古勁松

（江西省尋烏縣縣鄉(xiāng)公路管理站，江西 尋烏 342200）

1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及其在橋梁設(shè)計(jì)中運(yùn)用的優(yōu)點(diǎn)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)式上個世紀(jì)九十年代在科學(xué)界和工程界首先得到關(guān)注的技術(shù)，此系統(tǒng)的發(fā)明不僅為人機(jī)交互界面的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，更為各中大型工程數(shù)據(jù)的整理和分析提供了一種新的捷徑，它實(shí)現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)的可視化。此系統(tǒng)的具體操作過程是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的三維虛擬環(huán)境，這樣用戶就可以在該虛擬的環(huán)境中瀏覽數(shù)據(jù)、事物和場景，實(shí)現(xiàn)了交互性和自主性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣泛，它不僅在建筑界得到充分利用，在航天、經(jīng)濟(jì)、軍事、娛樂和體育領(lǐng)域的應(yīng)用也正在日益擴(kuò)展。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在橋梁設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

此部分具體來講虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)方面具有重要意義。虛擬現(xiàn)實(shí)在應(yīng)用在橋梁建筑領(lǐng)域之前，橋梁設(shè)計(jì)成果若要實(shí)現(xiàn)可視化，主要借助的方式是效果圖或三維動畫的方式，一方面由于效果圖的靜態(tài)特征，這樣就使交互性無法實(shí)現(xiàn)，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的三維動畫雖實(shí)現(xiàn)了動態(tài)化，但卻具有一定的局限性，那就是只能按照事先設(shè)定的方式進(jìn)行觀察，無法實(shí)現(xiàn)自主性。于此相對比，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在交互性和自主性方面都得到了體現(xiàn)，通過虛擬系統(tǒng)，橋梁的設(shè)計(jì)人員能夠充分科學(xué)地展示橋梁的設(shè)計(jì)成果圖。另外，還可通過效果的展示來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。

在橋梁的設(shè)計(jì)階段，若能采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來建模語言構(gòu)造和虛擬橋梁，可使橋梁的建設(shè)方案更加科學(xué)化、人性化，設(shè)計(jì)人員和建設(shè)方雖在異地，也可充分地討論橋梁的建設(shè)方案，使之完善化。一方面，建設(shè)方可通過視覺化的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)橋梁整體造型的感知明確其細(xì)部構(gòu)造，另一方面針對建設(shè)方提出的具體建議和方案，設(shè)計(jì)方也可針對建設(shè)反提出的建議進(jìn)行方案的完善化。與傳統(tǒng)的方法相比，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)方和建設(shè)方的有效和良好溝通，可有效地使二者的意見達(dá)成一致且認(rèn)識趨于一致，另一方面也節(jié)省了工程的造價(jià)。

2 橋梁虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建模塊

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)中的應(yīng)用基本上集中在以下幾個主要的方面，分別是：計(jì)算的可視化；橋梁所處地形的三維效果演示；設(shè)計(jì)方案的可視化演示。其中的設(shè)計(jì)方案的可視化在橋梁建設(shè)中具有重要的意義，具體來講，它的作用機(jī)理主要是通過建筑設(shè)計(jì)界中應(yīng)用普及的3DS來導(dǎo)入動畫數(shù)據(jù)，然后通過虛擬現(xiàn)實(shí)工具包軟件轉(zhuǎn)換來輸出相應(yīng)格式，且要在該工具包生成的虛擬現(xiàn)實(shí)場景中被讀取、顯示和調(diào)用。

具體來講，橋梁虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要包括兩大功能模塊，分別是三維建模模塊和視景仿真模塊：

2.1 橋梁參數(shù)化建模軟件

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，最基本的任務(wù)是將場景和模型進(jìn)行三維建模是。這種建模是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能否具有交互性和自主性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于真實(shí)感的產(chǎn)生具有關(guān)鍵性的作用。橋梁的三維建模通常是在AUTO-CAD或3dsmax中進(jìn)行，這種方法的弊端是進(jìn)行的過程和環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，且隨機(jī)性還較大，精確性得不到有效的保證，而且已經(jīng)模型建構(gòu)成功，它的修改比較困難，以至于后期若發(fā)現(xiàn)問題和弊端亦不利于及時(shí)地修改。當(dāng)前為了克服這些困難，以AUTO-CAD為基礎(chǔ)的強(qiáng)大的圖形數(shù)據(jù)庫，得到了較為廣泛的應(yīng)用，且它的實(shí)用性相較于原來也有很大的提高。

