構、節(jié)點信息、剛度數(shù)據、材料特性、邊界支持條件、荷載分布等。把可視化計算技術應用于這些超大型復雜結構的設計、工程控制和結構分析中，將增強計算軟件的前后置處理能力。例如，在橋梁工程控制和結構分析的可視化計算中，倒退(拆)分析結構倒拆動態(tài)演示、結構理想施工線型顯示、施工階段主梁形心線的設計曲線和實測擬合曲線的顯示、前進分橋結構拼裝動態(tài)演示、施工預告圖形顯示、主梁內力圖顯示、危險截面應力分布圖顯示等等。　　更重要的是能借助圖形或圖像來進行實時動態(tài)地控制結構的重分析和獲取施工控制數(shù)據，同時能實時動態(tài)演示和控制設計和施工的過程?！　∈┕み^程模擬的可視化計算　　可視化計算在土木工程施工過程中也有用武之地。例如，在鋼筋的連接方面，現(xiàn)在應用得很廣泛的套筒冷擠壓技術，在研究其基理及可靠性時，是用實物擠壓，然后再作強度破壞。為了達到施工的安全目的并且給出施工技術，要做成千上萬組的實驗，然后對實驗數(shù)據進行分析，來確定破壞機理，建立力學模型。如果運用可視化計算，在計算機中輸入套筒與鋼筋的物理特性、力學特性，建立模型，就可以在計算機屏幕上看到不同型號的套筒和鋼筋在不同壓力下的擠壓情況，作出鋼筋和套筒的力－變形曲線，研究其機理，建立力學模型?！　〉莻鹘y(tǒng)的可視化計算也有其局限性，其局限性在于只能觀察縱斷面和橫斷面的情況，只能起到一定的輔助作用。如果在可視化計算的基礎上，再引入虛擬現(xiàn)實技術，那么在立體的環(huán)境中，工程師可以觀察到擠壓下鋼筋和套筒上任一點的變形從無到有到穩(wěn)定的全過程。并且對于最后的變形情況有直觀的了解。在實物實驗的基礎上，將實驗中所歸納出的基理輸入到計算機中，對原來的模型進行修改，工程師就可以建立出可信的力學模型?！　⊥瑵髮W在橋梁工程控制的可視化計算方面做了許多出色的工作。在橋梁工程控制的可視化計算中，理想施工可視化倒退分析是在成橋結構理想初始狀態(tài)下，對結構進行倒折，分析每次卸除一個施工段對剩余結構的影響各個階段倒退分析出的結構位移、內力狀態(tài)便是理想的施工狀態(tài)。一般地，理想施工狀態(tài)的確定由倒退分析系統(tǒng)完成。每完成一階段的倒退分析都是對該階段結構作一次完整的有限元分析，對大型結構，這樣的分析在一般的計算機上要花費較多機時，很難實現(xiàn)實時地倒拆分析動態(tài)演示。采用并行計算技術，可使這種分析及其動態(tài)演示達到基本同步(準實時)的程度。　　可視化計算中，可視化前進分析是指按施工階段逐步進行的一種結構分析。這種分析的特點是：隨著轎梁施工階段的推進，結構形式、邊界條件、載荷形式在不斷改變，前期完成的結構會發(fā)生徐變和幾何位置的改變，這些因素必須在下一施工階段分析中予以考慮．前進分析系統(tǒng)是一種有限元分析系統(tǒng)的擴充，擴充內容主要包括階段模型的自動拼裝和已施工段混凝土徐變、收縮效應的計入。同樣地，采用并行計算技術也可使前進分析像倒退分析一樣快速地進行，從而實現(xiàn)可視化前進分析的準實時動態(tài)演示?！　】梢暬嬎阒?，實時可視化跟蹤分析是指通過現(xiàn)場量測和計算機模型計算對量測數(shù)據和計算數(shù)據進行綜合分析，以便對下一步施工進行指導，使其不會偏離理想施工狀態(tài)過大它是實現(xiàn)橋梁工程控制助關鍵。其中主要包括量測數(shù)據采集、結構分析、溫度修正計算、參數(shù)識別和施工預告計算。量測數(shù)據采集是以施工控制為目的在施工現(xiàn)場對每個施工階段的控制變量(如撓度、應力和斜拉橋索力)進行檢測和收集。結構分析對已施工部分進行初步檢算和提供用于參數(shù)識別的計算結果。溫度修正計算用來扣除由于溫度而引起的對識別參數(shù)的影響。參數(shù)識別是為了消除因設計參數(shù)取值的不確切性所引起的在施工中設計與實際的不一致性；通過對實際結構反應(如撓度、索力等)信息的處理，求出符合實際結構的設計參數(shù)(如截面特性、主梁自重、徐變計算中的系數(shù)等)。