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浅议建筑施工管理中的虚拟现实技术

2014-7-10 11:35| 发布者: dzly| 查看: 448| 评论: 0

摘要: 随着虚拟现实技术的不断发展,虚拟现实技术应用的范围和程度不断的扩展。在建筑施工中,为了保障施工有效、有序地进行,必须制定准确、详实的施工方案。本文首先概述了虚拟现实技术,继而着重分析了虚拟现实技术在建筑领域的应用。
  随着我国经济的快速发展, 作为国民经济支柱产业之一的建筑业也获得了蓬勃发展。建筑物的规模、功能、造型越来越大型化、复杂化和多样化, 所采用的新材料、新设备、新工艺日新月异。虚拟现实技术采用新的技术和计算工具,对建筑施工过程进行仿真,最终得到优化的设计方案。将虚拟技术应用于建筑施工中不但可以提高工作效率,还可以发现施工中存在的安全隐患,确保安全生产,在复杂建筑的施工中尤为重要。
  1 虚拟现实技术概述
  虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术,又称灵境技术,是迅速发展的一项综合性计算机、图形交互技术。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性,而且能够突破空间、时间以及其他客观限制,感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。
  虚拟现实技术具有沉浸感、交互性、想象力三个基本特征。沉浸感,是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度,即让用户由观察者变为参与者,觉得自己是计算机系统所创建的虚拟环境的一部分,并能全身心地沉浸于虚拟实践中。沉浸感被认为是 VR 最主要特征,导致这种沉浸感的原因是用户对计算机环境中的虚拟物体产生了类似于面对现实物体时才有的意识或幻觉。交互性,指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度。主要借助于各种专用设备(如头盔显示器、数据手套等)产生,从而使用户以自然方式如手势、体势、语言等,如同在真实世界中一样考察和操作虚拟环境中的对象。想象力,指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为,通过逻辑判断、推理和联想等思维过程,随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力,可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。
  虚拟现实技术的出现为人类认识世界开辟了一条新途径,为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持。它逐渐成为21世纪广泛应用的一种新技术,目前已经被广泛应用到如建筑施工、教育培训、医疗、军事模拟、工业仿真等诸多领域。
  2 虚拟现实技术在建筑领域的应用
  2.1 在施工方案设计中的应用
  虚拟现实施工方案设计是利用虚拟现实技术构造一个虚拟施工环境,在此虚拟环境中,建立周围场景、结构构件及机械设备等的三维CAD模型和有限元模型(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。
  沉浸性和交互性是虚拟现实系统关键的两个特性,这两个特性充分反映了建筑施工方案设计在人机关系上的基本特征,它们充分反映了设计者的主导作用: 从过去只能在计算结束后查看计算结果,到能沉浸到虚拟现实的环境中参与整个计算过程;由过去的经验、静态和类比设计转向动态优化设计。在虚拟现实的环境中进行建筑施工方案的分析和设计时,设计人员能对可视化的虚拟模型进行适时修改,从而优化施工方案。
  虚拟现实施工方案设计方法的实现过程为:在三维可视化虚拟环境中,设计人员可利用CAD设计软件建立对象结构实体模型,并将模型的几何信息输入有限元分析软件(如AN-SYS等)中,建立三维可视化的有限元模型,然后对有限元模型进行计算分析。有限元模型数据和分析结果数据分别存入相应的数据库中,并转化成图形数据文件,表达为图形或图像的形式,使设计人员能沉浸在三维可视化的虚拟环境中观察模型的模拟和计算,并实时地对模拟过程进行修改,直到获得满意的方案。最后将最优施工方案的结果存入数据库,为绘制施工图提供可靠依据。优化施工方案过程主要由计算机完成,并能充分利用设计人员的经验,而不是像传统的施工方案设计只能依靠施工技术人员多年积累的实践经验或习惯作法。
  2.2 在施工人员培训中的应用
  在虚拟环境中对施工人员进行培训是一种非常理想的培训方式,其优越性主要表现在以下几个方面:(1)虚拟现实完全是交互式的,在虚拟环境中由用户决定下一步做什么、如何做、可重复做;(2)虚拟现实强调参与者的经验和理论知识, 在有经验施工人员的参与下,可为缺乏经验的施工人员提供建筑施工的经验,在先期虚拟环境中认识、学习、验证建筑施工组织和管理;(3)参与者和虚拟现实交互的方式和参与者在现实世界中的方式是完全相同的,虚拟现实中的任何事物很容易被参与者接收和理解, 参与者不必学习任何操作计算机的技巧;(4)虚拟现实提供的是一种有趣的、激动人心的培训工具, 能通过虚拟现实系统对施工人员进行培训。
  通过对施工方案的动态模拟,施工人员可以随意地选择观察点和角度,对施工现场进行实时漫游,以获得全面的印象。施工过程中,各工序间的协调配合是不容易做到的;而在虚拟施工中,可以对方案反复进行试验,得出一些具体参数用以指导施工。在虚拟施工中,还可以直观地观察到对象间相互的空间关系,对于接近可能干涉的对象,可提醒施工人员施工时特别小心,做到心中有数。
  2.3 建筑装修、装饰
  建筑装修设计是一个复杂的综合过程。在传统的设计过程中,装修设计师根据建筑图纸构造出虚拟的室内模型,并将其设计理念应用于室内模型,最后以多面视图、效果图、家具图、大样图和结构图等手段表达设计效果。然而,这种离散的平面表现模式使得客户和施工方难以全面地了解装修效果。另外,繁琐的工程量和造价估算过程也使得客户难以准确快速地对装修方案进行评估评选。如果在计算机中输入实际房间的模型,设计者身处所需装饰的房间,按照自己的构思去装饰、修改,并且可以变换自己在房间中的位置,去观察装饰的效果,直到满意为止,一切就将变得简单轻松。可以设想,在未来的装饰工程中虚拟现实技术将会代替现有的实际模型而显示出其强大的生命力。利用虚拟现实技术有效地提高了装修设计的效率,并且能够增强设计师和客户之间的沟通,增加客户对设计方案的满意程度。同时,建筑装饰在设计和施工阶段可能出现无法预期的问题,而使工期延误或者成本增加。而在虚拟世界中,我们可以提前模拟出需要的效果,从而在功能性、房屋空间比例尺寸、消防安全性、色彩、材质、以及采光效果等方面提前预知会发生的问题,只要前面花少量时间对最终效果进行推敲,就可以非常直观的给施工人员和客户一个满意的交代。
  3结束语
  将虚拟现实技术用于施工方案设计,不仅能够以三维图形的形式动态,实时地显示施工方案实施的全过程,还能让方案设计人员沉浸在虚拟的环境中,根据自己的思想随时调整、优化施工方案,直至得到理想的结果。还能通过虚拟现实技术对现场工程技术人员进行培训。通过对施工方案的动态模拟,工程技术人员可以随意地选择观察点和角度,对施工现场进行实时漫游,以获得全面的印象。施工过程中,各工序间的协调配合是不容易做到的,而在虚拟施工中,可以对方案反复进行试验,得出一些具体的参数(如吊装机械工作的最佳角度、高度等),以指导施工。在虚拟施工中,可以直观地观察到构件间相互的空间关系,对于接近干涉的构件,提醒现场技术人员施工时应该特别小心,做到心中有数。
  参考文献:
  [1]王守清.计算机辅助建筑工程项目管理[M].北京:清华大学出版社,1996.
  [2]唐焕文,秦学志.实用最优化方法[M].大连:大连理工大学出版社,1994.
  [3]王旭.虚拟现实技术的应用及发展前景[M].甘肃:甘肃科技,2003.

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