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计算机虚拟现实技术在土木建筑工程中的应用研究张玉新

发表时间：2021/9/10 来源：《时代建筑》4月上作者：张玉新

[导读] 随着社会的发展和科学技术的进步，目前计算机虚拟现实技术在各行各业也都获得了有效的应用。

中润泽环境有限公司 140522198508****38 张玉新

摘要：随着社会的发展和科学技术的进步，目前计算机虚拟现实技术在各行各业也都获得了有效的应用。在天土木工程行业当中使用计算机虚拟技术，实际能够产生更好的效果和影响。也就是借助计算机虚拟现实技术的优势，辅助土木工程进行施工设计和建设，以此提升效率和质量，也更是提高经济效益，所以本文基于此，研究和分析计算机虚拟现实技术在土木建筑工程中的应用。
关键词：计算机虚拟现实技术；土木工程；施工应用
        一、虚拟现实技术概念
        虚拟现实（VR），是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，虚拟世界是全体虚拟环境或给定仿真对象的全体，虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉交互式视景仿真，一般来说，有三种典型的虚拟现实系统：桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、分布式虚拟现实。桌面虚拟现实系统是利用个人计算机和工作站去进行仿真，计算机的屏幕是用户观察虚拟环境的一个窗口，桌面虚拟现实在沉浸感方面较差，但对设备要求不高，成本较低，普通个人计算机就可以实现；沉浸式虚拟现实系统则使用户完全进入一个虚拟环境，产生强烈的沉浸感，它通过让用户完全沉浸在一个四面具有投影的房间中，或者通过头戴一些设备来实现这一效果，一般来说，对设备具有很高的要求；分布式虚拟现实系统是利用网络，将不同地理位置的用户连接起来，共享一个虚拟环境，用户通过选择一个代表自己的化身进入该环境，在这个环境中，多个用户可以相互看到，并进行交互协同作业。
        二、虚拟现实技术在土木工程中的优越性
        虚拟现实技术具有“未卜先知”的功能，在设计方案确定后，利用计算机进行虚拟操作，发现问题后可迅速地反馈到规划和设计中去，从而避免了在真正的施工和运营过程中发现了缺陷和不足之处再采取补救措施。而且有些失误会造成很大的经济损失和使用功能受限制的代价。另外，虚拟现实是“实时”的，这是它与常规的动画软件的最大区别，这种“实时性”使得在虚拟现实的系统中的人机“可交互性”变得可能。当然可以用常规动画制作软件制作一个场景的“死”动画，而且可以反复播放这个动画，但是一旦制作完成就不能改变角度、方向和行走路线，只能在一个固定的模式下观察和评价。而虚拟现实技术生成的场景是“活”的，人在漫游时可以用设备控制漫游高度和角度，可以选择不同的行走路线，不受任何限制。如果想从空中看一个建筑场景的全貌和细节，传统的方法必须借助直升飞机和摄像机来完成。而这样完成的作品只能从有限的角度和有限的高度来观察场景，且成本昂贵。虚拟现实能很好地解决这个问题，仅仅需要一台普通配置的PC机和相关信息资料即可。
        三、虚拟现实技术在土木工程中的应用
        1．虚拟现实技术在土木工程中的应用前景
        在土木工程中，长期以来人们不得不用抽象的概念表示非常丰富的内容，VR技术可以在应用如下：虚拟现实技术在仿真建模中的应用、建筑CAD中的虚拟现实技术、建筑结构设计与施工过程的可视化计算、建筑设计与施工的先期技术成果演示和验证技术、建筑机器人中的VR技术、虚拟现实技术与建筑技术成果结构艺术等等。
        2．虚拟现实技术在土木工程中的应用领域
        由于具有上述的优势特征，虚拟现实技术在土木工程中得到了广泛的应用，并且具有广阔的应用前景。

