土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術
經(jīng)濟和技術的高速發(fā)展為土木工程科技提供了優(yōu)良的發(fā)展環(huán)境。目前，土木工程領域信息化與集成環(huán)境的研究與技術競爭已經(jīng)在全球展開。虛擬現(xiàn)實技術是綜合性與集成性極強的高新技術，在航空航天、軍事、醫(yī)學、設計、藝術、文化娛樂等多個領域都得到了廣泛的應用。
對建立用戶能夠沉侵其中、超越其上、自如時實交互的多維信息系統(tǒng)的追求，推動了虛擬現(xiàn)實技術在土木工程中發(fā)展和應用。土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術涉及土木工程領域的各個學科，現(xiàn)已顯示出一定的實用性，技術潛力十分巨大，應用前景非常廣闊。本文將從下列6個方面，介紹土木工程中虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景。
1．土木工程仿真建模中的虛擬現(xiàn)實技術：包括抗災與防災的模擬仿真系統(tǒng)；巖土工程中的模擬仿真系統(tǒng)；項目管理系統(tǒng)；投標決策系統(tǒng)；工程結(jié)構(gòu)分析的模擬仿真系統(tǒng)；施工過程的模擬仿真系統(tǒng)；土木工程中的專家系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的集成等；
2．建筑 CAD中的虛擬現(xiàn)實技術：包括城市規(guī)劃、工程項目規(guī)劃；建筑設計與結(jié)構(gòu)設計；項目管理；室內(nèi)裝飾；建筑機械設計等；
3．建筑、結(jié)構(gòu)設計與施工過程的可視化計算：包括建筑設計與結(jié)構(gòu)設計的可視化計算；建筑物、大型結(jié)構(gòu)的風洞試驗的可視化計算；結(jié)構(gòu)有限元分析的可視化計算；施工過程模擬的可視化計算等；
4．建筑、結(jié)構(gòu)設計與施工的先期技術成果演示和驗證技術：包括大型的公共建筑項目或比較重要的建筑(如車站、新機場、橋梁、港口、大壩、核電站等大型工程)、城市規(guī)劃設計方案、城市交通布局設計方案、建筑物室內(nèi)設計、布置和裝飾效果的先期演示、驗證；建筑設計成果、結(jié)構(gòu)設計成果的先期演示、驗證等；
5．建筑機器人中的虛擬現(xiàn)實技術：包括表面修整機器人；隧道工程用機器人；挖掘用機器人；組裝機器人；檢查用機器人；放射性混凝土切割機器人等；
6．建筑、結(jié)構(gòu)藝術與虛擬現(xiàn)實技術。
1 引言
我國是一個發(fā)展中的國家，有大量繁重的基本建設任務。人口城市化已成為不可逆的總趨勢，而人口城市化的比例已成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的一個重要指標。我國目前的城市人口約占總?cè)丝诘?6.4%左右; 估計到2000年，全國城市將發(fā)展到580個左右，城市人口可達到33%。據(jù)統(tǒng)計資料，一個發(fā)展中國家的城市人口達到30%左右時，整個國家的經(jīng)濟會有一個飛躍。依據(jù)這個規(guī)律，我國在本世紀末將會出現(xiàn)國民經(jīng)濟的大飛躍，預計到2020年，全國城市將會發(fā)展到1100個左右，城市人口可達到50%?？紤]到我國的總?cè)藬?shù)和四化建設的規(guī)模，應該說我們正從事的是世界上最大規(guī)模的基本建設，而且正處在一個經(jīng)濟大飛躍的前夕。這種發(fā)展將為土木工程各學科提供優(yōu)良的發(fā)展環(huán)境。這一優(yōu)勢，甚至西方國家目前也不具備。這一大好形勢為我國土木工程科技工作者提供了空前難得的向國際水平?jīng)_擊的良好機遇，同時，如何把握住世紀之交時土木工程學科的發(fā)展趨勢，開創(chuàng)土木工程學科的新紀元，是對我們這些跨世紀一代人的嚴峻挑戰(zhàn)。
在上述形勢下，開創(chuàng)土木工程高新技術的信息化與集成環(huán)境的新紀元的研究與技術競爭已經(jīng)開始，誰先成功地掌握和運用土木工程高新技術的信息化與集成環(huán)境技術，誰就能在國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)——建筑業(yè)的國際競爭和土木工程學科的發(fā)展中取得優(yōu)勢。作為土木工程科技工作者，我們深受這一大好形勢的鼓舞，非常強烈地感受到了信息時代對各個學科、特別是對土木工程學科發(fā)展所帶來的迅猛沖擊。感到與其被動地等待信息革命的浪潮撲來，不如因勢利導、沖在信息革命浪潮的風口浪尖上，積極主動地推動中國土木工程的信息化與集成化。我們應當抓住當前這一大好時機，組織全國的科研力量，投入人力和物力，研究與開發(fā)土木工程的高新技術，以促進我國土木工程學科和建筑業(yè)的發(fā)展。我們在這里介紹的虛擬現(xiàn)實技術就是土木工程高新技術的其中之一。
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality－VR)，有時也稱為靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界(Virtual World)的計算機系統(tǒng)。虛擬世界是全體虛擬環(huán)境(Virtual Environment)或給定仿真對象的全體。虛擬環(huán)境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的感覺的交互式視景仿真，因而一個身臨其境的虛擬環(huán)境系統(tǒng)是由包括計算機圖形學、圖象處理與模式識別、智能接口技術、人工智能技術、多傳感器技術、語音處理與音像技術、網(wǎng)絡技術、并行處理技術和高性能計算機系統(tǒng)等不同功能、不同層次的具有相當規(guī)模的子系統(tǒng)所構(gòu)成的大型綜合集成環(huán)境，所以虛擬現(xiàn)實技術是綜合性極強的高新信息技術，在軍事、醫(yī)學、設計、藝術、娛樂等很多領域都得到了廣泛的應用。
正是由于對身臨其境的真實感和對超越現(xiàn)實的虛擬性的追求，以及建立個人能夠沉浸其中，超越其上進出自如交互作用的多維信息系統(tǒng)推動了虛擬現(xiàn)實技術在土木工程中的發(fā)展與應用。土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術涉及土木工程的各個學科，已顯示出一定的實用性，而且技術潛力巨大，應用前景十分廣闊。
2 虛擬現(xiàn)實技術在仿真與建模中的應用
2.1 傳統(tǒng)的仿真與建模
仿真(Simulation)是通過對系統(tǒng)模型的實驗去研究一個存在的或設計中的系統(tǒng)。這里的系統(tǒng)包括技術系統(tǒng)，如土木、電氣、機械、機電、水力、聲學、熱學等，也包括社會、經(jīng)濟、生態(tài)、生物和管理系統(tǒng)等非技術系統(tǒng)。仿真技術的實質(zhì)也就是進行建模、實驗?，F(xiàn)代仿真技術的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計算機技術的發(fā)展密切相關聯(lián)的?？刂乒こ毯拖到y(tǒng)工程的發(fā)展促進了仿真技術的廣泛應用，而計算機出現(xiàn)及計算技術的發(fā)展，則為仿真提供了強有力的手段和工具。因此，計算機仿真在仿真中占有越來越重要的地位。
仿真技術得以發(fā)展的主要原因是它帶來了重大的社會和經(jīng)濟效益。系統(tǒng)仿真的應用大致可分為：對已有系統(tǒng)進行分析時采用仿真技術；對尚未有的系統(tǒng)進行設計時采用仿真技術；在系統(tǒng)運行時，利用仿真模型作為觀測器，給用戶提供有關系統(tǒng)過去的、現(xiàn)在的、甚至是未來的信息，以便用戶實時作出正確的決策；在系統(tǒng)運行前，利用仿真模型作為預測器，向用戶提供系統(tǒng)運行起來后，可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象，以便用戶修訂計劃或決策；利用仿真模型作為訓練器，訓練系統(tǒng)操縱人員或管理人員。對于工程領域仿真技術可以降低系統(tǒng)的研制成本，可以提高系統(tǒng)實驗、調(diào)試和訓練過程的安全性；對于非工程領域，仿真技術作為研究系統(tǒng)的必要手段，可以盡可能地避免直接實驗。
建立模型(建模)是仿真的第一步，也是十分重要的一步。傳統(tǒng)仿真技術中，一個仿真系統(tǒng)要首先建立起系統(tǒng)的數(shù)學模型——一次仿真模型，然后再改寫成適合計算機處理的形式—仿真模型。仿真模型可以說是系統(tǒng)的二次近似模型。建立起仿真模型后，才能書寫相應的程序。
仿真基本上是一種通過實驗來求解的技術。通過仿真實驗要了解系統(tǒng)中變量之間的關系，要觀察系統(tǒng)模型變量變化的全過程，此外，為了對仿真模型進行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進行多次運行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作，因此，良好的人機交互性是系統(tǒng)仿真的一個重要特性。
仿真技術最早應用于航空航天領域，近年來在機械制造、電氣、水力、社會、經(jīng)濟、生態(tài)、生物等各個領域都得到了廣泛的應用。在土木工程中計算機仿真已經(jīng)應用于如下幾個方面：
在防災工程中的應用：長期以來，人類一直與洪水、火災、地震等自然災害進行著堅持不懈的斗爭。由于自然災害的原型重復實驗幾乎是不可能的，因而計算機仿真在這一領域的應用就更有意義。目前已有不少抗災、防災的模擬仿真系統(tǒng)制作成功，例如洪水泛濫淹沒區(qū)的洪水發(fā)展過程演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)預先存儲了泛濫區(qū)的地形地貌和地物，有高程數(shù)據(jù)可確定等高線，只要輸入洪水標準(如百年一遇的洪水)及預定河堤決口位置，計算機就可根據(jù)水量、流速區(qū)域面積及高程數(shù)據(jù)算出不同時刻的淹沒地區(qū)，并在顯示器和大型屏幕上顯示出來。人們從屏幕上可以看到水勢從低處向高處逐漸淹沒的過程，這樣對防洪規(guī)劃以及遭遇洪水時指導人員疏散是很有作用的。又如在火災方面，對森林火災的蔓延，建筑物中火災的傳播均已開發(fā)出相應的模擬仿真系統(tǒng)，這對消防工程起到了很好的指導作用。
在巖土工程中的應用：巖土工程處于地下，往往難于直接觀察，而計算機仿真則可把內(nèi)部過程展現(xiàn)出來，有很大實用價值。例如，地下工程開挖經(jīng)常會塌方冒項。根據(jù)地質(zhì)勘察，我們可以知道斷層、裂隙和節(jié)理的走向密度，通過小型試驗，可以確定巖體本身的力學性能及巖體夾層界面的力學特性、強度條件，并存入計算機中。在數(shù)值模型中，除了有限元方法外，還可采用分離單元。分離單元在平衡狀態(tài)下的性能與有限元相仿，而當它失去平衡時，則在外力和重力作用下產(chǎn)生運動直到獲得新的平衡為止。分析地下工程的圍巖結(jié)構(gòu)，邊坡穩(wěn)定等問題時，可以把節(jié)理斷層劃分為許多離散單元。這一過程可以在顯示器和大型屏幕上顯示出來，最終可以看到塌方的區(qū)域及范圍，這就為支護設計提供了可靠依據(jù)。
在建筑系統(tǒng)工程中的應用：在建筑系統(tǒng)工程中，如項目管理系統(tǒng)、投標決策系統(tǒng)，在數(shù)學上可歸納為一定約束條件下的優(yōu)化模型，這種計算量往往十分巨大，模型也很復雜，人工難于求解，而運用高速計算機可快速求出可行解。在復雜系統(tǒng)中，許多環(huán)節(jié)都具有隨機性，我們可以在統(tǒng)計的基礎上將隨機事件概率引入仿真系統(tǒng)中，這樣可以從仿真結(jié)果中得到相應的風險評價。
