虚拟现实在桥梁工程中的应用

2017-04-13

四川水泥 2017年4期

关键词：桁架虚拟现实桥梁

（广东粤路勘察设计有限公司 510000）

虚拟现实在桥梁工程中的应用

黎乐涛

（广东粤路勘察设计有限公司 510000）

作为世界桥梁大国，我国桥梁建设离饱和程度还有很远一段距离，十分需要更加先进技术，去完善我国的桥梁交通网络系统。此时，虚拟现实的蓬勃发展正给桥梁工程界带来了希望。

虚拟现实；桥梁；建模

一、我国桥梁概况

作为交通系统的重要组成部分，交通线路的主要节点，各种造型独特美观、跨度历程长、结构复杂、施工难度高的大型桥梁像雨后春笋般建成[1]。尽管已有桥梁数目已经达到50万余座，是名副其实的世界桥梁大国。但由于我国领土宽广，海川纵横，桥梁建设离饱和程度还有很远一段距离，十分需要更加先进技术，去完善我国的桥梁交通网络系统，方便城市间或地域间的交通来往，促进经济的进一步发展[2]。此时，虚拟现实的蓬勃发展正给桥梁工程界带来了希望。

二、虚拟现实技术简述

虚拟现实（Virtual Reality，一般简称VR）是一种仿真学和计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多领域融合的交叉技术。它以计算机技术为核心，在计算机的数字化环境中建立一个模拟现实的仿真世界，通过其他附属辅助装备，使得用户能从视觉、听觉和触觉等主要感知途径与虚拟世界的各种对象进行操作互动。应用虚拟现实技术，用户能够一定程度的超越空间的界限和时间的限制去体验和探索，享受亲临其境的感觉。

虚拟现实这一技术从思想的产生，到具体技术手段发展至今已接近百年。1929年，Link E.A.制作出了一种让乘坐者体验飞行感觉的飞行模拟器，让未能亲身搭坐飞机的人也能体会那种感觉[3]。这可算是人类对现实物理的初次模拟尝试。这个时候，人们已经逐渐意识到对现实事物模拟的重要性。尽管限制于当时科技的原因，尤其是计算机技术还处于萌芽阶段，人们还是发挥创造力陆续制造出了各种仿真模拟器。计算机图形学的代表人物之一Sutherland博士在1965年发表了一篇文章，讲述的是他这么一个构思：未来在计算机的帮助下，使用者能在虚拟环境中作触摸感知、控制虚拟事物等，如同生活在真实生活里面一样。从人机交互的方面提出了虚拟现实的思想，启发了后人对这项技术的研究与应用。受制于计算机技术本身的发展，虚拟现实得不到实质性的突破，仍停留在概念和技术的酝酿期。

来到上世纪90年代，高性能计算机的诞生和军事、航空航天等国家重点支持的应用领域的巨大需求，虚拟技术进入了飞速发展的新阶段。实时3D图形生成、多感官交互体验技术和数字高清显示技术等虚拟现实相关技术应运而生，成为各领域学者的新宠儿。在虚拟现实系统中，硬件产品起着举足轻重的作用。更高的运算速度、传输速度，更全方位的参数输入输出方能给用户带来更加逼真的使用感受。超级计算机、高分辨率的头盔显示器、利用液晶光法告诉切换左右眼图像原理的立体眼镜，还有能感知手指关节的伸展轨迹，对用户的行为作出力反馈的数据手套等等，为人们模拟现实世界带来了极大的帮助。同时，作为相辅相成的软件技术也是必不可少的。例如主要应用与3D地理信息制作、展示以及古迹原貌还原的VEStudio等功能强劲的软件陆续面世。