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现阶段，虚拟现实技术在土木工程中的应用主要有以下几个方面：
        （1）在虚拟施工过程和施工结构计算中的应用
        在实际工程施工中，复杂结构施工方案设计和施工结构计算是一个难度较大的问题，基于虚拟现实的复杂结构施工方案设计是指利用虚拟现实技术，在虚拟的环境中，建立周围场景、结构构件及机械设备等的三维CAD模型（虚拟模型），形成基于计算机的具有一定功能的仿真系统，让系统中的模型具有动态性能，并对系统中的模型进行虚拟装配，根据虚拟装配的结果，在人机交互的可视化环境中对施工方案进行修改。
        （2）在工程项目招标投标中的应用
        现代建筑工程项目的运作，业主处于绝对有利的地位。在有限的时间内，如何使业主和评标的专家很好地了解招投标文件的编制和被认可的程度直接关系到承包商有没有中标的机会。因此，承包商在注重投标文件的技术可行、报价合理的同时，也非常注重投标文件的包装。借助虚拟仿真系统，把不能预演的施工过程和方法表现出来，不仅节省了时间和建设投资，而且不用项目经理的现场答辩，方案的优劣就一目了然，这无疑大大增加了承包商中标的几率。
        （3）在可视化计算领域的应用
        可视化计算将是今后一个重要的发展方向。在科研中，人们会遇到大量数据，为从中得出有价值的规律和结论，需要对庞大的数据量进行认真分析。对科学计算取得的数据进行可视化加工或三维图形显示，可通过交互改变参数来观察计算结果的全貌及其变化，实现参数化及可视化计算，虚拟现实技术产生了飞跃式的发展。更重要的是能借助图形或图像来进行实时动态地控制结构的重分析和获取施工控制数据，同时能实时动态演示和控制设计和施工的过程。
        四、土木工程仿真分析解决方案
        针对土木工程领域的应用需求，提供了如下解决方案。
        1.计算机辅助设计（Computer Aided Design）
        无论是结构CAD软件，还是建筑CAD软件，都需要不断地和用户进行交互，因此对噪声的控制要非常好；同时各种设计图形和三维模型要在屏幕上进行实时的显示、平移、旋转、缩放等，对计算机的图形处理能力有比较高的要求；而要完成三维图形的实时渲染，对处理器的计算能力也是一个考验。针对计算机辅助设计的需求，高性能图形工作站是一种比较好的解决方式，其特点噪音污染低，图形处理能力高，PU处理能力强。
        2.计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）
        计算机辅助工程软件一般都是基于有限元方法，普通工作站已无法满足日益增长的计算需求，必须采用高性能服务器。集群可以说是目前性价比最好的CAE高性能计算解决方案。针对计算机辅助工程的需求，作为机架式服务器集群的升级产品，刀片式服务器拥有计算能力强、计算密度高、通用性好、整体功耗低、管理维护简单等诸多优势。
        3.虚拟现实（Virtual Reality）
        虚拟现实对计算机的要求和CAD基本一致，但是VR技术对计算机的计算能力和图形处理能力提出了更高的要求，采用单台服务器已经无法满足实时计算和渲染的需要。必须采用高性能集群系统，集成多台服务器的处理能力，才能满足要求。这个方案不仅适用于虚拟现实仿真环境，对CAD设计的虚拟展示、科学计算数据的可视化等，均能起到良好的呈现效果。
        结论：
        计算机虚拟现实技术能够模拟现实场景，这样可以帮助土木工程的工程设计和现场施工作业更加稳定和有序的进行，逐步则是提升施工的效率和质量，也帮谁施工管理工作有效实施，逐步能够提升工程的经济效益和社会效益。
参考文献：
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[2]赵锐,王文彬.虚拟现实技术在土木建筑工程中的应用探究[J].河南建材,2016(04):279-280.
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[4]罗词兵. 计算机远程网络检测系统在土木建筑工程中的应用[D].福州大学,2002.