施工預告就是根據這些較符合實際的設計參數(shù)，由可視化前進分析向前計算直至竣工得出的，它預告今后施工可能出現(xiàn)的狀態(tài)并預告下一階段當前已安裝好的構件或即將安裝的構件是否會出現(xiàn)不滿足強度要求的情況，以確定是否要在本施工階段對可調變量進行調整?！　≡谶M行實時跟蹤分析時，首先要輸入所采集到的現(xiàn)場量測數(shù)據，確認后，可視化計算系統(tǒng)將自動擬合所采集到的數(shù)據，將“施工階段主梁形心線的設計曲線”和“實測擬合曲線”顯示于屏幕上，供用戶分析和參考用。其次，通過結構分析的可視化計算程序，將“監(jiān)測點撓度對比”、“監(jiān)測索索力對比”、“主梁內力圖”、“危險截面應力分布圖”和“主梁形心線撓度曲線”　顯示于屏幕上。通過溫度修正可視化計算模塊，輸入實測溫度，系統(tǒng)會自動調用溫度修正計算程序，并在計算完成后，將修正后的數(shù)據存人數(shù)據庫，供參數(shù)識別用。然后，系統(tǒng)調用參數(shù)識別系統(tǒng)求出較符合實際的設計參數(shù)，存人數(shù)據庫，供可視化前進分析和后退分析時用。最后，進行“前進分析結構拼裝動態(tài)演示”、“施工預告圖形動態(tài)演示”、“主梁內力圖動態(tài)演示”、“危險截面應力分布圖動態(tài)演示”分析，達到對橋梁施工控制的目的。　　同樣，對于一些看不到其內在情況的施工技術，我們也可以運用引入虛擬現(xiàn)實的可視化計算技術，只作少量的實物實驗就可以達到事半功倍的效果。5　先期技術成果演示與論證技術 　　一個大型的公共建筑工程項目或比較重要的建筑，如車站、機場、電視塔、橋梁、港口、大壩、核電站等，建成后往往會對某一地區(qū)的景觀、環(huán)境等有較大的影響。它們建設成本高，社會影響大，其安全性、經濟性以及功能合理性的意義更加重大。目前，這種重大項目的建設過程的初期經濟評價是建立在高度抽象的模型基礎上，其結果經常出現(xiàn)很大偏差。項目上馬前的功能評價也只是建立在想象和經驗的基礎上，經常出現(xiàn)偏差。而這種偏差造成的功能上的缺陷幾乎是無法彌補的。當然，目前也有一些功能評價建立在物理模型和計算機仿真模型分析的基礎上。但物理模型是縮小比例的模型，試驗和評價難免出現(xiàn)誤差，而且試驗周期長，費用較高。目前，計算機仿真模型由于存在和圖形結合差、可視化不強的缺點，許多功能上的評價，特別是建筑的使用功能的評價，很難達到滿意的效果。如何在建筑的設計階段就對方案進行全面、客觀的評價，是人們所關心的問題。這種評價技術就稱為建筑設計的先期技術成果的演示和論證技術。　　許多研究未來城市的資料表明：到了下個世紀，隨著城市人口的空前增長，市民文化素質的提高、土地需求的白熱化狀態(tài)、以及城市機能的高度集約化和信息化，工業(yè)時代城市的穩(wěn)定社會結構和傳統(tǒng)職能均被打破，許多新的課題將應運而生。城市人口的高速增長帶來的一系列社會問題，城市組團密集導致的城市結構系統(tǒng)擴張，城市為向三度空間的發(fā)展所期待的新環(huán)境研究，城市建筑(特別是住宅)的高密度和多樣化需求提出的新內容、新形式課題，高速運載系統(tǒng)對環(huán)境的沖擊，大量人口需求戶外娛樂對社會和生態(tài)的影響，以及人們對環(huán)境質量的新要求，能源匱乏和生態(tài)環(huán)境面臨的危機等，所有這些都與城市實質環(huán)境有關。因此，在環(huán)境保護意識日益受到重視的今天，我們不能不考慮到一個建筑對周圍環(huán)境所產生的影響，毫無疑問，在工程竣工以前，我們不可能以一個與實際建成后的建筑同等比例的模型置于實際的環(huán)境中，用以考察該建筑物對于周邊環(huán)境的影響。