高度还原真实环境和强大的自由交感功能，让各学科界别都对虚拟现实产生了浓厚的兴趣，希望借助这个强大技术手段为其研究或生产带来进步甚至突破。而与虚拟现实技术的结合尤为密切的要数医学、军事训练、土木建筑工程这三大领域。医学方面由于人体组织、脏器等构造复杂且真实样本不能经受反复试验，需要一个可多次操作的虚拟对象供研究使用；军事领域则以作战人员训练项目为例，它希望受训人员能够反复在与实际状况相近的虚拟环境里操作和熟练流程。有了虚拟技术的支持，这些行业的研究以及生产工作可以说是如鱼得水。设计类的特点是“无中生有”，需要把尚未存在的事物给呈现出来，这过程中就需要对其作出尽可能逼真的模拟再现，才能更好的检验和修改该设计。为了使工程设计工作更加便捷、更加精确和更加人性化，虚拟现实是从业人员的又一大助力。就如建筑物的外形设计，以往设计者需要将三维的立体事物，经过自身思维的转化再表现在二维平面图纸之上。不但操作不方便，还可能受限于设计者的转化能力而浪费了一些绝妙的想法。有了虚拟现实的帮助，设计人员就能更安心的专注于创作工作了。而在结构设计里，虚拟现实同样能发挥积极作用。在以建筑物作为对象建模完成后，对结构关键点分析后的数据输入到模型中去，模拟现实事件的触发。由此让用户通过这么一个控制虚拟环境的过程实现设计者和模型的实时性、可控制性的交互体验。关学锋将虚拟现实技术与振动问题的研究相结合，以车辆为振动问题的背景，在虚拟环境下建立可交互模型，使抽象的问题变得直观[4]。张博通过3DS MAX和建模语言对框架结构进行分析计算，使得其力学分析环境更加逼真。

三、工程概况

贵州坝陵河大桥是沪瑞国道主干线（GZ65）在贵州省内的控制性工程，位于黔西地区的高原重丘，大桥采用主跨1088米双塔单跨钢桁架悬索桥方案，是国内首次采用千米以上跨径的钢桁架悬索桥，索塔为两道横梁门式混凝土塔，东锚碇采用重力式嵌岩锚，西锚碇采用隧道锚。该桥施工场地非常紧张，常规钢箱梁无法施工，只能采用钢桁架加劲梁，是世界上首次在山区峡谷地带采用化整为零，集零为整方式架设安装超千米跨径钢桁架的悬索桥，并在国内首次采用气动翼板抗风措施。

四、VR技术在工程中的应用

利用vr虚拟现实技术对该桥进行建模，在模型建立时根据施丁需要，坐标系的选用采用以东西方向为坐标轴的轴方向，西方向为坐标轴的正方向，南北方向为坐标轴的y轴方向，南方向为坐标轴的正方向。竖直方向为z轴方向，其中的零点在坝陵河大桥东索塔轴线z方向坐标采用设计图纸所给出的坐标。缆索和桁架梁截面参数的显示、校核也是施工中一项重要工作，因此，程序中对各施工段梁的截面形式和参数也进行了汇总，其中缆索截面为圆形，桁架梁的截面为箱形和工字形。坐标控制点为每架设段桁架的控制点，整跨钢桧架桥控制点为808个，经各架设过程计算之后，数据总计为一万二千多组坐标，通过数据库目录树节点把数据和虚拟现实模型进行动态链接。项目中应用虚拟现实和三维可视化仿真技术为国内最大的钢桁架桥梁坝陵河大桥架设过程提供了安装全过程的动态可视化虚拟现实模型和动画。把整个工程作为一个大的系统，综合考虑工程中各个单项工程之间的相互影响、相互制约，并考虑整体的施工进度、施工强度、流程程度等关键问题，获得更为真实的施工情况，在虚拟模型中充分进行模拟预演，从而达到为施工组织提供科学的依据和措施。通过所设计的VB平台，实现图像与操作的实时、交互控制，实现了架设过程各构件的截面尺寸、材料属性、长度、重量、位移和完成工作进度的实时查询功能以及施工动画的演示，并实现对桥梁的施工过程随时多角度细致查看和准确查询。