（教育技术学专业论文）建筑施工仿真的技术研究及教学应用.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着虚拟仿真技术和建筑行业的飞速发展，虚拟仿真技术在建筑 业的应用越来越广泛。建筑施工是一个复杂的系统工程，已经难以用 传统的数学模型来描述，在建筑施工中利用虚拟现实进行仿真已经成 为可能。 本文主要使用虚拟现实技术对建筑施工进行仿真，了解整个建筑 施工过程以及在施工过程中各构件在实际结构中的相互位置关系，试 验多种施工方法，了解各种施工机械的工作原理，计算相应工况应力， 对施工方案进行优化等。同时将对建筑施工的仿真应用到土木工程专 业的教学实践中。 论文基于虚拟现实平台v i r t o o ls ，集合三维建模软件3 dsm a x ， 通过对s d k 的二次开发，研究并开发建筑施工仿真系统，其主要功能 如下： ( 1 ) 建筑施工场景的构建及优化 建筑施工场景主要包括：施工环境、施工设备、辅助设施、建筑 主体等。在建筑施工场景构建的同时也对材质与纹理贴图进行研究， 构建一个逼真的虚拟场景，体现虚拟现实的沉浸感。另外在施工场景 构建好之后，要对建筑施工场景进行优化，使其更符合虚拟现实的要 求。 ( 2 ) 建筑施工仿真系统交互设计 这是本论文的重点，利用v ir t0 0 ls 提供行为模块对建筑施工进 行仿真设计，来实现施工过程的可视化仿真及动态加载，重点实现特 殊场景下施工技术仿真以及新技术，新装备操作问题，并实现人机交 互的功能。 ( 3 ) 建筑施工仿真与情景学习的结合 情景学习是在要学习的知识，技能的应用情景中进行学习。因此 将研究的成果作为土木工程专业实践教学的一个平台结合情景学习 理论，为学生提供逼真的，可操作的施工环境，可以用来提高学生学 习兴趣和施工经验，以及自身的专业素质。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 关键词：建筑施工虚拟现实仿真技术v i r to o ls 情境学习 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fv i r t u a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h ec o n s t r u c t i o n i n d u s t r y ，t h ea p p l i c a t i o n o fv i r t u a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g yi nt h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r yi sm o r ea n dm o r ew i d e l y t h eb u i l d i n gc o n s t r u c t i o ni sac o m p l e xs y s t e m se n g i n e e r i n g ， w h i c hi sd i f f i c u l tt ou s et h et r a d i t i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lt o d e s c r i b e t h eu s eo fv i r t u a lr e a l i t yt os i m u l a t i o nh a sb e c o m ep o s s i b l e i nt h eb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n i nt h isp a p e r ，b yu s i n gt h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yt os i m u l a t e t h eb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n ，w ew i l lk n o wt h ee n t i r ec o n s t r u c t i o np r o c e s s a n dt h em u t u a lp o s i t i o n a lr e l a t i o n s h i po fe a c hc o m p o n e n ti nt h ea c t u a l s t r u c t u r ei nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，b yt e s t i n gd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n m e t h o d s ，w ew i l lk n o wt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe a c hc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y ，h o wt oc a l c u l a t et h er e l e v a n ts t r e s s ，a n dh o w t oo p t i m i z et h e c o n s t r u c t i o np r o g r a m t h e ni tc a nb ea p p l i e di nt h