利用虚拟现实系统优化桥梁设计

古劲松

（江西省寻乌县县乡公路管理站，江西 寻乌 342200）

1 虚拟现实系统及其在桥梁设计中运用的优点

1.1 虚拟现实系统

虚拟现实系统式上个世纪九十年代在科学界和工程界首先得到关注的技术，此系统的发明不仅为人机交互界面的发展做出了巨大的贡献，更为各中大型工程数据的整理和分析提供了一种新的捷径，它实现了这些数据的可视化。此系统的具体操作过程是通过计算机技术生成逼真的三维虚拟环境，这样用户就可以在该虚拟的环境中浏览数据、事物和场景，实现了交互性和自主性。虚拟现实技术应用的领域十分广泛，它不仅在建筑界得到充分利用，在航天、经济、军事、娱乐和体育领域的应用也正在日益扩展。

1.2 虚拟现实系统在桥梁设计中的运用

此部分具体来讲虚拟现实系统在桥梁设计中的应用，虚拟现实技术在桥梁设计和建设方面具有重要意义。虚拟现实在应用在桥梁建筑领域之前，桥梁设计成果若要实现可视化，主要借助的方式是效果图或三维动画的方式，一方面由于效果图的静态特征，这样就使交互性无法实现，另一方面传统的三维动画虽实现了动态化，但却具有一定的局限性，那就是只能按照事先设定的方式进行观察，无法实现自主性。于此相对比，虚拟现实系统在交互性和自主性方面都得到了体现，通过虚拟系统，桥梁的设计人员能够充分科学地展示桥梁的设计成果图。另外，还可通过效果的展示来检验设计的科学性和合理性。

在桥梁的设计阶段，若能采用虚拟现实系统来建模语言构造和虚拟桥梁，可使桥梁的建设方案更加科学化、人性化，设计人员和建设方虽在异地，也可充分地讨论桥梁的建设方案，使之完善化。一方面，建设方可通过视觉化的设计方案实现桥梁整体造型的感知明确其细部构造，另一方面针对建设方提出的具体建议和方案，设计方也可针对建设反提出的建议进行方案的完善化。与传统的方法相比，虚拟现实系统不仅实现了桥梁设计方和建设方的有效和良好沟通，可有效地使二者的意见达成一致且认识趋于一致，另一方面也节省了工程的造价。

2 桥梁虚拟现实系统的构建模块

当前，虚拟现实系统在桥梁设计和建设中的应用基本上集中在以下几个主要的方面，分别是：计算的可视化；桥梁所处地形的三维效果演示；设计方案的可视化演示。其中的设计方案的可视化在桥梁建设中具有重要的意义，具体来讲，它的作用机理主要是通过建筑设计界中应用普及的3DS来导入动画数据，然后通过虚拟现实工具包软件转换来输出相应格式，且要在该工具包生成的虚拟现实场景中被读取、显示和调用。

具体来讲，桥梁虚拟现实系统主要包括两大功能模块，分别是三维建模模块和视景仿真模块：

2.1 桥梁参数化建模软件

在虚拟现实系统中，最基本的任务是将场景和模型进行三维建模是。这种建模是虚拟现实系统能否具有交互性和自主性的关键环节，对于真实感的产生具有关键性的作用。桥梁的三维建模通常是在AUTO-CAD或3dsmax中进行，这种方法的弊端是进行的过程和环节较为复杂，且随机性还较大，精确性得不到有效的保证，而且已经模型建构成功，它的修改比较困难，以至于后期若发现问题和弊端亦不利于及时地修改。当前为了克服这些困难，以AUTO-CAD为基础的强大的图形数据库，得到了较为广泛的应用，且它的实用性相较于原来也有很大的提高。