在工程結(jié)構(gòu)分析中的應用：工程結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的反應，其破壞特征和極限承載力是人們所關心的。當結(jié)構(gòu)形式特殊，荷載及材料特性復雜時，人們往往求助于模型試驗來測定其受力性能，但模型試驗往往受到場地和設備的限制，只能做小比例模型試驗，難以完全反映結(jié)構(gòu)的實際情況。若用計算機仿真技術，則可以進行足尺寸的試驗，還可以很方便地修改參數(shù)。此外，有些結(jié)構(gòu)難于進行直接試驗，用計算機模擬仿真就更能體現(xiàn)出優(yōu)越性，如核反應堆安全殼事故反演分析，汽車高速碰墻的檢驗試驗，地震作用下的構(gòu)筑物倒塌分析等只有采用計算機模擬仿真，分析才能大量進行。又如在高速荷載作用下，結(jié)構(gòu)反應很快，人們在真實試驗中只能觀察到最終結(jié)果，而不能觀察試驗的全過程。如果采用計算機模擬仿真試驗，則可觀察其破壞的全過程，便于破壞機理的研究。對于長期的徐變過程則可在模擬中加快其變化過程，讓人們清楚地看到其過程。
2.2 基于虛擬現(xiàn)實技術的仿真與建模
傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術很少研究人的感知模型的仿真，因而無法模擬人對外界環(huán)境的感知(聽覺、視覺、觸覺)。隨著多媒體技術、計算機動畫、傳感技術的發(fā)展，計算機模擬外界環(huán)境對人的感官刺激開始成為可能。事實證明，人類對于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠遠大于數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。把虛擬現(xiàn)實技術引入系統(tǒng)模擬仿真的各個階段，可使人沉浸其中，對所需解決的問題有清晰的認識，而不必在屏幕外面去觀察仿真的結(jié)果，將使模型的建立和驗證更加方便。虛擬現(xiàn)實技術主要體現(xiàn)在：計算機根據(jù)所建立的領域知識庫和數(shù)據(jù)庫運用人工智能、模式識別等技術，主控機構(gòu)進行建模、學習、規(guī)劃和計算。通過三維動畫制作和顯示頭盔進行該領域的視覺模擬；通過傳感機制和觸覺手套來進行該領域的模擬；通過音響制作和音效卡進行聲音模擬；通過機械控制和傳動裝置進行動感模擬。然后將人對這些感官刺激所作的動作反應反饋給主控機構(gòu)，從而實時產(chǎn)生新的感覺模型的模擬。
土木工程和人們的生活息息相關，建立多維信息感知模型，并將其應用于仿真系統(tǒng)中對于這一行業(yè)具有重大意義。虛擬現(xiàn)實技術在土木工程仿真與建模中主要應用于：
在減災、防災中的應用 虛擬現(xiàn)實技術在減災、防災仿真建模中的應用已在積極嘗試之中。1993年，英國的Colt Virtual Reality公司開發(fā)了一個稱為Vegas的火災疏散演示設計模擬防真系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于Dimension International的Superscape虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)而開發(fā)的，該系統(tǒng)的三維動畫可以演示火災時人員的疏散情況，并可以方便地修改各種參數(shù)。應用該系統(tǒng)對地鐵、港口等典型建筑物火災時的人員疏散情況進行了模擬仿真驗證，取得了良好的效果。
該系統(tǒng)使用戶具有沉浸感，讓用戶能夠親身體驗火災時的感受，根據(jù)用戶的描述，研究火災時人們的心理表現(xiàn)。另外，還可以進行消防人員救火搶險的模擬訓練，疏散人群的模擬訓練，而不必再采用真正點火的方法進行類似實驗。通過普通用戶的參與，培養(yǎng)大眾在火災到來時，能夠具有良好的防災意識，迅速離開火場或采取報警、救人等措施。
我們還可以利用虛擬現(xiàn)實技術建立其他抗災、防災的仿真模型，使社會具有一定的應變能力。
在模擬施工過程中的應用 建筑施工是復雜的大型的動態(tài)系統(tǒng)，它通常包括立模、架設鋼筋、澆注、振搗、拆模、養(yǎng)護等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關系復雜，直接影響著混凝土澆筑的進程。模擬施工過程是為了通過仿真手段，去發(fā)現(xiàn)實際施工中存在的問題或可能出現(xiàn)的問題，這就需要對實際施工進行仿真。而目前施工過程的模擬只是從幾何形體方面模擬施工的過程，即按樓層關系由下而上，每一層按柱、梁、板的幾何形狀加以著色來實現(xiàn)對施工過程的模擬?，F(xiàn)有的模擬只是對進度計劃起到了一定作用，并沒有對施工過程起到真正的作用。
基于以上原因，需對施工過程建立合適的模型，以達到模擬仿真的效果。例如，大型水利樞紐混凝土在運輸澆筑系統(tǒng)的模擬仿真模型，是由運輸子系統(tǒng)和澆注子系統(tǒng)構(gòu)成的，模型是按進程交互的仿真策略建立的，按這種條件建立的模型能與仿真程序間保持緊密的對應關系，程序所要模仿的行為比較直觀、清晰。程序流程直接與模型結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)狀態(tài)相對應。如果在其中引入虛擬現(xiàn)實技術，使其實現(xiàn)對施工過程的仿真模擬，并且通過人機接口(頭盔、立體眼鏡以及數(shù)據(jù)手套等)使得決策者處于這一虛擬的環(huán)境之中，則達到了模擬施工過程，發(fā)現(xiàn)問題的目的。
3 計算機輔助設計(CAD)中的虛擬現(xiàn)實技術
在土木工程行業(yè)中應用CAD技術，一般可以收到如下效果：首先，可以縮短設計工期。由于計算處理速度快，并能不間斷的工作，因而可以大大地提高設計效率，從而縮短了設計工期，設計工期的縮短意味著建設成本的降低，同時便于方案優(yōu)化。其次，可以提高設計質(zhì)量。使用自動化程度較高的CAD系統(tǒng)進行設計時，設計者只需輸入一些有關設計初始條件的數(shù)據(jù)，由計算機調(diào)用結(jié)構(gòu)分析程序進行分析計算，就可得到設計結(jié)果，此外利用計算機可以得到清晰、整齊、美觀的設計圖紙和文檔，便于校核和修改，從而有效地防止了手工繪圖中尺寸標注錯誤，不同圖紙在表達同一構(gòu)件時的不一致性等錯誤的產(chǎn)生，從而提高了設計質(zhì)量。另外，可以降低設計成本。應用CAD技術可以幫助設計者提高設計效率，當設計費較高而CAD系統(tǒng)費用較低時，就會使成本降低，取得了明顯的經(jīng)濟效益。
一般建筑或建筑物的建設都要經(jīng)過規(guī)劃、設計、施工、維護管理等階段，目前，CAD技術已經(jīng)被廣泛應用于各個階段中，下面從CAD技術的應用角度探討一下虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀和應用前景。?
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3.1 在規(guī)劃中的應用
對于任何工程項目，規(guī)劃工作都是十分重要的。一般土木建筑工程的規(guī)劃都需要考慮眾多的因素，例如，土地利用、經(jīng)濟、交通、景觀、法律等有關社會經(jīng)濟的因素，氣象、地質(zhì)、地形、水等有關自然的因素，以及水質(zhì)、噪音、土地污染、綠化等生活環(huán)境的因素等等。
? 對應于該階段的CAD系統(tǒng)主要有兩類：
規(guī)劃信息的存儲和查詢系統(tǒng) 例如土質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，地域信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)，城市政策信息系統(tǒng)等。這一類系統(tǒng)多采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的形式?，F(xiàn)行數(shù)據(jù)庫的一個缺陷在于數(shù)字化程度高，可視化程度低，這種數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來是抽象的，可接受性差，例如，地理信息系統(tǒng)對地形地貌的表現(xiàn)，如果只是由數(shù)字來表現(xiàn)，則可讀性很差，如果表現(xiàn)為地形
圖的形式，則相對容易接受。而采用虛擬現(xiàn)實技術，在系統(tǒng)中輸入地形、地貌的數(shù)據(jù)，則可以從不同的角度去觀察，不但可以取得必要的數(shù)據(jù)，而且能夠有直觀的感受，不用再勞神費力地想象地形圖所表現(xiàn)的實際地形情況。?
規(guī)劃的輔助表現(xiàn)集成系統(tǒng) 例如景觀表現(xiàn)系統(tǒng)，交通規(guī)劃系統(tǒng)等。目前，景觀表現(xiàn)系統(tǒng)其表現(xiàn)物段主要是二維的圖片，如果能夠讓用戶產(chǎn)生一種身臨其境－“人在畫中游”的感覺，則景觀的規(guī)劃將更加科學合理、全面，而這種身臨其境的感覺，正是虛擬現(xiàn)實技術要解決的問題。實際上應用于景觀表現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已經(jīng)開始試用，德國的Frankfort的中心城市，最近將城市模型輸入虛擬環(huán)境，用以規(guī)劃一座銀行，其實現(xiàn)并不是很復雜：首先把各個建筑物的平面圖(輪廓)輸入到記錄地區(qū)的數(shù)據(jù)庫中，將各建筑物的高度賦于適當?shù)闹档淖詣由扇S城市模型；再對重要建筑物利用CAD系統(tǒng)以不同精度進行修改，把建筑物正面的照片掃描進去經(jīng)過修改加工輸入CAD數(shù)據(jù)庫；最后在VR系統(tǒng)及數(shù)據(jù)模型中加上動態(tài)措施及環(huán)境因素。目前，這一系統(tǒng)可以讓人得到在其中漫游的感覺，以后還可望在此基礎繼續(xù)修正。?
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3.2 在建筑設計中的應用
建筑設計CAD的類型及缺陷 一般土建結(jié)構(gòu)的設計都包含結(jié)構(gòu)形式的選定，形狀尺寸的假定、模型化、結(jié)構(gòu)分析驗算、圖面繪制、材料計算等過程。CAD技術在土建工程中最早的應用就是在結(jié)構(gòu)設計中，目前對應于設計的CAD系統(tǒng)也可以分為三類：
第一類，對應于各個設計過程中的系統(tǒng)。例如結(jié)構(gòu)形式選擇系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)、設計系統(tǒng)、繪圖系統(tǒng)、材料計算系統(tǒng)等，其中每個系統(tǒng)都可以處理多種結(jié)構(gòu)形式。?
第二類，集成化設計系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的自動化程度一般較高，只需輸入少量的數(shù)據(jù)，利用集成系統(tǒng)即可完成設計的全過程。?
第三類，通用CAD系統(tǒng)，如AutoCAD，Microstation等。這類系統(tǒng)只提供基本的圖形處理功能，可用來繪制各個工程領域的設計圖紙。該類系統(tǒng)的作業(yè)效率一般較低，需要進行二次開發(fā)，以適用不同專業(yè)的需要。?
這些CAD系統(tǒng)擅長于進行幾何數(shù)據(jù)處理，以表現(xiàn)三維空間的物體以及著色；但對于處理建筑設計工程中的復雜物理數(shù)學關系，如結(jié)構(gòu)應力，熱傳導，聲，光效應等，則顯得無能為力。另外，由于適用各個設計過程的系統(tǒng)使用起來不方便，為完成一項設計需要使用多個系統(tǒng)，不但要掌握每個系統(tǒng)的使用方法還需重復輸入大量數(shù)據(jù)，所以集成化設計系統(tǒng)已有取代各種分項設計系統(tǒng)的趨勢。?