2.2 視景仿真軟件

交互性、動態(tài)性和實(shí)時(shí)性是視景仿真應(yīng)當(dāng)具有的特點(diǎn)和效能，通過視景仿真軟件，用戶就可通過相關(guān)設(shè)備的使用與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溝通和交互，之后系統(tǒng)便會立即對用戶的溝通行為作出回應(yīng)，來響應(yīng)這些操作，最后計(jì)算機(jī)就可聲稱施工工程或場景的圖像，然后在計(jì)算機(jī)屏幕上得到顯示。OpenGL軟件是以SGI的GL三維圖形庫為基礎(chǔ)制定的，它是當(dāng)前一種通用和共享的開放式的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。是目前高性能圖形和交互式視景處理的主要工具和形式，其根據(jù)科學(xué)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理、光學(xué)和視覺的原理設(shè)計(jì)而成，是實(shí)現(xiàn)可視化仿真系統(tǒng)的重要軟件。

3 虛擬樣機(jī)技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本文主要通過虛擬樣機(jī)技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用來介紹虛擬系統(tǒng)在優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)中的作用。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)的有效手段，它的優(yōu)點(diǎn)在于不但可以幫助設(shè)計(jì)部門擺脫對于物理樣機(jī)的過度依賴，而且可簡化系統(tǒng)的分析過程，縮短實(shí)驗(yàn)的研究周期，這樣就減少了工程在設(shè)計(jì)和研究階段的工程造價(jià)和成本，同時(shí)還可明顯地提高工程的質(zhì)量和性能，使設(shè)計(jì)方案得到優(yōu)化和精確。

3.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介

虛擬樣機(jī)技術(shù)是工程設(shè)計(jì)技術(shù)、建模技術(shù)、VR/可視化技術(shù)為一體的集成技術(shù)。虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師可利用虛擬樣機(jī)來代替物理樣機(jī)對產(chǎn)品各種特性進(jìn)行的分析和評估,比較多種方案，從而對方案進(jìn)行優(yōu)化。虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，它在實(shí)施中通過對虛擬環(huán)境的利用，可將涉及方案可視化，這樣施工方和設(shè)計(jì)方就可對產(chǎn)品真實(shí)工況下的特性進(jìn)行預(yù)測、分析和考量。且虛擬樣機(jī)技術(shù)十分注重橋梁工程的整體性和系統(tǒng)性，周期從產(chǎn)品概念的設(shè)計(jì)直到工程的運(yùn)行，不同的設(shè)計(jì)師可以從不同的角度對同一虛擬樣機(jī)進(jìn)行考量這樣便有助于實(shí)現(xiàn)方案的最優(yōu)化。

3.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用

本部分主要介紹的是虛擬樣機(jī)技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用，在具體的檢測工作中，橋梁檢測車是一種不可缺少的設(shè)備。

橋梁檢測車指的是裝備有橋梁檢測儀器和工作臺、用于對橋梁進(jìn)行流動檢測、維修的專用汽車。它的主要工作內(nèi)容是要對橋梁下部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的檢查和修理，這其中包括對大橋主梁梁底裂紋的檢測和對全橋支座的檢查養(yǎng)護(hù)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)在橋梁檢測車中的應(yīng)用具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它可以使設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中模作業(yè)并且快速分析設(shè)計(jì)方案的作業(yè)；可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行數(shù)次的仿真試驗(yàn)，這樣可以使設(shè)計(jì)方案得到優(yōu)化。同時(shí)，它作為集樣機(jī)設(shè)計(jì)、仿真研究為一體的的有效研究手段，不僅可使設(shè)計(jì)人員加強(qiáng)對設(shè)計(jì)方案的完善，同時(shí)還可簡化機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析過程，實(shí)現(xiàn)可視化，這樣不僅縮短了試驗(yàn)周期、減少了開發(fā)成本，最重要的是還可以使工程的質(zhì)量和性能得到保障。

三維實(shí)體模型橋梁檢測車虛擬樣機(jī)模型的重要組成部分和技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。ADAMS軟件為實(shí)體建模的功能提供了可能性，但當(dāng)前，模型普遍比較復(fù)雜，ADAMS軟件在建立這類模型方面不具有明顯長處，因此當(dāng)需建立復(fù)雜模型時(shí)，可利用SolidWorks軟件，這種軟件的優(yōu)點(diǎn)在于可快建立各零部件的實(shí)體模型并組成裝配體的快速性。利用ADAMS軟件時(shí)，設(shè)計(jì)人員可利用IGES、STEP、STL、等產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換庫來實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAE軟件之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

總之，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在橋梁設(shè)計(jì)和施工階段的運(yùn)用不僅可減少工程在設(shè)計(jì)階段的造價(jià)和成本，還可在施工階段從整體上提高工程的質(zhì)量和性能，真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)施工和管理。因此，應(yīng)當(dāng)在橋梁的設(shè)計(jì)和施工階段科學(xué)地引進(jìn)和運(yùn)用這種先進(jìn)的技術(shù)形式。

[1]石教英.虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)及實(shí)用算法[M].北京科學(xué)出版社，2002，3.

[2]劉怡，張洪定，崔欣.虛擬現(xiàn)實(shí)VRML程序設(shè)計(jì)[M].天津：南開大學(xué)出版社，2007.35.

[3]王福建，吳國雄.道路工程三維建模技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004年版.