et e a c h i n go fc i v i l e n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r ，w ew i l lr e s e a r c ha n dd e v e l o pac o n s t r u c t i o n s i m u l a t i o ns y s t e m s ，w h i c hu s et h e3 d sm a xa n db a s e do nt h ev i r t o o l st o r e d e v e l o pt h es d k ，w h i c hm a i nf u n c t i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n s t r u c t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h eb u i l d i n g c o n s t r u c t i o n s c e n e m a j o rb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n s c e n e si n c l u d i n g ：t h ec o n s t r u c t i o n e n v i r o n m e n t ，c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ，a u x i l i a r yf a c i l i t i e s ，t h e m a i n b u i l d i n ga n ds oo n a sw e l la sc o n s t r u c tt h ec o n s t r u c t i o ns c e n e sw ew i l l s t u d yt h em a t e r i a l sa n dt e x t u r em a p p i n gt o b u i l dar e a l i s t i cv i r t u a l s c e n e w h i c hr e f l e c t st h es e n s eo fi m m e r s i o no fv i r t u a lr e a l i t y a l s o a f t e rt h ec o n s t r u c t i o ns c e n eb u i l t w ew i lo p t i m i z ei tt ob e t t e rm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fv i r t u a lr e a l i t y ( 2 ) i n t e r a c t i o nd e s i g no ft h ec o n s t r u c t i o ns m u l a t i o ns y s t e m t h i si st h ef o c u so ft h i sp a p e r ，u s i n gt h ev i r t o o l sw h i c hp r o v i d e b e h a v i o rm o d u l et os i m u l a t i o nd e s i g n ，t oa c h i e v i et h ev i s u a ls i m u l a t i o n a n dd y n a m i cl o a d i n go ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t of o c u s o nu s i n gt h e c o n s t r u c t l o n t e c h n o l o g ya n dn e wt e c h n o l o g yi n t h es p e c i a ls c e n e s i m u l a t i o n , n e w e q u i p m e n to p e r a t i o n a l p r o b l e m s ，a n dt or e a l i z e h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nf u n c t i o n ( 3 ) c o m b i n a t i o no f b u i l d i n gc o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o na n ds i t u a t e d s i t u a t e d i e a r n i n gi sas c e n a r i oi nw h i c hi n c l u d e s k n o w l e d g et o i e a r na n da p p l i c a t i o n so f s k i l l s t h e r e f o r e ，c o m b i n a t i n gt h er e s u l t so f t h i sr e s e a r c h a sa p l a t f o r mf o r t h ec i v i l e n g i n e e r i n gp r o f e s s i o n a l p r a c t l c e t e a c h i n g ，w i