目前的CAD系統(tǒng)大都建立在繪圖支撐軟件的基礎上，繪圖與分析計算是分開的。在繪圖階段單純地就是繪圖，計算機輔助設計體現(xiàn)在將設計人員的思想用圖形表現(xiàn)出來(特別是用于繪制施工圖時)，而不是在全局上，從方案選擇、具體設計、分析計算到施工圖
繪制輔助設計人員設計全過程。人們希望有了設計人員的知識，經(jīng)驗及設想后，通過計算機的分析，計算比較判斷，不僅將方案形象地表現(xiàn)出來，而且將量化后的數(shù)據(jù)及結(jié)論輸出來，設計者再依據(jù)它修改方案。這就是繪圖與結(jié)構(gòu)計算一體化的思想。?
目前的集成化軟件雖然已經(jīng)向繪圖與計算相結(jié)合的目標邁進，即實現(xiàn)了在建模后緊接著進行計算，建模所形成的數(shù)據(jù)可為后續(xù)的計算所利用。但是，兩者還是各自為政的。更進一步的做法是將兩者結(jié)合起來，隨著模型的建立進行分析比較，將所得出的信息作為建模的參考。目前此類軟件的缺點在于操作時規(guī)定限制多，且菜單級別過多，過分強求樹狀結(jié)構(gòu)，使操作繁雜。?
虛擬現(xiàn)實技術在建筑設計中的應用 將虛擬現(xiàn)實技術應用于集成化CAD系統(tǒng)中，能夠較好地解決以上存在的問題，實現(xiàn)理想的繪圖與結(jié)構(gòu)計算一體化。如果把虛擬現(xiàn)實技術與現(xiàn)在的集成化CAD系統(tǒng)的設計思想相結(jié)合，創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實的集成化CAD系統(tǒng)，從設計的建筑方案、結(jié)構(gòu)方案的選擇直至最后結(jié)果的實現(xiàn)必將大大提高設計效率，提高設計質(zhì)量。?
首先，建筑師利用虛擬現(xiàn)實CAD系統(tǒng)可以很方便地建立和修改建筑方案。建筑師仿佛置身于待建場地中，很方便地從庫中提取各種物件和材料、家具、設備，象搭積木一樣搭起一座虛擬的建筑，該虛擬建筑的尺寸可以和實際設計中的建筑一樣，其色彩逼真，并且有材料的質(zhì)感，建筑師可以對其進行著色，修改，并可以在隨時改變視角和光源的條件下從任何視點去觀察這座建筑，以便得出滿意的方案。?
然后，結(jié)構(gòu)設計師就可以利用已經(jīng)建起的模型，選取結(jié)構(gòu)方案調(diào)整荷載和定義荷載，由系統(tǒng)自動進行結(jié)構(gòu)分析，得出結(jié)果如配筋量和配筋圖等，如果不能滿意，則可修改參數(shù)或方案。?
設計中比較令人頭痛的一個問題就是建筑、結(jié)構(gòu)、設備等各方的協(xié)調(diào)問題。目前采用的方法是各方分別設計，再一起討論，協(xié)商修改，反復進行直到滿意。如果采用VR集成CAD系統(tǒng)，則可以實現(xiàn)各方同時設計，在設計過程中遇見沖突隨時協(xié)調(diào)直到滿意為止。?
3.3 在室內(nèi)裝飾中的應用
工程項目進入室內(nèi)裝修階段通常臨近預定的竣工日期，工期非常緊，而裝飾施工圖又比較粗糙，在不少施工圖中裝飾線條的尺寸比例估計不足，因而在裝飾施工中，返工是屢見不鮮的，由此而造成工期延長，造價增加，有時還不可避免地影響外觀效果與內(nèi)在質(zhì)量。運用VR集成CAD技術在施工前就可以事先在計算機上進行室內(nèi)裝飾的模擬，從計算機的顯示屏上進行修改，以解決設計中某些與實際脫節(jié)的現(xiàn)象，使上述弊病得以避免。?
隨著建筑業(yè)的發(fā)展，越來越多的建筑物采用外墻貼鋪面磚面，面磚的色彩豐富，規(guī)格多樣，加之建筑造型各異，使得面磚貼鋪方案的確定大有文章可做，目前的常規(guī)方法是在建筑施工立面圖上劃出面磚的分隔，并著色來觀察效果，確定方案，這種做法缺點是立面越多，考慮的方案越多，要繪的圖紙就越多，工作量很大。運用VR集成CAD 技術在計算機上模擬貼面磚，模擬面磚色彩，即可減少重復制圖還可以在計算機屏幕上顯示出用繪圖儀繪制出模擬效果以便進行比較。CAD技術不僅可用于外墻貼面磚的模擬，還可以用于模擬室內(nèi)外鋪貼地磚，花崗石大理石等。由于在施工過程中，進行模擬繪制，是按現(xiàn)場粉涮后則得的實際尺寸進行模擬和繪制的，這樣的模擬與實際非常貼近，使得現(xiàn)場施工時定位放線與模擬圖十分吻合，從而避免了以往施工放線時的尺寸與原施工圖尺寸有誤差而帶來的種種麻煩。?
由此可見，裝飾工程中引入VR集成CAD 技術的前景是十分誘人的。如果在計算機中輸入裝飾房間的模型，再接入虛擬現(xiàn)實設備，設計者就能身臨其境地處在房間中，可以直接體驗各種裝飾方案，也可以對裝飾方案進行修改，這樣即節(jié)省了時間，也使最終方案具有更強的可信性。
在室內(nèi)裝飾的其它方面，如選擇貼墻紙還是貼面磚，面磚、地磚的顏色、圖案、分隔形狀的選擇都是很繁的，傳統(tǒng)的方法是做出縮小的實際模型，在實際的模型上進行實驗，這樣做不僅費時、費錢而且其效果并不好。如果在計算機中輸入實際房間的模型，再引入虛擬現(xiàn)實設備，一切就將變得簡單輕松，設計者身處所需裝飾的房間，按照自己的構(gòu)思去裝飾、修改，并且可以變換自己在房間中的位置，去觀察裝飾的效果，直到滿意為止，這樣既節(jié)約了時間，又節(jié)省了做模型的費用，其結(jié)果更可信?？梢栽O想，在未來的裝飾工程中虛擬現(xiàn)實技術將會代替現(xiàn)有的實際模型而顯示出其強大的生命力。?
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3.4 在建筑機械設計中的應用
建筑機械的適用程度是直接影響到建設時間和建筑質(zhì)量的一個重要，很長的一段時間內(nèi)人們并未認識到這個問題，但隨著科學的不斷進步，建筑機械化程度的不斷提高，這個問題將會被人們所重視。在目前的機械設計上，用機械CAD也可以實現(xiàn)屏幕上的三維動畫演示，但它無法實現(xiàn)操作者的虛擬實際操作。?
我們知道建筑機械的適用包括兩個方面，一方面是要最大程度地發(fā)揮該機械的效能，另一方面，它的操作應該簡單適用。如果設計出一個新的機型，卻無法實現(xiàn)操作者的虛擬實際操作那么該機型在實際操作中可能存在的問題就無法發(fā)現(xiàn)。?
第一個受虛幻現(xiàn)實影響的設計是1996年推出的反鏟載機。美國卡特彼勒公司建筑機械產(chǎn)品部工程師貝特納在《光譜》雜志上發(fā)表文章，闡述他們在理論上有三個看上去都是可行的不同設計，用他們開發(fā)的虛幻環(huán)境系統(tǒng)對這三個設計方案進行了先期效果的演示驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中兩個設計在操縱反鏟傳動機時，會不時進入視野死角。如果不使用虛幻環(huán)境系統(tǒng)，只有在樣機造出后才能發(fā)現(xiàn)。結(jié)果卡特彼勒公司提前9個月選定了設計方案，并且節(jié)約了按其它兩個較差設計方案試制樣機所需的巨額費用。?
在建筑機械設計中應用虛擬現(xiàn)實技術主要有以下幾個特點：
1．建立虛擬模型將減少或者消除對昂貴的實際模型所需要的費用。?
2．通過綜合虛擬模型的虛擬結(jié)果工程分析將使結(jié)果更加有效。?
3．進行性能和人機工程方面的研究時，將允許人直接參與操作模擬。?
4．對裝配、制造和維修等工作進行虛擬仿真模擬，可在設計過程的最初階段發(fā)現(xiàn)可能存在的缺陷和問題，減少不必要的浪費，進行模擬職業(yè)培訓，提高勞動力的適用性和技能。?
