关于VR技术在土木工程中应用的研究

左达远　张健

摘要：虚拟现实技术（英文名称：Virtual Reality，缩写为VR）是20世纪发展起来的一项全新的实用技术，由于在各项领域的应用优势都特别明显，因此VR技术也开始在土木工程领域展开，文章即针对该项技术的特点，分析了VR技术在土木工程中应用的发展及前景，指出该项技术的优势，从而说明VR技术一定会在以后的工程中发挥重要的作用。

关键词：虚拟现实;土木工程;工程管理;影响与作用

随着社会经济的快速增长，基础建设的实力壮大，土木工程的结构形式及造型越来越复杂，人们对土木工程建设的要求也越来越高，不仅仅局限在按照以往的施工经验及图纸的按部就班对质量、成本、进度与安全这些基本的要求进行严格控制，更偏向于将工程建设的过程与结果变得可预知及透明化。VR技术便在土木工程中应用开来，它是一种将虚拟与现实结合，建立出一个虚拟世界的可视化、集成化、信息化的仿真系统，将二维线条通过三维模型表现出来。

一、虚拟现实技术的概述与发展

（一）起源

1929年，EdwARd Link为了减少飞行员在飞行中出现的伤亡事故，设计出用于训练飞行员的模拟器，使飞行员提前感受飞行过程，这是虚拟现实技术的萌芽。

在20世纪50年代，著名电影摄影师莫顿海利格（Morton Heilig）创造了Sensorama。 这是一个多通道全传感仿真器，它可以在视觉和听觉上激发更多的感官体验。许多年后，他又研发了一款头戴式显示器并命名为TelesphereMask，也是第一款头戴式显示器，拥有较好的视觉专场和3D视觉效果，但是还缺乏运动跟踪的功能，只能播放非交互式视频，这是VR技术发展的开始。

真正的具有虚擬现实意义上的头戴式显示器是由20世纪60年代两位Philco公司的工程师创建的具有头部跟踪系统的头戴式显示器，由于画面可以伴随着头部的移动而移动，所以能够感受到更加自然和真实的效果，这对VR技术来说是一个巨大的进步。

1972年，NolanBushell开发出第一个交互式电子游戏Pong。

从此，虚拟现实技术便在各个领域逐渐发展开来。

（二）特点

1. 交互性

使用者可通过辅助设备达到现实与虚拟现实之间的人机交互，比二维图形的交互更加具有深刻性。

2. 沉浸性

沉浸性又称临场感，它被认为是表征虚拟现实环境性能的重要指标，能够给体验者带来身临其境的感觉。同时触发视觉、听觉等感官和心理作用，使参与者仿佛置身于真实的客观世界中。

3. 想象性

VR技术可以使体验者由被动转为主动感受新事物，通过感性和理性这两方面发挥主观能动性，在现有的认知上发掘新的信息。

（三）VR技术在不同领域中的应用

1. 商业领域

VR全息投影是一种比较常用的技术，能够将场景立体的投影出来，虽说是3D图形技术，但是在图形渲染及表现上远远不如其与造型技术的虚拟现实技术的交互性。但是也有着广阔的发展空间，例如用于房地产展示，旅游场景的展示，博物馆内历史场景的还原与介绍，天气预报的展示等等，可让人们对不可能看到场景有了一次切身的视觉感受，能够让人们真实感受到不可能的场景片段，对该场景有更加深刻的体验。

2. 教育领域

在传统的教学模式中，老师只能通过板书和图片展示来辅助教学，但有些场景或图形无法描述出来，或者能抽象描述出来，但是学生们不能直观地想象出来并理解，因此引入VR技术，通过各种交互设备的使用，可解决此项问题。随着虚拟现实技术的日益成熟，亦可通过虚拟现实技术建立一个虚拟校园，将校园进行1：1的还原，使学生做到在家就能上学的目的。同样在学生进行三维物体学习时，有更加直观的体验，加深学习的印象，培养同学脑海中的三维模拟意向。

3. 医学领域

医生，作为一种理论知识和实践经验都必须大量积累的职业，能够成为一名合格而又出色的医生是很耗时耗力的。很多医学院的学生好不容易在医学院用7～8年的时间完成了学业，但是又要用好几年的时间在医院学习，并且因为条件和各种原因限制了医学生的动手实操经验，因此，引入VR技术就可以在一定程度上帮助医学生解决这方面问题。虚拟医疗就是用虚拟现实技术构建虚拟的人体模型器官，这样可以在安全的前提下提高医学生的专业能力。并且VR技术也可以构建各种手术环境及突发情况，锻炼了医学者的临床应急反应能力。在医学领域，通过VR技术也可以来对药物研究进行模拟，包括药物的临床试验，可以通过VR技术模拟数据，创造与人体类似的信息数据，通过模拟注射环境，注射的数据，最终来得出结论。