2.2 视景仿真软件

交互性、动态性和实时性是视景仿真应当具有的特点和效能，通过视景仿真软件，用户就可通过相关设备的使用与系统实现沟通和交互，之后系统便会立即对用户的沟通行为作出回应，来响应这些操作，最后计算机就可声称施工工程或场景的图像，然后在计算机屏幕上得到显示。OpenGL软件是以SGI的GL三维图形库为基础制定的，它是当前一种通用和共享的开放式的三维图形标准。是目前高性能图形和交互式视景处理的主要工具和形式，其根据科学的计算机图形学原理、光学和视觉的原理设计而成，是实现可视化仿真系统的重要软件。

3 虚拟样机技术在桥梁设计中的应用

本文主要通过虚拟样机技术在桥梁检测中的应用来介绍虚拟系统在优化桥梁设计中的作用。

虚拟样机技术是进行样机设计的有效手段，它的优点在于不但可以帮助设计部门摆脱对于物理样机的过度依赖，而且可简化系统的分析过程，缩短实验的研究周期，这样就减少了工程在设计和研究阶段的工程造价和成本，同时还可明显地提高工程的质量和性能，使设计方案得到优化和精确。

3.1 虚拟样机技术简介

虚拟样机技术是工程设计技术、建模技术、VR/可视化技术为一体的集成技术。虚拟样机设计的设计师可利用虚拟样机来代替物理样机对产品各种特性进行的分析和评估,比较多种方案，从而对方案进行优化。虚拟样机技术的优点在于，它在实施中通过对虚拟环境的利用，可将涉及方案可视化，这样施工方和设计方就可对产品真实工况下的特性进行预测、分析和考量。且虚拟样机技术十分注重桥梁工程的整体性和系统性，周期从产品概念的设计直到工程的运行，不同的设计师可以从不同的角度对同一虚拟样机进行考量这样便有助于实现方案的最优化。

3.2 虚拟样机技术在桥梁施工中的应用

本部分主要介绍的是虚拟样机技术在桥梁检测中的应用，在具体的检测工作中，桥梁检测车是一种不可缺少的设备。

桥梁检测车指的是装备有桥梁检测仪器和工作台、用于对桥梁进行流动检测、维修的专用汽车。它的主要工作内容是要对桥梁下部的结构进行全面的检查和修理，这其中包括对大桥主梁梁底裂纹的检测和对全桥支座的检查养护。

虚拟样机技术在桥梁检测车中的应用具有诸多优点，它可以使设计人员实现在虚拟环境中模作业并且快速分析设计方案的作业；可以帮助设计人员进行数次的仿真试验，这样可以使设计方案得到优化。同时，它作为集样机设计、仿真研究为一体的的有效研究手段，不仅可使设计人员加强对设计方案的完善，同时还可简化机械系统的设计和分析过程，实现可视化，这样不仅缩短了试验周期、减少了开发成本，最重要的是还可以使工程的质量和性能得到保障。

三维实体模型桥梁检测车虚拟样机模型的重要组成部分和技术关键环节。ADAMS软件为实体建模的功能提供了可能性，但当前，模型普遍比较复杂，ADAMS软件在建立这类模型方面不具有明显长处，因此当需建立复杂模型时，可利用SolidWorks软件，这种软件的优点在于可快建立各零部件的实体模型并组成装配体的快速性。利用ADAMS软件时，设计人员可利用IGES、STEP、STL、等产品数据交换库来实现CAD/CAM/CAE软件之间数据的双向传输。

总之，虚拟现实系统在桥梁设计和施工阶段的运用不仅可减少工程在设计阶段的造价和成本，还可在施工阶段从整体上提高工程的质量和性能，真正实现科学施工和管理。因此，应当在桥梁的设计和施工阶段科学地引进和运用这种先进的技术形式。

[1]石教英.虚拟现实基础及实用算法[M].北京科学出版社，2002，3.

[2]刘怡，张洪定，崔欣.虚拟现实VRML程序设计[M].天津：南开大学出版社，2007.35.

[3]王福建，吴国雄.道路工程三维建模技术[M].北京：人民交通出版社，2004年版.