由此可以看出，在未來的建筑機械設計中，虛擬現(xiàn)實技術有著極其廣泛的前景，我們可以相信，在將來的建筑機械設計中，虛擬模型將會代替實際模型，并以目前的VR集成CAD 技術的優(yōu)勢而取代現(xiàn)有的設計方式。
4 建筑與結(jié)構(gòu)的設計和施工過程的可視化計算技術
在科學研究中，人們會遇到大量的數(shù)據(jù)。為了從中得到有價值的規(guī)律和結(jié)論，需要對這些數(shù)據(jù)進行認真分析。例如，為了設計出阻力小的機翼，科學家必須詳細分析空氣的動力學特性，這需要巨大的計算量。為了使這種分析更加直觀而發(fā)明了風洞試驗的方法：通過使用煙霧氣體，可以用肉眼直接觀察到氣體與機翼的作用情況，因而大大提高了對機翼的空氣動力學特性的了解。在研究微觀領域，如蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及分子結(jié)構(gòu)時，由于這些結(jié)構(gòu)超出了人眼所能觀察的范圍，使人難于理解和接受。我們通常采用分子結(jié)構(gòu)模型、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模型來研究這些問題，使得問題更加易于理解。這種把不能或不易直接觀察的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為眼睛能夠觀察到的現(xiàn)象的技術稱為可視化技術。在計算機圖形學和工程設計領域，科學可視化可以定義為：對科學計算取得的數(shù)據(jù)進行可視化加工或三維圖形顯示，并可通過交互地改變參數(shù)來觀察計算結(jié)果的全貌及其變化。
在我國的現(xiàn)代化建設中，建筑業(yè)越來越成為對國民經(jīng)濟發(fā)展起制約作用的支柱產(chǎn)業(yè)。同時，隨著社會和科技的發(fā)展，建筑物的規(guī)模、功能、造型和相應的建筑技術越來越大型化、復雜化和多樣化。所采用的新材料、新設備、新的結(jié)構(gòu)技術和施工技術日新月異，節(jié)能技術、信息控制技術、生態(tài)技術等日益與建筑相結(jié)合。建筑業(yè)和建筑物本身正在成為許多新技術的復合載體。而超高層和超大跨度建筑、特大跨度橋梁及作為這些超大型復雜結(jié)構(gòu)核心問題的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)技術則是代表一個國家建筑科學技術發(fā)展水平的重要標志。
超高層、超大跨度建筑和特大跨度橋梁這些超大型復雜結(jié)構(gòu)的設計和施工技術含量高，具有結(jié)構(gòu)形式豐富、設計與施工高度相互作用、設計和施工內(nèi)業(yè)工作量大等特點。可視化計算技術將給這些超大型復雜結(jié)構(gòu)的設計和施工控制技術帶來了新的內(nèi)涵，將使其變得比較容易，方便和更加直觀。
例如，大跨度斜拉橋的施工大都采用懸臂澆注或拼裝的方法，一般要經(jīng)過多次的循環(huán)，而每一個循環(huán)內(nèi)還要包括好幾個工況，另外，由施工中的實際結(jié)構(gòu)來反饋影響設計也是大跨度斜拉橋的一大特點。因此，在設計階段無論是組織數(shù)據(jù)，編排仿真計算過程，階段內(nèi)力調(diào)整還是數(shù)據(jù)的輸入以及計算結(jié)果的整理其工作量非常之大，且極容易出錯，而對于斜拉橋施工階段的內(nèi)力和標高控制問題，更是具有顯著的特點，其中最主要的是要根據(jù)施工中的實際結(jié)構(gòu)來修正起初設計中的一些基本條件。以前由于受計算機技術的限制，這方面的研究工作相對滯后于橋梁工程的發(fā)展需要。因此，研制開發(fā)超大型復雜結(jié)構(gòu)的設計和施工控制的可視化計算技術是當務之急，極有必要。
可視化技術在土木工程中有著廣泛的應用。土木工程離不開數(shù)據(jù)的處理，各種數(shù)據(jù)不僅數(shù)量大，而且較抽象，難于理解。工程師更愿意用內(nèi)力圖來表示內(nèi)力情況；用單元受力圖來表示某點的受力狀態(tài)；用撓度來表示某種荷載下構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的彎曲程度，雖然這些力和撓度是眼睛觀察不到的。在這種情況下，應用可視化技術可以做到一目了然?？梢暬嬎愕膽弥饕校?BR>
4.1 建筑物、大型結(jié)構(gòu)的風洞試驗的可視化計算
在土木工程中，重要結(jié)構(gòu)，如電視塔、大型橋梁、超高層建筑、過街樓等，通常要進行風洞試驗。為了觀察空氣在建筑物中或建筑物間運動狀況，也采用煙霧氣體的方法，使科學家能夠直接觀察到氣體的運行狀況。
但是，進行傳統(tǒng)的風洞試驗需要采用實物模型。這種方法的缺點是：制作模型即費時又昂貴；由于模型通常比實物小，這就使實驗存在著一定的誤差；另外，人無法在近距離觀察實驗情況(因為這樣將影響到實驗結(jié)果)，這就給實驗數(shù)據(jù)的獲取造成了一些麻煩，從而會加大實驗的誤差。
虛擬現(xiàn)實技術可以克服傳統(tǒng)的可視化計算中存在的這些缺點。虛擬的風洞可以讓工程師看到模擬的空氣流場，使其感到好象真的站在風洞里一樣。虛擬風洞的目的是讓工程師分析多漩渦的復雜三維性質(zhì)和效果，空氣循環(huán)區(qū)域被破壞的亂流等。而這些分析利用通常的數(shù)字仿真是很難實現(xiàn)可視化的，利用虛擬現(xiàn)實技術可以很好的解決這個問題。例如，可以將一個建筑的CAD模型數(shù)據(jù)調(diào)入該虛擬風洞進行性能分析，為了分析空氣流模式可以往空氣流中注入軌跡追蹤物，該追蹤物將隨氣流漂移，并將其運動軌跡顯示給工程師。追蹤物可以通過數(shù)據(jù)手套任意指向指定的位置，工程師可以從任意角度觀察其運動軌跡，以得出滿意的答案。
4.2 結(jié)構(gòu)有限元分析的可視化計算
在運用傳統(tǒng)的有限元法進行結(jié)構(gòu)分析時，結(jié)構(gòu)應力的結(jié)果通常采用內(nèi)力圖等力線的形式描繪出來，給人以直觀的印象。利用虛擬現(xiàn)實技術則可以通過顏色的深淺給出三維物體中各點力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點去觀察。還可以利用VR的交互性能，實時修改各種數(shù)據(jù)，以便對各種方案及結(jié)果進行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。
超高層、超大跨度建筑和特大跨度橋梁這些超大型復雜結(jié)構(gòu)的設計、工程控制和的施工控制需要進行多次的結(jié)構(gòu)重分析。如對斜拉橋和大型連續(xù)梁橋的理想后退分析、實時前進分析等。分析之前，首先要建立有限元結(jié)構(gòu)分析總模型和施工階段模型，其中包括單元拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點信息、剛度數(shù)據(jù)、材料特性、邊界支持條件、荷載分布等。把可視化計算技術應用于這些超大型復雜結(jié)構(gòu)的設計、工程控制和結(jié)構(gòu)分析中，將增強計算軟件的前后置處理能力。例如，在橋梁工程控制和結(jié)構(gòu)分析的可視化計算中，倒退(拆)分析結(jié)構(gòu)倒拆動態(tài)演示、結(jié)構(gòu)理想施工線型顯示、施工階段主梁形心線的設計曲線和實測擬合曲線的顯示、前進分橋結(jié)構(gòu)拼裝動態(tài)演示、施工預告圖形顯示、主梁內(nèi)力圖顯示、危險截面應力分布圖顯示等等。
更重要的是能借助圖形或圖像來進行實時動態(tài)地控制結(jié)構(gòu)的重分析和獲取施工控制數(shù)據(jù)，同時能實時動態(tài)演示和控制設計和施工的過程。
4.3 施工過程模擬的可視化計算
可視化計算在土木工程施工過程中也有用武之地。例如，在鋼筋的連接方面，現(xiàn)在應用得很廣泛的套筒冷擠壓技術，在研究其基理及可靠性時，是用實物擠壓，然后再作強度破壞。為了達到施工的安全目的并且給出施工技術，要做成千上萬組的實驗，然后對實驗數(shù)據(jù)進行分析，來確定破壞機理，建立力學模型。如果運用可視化計算，在計算機中輸入套筒與鋼筋的物理特性、力學特性，建立模型，就可以在計算機屏幕上看到不同型號的套筒和鋼筋在不同壓力下的擠壓情況，作出鋼筋和套筒的力－變形曲線，研究其機理，建立力學模型。
但是傳統(tǒng)的可視化計算也有其局限性，其局限性在于只能觀察縱斷面和橫斷面的情況，只能起到一定的輔助作用。如果在可視化計算的基礎上，再引入虛擬現(xiàn)實技術，那么在立體的環(huán)境中，工程師可以觀察到擠壓下鋼筋和套筒上任一點的變形從無到有到穩(wěn)定的全過程。并且對于最后的變形情況有直觀的了解。在實物實驗的基礎上，將實驗中所歸納出的基理輸入到計算機中，對原來的模型進行修改，工程師就可以建立出可信的力學模型。
同濟大學在橋梁工程控制的可視化計算方面做了許多出色的工作。在橋梁工程控制的可視化計算中，理想施工可視化倒退分析是在成橋結(jié)構(gòu)理想初始狀態(tài)下，對結(jié)構(gòu)進行倒折，分析每次卸除一個施工段對剩余結(jié)構(gòu)的影響各個階段倒退分析出的結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力狀態(tài)便是理想的施工狀態(tài)。一般地，理想施工狀態(tài)的確定由倒退分析系統(tǒng)完成。每完成一階段的倒退分析都是對該階段結(jié)構(gòu)作一次完整的有限元分析，對大型結(jié)構(gòu)，這樣的分析在一般的計算機上要花費較多機時，很難實現(xiàn)實時地倒拆分析動態(tài)演示。采用并行計算技術，可使這種分析及其動態(tài)演示達到基本同步(準實時)的程度。
可視化計算中，可視化前進分析是指按施工階段逐步進行的一種結(jié)構(gòu)分析。這種分析的特點是：隨著轎梁施工階段的推進，結(jié)構(gòu)形式、邊界條件、載荷形式在不斷改變，前期完成的結(jié)構(gòu)會發(fā)生徐變和幾何位置的改變，這些因素必須在下一施工階段分析中予以考慮．前進分析系統(tǒng)是一種有限元分析系統(tǒng)的擴充，擴充內(nèi)容主要包括階段模型的自動拼裝和已施工段混凝土徐變、收縮效應的計入。同樣地，采用并行計算技術也可使前進分析像倒退分析一樣快速地進行，從而實現(xiàn)可視化前進分析的準實時動態(tài)演示。
可視化計算中，實時可視化跟蹤分析是指通過現(xiàn)場量測和計算機模型計算對量測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)進行綜合分析，以便對下一步施工進行指導，使其不會偏離理想施工狀態(tài)過大它是實現(xiàn)橋梁工程控制助關鍵。其中主要包括量測數(shù)據(jù)采集、結(jié)構(gòu)分析、溫度修正計算、參數(shù)識別和施工預告計算。量測數(shù)據(jù)采集是以施工控制為目的在施工現(xiàn)場對每個施工階段的控制變量(如撓度、應力和斜拉橋索力)進行檢測和收集。結(jié)構(gòu)分析對已施工部分進行初步檢算和提供用于參數(shù)識別的計算結(jié)果。溫度修正計算用來扣除由于溫度而引起的對識別參數(shù)的影響。參數(shù)識別是為了消除因設計參數(shù)取值的不確切性所引起的在施工中設計與實際的不一致性；通過對實際結(jié)構(gòu)反應(如撓度、索力等)信息的處理，求出符合實際結(jié)構(gòu)的設計參數(shù)(如截面特性、主梁自重、徐變計算中的系數(shù)等)。施工預告就是根據(jù)這些較符合實際的設計參數(shù)，由可視化前進分析向前計算直至竣工得出的，它預告今后施工可能出現(xiàn)的狀態(tài)并預告下一階段當前已安裝好的構(gòu)件或即將安裝的構(gòu)件是否會出現(xiàn)不滿足強度要求的情況，以確定是否要在本施工階段對可調(diào)變量進行調(diào)整。