以三峽工程為例，對于本世紀最大的水利工程，其影響是深遠的，一旦其建成以后無論是對生態(tài)環(huán)境，還是社會環(huán)境都有相當大的影響。就在截流前幾天，一批科學家對三峽上下游進行全面考察，其目的不言而喻自然是為了得到各方面的相關數(shù)據，從而保護上下游的自然環(huán)境。然而，以傳統(tǒng)的在一堆抽象的數(shù)字上加以想象力的發(fā)揮，其結果的可信度無疑并不十分理想。　　本世紀20年代以來，整個建筑行業(yè)形成了一種設計模式。建筑師可以撇開工程師，進行“純”建筑設計，所有環(huán)境、氣候的影響，以及設計功能上的不足，最終都可用現(xiàn)代化的設備、材料和技術來彌補。一直到80年代，這種設計思想仍然是建筑設計的主流。但是，近年以來，這種設計模式面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)?！　Ξ斍霸O計思想的挑戰(zhàn)來自人類面臨的能源危機和生存環(huán)境的污染和惡化。環(huán)境惡化和能源危機產生的根本原因都是人類過度使用能源。統(tǒng)計估算表明，目前人類能耗的49％都用于維持建筑物的內部環(huán)境上。相比之下，用于工業(yè)和交通業(yè)的能耗才分別占26％和25％。這一數(shù)據向現(xiàn)行的建筑設計模式提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，建筑設計也要考慮節(jié)能問題。建筑設計人員，包括建筑師、結構工程師、設備工程師和項目管理經理，有必要作為一個整體，重新估價自己的設計思想，迎接這一挑戰(zhàn)?！　‘敶茖W技術的發(fā)展，推動了建筑材料、建筑設備和建筑控制技術的發(fā)展，也為建筑設計思想的更新創(chuàng)造了物質和技術基礎。然而，根據英國建筑研究院最近一項統(tǒng)計表明：存在問題的建筑工程項目中，錯誤來自設計階段的占50%；因施工不當?shù)恼?0%，其它的占10%。這些數(shù)據向我們提出了以下問題：　　—— 采用新的建筑設計模式，其實際效果究竟怎樣?　　—— 對不同的設計方案，如何在設計之初就能對其實際效果作出正確檢驗與評價?　　—— 對于施工質量，如何在未施工之前就能對其進行模擬控制？　　顯然，先期技術成果的演示和論證技術是檢驗這種效果的有效手段?；谶@種情況，世界各國的研究機構都在作不懈的努力，以找出一種有效的評價設計中建筑物的性能的方法。虛擬現(xiàn)實技術正是解決這一問題的方法之一。采用虛擬現(xiàn)實技術，可以達到如下效果：　　改善設計　　采用虛擬現(xiàn)實技術的虛擬環(huán)境系統(tǒng)，可以向建筑設計單位提供一套進行建筑性能評價的有效工具，以利于更好地認識設計參數(shù)與設計結果之間的關系，發(fā)現(xiàn)設計中潛在的缺陷和問題，試探解決問題的不同方法，從而使整個設計更加完善。　　一些建筑物，如圖書館的閱覽室等，對建筑內部的采光要求比較高。為了達到最佳的采光效果，設計人員可以把建筑物模型及各種環(huán)境條件輸入到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，通過日照和燈光的模擬，讓人感受到光照的質量。建筑師可以采用不同的方案比較，實時修改方案，試驗不同種類的反光材料，直到得到最佳采光結果。　　目前，我們正在進行國家自然科學基金項目“廳堂音質設計和評價的虛擬環(huán)境系統(tǒng)”的研究和開發(fā)工作。眾所周知，廳堂音質設計是建筑聲學設計的一項重要內容，是在建筑設計過程中，從音質上保證建筑適合要求所采取的技術措施。尤其是在以聽聞為主要功能之一的觀演性建筑中，如音樂廳、劇場、電影院、錄音棚、禮堂、多功能廳、電話會議廳等，音質設計往往成為影響建筑設計的決定性因素。在這些中，有的開會時既聽得清報告，演出時聲音又宏亮豐滿、悅耳動聽；而有的則開會時聽不清講話內容，演出時聲音又單調干澀；有的甚至有回聲。