t ht h es i t u a t e d l e a r n i n gt h e o r y ，c a n p r o v i d e s t u d e n t sw i t ha r e a l i s t i c ，w o r k a b l e c o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n t c a n 1 m p r o v et h es t u d e n t s i n t e r e s ta n de x p e r i e n c ei nc o n s t r u c t i o n ，a sw e l la s t h e i ro w np r o f e s s i o n a l q u a l i t y k e yw 。r d s ：c 。n s t r u c t i o n ；v i r t u a l r e a l i t y ；s i m u l a t i 。n t e c h n 。1 。g y ； v i r t o o l s ；s c e n el e a r n i n g 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 绪论 1 1 选题背景及意义 随着经济和技术的快速发展，建筑施工的环节不断增多、建筑施 工难度不断增加，建筑施工过程不断拉长。建筑施工因其庞大、复杂 的特性，其组织程序和施工方法存在多变、多样性的特点。并且其内 部各组成部分之间是相互联系和相互制约，存在着复杂的时空逻辑关 系。同时又由于受到建筑施工场地的限制以及施工过程中的各种干 扰，都为建筑施工的管理和组织带来了一定的困难。 土木工程专业一直是各大高校的热门专业，也是一门理论性和实 践性相结合很强的综合性学科，实践性教学在整个教学环节中所占比 例较大。实习是土木工程专业培养人才的重要实践环节，也是学生对 学习内容进行吸收、深化、综合训练的重要环节。在目前的情况下， 许多高校通过参观施工场地的方式来获得相应的施工工程经验。事 实上，施工项目除了受到外界条件如降水和气温等的限制外还要受到 人为因素如组织方式和施工水平等的影响。这使得学生看到的仅仅是 工程的一部分，许多关键的设计和施工技术学生是学不到的，同时学 生只是被动的观察，本身学习的积极性没有发挥出来。 虽然土木工程专业教学采取一定的改革，但由于受到各种限制， 目前我国高校土木工程专业的实践教学远远滞后于理论教学，传统的 实践教学方式在土木工程专业教学中正在面临着困难和挑战。因此构 建一种新型的实践教学模式来提高土木工程专业教学效果已经成为 一种必要。 随着计算机硬件和软件技术的发展以及虚拟现实技术的日臻完 善，虚拟现实技术应用领域也在不断的扩展。虚拟现实技术集合了计 算机图形技术、传感器技术、计算机仿真技术、显示技术的优势，提 供了更加真实的和直接的三维人机交互界面，并且创建一个使用户具 有身临其境之感的虚拟的信息环境心1 。利用虚拟现实技术对建筑施工 进行模拟仿真，可以在不动用现实资源和能力的前提下，通过虚拟现 实技术使业主、设计师和施工者在施工之前清楚的观察到并了解整个 施工的过程和结果，了解各构件在实际结构中的相互位置空间关系， 西南科技大学硕士研究生学位论文 第2 页 试验多种建筑施工方法，优化建筑施工方案以及计算相应工况应力 等。这可以满足业主的需要，因为他们在投资前肯定希望看到更直观 的体验。 在建筑施工中引入虚拟现实仿真技术已经成为可能，并将创造极 大的经济价值和社会价值。而将虚拟现实技术对建筑施工的仿真成果 引入到土木工程专业实践教学中，可以满足实践教学中情景化，自然 交互性的要求，简化了现实世界过程太复杂的细节，最重要的是可以 使学生全过程、全方位观察现实中难以观察到的现象。因此可以看出 虚拟现实技术在培养操作型、技能型人才的教育领域内也有着较大的 应用前景。 1 2 研究现状及存在问题 建筑施工仿真技术是一门尚未形成体系的研究方向，要实现和推 动虚拟现实仿真技术在建筑施工领域中的应用和发展，不仅要对建筑 施工技术的理论进行探索和研究，还要研发使用与建筑施工仿真的虚 拟现实技术系统和软件。 1 2 1 国外研究现状 虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性。真正意义上的虚拟现实 系统最早是为了满足军事仿真训练的需求而开发的，而现在虚拟现实 技术已被广泛应用于医学、教育、建筑设计、娱乐游戏、体育等领域 中，虚拟现实技术所需的设备也从价格高昂的工作站变成了普通的个 人电脑。因此可以这样说，虚拟现实技术已经渐渐走近了人们的日常 生活，学习和工作中，并且成为人们改善生活质量、提高学习和工作 效率的工具阳1 。 在国外对建筑施工仿真技术的研究和试验正在进行。早在上世纪 7o 年代仿真技术就已被于工程施工系统分析中。其中h a lpin 提出的 循环网络仿真技术( c y c l o n e ) 是在工程建设中应用的最早，比较成 熟和完善和使用最为广泛的仿真技术。它将计算机仿真技术和排队论 应用到网络计划技术中，对具有随机时间的循环施工过程仿真，用于 反映循环建筑施工的过程3 。像t c m ( m o a v e n za d e ha n d 西南科技大学硕士研究生学位论文 第3 页 m a r k o w197 6 ) 、s c r a p e si m ( c 1e m m in sa n dw il le n b r o c k19 7 8 ) 。