在進行實時跟蹤分析時，首先要輸入所采集到的現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)，確認后，可視化計算系統(tǒng)將自動擬合所采集到的數(shù)據(jù)，將“施工階段主梁形心線的設計曲線”和“實測擬合曲線”顯示于屏幕上，供用戶分析和參考用。其次，通過結(jié)構(gòu)分析的可視化計算程序，將“監(jiān)測點撓度對比”、“監(jiān)測索索力對比”、“主梁內(nèi)力圖”、“危險截面應力分布圖”和“主梁形心線撓度曲線” 顯示于屏幕上。通過溫度修正可視化計算模塊，輸入實測溫度，系統(tǒng)會自動調(diào)用溫度修正計算程序，并在計算完成后，將修正后的數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫，供參數(shù)識別用。然后，系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)識別系統(tǒng)求出較符合實際的設計參數(shù)，存人數(shù)據(jù)庫，供可視化前進分析和后退分析時用。最后，進行“前進分析結(jié)構(gòu)拼裝動態(tài)演示”、“施工預告圖形動態(tài)演示”、“主梁內(nèi)力圖動態(tài)演示”、“危險截面應力分布圖動態(tài)演示”分析，達到對橋梁施工控制的目的。
同樣，對于一些看不到其內(nèi)在情況的施工技術，我們也可以運用引入虛擬現(xiàn)實的可視化計算技術，只作少量的實物實驗就可以達到事半功倍的效果。
5 先期技術成果演示與論證技術
一個大型的公共建筑工程項目或比較重要的建筑，如車站、機場、電視塔、橋梁、港口、大壩、核電站等，建成后往往會對某一地區(qū)的景觀、環(huán)境等有較大的影響。它們建設成本高，社會影響大，其安全性、經(jīng)濟性以及功能合理性的意義更加重大。目前，這種重大項目的建設過程的初期經(jīng)濟評價是建立在高度抽象的模型基礎上，其結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)很大偏差。項目上馬前的功能評價也只是建立在想象和經(jīng)驗的基礎上，經(jīng)常出現(xiàn)偏差。而這種偏差造成的功能上的缺陷幾乎是無法彌補的。當然，目前也有一些功能評價建立在物理模型和計算機仿真模型分析的基礎上。但物理模型是縮小比例的模型，試驗和評價難免出現(xiàn)誤差，而且試驗周期長，費用較高。目前，計算機仿真模型由于存在和圖形結(jié)合差、可視化不強的缺點，許多功能上的評價，特別是建筑的使用功能的評價，很難達到滿意的效果。如何在建筑的設計階段就對方案進行全面、客觀的評價，是人們所關心的問題。這種評價技術就稱為建筑設計的先期技術成果的演示和論證技術。
許多研究未來城市的資料表明：到了下個世紀，隨著城市人口的空前增長，市民文化素質(zhì)的提高、土地需求的白熱化狀態(tài)、以及城市機能的高度集約化和信息化，工業(yè)時代城市的穩(wěn)定社會結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)職能均被打破，許多新的課題將應運而生。城市人口的高速增長帶來的一系列社會問題，城市組團密集導致的城市結(jié)構(gòu)系統(tǒng)擴張，城市為向三度空間的發(fā)展所期待的新環(huán)境研究，城市建筑(特別是住宅)的高密度和多樣化需求提出的新內(nèi)容、新形式課題，高速運載系統(tǒng)對環(huán)境的沖擊，大量人口需求戶外娛樂對社會和生態(tài)的影響，以及人們對環(huán)境質(zhì)量的新要求，能源匱乏和生態(tài)環(huán)境面臨的危機等，所有這些都與城市實質(zhì)環(huán)境有關。因此，在環(huán)境保護意識日益受到重視的今天，我們不能不考慮到一個建筑對周圍環(huán)境所產(chǎn)生的影響，毫無疑問，在工程竣工以前，我們不可能以一個與實際建成后的建筑同等比例的模型置于實際的環(huán)境中，用以考察該建筑物對于周邊環(huán)境的影響。以三峽工程為例，對于本世紀最大的水利工程，其影響是深遠的，一旦其建成以后無論是對生態(tài)環(huán)境，還是社會環(huán)境都有相當大的影響。就在截流前幾天，一批科學家對三峽上下游進行全面考察，其目的不言而喻自然是為了得到各方面的相關數(shù)據(jù)，從而保護上下游的自然環(huán)境。然而，以傳統(tǒng)的在一堆抽象的數(shù)字上加以想象力的發(fā)揮，其結(jié)果的可信度無疑并不十分理想。
本世紀20年代以來，整個建筑行業(yè)形成了一種設計模式。建筑師可以撇開工程師，進行“純”建筑設計，所有環(huán)境、氣候的影響，以及設計功能上的不足，最終都可用現(xiàn)代化的設備、材料和技術來彌補。一直到80年代，這種設計思想仍然是建筑設計的主流。但是，近年以來，這種設計模式面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。
對當前設計思想的挑戰(zhàn)來自人類面臨的能源危機和生存環(huán)境的污染和惡化。環(huán)境惡化和能源危機產(chǎn)生的根本原因都是人類過度使用能源。統(tǒng)計估算表明，目前人類能耗的49％都用于維持建筑物的內(nèi)部環(huán)境上。相比之下，用于工業(yè)和交通業(yè)的能耗才分別占26％和25％。這一數(shù)據(jù)向現(xiàn)行的建筑設計模式提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，建筑設計也要考慮節(jié)能問題。建筑設計人員，包括建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、設備工程師和項目管理經(jīng)理，有必要作為一個整體，重新估價自己的設計思想，迎接這一挑戰(zhàn)。
當代科學技術的發(fā)展，推動了建筑材料、建筑設備和建筑控制技術的發(fā)展，也為建筑設計思想的更新創(chuàng)造了物質(zhì)和技術基礎。然而，根據(jù)英國建筑研究院最近一項統(tǒng)計表明：存在問題的建筑工程項目中，錯誤來自設計階段的占50%；因施工不當?shù)恼?0%，其它的占10%。這些數(shù)據(jù)向我們提出了以下問題：
—— 采用新的建筑設計模式，其實際效果究竟怎樣?
—— 對不同的設計方案，如何在設計之初就能對其實際效果作出正確檢驗與評價?
—— 對于施工質(zhì)量，如何在未施工之前就能對其進行模擬控制？
顯然，先期技術成果的演示和論證技術是檢驗這種效果的有效手段?；谶@種情況，世界各國的研究機構(gòu)都在作不懈的努力，以找出一種有效的評價設計中建筑物的性能的方法。虛擬現(xiàn)實技術正是解決這一問題的方法之一。采用虛擬現(xiàn)實技術，可以達到如下效果：
5.1 改善設計
采用虛擬現(xiàn)實技術的虛擬環(huán)境系統(tǒng)，可以向建筑設計單位提供一套進行建筑性能評價的有效工具，以利于更好地認識設計參數(shù)與設計結(jié)果之間的關系，發(fā)現(xiàn)設計中潛在的缺陷和問題，試探解決問題的不同方法，從而使整個設計更加完善。
一些建筑物，如圖書館的閱覽室等，對建筑內(nèi)部的采光要求比較高。為了達到最佳的采光效果，設計人員可以把建筑物模型及各種環(huán)境條件輸入到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，通過日照和燈光的模擬，讓人感受到光照的質(zhì)量。建筑師可以采用不同的方案比較，實時修改方案，試驗不同種類的反光材料，直到得到最佳采光結(jié)果。
目前，我們正在進行國家自然科學基金項目“廳堂音質(zhì)設計和評價的虛擬環(huán)境系統(tǒng)”的研究和開發(fā)工作。眾所周知，廳堂音質(zhì)設計是建筑聲學設計的一項重要內(nèi)容，是在建筑設計過程中，從音質(zhì)上保證建筑適合要求所采取的技術措施。尤其是在以聽聞為主要功能之一的觀演性建筑中，如音樂廳、劇場、電影院、錄音棚、禮堂、多功能廳、電話會議廳等，音質(zhì)設計往往成為影響建筑設計的決定性因素。在這些中，有的開會時既聽得清報告，演出時聲音又宏亮豐滿、悅耳動聽；而有的則開會時聽不清講話內(nèi)容，演出時聲音又單調(diào)干澀；有的甚至有回聲。廳堂音質(zhì)問題不僅與廳堂的物理條件、人的聽覺生理特性有關，它還與民族特點、文化傳統(tǒng)、藝術風格等有密切關系，目前的評價設計中建筑的音響效果采用的方法，通常是實物建模的方法，即采用縮小比例的模型，模擬音質(zhì)效果，測出客觀參量，再進行評價。這種方法，不但建模周期長，而且費用高，如果效果不夠滿意，修改起來很麻煩，更重要的是，由于模型是縮小的，試驗的結(jié)果和實際常常產(chǎn)生很大的誤差。如果采用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)對建筑物聲場的模擬，人可以置身于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之中，在建筑的任意一點體會音響效果，實時地進行吸音材料的修改和聲源位置、建筑局部的修改，直至得到滿意的效果。
人們?yōu)榱硕康匮芯繌d堂的音質(zhì)設計問題，建立了許多音質(zhì)評價的客觀指標，如混響時間、早期衰減、清晰度和明晰度等等。廳堂音質(zhì)的優(yōu)劣決定于聽眾的評價，這涉及到人的主觀感覺。如何能在設計階段就對廳堂音質(zhì)的主觀感覺，即實際的音質(zhì)效果，作出正確的先期演示、驗證和進行主觀評價？多少年來，建筑聲學界的廣大科技工作者為了實現(xiàn)這一古老的夢想，一直在為之奮斗。顯然，一旦找到這樣一種方法，將對整個建筑聲學界產(chǎn)生具有重大理論意義和經(jīng)濟價值的影響。
“廳堂音質(zhì)設計和評價的虛擬環(huán)境系統(tǒng)”通過采用用于虛擬環(huán)境開發(fā)的世界工具包WTK(WorldToolKit)作為開發(fā)平臺，應用建筑聲學原理、計算機圖形學、信號處理理論、虛擬現(xiàn)實技術和廳堂建筑設計的３維可視化描繪生成和３維可聽化描繪生成的集成技術，實現(xiàn)在設計階段就對廳堂的實際音質(zhì)效果，作出正確的先期演示驗證和進行主觀評價。它由以下部分組成(如圖1所示)：
圖 1 廳堂音質(zhì)設計和評價的虛擬環(huán)境系統(tǒng)框圖
(1)通過建立廳堂建筑設計的３維可視化描繪生成(3D visualization rendering)和３維可聽化描繪生成(3D auralization rendering)的集成技術，把計算機圖形學中單純的３維可視化描繪生成技術，更新成為３維可視化和３維可聽化的并行描繪生成技術。這一技術與虛擬現(xiàn)實技術結(jié)合在一起，將大大改善人機接口的界面。
(2)通過世界工具包WTK這一虛擬環(huán)境開發(fā)平臺支持的幾何對象多種輸入方式，能實現(xiàn)廳堂幾何形狀數(shù)據(jù)輸入的快速化和簡易化。
(3)通過世界工具包WTK這一虛擬環(huán)境開發(fā)平臺支持的3D聲音設備和軟件： 3D聲音合成器，3D聲音球(3D Audiosphere)和脈沖響應、卷積積分的計算軟件，如圖1所示，可大大提高脈沖響應的模擬計算和生成，以及卷積積分計算的速度。?