4. 游戏领域

VR技术被广大群众所认知还是在于它在游戏领域的发展。

2015年HTC率先发售了第一款正面向PC游戏的VR设备 VIVE，虽然VIVE有着笨重，手柄过大的缺点，但是拥有着名为“灯塔”的专利定位技术。不仅成为行业先行者，依靠着稳定精确的定位，至今仍然是VR设备的标杆。VR游戏开发包含着三项关键技术，一是屏幕技术，二是定位技术，三是虚拟世界的设计建模。通过眼镜、头盔、手柄以及其他重力感应等设备的互相配合，使传统的二维体感转变成三维体感，由于技术的成熟使得制造成本的降低，VR游戏已被广大游戏玩家所接受。现如今大多数大型商场内部均有VR游戏设备，众多顾客在体验之后的评价均可以，并且也有很多游戏达人，在家中购置VR游戏设备，来进行3D游戏的模拟游玩。

二、虚拟现实技术在土木工程中的应用

（一）前景

1. 技术方面

在土木工程这个行业中，图纸是必不可少的部分，从方案设计阶段到竣工验收阶段，通过图纸将工程的建筑样式、内部结构以及工程做法表达出来，但是各种复杂的线条以及符号使得一些刚接触这个行业的人员不能够理解，特别是一些节点处，更是雾里看花，还有各类构件的各种参数，很容易记错，一旦发生这样的情况，会直接影响到工程的质量。但随着计算机软件的迅速发展，建筑信息模型（简称BIM）开始应用在工程领域中，它是将二维线条转换成三维模型的一种辅助软件，如图1所示，可以让施工人员很直观看到图纸上的各类构件，以及对设计出来的建筑进行整体渲染和将周边环境联系在一起，实现对建筑整体的有效还原，从而实现建筑的360度全景展示效果。并且通过计算机强大的计算功能对工程的工程量以及结构的力学性能快速并且准确的计算出来，可以同时生成多种方案并通过智能化调整筛选出有效方案，不再仅仅只靠凭空想象，将合理性提至最优，避免了人工算法的错误，使结算结果更加具有准确性。

2. 安全方面

众所周知，在施工现场，安全高于一切，所有工程建设工作的开展都是基于安全的基础上，其中包括防护设施，人员安全意识以及作业是否规范等等因素都与安全挂钩。因为建筑生产常与大型机械相伴，高空塔吊作业多，人员活动较为集中，因此建筑业一直是高危行业，建筑领域的伤亡事故频繁发生，给国家、人民群众的生命财产带来了巨大的损失。据资料统计，施工现场每年的伤亡事故平均发生一千多起，其中原因包括高中坠落、坠物打击、火灾爆炸、建筑坍塌等意外情况。这些事故的发生很大一部分原因是在于企业与作业人员的安全意识不强。作业人员为图作业方便，操作不规范以及防护设备不按要求穿戴，企业对人员的安全教育不够重视。都觉得危险离自己很远，才导致这样的后果。因此虚拟现实技术引入到安全教育这一块来。结合现场实际通过软件制作出接近于真实的模拟环境，如图2可通过此项技术模拟各种安全事故以及防护方案，体验人员可通过头戴式眼镜以及手柄达到人机交互，在程序中进行作业，一旦操作不规范，体验人员可深刻感受到各种危险带来的恐惧感，在日后的工作中能够提高警惕，安全对待，防患于未然。同时可以通过体验人员的参与来检验模拟建立的防护方案是否有效，进而确保项目的安全又稳定地推进。

（二）优势

对于现场实际操作人员而言，建筑业是劳动密集型产业，在国民经济中具有举足轻重、不可替代的作用。而且建筑施工行业的工作环境差，危险性大，技术要求较低，入行的门槛低，很大部分劳动力来自农村剩余劳动力，据统计，我国3800多万建筑业从业人员中，80%是来自农村的农民工。行业的特殊性客观上影响了队伍素质的提高。另外，由于中小型建筑施工企业不具备与同行业的大企业相抗衡的竞争能力，所接洽的项目不连续，也许上个项目完成了，下个项目又不知什么时候开始，影响了企业经济效益和企业的长远发展，造成员工流动性过大，人才大量无序的流动使施工队伍素质的提高也受到冲击。因此人员对工作的态度非常不严谨，倘若让施工人员运用虚拟现实技术制作的事故发生现场置身其中，切身感受到事故的危险性及可怕性，必定能大大提高施工人员对安全的认识。