廳堂音質問題不僅與廳堂的物理條件、人的聽覺生理特性有關，它還與民族特點、文化傳統(tǒng)、藝術風格等有密切關系，目前的評價設計中建筑的音響效果采用的方法，通常是實物建模的方法，即采用縮小比例的模型，模擬音質效果，測出客觀參量，再進行評價。這種方法，不但建模周期長，而且費用高，如果效果不夠滿意，修改起來很麻煩，更重要的是，由于模型是縮小的，試驗的結果和實際常常產生很大的誤差。如果采用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)對建筑物聲場的模擬，人可以置身于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之中，在建筑的任意一點體會音響效果，實時地進行吸音材料的修改和聲源位置、建筑局部的修改，直至得到滿意的效果。　　人們?yōu)榱硕康匮芯繌d堂的音質設計問題，建立了許多音質評價的客觀指標，如混響時間、早期衰減、清晰度和明晰度等等。廳堂音質的優(yōu)劣決定于聽眾的評價，這涉及到人的主觀感覺。如何能在設計階段就對廳堂音質的主觀感覺，即實際的音質效果，作出正確的先期演示、驗證和進行主觀評價？多少年來，建筑聲學界的廣大科技工作者為了實現(xiàn)這一古老的夢想，一直在為之奮斗。顯然，一旦找到這樣一種方法，將對整個建筑聲學界產生具有重大理論意義和經濟價值的影響?！　　皬d堂音質設計和評價的虛擬環(huán)境系統(tǒng)”通過采用用于虛擬環(huán)境開發(fā)的世界工具包WTK(WorldToolKit)作為開發(fā)平臺，應用建筑聲學原理、計算機圖形學、信號處理理論、虛擬現(xiàn)實技術和廳堂建筑設計的３維可視化描繪生成和３維可聽化描繪生成的集成技術，實現(xiàn)在設計階段就對廳堂的實際音質效果，作出正確的先期演示驗證和進行主觀評價。它由以下部分組成(如圖1所示)：　 圖　1　廳堂音質設計和評價的虛擬環(huán)境系統(tǒng)框圖　　　(1)通過建立廳堂建筑設計的３維可視化描繪生成(3D　visualization　rendering)和３維可聽化描繪生成(3D　auralization　rendering)的集成技術，把計算機圖形學中單純的３維可視化描繪生成技術，更新成為３維可視化和３維可聽化的并行描繪生成技術。這一技術與虛擬現(xiàn)實技術結合在一起，將大大改善人機接口的界面?！　?2)通過世界工具包WTK這一虛擬環(huán)境開發(fā)平臺支持的幾何對象多種輸入方式，能實現(xiàn)廳堂幾何形狀數(shù)據輸入的快速化和簡易化?！　?3)通過世界工具包WTK這一虛擬環(huán)境開發(fā)平臺支持的3D聲音設備和軟件：　　3D聲音合成器，3D聲音球(3D　Audiosphere)和脈沖響應、卷積積分的計算軟件，如圖1所示，可大大提高脈沖響應的模擬計算和生成，以及卷積積分計算的速度。　　(4)通過采用世界工具包WTK這一虛擬環(huán)境開發(fā)平臺，對與當前國際上廣泛應用的、已成為商品化的AutoCAD軟件和電聲模擬軟件(如：EASE ，Acousta CADD，CADPP2等)進行集成，通過虛擬現(xiàn)實頭盔顯示器生成能夠使人沉浸到計算機系統(tǒng)所創(chuàng)造的3維立體廳堂環(huán)境之中，在設計階段或者在虛擬的廳堂中，實現(xiàn)廳堂建筑設計的３維可視化和３維可聽化的并行描繪生成，使聽眾同時建立視覺和聽覺感覺，對廳堂的音質效果進行主觀的多因素模糊綜合評價。　　展示設計成果　　用虛擬現(xiàn)實技術展示設計成果是一種理想的方法。這種設計成果的展示，既可以面向大眾，作為宣傳的需要，又可以將方案展示給業(yè)主，供其提出修改意見，及時修改，以增加方案的競爭能力。在設計階段，利用各種建模工具，數(shù)字化該擬建建筑物以及周圍環(huán)境，對其進行仿真建模(此時的模型比例為1：1)，得到虛擬