(4)通過采用世界工具包WTK這一虛擬環(huán)境開發(fā)平臺，對與當前國際上廣泛應用的、已成為商品化的AutoCAD軟件和電聲模擬軟件(如：EASE 2.1，Acousta CADD，CADPP2等)進行集成，通過虛擬現(xiàn)實頭盔顯示器生成能夠使人沉浸到計算機系統(tǒng)所創(chuàng)造的3維立體廳堂環(huán)境之中，在設計階段或者在虛擬的廳堂中，實現(xiàn)廳堂建筑設計的３維可視化和３維可聽化的并行描繪生成，使聽眾同時建立視覺和聽覺感覺，對廳堂的音質(zhì)效果進行主觀的多因素模糊綜合評價。
5.2 展示設計成果
用虛擬現(xiàn)實技術展示設計成果是一種理想的方法。這種設計成果的展示，既可以面向大眾，作為宣傳的需要，又可以將方案展示給業(yè)主，供其提出修改意見，及時修改，以增加方案的競爭能力。在設計階段，利用各種建模工具，數(shù)字化該擬建建筑物以及周圍環(huán)境，對其進行仿真建模(此時的模型比例為1：1)，得到虛擬世界中該擬建建筑物的實體模型；而后按真實三維位置放置建筑物，同時考慮周圍地形的輪廓；再次加上建筑細節(jié)，如門和窗設計，以便準確地表現(xiàn)該環(huán)境的美學特征。綜合編輯各種對象(文字、表格、圖形、虛擬世界中用多維信息所描述的對象以及真實世界在虛擬空間中的映射)，在其中增加動畫和對象的動態(tài)行為。同時利用虛擬藝術制作工具和虛擬世界編輯器，形成一個存在于虛擬世界中擬建建筑物的“客觀實體”。最后在各種輸入、輸出軟件和設備的支持下就可以實現(xiàn)對該建筑物設計成果的預先展示，據(jù)此對擬建建筑物結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)建、修改和可視化。其設計開發(fā)系統(tǒng)框圖如圖二。
例如，橋梁的設計方案是方案能否為人們所接受，方案是否具有競爭力的關鍵。一般地，橋梁方案主要由以下幾個方面組成：橋梁工程地點的路線、水文、地質(zhì)、氣象、地形等交通資料信息的處理；全橋平面圖、立面圖、結(jié)構(gòu)設計圖、鋼筋布置圖、曲線布置及墩部分詳圖；墩、臺、基礎設計資料；全橋工程概預算等。
如果采用虛擬現(xiàn)實技術，就可以考慮用另一種方式來表現(xiàn)設計方案。把當?shù)氐牡匦?、景觀和交通條件和橋梁方案輸入建筑物漫游的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，人可以漫步橋上，也可以從任意視點、任意角度來觀察橋的形象，甚至可以驅(qū)車通過該橋，得到類似橋建成后的感受。結(jié)構(gòu)設計方案也可以采用三維建模的方法直觀、形象地展示出來。而工程概預算等其它信息則可以用聲音等多媒體的方式表現(xiàn)出來。這種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以設計成交互性很好的系統(tǒng)，用戶可以很方便地選取任何細部去看，給人留下深刻的印象。
例如，英國的Skye島大橋的規(guī)劃設計，在環(huán)境保護問題上有爭議，受到公眾關注。后來應用虛擬現(xiàn)實技術，逼真地向公眾展示了設計建成后的大橋及周圍環(huán)境的形貌，以及作環(huán)島飛行和駕車通過大橋的動態(tài)視覺感，受到公眾的歡迎，大橋的設計方案也得到了肯定。
圖 2采用VR技術的建筑物設計開發(fā)流程
5.3 節(jié)省投資和運行費用
采用虛擬現(xiàn)實技術進行先期技術成果的演示和論證有助于發(fā)現(xiàn)設計中多余的措施和方案中各工種不協(xié)調(diào)的部分，及時修正從而節(jié)省投資和運行費用。同時，演示論證也可發(fā)現(xiàn)設計中可能導致無法滿足要求的設計不當之出，從而避免了建筑物建造完成后的返工。
現(xiàn)在各個國家在傳統(tǒng)上習慣于通過舉行實戰(zhàn)演習來訓練軍事人員和士兵，但是這種實戰(zhàn)演練，特別是大規(guī)模的軍事演習，將耗費大量資金和軍用物資，安全性差，而且還很難在實戰(zhàn)演習條件下改變狀態(tài)，來反復進行各種戰(zhàn)場態(tài)勢下的戰(zhàn)術和決策研究。今年來，隨著技術的發(fā)展特別是VR技術的應用，加上各國政府軍費的裁減，使得軍事演習在概念上和方法上有了一個新的飛躍，即通過建立虛擬戰(zhàn)場環(huán)境(作戰(zhàn)仿真系統(tǒng))來訓練軍事人員，同時通過虛擬戰(zhàn)場來檢驗和評估武器系統(tǒng)的性能。在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，參與者可以看到在地面行進的坦克和裝甲車，在空中飛行的直升機、殲擊機和導彈，在水面和水下游弋的艦艇；可以看到坦克行進時后面揚起的塵土和被擊中坦克的燃燒濃煙；可以聽到飛機或坦克的隆隆聲由遠而近，從聲音辨別目標的來向和速度。參與者可以瞄準、射擊上述目標，也可以駕駛坦克、飛機等武器平臺仿真器。
再如，英國航空公司總部擬建六棟沿街辦公樓。原設計為：步行街頂部和側(cè)面空曠處全部以玻璃覆蓋；在頂部和側(cè)面采用內(nèi)外百葉遮陽；同時采用排氣量為4.4m /秒的21臺排氣機構(gòu)，以冷卻步行街。在應用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，對日照、熱動力和空氣動力作模擬以后，發(fā)現(xiàn)完全沒有必要采用百葉遮陽，采用特性玻璃就可達到同樣目的。在模擬中，還發(fā)現(xiàn)不同于常識的情況，即步行街的溫度大部分時間低于室外氣溫，故沒有必要安裝風機。這樣，不計長年運行耗費，單投資一項就節(jié)省30萬英鎊。
5.4 驗證施工方案
在土木工程的施工過程中，先期技術成果演示和論證技術也有其廣闊的應用前景。建筑業(yè)的發(fā)展使得建筑逐漸向大型、超高層和地下發(fā)展。目前我國高層建筑正在向?qū)訑?shù)增多，高度增高，平面布置更加復雜，筒體或筒束結(jié)構(gòu)而且豎向建筑立面多樣化發(fā)展。隨之而來便是超高層建筑的基礎工程、模板工程、施工測量和垂直度控制、高層鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝、外腳手架工程、吊裝機械與垂直運輸?shù)鹊刃录夹g與工藝。這些都是以前的建設者所沒有遇到過的，施工中就必然有一些問題不知如何去解決。不可否認，高新技術所帶來的豐厚回報以及其遠大的意義具有很大的誘惑力，但是往往回報與風險的并存，令許多實力并不非常雄厚的企業(yè)滯足不前。
例如：通過近幾年的工程實踐，我國高層建筑的施工水平有了很大提高。施工新技術、新經(jīng)驗不斷涌現(xiàn)。如鋼筋對頭焊接新工藝——氣壓焊接；WDJ碗扣型多功能腳手架；玻璃幕墻的設計與施工；復雜建筑施工放線等等。所有這些新工藝的第一次引入，都帶有較大的風險性，但是利用虛擬現(xiàn)實的先期演示和論證技術，則可以在計算機模擬系統(tǒng)中以“真實”的角度去觀察任何新技術的預演，避免了風險，提高了成功率，同時也節(jié)省了不必要的浪費。再如超大型建筑物的混凝土澆筑往往需要一次成型，這就需要解決混凝土的運輸問題?；炷恋臐补嗪洼斔头椒ǎ瑢Ω邔咏ㄖ黧w結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和質(zhì)量有重要影響。眾所周知，建筑物的高度越高，混凝土輸送的距離隨高度增加，如何合理地選用混凝土的輸送設備，對提高施工效率，保證混凝土工程的質(zhì)量及加快整個工程的進度有著重要作用。因而在選擇輸送方法時，應對許多因素綜合地加以考慮。然而運輸計劃是否可行，不可能去實際演習，只能在計算機中進行仿真模擬。作為一個決策者和管理者為了處理其中可能出現(xiàn)的問題，也需沉浸到虛擬的環(huán)境中去解決。還有，大型混凝土澆注后的散熱等問題都需要一個虛擬的環(huán)境去進行先期的技術演示論證，而這些就需要運用虛擬現(xiàn)實技術。
新型的施工方案，設計者往往為自己的大膽設想而激動，但是我們不可能實際去嘗試、驗證其是否正確，如何驗證其可行性？先期技術演示論證為大膽的設想提供了一個演示的舞臺。
近年來，超高層建筑，地下多層建筑相繼出現(xiàn)，施工人員缺少相應的施工經(jīng)驗。舊的施工方案是否可行，腳手架系統(tǒng)及吊車在高空中是否穩(wěn)定等等施工問題都需要先期技術的演示與論證。
總之，先期技術成果的演示論證技術在建筑業(yè)的應用需求越來越迫切，而虛擬現(xiàn)實技術則是其實現(xiàn)的重要支撐技術和手段。發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術在這方面的應用，必將給整個建筑業(yè)帶來一場革命。
5.5 促進房地產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
我們清華大學土木系的“VRGROUP”小組于1998年開發(fā)了位于成府路中段清華大學南側(cè)，即將開工的“清華北大藍旗營教師住宅小區(qū)”的虛擬環(huán)境瀏覽系統(tǒng)。這一開發(fā)成果在剛剛閉幕的Multimedia '98國際多媒體展中亮相，受到觀眾的好評。這個虛擬環(huán)境瀏覽系統(tǒng)是在Superscape公司的VRT虛擬環(huán)境軟件包中開發(fā)的，在這個VR的世界中，你可以領略到藍旗營小區(qū)建成后的全貌。在這個占地2萬多平方米，由十二幢高層住宅樓及商場、相應配套設施構(gòu)成的小區(qū)中，人們可以隨意瀏覽小區(qū)美麗的景色，即能沿著固定路線，由導游帶您參觀小區(qū)，也能任意在街道上漫步，感受由綠樹、石雕構(gòu)成的優(yōu)美環(huán)境，又能信步走入自選商店體會現(xiàn)代購物的便捷。更重要的是，你可以走入住宅樓的房間中去參觀一下自己即將擁有的住宅，觀察一下房屋的構(gòu)局，設想一下家具的布置。對于房地產(chǎn)開發(fā)商來說，這套虛擬環(huán)境瀏覽系統(tǒng)給了他們一個機會，使他們在小區(qū)未建成前，甚至是未開工前，就可以向消費者展示建成后的實際場景，比起空白的說教和復雜的圖紙，這套系統(tǒng)起到了很好的廣告、宣傳效應。
實際上，虛擬現(xiàn)實技術在房地產(chǎn)開發(fā)中具有很廣闊的應用前景。房地產(chǎn)開發(fā)商的產(chǎn)品，如寫字樓、住宅小區(qū)、商業(yè)樓、旅館等都必須經(jīng)過銷售，進入市場，才能實現(xiàn)其價值。所以銷售是房地產(chǎn)經(jīng)營的重要一關，尤其在目前情況下，房地產(chǎn)市場總體不夠活躍，銷售業(yè)績對于開發(fā)商的盈利狀況具有決定性意義。成功的房地產(chǎn)開發(fā)商，不僅要有合格優(yōu)秀的房地產(chǎn)商品，還應具備出奇制勝的銷售謀略，在計算機、網(wǎng)絡技術飛速發(fā)展的今天，虛擬現(xiàn)實技術是可以助那些目光敏銳，勇于進取的開發(fā)商和銷售代理們一臂之力的。
