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摘要：虛擬現實技術是一項綜合性極強的高新信息技術。通過計算機3D渲染效果圉和動畫模擬、可視化計算、集成化系統三方面論述了虛擬現實技術在地下工程中的應月。虛擬現妾技術涉及到地下工程的規劃、設計和施工等各個方面．技術潛力十分巨大．應月前景非常廣闊。...

虛擬現實技術在地下工程中的應用

董軼男

(中鐵十九局集團有限公司，遼寧遼陽  lll000)

    虛擬現實(Vigual Reality，即VR)，也稱為靈境，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，可以形成一種“人能沉浸其中、超越其上、進出自如、交互作用的多維信息空間”VR技術利用計算機生成的交互式三維環境，不僅使參與者能夠感到景物或模型十分逼真地存在，而且能對參與者的操作做出實時準確的響應，其技術實質在于提供了一種高級的人機接口。虛擬現實技術是綜合性極強的高新信息技術該技術在隧道與地下工程中的應用涉及到工程的規劃、設計與施工，并已顯示出一定的實用性與優越性，技術潛力十分巨大．應用前景非常廣闊。

    在地下工程中，長期以來人們不得不用抽象的概念表示非常豐富的內容，如用平面圖、剖面圖、立面圖等平面圖形加些規定的符號來表示三維的立體建筑，用比較抽象的圖形和精練的語言來描述復雜的場景，以傳遞大量的信息。但這  一種信息處理與傳遞方式受到信息接受者所從事的職業、知識結構及理解能力的髟響，交流起來非常困難。VR技術的發展為我們克服這一困難提供了極其有效的手段。

1.計算機3D效果圖與動畫模擬

    隨著經濟的發展和社會的進步，人們日益關注城市地下空間的綜合利用。然而地下空間的利用由于地質因素復雜且包含多種未知因素，使得地下空間的綜臺利用與開發比較困難且投資較大，地下工程設施一旦建成投人使用，再進行改建或構筑是相當困難的。因此地下空間規劃設計方案的比選顯得更為重要。

    計算機3D效果圖比其它規劃設計圖紙更形象、直觀地表達了地下空間構筑物形狀、規模及其與地上構筑物的位置關系，更清楚地表示了新建地下構筑物與既有地下構筑物(如既有地鐵、地下商業街、地下停車場等等)的位置廈通道連接關系。而且計算機3D模型可以方便地進行各種修改(如貼面材料，顏色、燈光、結構形式、與既有構筑物連接方式等)，且易存儲、備份，方便傳輸，可大大提高規劃設計的速度和質量。此外，計算機3D動畫模擬將設計方案的總體效果以連續拍攝的動態形式更為形象逼真地呈現在人們面前，使人們能夠身臨其境般漫游在未建成的虛擬地下空間中。因此，計算機3D效果圖和動畫模擬在地下空間規劃設計中的應用有助于輔助進行工程評價，可以使領導、工程設計人員對所規劃的設計方案建成后的情況在規劃設計階段就有一個形象、直觀的丁解，為領導決策和設計人員的設計創造了有利條件。圖l是一些地鐵車站的計算機3D效果圖。

    在工程項目招投標過程中，借助于虛擬現實技術．把不能預演的施工過程和方法表現出來，形象易懂．條理清晰，方案的優劣一目了然。這無疑大大增加丁承包商中標的幾率。此外，在地下工程施工中．由于地質情況復雜多變，引發事故的原目多種多樣，使得施工安全問題常常具有不可預見性。利用安全工程虛擬系統，可以在虛擬現實的環境中模擬各種事故發生過程及可能造成的后果。根據模擬結果，施工方可以采取相應措施預防和制止這些事故。同時，可以借助于虛擬現實技術模擬現場人員規避事故的逃離路線。

2.可視化計算

    可視化計算將是今后一個重要的發屜方向對科學計算取得的數據進行可視化加工或三維圖形顯示，通過交互改變參數來觀察計算結果的全貌及其變化，實現參數化及可視化計算，虛擬現實技術產生了飛躍式的發展。在運用計算機進行結構有限元分析時，利用虛擬現實技術則可以通過顫色的深淺給出三維物體中各電力的大小，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；還可以動態顯示結構的變形、力的變化歷程等。對于地下工程而言．還可“通過單元來模擬隧道開挖的力學動態變化過程，進行實時動態地控制結構的重分析和獲取施工控制數據二這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。而且有一些現象即使在實驗室中也是很難觀察到的．比如椽變和瞬間加載．而在計算機里可以任意地將時間加快和減慢，對其進行分析，得到各種重要參數．由計算機演算出任意時刻結構的破壞過程．推導出破壞機理和計算公式。

3.集成化系統

    計算機3D誼染和動畫模擬可“很好的服務于建筑方案的設計、優化”可視化計算為結構設計提供了極大的方使。在地下工程中，建筑與結構是密不可分的，自然而然我們就會想能不能把上述兩種虛擬現實技術應用于集成化CAD系統中．實現理想的繪圖與結構計算一體化。如果把虛擬現實技術與現在的集成祀CAD系統的設計思想相結合．創建虛擬現宴的集成化CAD系統，從設計的建筑方案滯構方案的選擇直至最后結果的實現必將大大提高設計效率，提高設計質量。建筑師利用虛擬現實CAD系統可以很方便地建立和修改建筑方案；然后，結構設計師就可以利用已經建起的模型．選取結構方案調整荷載和定義荷載，由系統自動進行結掏分析，得出結果，如配筋量和配筋圖等。如果不能滿意，則可修改參數或方案。設計中比較令人頭痛的一十問題就是建筑、結構、設備等各方的協調問題。目前采用的方法是各方升別設計，再一起反復進行討論，協商修改。直到滿意。如果采用虛擬現實集成CAD系統，則可以實現各方同時設計，在設計過程中遇見沖突隨時協調直到滿意為止。

4.結束語

    地下工程作為結構實體與自然界、人類環境緊密相連．因此可以利用虛擬現實技術來模擬虛擬環境(自然環境社會環境)。由于虛擬現實技術可以在事前模擬各種環境和活動．實覡分析各種方案的合理性，修改不同方案參數的功能，所以可以對規劃、設計和施工進行優化。目前，虛擬現實技術在地下工程中的應用還有很多不完善的地方，我們應努力建設虛擬現實技術實驗室．面向工程，開發有價值的虛擬現實工程系統，使其在地下工程設計、施工、管理和可視化計算等方面得到更廣泛應用。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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