对于施工管理者而言，要想成为一名具有说服力的管理者，必先对工程建设的每个施工工艺、技术流程和质量参数非常熟悉，以及要具有极强的临场应变能力。但是这些都是要经过时间磨合出来的，而作为刚踏入建筑行业的新人来说要消耗很大的精力去学习。目前，VR技术虽然只是在安全教育这一块应用起来，但随着科技的进步与社会对建筑行业效率的要求，VR技术可借鉴其他行业的学习模式建立一个虚拟施工现场，让体验者从基坑开始对整个工程建设的工序与工艺进行模拟，不再靠凭空想象，而是可以亲手去验证，不仅节省了人力物力，还避免了因操作与指挥不当导致返工而引起的工程成本增加。这对新管理者来说是一个很好的学习机会。

在建筑工程项目施工管理中，通过采用VR技术，进行虚拟施工步骤及施工程序，管理层可以结合现场实际情况来指导施工。在建筑工程项目中，良好的施工组织设计不仅可以加快工期，而且降低施工成本和管理成本，还可以间接地提高施工质量和施工效率。采用 VR技术，通过仿真模擬，可以详细地展示工程的空间布置信息，吸引不同专业人员的参与，进而对设计方案、施工方案进行优化设计，确定相应工程参数，根据工序的先后顺序制定合理的物资进场计划，从而使建筑施工更绿色，更高效。 VR利用虚拟技术，对施工的重点部位或重要构件进行施工动画模拟，使具体施工更为细节化、形象化、可视化，可使施工人员更加具体了解施工工艺流程，避免施工错误的发生。VR技术将以往单调的施工安全教育借助虚拟的三维场景形象化展示，使得体验者感觉如同亲临现场，感受和体验事故发生的危害，深刻理解安全教育的本质，从而使安全教育更加深化，工人安全知识掌握更加牢固。在施工工序上，VR技术可以进行施工流水碰撞模拟，当不同的施工工序存在碰撞时，系统将会提示出现碰撞的工序，这样方便施工技术人员及时调整，从而减少施工工序干扰，提高生产效率。通过 VR技术对建筑工程施工全过程或关键工序进行模拟，促进了施工方案的保证性和可行性;对重要结构进行计算机模拟承载实验或破坏实验，可以找出影响构件质量的主要因素，从而达到质量控制和优化施工的目的，大大提高工程的实施和管理效率。

（三）VR技术在国内的应用情况

现如今国内大多数建筑公司的项目尚未引进VR技术设备，但是在一些大公司的施工现场可以看到VR设备，并且在有新人员入职时，进行安全教育时，就会让新入职人员在VR设备上进行现场安全模拟体验，以便来进行安全教育以及安全交底。对现场实际操作人员以及现场施工管理人员来说，在他们心中埋下一颗安全的种子，在之后的施工过程中，对保障人员生命安全，保障人员财产安全都具有深远的影响。

（四）现如今状况的解决方案

1.做一个关于VR技术设备的详细讲解会

邀请国内的施工企业来到现场，对他们进行宣讲，向他们详细介绍VR技术设备在实际工程施工中应用，对现场安全，工程进度把控等方面所能达到的实际效果。

2.做一个VR设备展示车

可以开去施工现场，和现场负责人进行沟通，邀请现场实际操作人员以及现场管理人员来进行实际体验，并且记录体验感受，收集数据做出总结报告。通过大数据分析，来向一些重点体验较好的单位来推荐VR技术设备的购入。

3.解决设备价格高的问题

可以在大规模施工场地，联系各个项目的负责人以及各承包公司的负责人，推荐他们可以多个项目共同购买或者租赁一台设备，这样在施工安全教育方面以及之后的施工进度把控方面，几个项目也能就通过VR设备的体验来共同探讨方案。

三、结语

现如今的建筑行业，人员组成错综复杂，人员素质相对较低，特别是在现场实操人员方面对于安全方面意识薄弱，甚至存在着许多的违规操作，在项目部实行安全交底的时候，表面上是进行学习了，但是并没有意识到发生意外会造成什么后果。通过VR技术设备，可以让工人更好、更直观看到发生意外的后果，让他们心中提高警惕，在实际施工过程中会更加遵守规章制度，降低违规操作的可能性，尽可能杜绝违规操作，以更好的保障人员的生命以及财产安全。

参考文献：

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（作者单位：南京航空航天大学金城学院）