房地產(chǎn)的銷售分為現(xiàn)房出售和預售(樓花)，由于預售的房屋實際上是并不存在，購買者很難在一片荒涼的空地上激起美麗的幻想，而圖紙上的平面圖形也不具有空間感，有條件的房地產(chǎn)商建造樣品屋，表現(xiàn)未來產(chǎn)品的布局和機能，并加強裝潢，讓消費者產(chǎn)生身臨其境的感覺。但是樣品屋具有一次性的局限而且成本較高，并難以表現(xiàn)出實際房產(chǎn)的外部環(huán)境，對于復雜或龐大的房地產(chǎn)品更是幾乎無能為力。如果換之以虛擬現(xiàn)實技術生成的虛擬房地產(chǎn)，不僅可以獲得遠遠超過樣品屋所具有的適用范圍和效果，而且更為經(jīng)濟合算。于是心存疑惑的買家就可以戴上頭盔、數(shù)據(jù)手套，超越時空，在自己未來的房屋中盡情徜徉，直到作出明智決斷。
無論是對企事業(yè)單位還是個人，房地產(chǎn)的購置都是一件大事，在與房地產(chǎn)開發(fā)商和銷售代理的交易過程中，一些買家一反一復，猶豫不決是必然的，作為房地產(chǎn)靠開發(fā)商一方，通常需要“不厭其煩，鍥而不舍”地進行促銷講解。然而有了虛擬房地產(chǎn)的幫助，開發(fā)商不僅省了很多力氣，購買者也更為放心。
雖然說在銷售中虛擬房地產(chǎn)的作用畢竟不能和實際房地產(chǎn)相比，實地察看才是房地產(chǎn)交易的決定步驟，但是實際房地產(chǎn)位置固定，開發(fā)商不可能像蝸牛一樣背著房子四處上門推銷。而只要有一臺筆記本計算機，幾件不大的虛擬現(xiàn)實外設，銷售人員就可以隨時隨地讓顧客進入自己的產(chǎn)品中遨游。因此，可以大膽地說，虛擬房地產(chǎn)必將帶來房地產(chǎn)促銷手段的重大變革?！?BR> 隨著整個社會大環(huán)境信息化的發(fā)展，信息市場在房地產(chǎn)市場體系中的地位越來越重要?？梢哉f，沒有一個繁榮的房地產(chǎn)信息市場，就不可能建立完善的房地產(chǎn)市場體系，也決不會有發(fā)達的房地產(chǎn)商品經(jīng)濟。這種觀點已為房地產(chǎn)業(yè)內(nèi)人士所認同，其直接的結(jié)果就是中國房地產(chǎn)聯(lián)合網(wǎng)的建立和發(fā)展。在房地產(chǎn)信息市場中，廣告的地位極其重要。業(yè)內(nèi)人士多有這樣的共識：“房地產(chǎn)的價值和質(zhì)量＋廣告藝術=高額利潤”。這是一句至理。在房地產(chǎn)市場不乏這樣的事例，相同、甚至稍差一些的房地產(chǎn)商品，由于廣告宣傳上占有較大的優(yōu)勢，結(jié)果市場價格遠遠高于其他的房地產(chǎn)商品?？梢哉f，虛擬房地產(chǎn)具有很強的廣告效應，認識到這一點的房地產(chǎn)開發(fā)商，加以聰明地利用，必將受到比其他人更大的收益。
6 建筑機器人中的虛擬現(xiàn)實技術
機器人是一種可再編程的多功能操作機器，以各種編程的動作完成多種作業(yè)，用于搬運材料、工件、工具和專用裝置等?？偟目磥恚瑱C器人在一定程度上是具有類似“人”的功能的一種機器。機器人的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代：
第一代機器人是指“示教”—“再現(xiàn)”型機器人。 “示教”內(nèi)容是機器人機構(gòu)的空間軌跡，作業(yè)條件、作業(yè)順序等，示教方法是由操作員“手把手”地直接帶機器人手操作一個全過程，由機器人的記憶環(huán)節(jié)記憶住，全過程的順序，各種位置和時間?！霸佻F(xiàn)”是機器人可自己讀出記憶的操作程序，自己重復再現(xiàn)所被教的操作運動。如噴漆機器人可先由極有經(jīng)驗的技術工人的手把手地教它一次，以后噴漆機器人就可重復不斷地自動再現(xiàn)這種經(jīng)驗的操作運動，這樣當然可以保證噴漆工藝的質(zhì)量。如果噴漆工藝需要改變，只要重新示教一次，機器人就可以自動再現(xiàn)新工藝的新操作運動，這也是非常方便的。當然也可事先按工藝要求用計算機編程，并輸入到機器人記憶環(huán)節(jié)中去，這樣機器人也可按規(guī)定的工藝要求動作。
目前國際和國內(nèi)商品化、實用化的機器人大都屬于第一代機器人。
第二代機器人是具有一定感覺和自適應能力的離線編程機器人。這類機器人裝有視覺、觸覺、力覺等傳感器，可以感知外界的部分信息，并作出相應的反應。因此，這類機器人能獲取作用環(huán)境及操作對象的簡單信息，通過計算處理，機器人可做出一定的推理，對機器人動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級智能。這種機器人只有少量可應用于工業(yè)生產(chǎn)，大部分還屬實驗室研究類型機器人。
第三代機器人是指智能機器人。這類機器人是具有高度適應性的機器人，它具有多種感知功能，可進行較復雜的邏輯思維與判斷決策，可自己擬制整個作業(yè)規(guī)劃。
智能機器人本身能認識環(huán)境，工作對象及其狀態(tài)，它根據(jù)人給予的指令和自身認識外界的情況，來獨立地決定工作方法，利用操作機構(gòu)和移動機構(gòu)實現(xiàn)任務目標，并能適應環(huán)境的變化。智能機器人應有四種功能，即運動功能(相當于人的手和腳的動作功能)，思維功能(求解問題的認識、推理、判斷功能)，人—機通訊功能(理解指示命令，輸出內(nèi)容狀態(tài)的功能)。智能機器人就是第三代機器人，目前它只是處于實驗室研究階段。
建筑施工由于露天作業(yè)，受氣候影響大，人員勞動強度大，危險性大，容易發(fā)生意外，而且重復性作業(yè)較多，所以機器人在建筑業(yè)中的使用有很多優(yōu)點：
(1)人類可以把建筑活動擴展到人所不適的新場所和新領域；
(2)它把人類從單調(diào)重復的傳統(tǒng)建筑作業(yè)中替換出來；
(3)應用機器人可以使傳統(tǒng)的古老工序現(xiàn)代化，并提高效率；
(4)建筑業(yè)中的人工費用較高且缺乏熟練勞動力，在一些領域可用機器人替代建筑工人，在新的建筑工序中，也可以設計出一些更有效的機器人。
在建筑行業(yè)，從商業(yè)角度看，機器人還沒有普遍投入市場，但是人們已經(jīng)在一些領域進行了非常有意義的嘗試，這些嘗試幾乎涉及到所有的建筑活動，從技術和經(jīng)濟效益角度考慮，這些嘗試是切實可行的。目前世界上已有幾十種建筑機器人，主要有以下幾種類型建筑機器人：
1．表面修整機器人
1)混凝土噴射機器人；
2)混凝土鋪面修整機器人；
3)鋼梁防火層噴涂機器人。
2．隧道工程機器人
3．挖掘用機器人
1)REX機器人挖掘機；
2)超深隔墻挖掘機；
4．組裝機器人 如鋼筋放置機器人。
5．檢查用機器人
1)取芯鉆探作業(yè)的遙控機器人；
2)瓷磚檢查機器人。
6．放射性混凝土切割(遙控)機器人
從這些機器人的應用現(xiàn)狀看，目前應用分為兩個方面：一種是工作直接用機器人完成，只需在機器人中輸入固定的程序。另一種則是機器人只是作為一種遠程操作器，由機器人感知環(huán)境，再將感知信息(視觸聽等感覺信息)實時傳遞給不在現(xiàn)場的操作員。使其能身臨其境地遙控該環(huán)境中的被控對象，這就是遙控機器人。目前的研究表明，要研制出復雜未知或變化環(huán)境下全自主式機器人尚不可能，因而工作在交互方式下的遙控機器人是種現(xiàn)實可行的選擇。
由于建筑行業(yè)任務的復雜性和工作環(huán)境的不確定性，目前不可能實現(xiàn)機器人的完全自主控制，因而臨場感技術是切實可行的。應用臨場感技術，使得操作者在控制器的所在地，通過來自工地上的傳感器信號，可以得到一種在現(xiàn)場直接操作的感覺，以獲知工作地機器人與環(huán)境的相互作用，并通過決策及控制而不斷調(diào)整自身施加的作用，這實際上是將操作者的控制與機器人的自主功能相結(jié)合，達到將人的高智能納入機器人控制系統(tǒng)中去的目的，從而可以智能地遙控機器人完成任務。為了實現(xiàn)遙控機器人，必須研究以下技術：
(1)由遠處環(huán)境信息產(chǎn)生現(xiàn)場感技術；
(2)人體運行測量技術，包括測量頭、臂、平指、眼球是關鍵部位運行，要求實時且受限制；
(3)類人感覺器官功能，包括尺寸的視覺、聽覺、觸覺等傳感器技術；
(4)類人形操作控制技術；
(5)人機界面技術。
虛擬現(xiàn)實技術可以解決以上問題。應用虛擬現(xiàn)實技術，操作者可以實時觀察機器人在現(xiàn)場的活動，根據(jù)實際情況作出判斷，指導機器人的活動。例如，日本開發(fā)出一種自主行使式遙控機器人系統(tǒng)，它由下列部分組成：裝在臺車上的立體攝像機，裝備有雙臂及手的人型機器人，以及遙控該機器人的主控制臺。機器人的頭部有3個自由度，左右臂各有6個自由度，手部有一個自由度。操作員頭戴頭盔顯示器，它可融合傳感器發(fā)出的信息，裝有立體攝像機及麥克風的機器人頭部隨動于操作員的頭部動作，可為操作員實時顯示想要觀察方向的立體圖像。
控制臺上主控手的傳感器測量操作員手的位置和6個自由度的姿態(tài)及動作，來遙控機器人的右臂。機器人的手隨動于主控手手指的開合，通過安裝于機器人手上的壓力傳感器的反饋信號，使操作員有一種抓東西的感覺。利用主控手的控制系統(tǒng)，是一種比以往系統(tǒng)更加靈活的具有良好操作性能的主從式系統(tǒng)。
只要將地圖信息輸入給行駛臺車，利用主動輪的編碼器計算并確定機器人的位置，行駛中通過傳感器監(jiān)測到的隨機障礙物的數(shù)據(jù)，就可控制機器人的避障行駛。
由此可見，機器人尤其是遙控機器人在建筑業(yè)是有著廣泛的應用前景的?？梢栽O想，在未來的建筑工地上，完全是一群機器人在工作，而真正的工人則在控制室內(nèi)遙控機器人。
7 建筑、結(jié)構(gòu)藝術與虛擬現(xiàn)實技術
相傳，古代西方，有一位年輕漂亮的歌手，有一天，他用音樂女神繆斯交給他的一把神奇的七弦琴，彈奏著美妙動聽的樂曲。一曲終了，山岳動容，萬物起舞，連周圍的房屋建筑，磚瓦木石，也翩翩響應，轉(zhuǎn)而化為固體的“音符”，組成了“凝固的音樂”。音樂是美的，音樂的美附著在建筑的物質(zhì)媒體上，才使建筑產(chǎn)生了美的旋律。這雖是一個神話般的傳說，但在科技高度發(fā)展的今天，這一神話般的傳說將得以實現(xiàn)。
顯然，張躍博士對北京明清皇宮宏偉的建筑深感敬佩，他騎著自行車沿著故宮走廊行駛，一面聆聽著優(yōu)美的古典音樂，一面穿過錯落有致、有首有尾、有疊起高潮的層層殿宇，它們像一篇凝固的交響樂，構(gòu)成連續(xù)的空間序列，建筑之美隨時間的流動而逐步展現(xiàn)在他的面前。殿堂組成大小院落，有的狹長，有的深遠，有的寬闊，有的小巧，收放張弛有致。他時而在附會“三朝”之說的太和、中和、保和三大殿之間穿行，時而又進入大殿的內(nèi)部游覽，剎那間，便又盤旋升上天空鳥瞰整個氣勢磅礴的皇宮。他低低地掠過殿宇的屋頂，繞著龐大的宮殿翱翔。然后，慢慢越過殿宇周圍低矮卻連綿不斷的配房下降。
然而，張躍博士并未在故宮。他在北京展覽館國家863計劃十年成果展的展廳內(nèi)。這次虛擬旅行游覽是在靠微型計算機上開發(fā)的一個虛擬環(huán)境游覽系統(tǒng)實現(xiàn)的。藉助這一系統(tǒng)，任何人只要頭戴一付虛擬現(xiàn)實受送設備，經(jīng)歷其內(nèi)裝的一對微型電視屏幕所投射的立體圖象，騎在模擬自行車上，就能享受北京明清故宮的游覽。這次虛擬旅行是1996年10月在北京展覽館國家863計劃十年成果展的展廳里進行的。
7.1 人的建筑感知與虛擬環(huán)境
建筑審美是一個生理——心理——意識的綜合過程，表現(xiàn)為感知、情感、聯(lián)想、理智四者有機的結(jié)構(gòu)結(jié)合。首先，是在觀賞建筑的作用下，知覺活動綜合各種感覺，形成對建筑的初步感知。這也就必然帶上了觀賞者對建筑的某種心理傾向性，表現(xiàn)出或喜或愛或厭或惡的情感色調(diào)。一旦情景交融，就會產(chǎn)生強烈的意向性，不僅把眼前的建筑與曾經(jīng)觀賞過的類似的或者不同的建筑聯(lián)想起來，而且把頃刻的感受與以往的遭遇乃至未來的憧憬聯(lián)想起來。這種聯(lián)想往往與理智思考密切結(jié)合，從根本上認識和把握建筑的結(jié)構(gòu)特征和審美特征。建筑審美由直接的生理快感；經(jīng)過心理快感這一中介，發(fā)展和上升到理智的精神快感。與其他形式的審美活動不同，建筑審美具有更加鮮明突出的直接性、時間性和能動性。
建筑以“形”、“光”、“色”具體反映建筑的質(zhì)感、色感和交間感，表現(xiàn)建筑的形象。一個美好的建筑形象，通過視覺的感受，都涉及到建筑的尺度、距離、立體輪廓、明暗、色彩、光澤、質(zhì)地、內(nèi)部與外部環(huán)境、人的生理條件、心理狀態(tài)、生活狀況、社會時尚、文化素養(yǎng)等。所有這些都是通過視覺捕捉外界的信息傳給大腦來完成的。
通過視覺，感受建筑形象，識別建筑的尺度、距離、立體輪廓、陰暗、色彩、光澤、質(zhì)地等，研究建筑內(nèi)部與外部的環(huán)境與形象，說明研究建筑形象的各個方面都與視覺具有密切的關系。研究建筑視覺，必須要涉及心理學、生理學、生活習慣、感知和其他有關概念等一系列的問題。建筑空間，現(xiàn)在已發(fā)展成為“空間+時間+感受或意念”，被視為“五度空間”，其中人們對于空間高低大小的感受，雖與實際有關，更重要的是要考慮人們的不同心理狀態(tài)。心理狀態(tài)的不同對客觀事物的感受有很大差異。
人類對于建筑的感知機理和特性的研究是現(xiàn)代實驗心理學的一個分支。事實上，建筑感知的研究對于虛擬環(huán)境的研究也格外重要，因為如果對人類建筑環(huán)境感知的機理以及在心理學和生理學方面特點沒有一個全面的了解，那么設計出的建筑虛擬環(huán)境結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)很可能并不真正適合人類感知的要求。我們知道在一般應用計算機系統(tǒng)的人機界面設計中，人們非常強調(diào)友好性。因為不友好的界面可能導致用戶厭倦，甚至拒絕使用所提供的系統(tǒng)，盡管該系統(tǒng)功能可能非常之強。建筑虛擬環(huán)境系統(tǒng)所面臨的遠比一般的應用計算機系統(tǒng)要嚴峻得多，因為不合理的設計不僅會使用戶感到不友好，問題更大的是可能會導致用戶的不舒適感，甚至使用戶的健康受到損害。
經(jīng)過幾億年的進化，人類對于所熟悉的自然環(huán)境具有極為敏銳的感覺，對于環(huán)境的變化具有極為復雜的反饋機制。人類的視覺、聽覺、觸摸、前庭感覺(運動和重力覺)、整體位置及軀體感覺(皮膚壓力)等等部分作為整個集成系統(tǒng)的一部分而工作，它們在反饋機制的作用下互相制約，互相協(xié)調(diào)，從而使人可以在日常生活中能夠感知事物和適應環(huán)境的變化。
人類對建筑形象的感知包括視覺、觸覺、聽覺、前庭感覺(運動和重力覺)、整體位置及軀體感覺(皮膚壓力)，其中由于視覺引起的感受和人們的心理變化，將起到主要作用。但人眼在正常情況下都有一定的局限性。要想超出常態(tài)范圍，必需借于紅外線、射電、電子等高新技術方能達到。但人眼在適應亮光、暗光、辨色、估計遠近、分辨物體大小和運動方向、體形狀與質(zhì)地等，是任何動物的眼所不能及的。
視覺通道是虛擬環(huán)境系統(tǒng)中最重要的接口，在日常生活中，80％以上的客觀現(xiàn)象都是通過視覺而感知，給人們以具體的解答。物象的反映，以視覺的理解、領悟最深。它不僅看到物象的形、光、色，還體現(xiàn)著物象的精神與氣質(zhì)。不幸的是我們現(xiàn)在對人類視覺系統(tǒng)的信息處理機理所知甚少、人的視覺系統(tǒng)的工作效率是如此之高，以至于到目前為止還沒有任何一個巨型機系統(tǒng)或超級并行計算機系統(tǒng)或網(wǎng)絡工作站機群的認知速度與能力能與人的視覺系統(tǒng)相匹敵。
人的視覺系統(tǒng)是非常敏感和嚴格的，任何不滿足物理學或光學定律的運動視景，任何同步不好的視頻序列都會被輕而易舉地發(fā)現(xiàn)，也都會對視覺系統(tǒng)帶來額外的刺激。在虛擬環(huán)境中、為了滿足人的視覺要求、應該提供硬件技術所能支持的盡可能高的顯示分辨率。但我們知道顯示分辨率與成本成正比，為了使所實現(xiàn)的應用系統(tǒng)成本可以被接受，我們又個得不盡量降低分辨率。那么問題的關鍵是，什么樣的分辨率是可以令視覺系統(tǒng)接受的下限呢?
聽覺通道是虛擬環(huán)境系統(tǒng)中最重要的接口之一。一般人類從外界所獲得的信息有近15％是通過耳朵得到的，是除了視覺以外的最重要途徑。
到目前為止，為實現(xiàn)虛擬環(huán)境目標，在理論心理學與實驗心理學方面有待進一步研究的問題包括：
1．對感知基本性質(zhì)的系統(tǒng)測量；
2．更好的感知理論，以指導假設形成；
3．嚴格的假設測試，以提出有效的理論；
4．基于經(jīng)驗與理論準則來構(gòu)造和測試人機交互裝置；
5．評價標準與校準過程。
7.2 計算機建筑、結(jié)構(gòu)藝術與虛擬現(xiàn)實技術
建筑是人類歷史文化的載體，任何時代，建筑都以其感人的形象展現(xiàn)出它的風貌，反映著它所包容的各種信息和內(nèi)涵。建筑的發(fā)展是人類進步與文明的標志、建筑藝術又是這文明史詩中最輝煌的篇章。從古至今，建筑與藝術就結(jié)下了不解之緣?！ ?BR> 建筑，這一石頭鑄成的史書，記載了多少大師的睿智和天才! 藝術，這一金光四射的明燈，又為建筑披上了多么絢麗耀眼的光芒!
時代發(fā)展到了即將進入21世紀的前夕，人們對建筑藝術的追求又是多么光怪陸離，多么不可思議!
從結(jié)構(gòu)方面考慮，同樣可以產(chǎn)生藝術的概念。因為鋼筋混凝土的出現(xiàn)，使得古老的建筑業(yè)有了新的突破，鋼筋混凝土這一材料具有兩個不同于人類曾經(jīng)使用過的所有其他建筑材料：
混凝土是在一種半流質(zhì)狀態(tài)中制作的，因此它可以澆注成任意的形狀；
由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，結(jié)構(gòu)的各個部分是以一個力學上的整體狀態(tài)結(jié)合在一起，所有混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在力學或者構(gòu)造上都提供某些啟示，可以轉(zhuǎn)化為一種有表現(xiàn)力的藝術形式典型。
所以，結(jié)構(gòu)師可以大膽使用以前從未使用過的設計方法，設計出大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、拱型結(jié)構(gòu)等造型美觀的建筑。
在計算機技術飛速發(fā)展的今天，人們不僅把計算機看作一種工具加以應用，也看作一門藝術來研究。計算機藝術是科學與藝術相結(jié)合的一門新興的交叉學科，是計算機應用的一個嶄新的、富有時代氣息而又非常有前景的組成部分。計算機藝術創(chuàng)作不同于傳統(tǒng)的藝術創(chuàng)作，它不僅需要藝術家、工程技術人員的創(chuàng)意，還需要充分發(fā)揮計算機這一高科技產(chǎn)品高速處理數(shù)據(jù)和圖像的功能并顯示和制作出來。
在現(xiàn)實世界中，人們花了很大精力去創(chuàng)造特定的場所作為社會交往的背景——試想想陳列櫥窗、藝術博物館、建筑物及內(nèi)部設計。虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)，使得建筑師和結(jié)構(gòu)師的藝術創(chuàng)作有了一個飛躍。它將有助于使許多這類技能延續(xù)到電子空間中去。隨著虛擬空間開始呈現(xiàn)一種更豐富多彩、更復雜的結(jié)構(gòu)，虛擬現(xiàn)實技術就將成為計算的特征中一項重大轉(zhuǎn)變的基礎。適用于藝術的一個公認標準就是其創(chuàng)新程度，虛擬現(xiàn)實是一種允許廣泛創(chuàng)新的媒體，由于它作為通信媒體有著全面的靈活性，因而是非常適合于建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、藝術家的一種工具。
設計師可以在虛擬的世界里去創(chuàng)作、去觀察、去修改，不受條件的制約，他可以從各個角度去設計一個建筑，設計成各種形狀，采用各種建筑形式，從中比較優(yōu)劣，而不再象以前一樣只在頭腦中想象，同時，計算機多樣的表現(xiàn)形式、豐富的色彩也極大的激發(fā)了設計師的創(chuàng)作靈感，使其有可能設計出更好的建筑。
像前面敘述的故宮虛擬旅行一樣，人們也可以在計算機創(chuàng)造的虛擬世界中去欣賞建筑藝術。因為種種原因，我們不能看到真正的建筑，但是可以通過虛擬現(xiàn)實技術將世界上知名的建筑“搬”回家中，全方位、各角度的去欣賞，我們可以“足不出戶”地欣賞埃菲爾鐵塔、悉尼歌劇院，萬里長城等世界知名建筑，從中得到美的享受。例如，Microsoft公司投資開發(fā)虛擬現(xiàn)實技術在藝術品展覽領域的運用。通過顯示頭盔，人可以“看”到三維立體的藝術展品，并且通過觸覺手套“撫摸”展品，從而達到欣賞藝術品的目的。
設計師在虛擬現(xiàn)實的發(fā)展過程中可能起著比技術專家更重要的作用。因為藝術家與建筑師始終必須考慮對他們的藝術和建筑藝術作品的理性響應和感性響應的相互作用，而技術專家則可能只滿足于把計算機作為一種僅僅用于處理人類智能的媒介。當藝術家與建筑師們探索虛擬現(xiàn)實的表達潛能時，他們將越來越善于表現(xiàn)其經(jīng)歷的復雜性與微妙性，從“綜合感覺”到感情豐富的聯(lián)想，而虛擬現(xiàn)實的工具與技術也將得到相應的發(fā)展。
虛擬現(xiàn)實技術是一項新興的技術，它還有很多的不完善的地方，其中計算機建筑與結(jié)構(gòu)藝術就是有待于進一步研究的領域之一。需要我們?yōu)橹鞒銎D苦的奮斗；但是，虛擬現(xiàn)實技術在建筑業(yè)中有著廣闊的應用前景，它將帶給我們一個嶄新的天地。
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