、 s i r e n ( k a v a n a g h l 9 8 5 ) 、r e s q u e ( c h a n g1 9 8 6 ) 旧1 、c o o p s ( l i u1 9 9 1 ) 、 c i p r o s ( o d e h1 9 9 2 ) 、 d i s c o ( h u a n g a n d h a l p i n 1 9 9 4 )、 s t r o b o s c o p e ( m a r t i n e zt 9 9 6 ) 和s i m p h o n y ( h a jj a ra n da b o u r iz k 2 0 0 2 ) 都是在c y c l o n e 的基础上发展起来的阳3 。以上的仿真软件已被 广泛应用在工程施工分析领域，如土石方开挖、隧洞施工、管道施工、 桥梁施工等。 c 1a sg o ws t r a th c1y d e 大学信息科学和土木工程系研究实施一个 共享系统施工过程可视化程序的项目。在这个研究中有一个允许对模 拟的施工进程进行可视监控和交互的非沉浸虚拟现实接口，用户可以 使用交互协同方式调查研究不同的现场组织和施工顺序，验证和优化 建筑施工计划，并动态地集成建筑施工过程与现场活动和设备。 美国的m u1tig e n p a r a d ig m 公司开发了当今最优秀的软件之一 的三维实体建模三维视景运动控制工具m u ltig e n c r e a to r v eg a ，。 同时m u ltig e n p a r a d ig m 公司提出的o p e n f lig h t 数据组织标准，已 经成为事实上的实时动态交互视景工业标准。而其软件低层采用的是 美国s g i 公司提供的o p e n g l 接i ：i 标准h 0 1 。 b a r t1es tt 建筑学校和u n iv e r sityc olle g el o n d o n 计算机科学 系的研究人员，研发了一种p a n g e a 系统和一个3 d 粗样软件包，用来测 试城市和建筑设计的早期原型。英国m a n c h es te r 大学先进接口组和 c a d c e n t re 有限公司合作利用虚拟现实技术去创建一个复杂流程工 厂的c a d 模型，并进一步研究其使用。其主要目的是为了解决现实大 型真实系统出现的问题，同时也研究软件的算法和体系结构，这些都 将是研究虚拟现实技术设计和应用的基础。 英国ie s 公司推出的建筑设计虚拟环境系统。在19 95 年日本清 水建设公司利用c a d 技术，使施工生产情报，能够在计算机显示器上 主体显示，其本质就是虚拟现实系统。该系统在海老名市保险公司2 6 层钢一混凝土组合结和日本某核电站建设工程构工程以及新东京火力 电厂地上结构拆除工程的应用结果显示，在很大程度上方便了结构工 程施工管理 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 2 国内研究现状 上世纪8 0 年代以来，国内天津大学钟登华等人一直在做施工模 拟仿真理论方法与应用的研究n 引。并且在水电工程的地下洞室群施 工动态仿真方面作了大量开拓性的工作i 在我国二滩、三峡、糯扎渡、 拉西瓦、溪洛渡等2 0 余项大型工程中得到应用，取得了较为显著的 社会效益和经济效益。而在建筑施工领域，霍吉栋主要采用循环网络 技术对高层建筑主体结构循环网络仿真过程进行研究3 | 。 张煜和王少梅对v e g a 和m u l tig e n 进行二次开发设计出了c t d s s 软件，用来研究集装箱码头的生产过程。清华大学土木工程系和中国 建筑一局四公司协同利用开发a u to c a d 的三维实体图形，实现了对 施工场地布置与施工进度的安排和调节。使用广泛的三维动画软件也 被应用在施工现场场景展示和施工过程的演示。 我国建筑行业应用虚拟技术新阶段的标志是上海正大商业广场 施工虚拟仿真系统，此举也为项目管理者和业主在项目风险管理和评 估方面提供了一个新的、有价值的工具1 。 当前，武汉天喻公司的“三维参数化c a d c a m 系统 、北京新洲 公司的“s o lid 20 0 0 ”以及清华英泰公司的“g e m c ”，为我国生产的 具有自主知识产权的参数化设计软件，也代表了当前的水平，但从稳 定性、功能和界面技术上与国外的三维参数化设计软件相比存在较为 明显的差距。 建筑施工仿真系统会随着仿真技术在建筑施工的应用得到不断 的发展和完善，与此同时也将推动计算机仿真技术和建筑施工技术的 发展。 1 2 3 存在问题 将虚拟现实仿真技术应用在建筑施工中虽然取得了一定的成效。 但总体上受制于计算机硬件技术、仿真软件发展以及研究人员的研究 开发。当前开发建筑施工仿真系统存在以下问题： ( 1 ) 施工仿真系统平台的开发需要专门的工作站或者实验室，因 其对计算机软硬件的要求较高。而当企业想自主研究开发虚拟仿真系 统时，需购买昂贵的设备和软件以及投入大量的人力、物力和财力。 ( 2 ) 对单项工程的开发使用的虚拟现实平台，需要从国外进口。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 面向建筑施工的集成型软件系统的开发可以为单向工程的开发提供 良好的平台，节约大量的成本。 ( 3 ) 建筑施工企业要引进专业软件人才，培养自己的骨干，这样 会增加企业的开支。 、 ( 4 ) 校企联合不够紧密。目前一些高校和科研机构也在研究和开 发建筑工程施工中辅助设计软件但没有与企业联合，使得一些研究成 果在高校土木工程专业中没有得到广泛应用。 1 3 论文研究目标及内容 本论文实现对建筑施工模型及环境构建，对建筑施工设备工作原 理进行仿真以及展示，对场景进行管理以及对建筑施工过程进行动态 可视化仿真，重点解决建筑施工中新技术，新装备应用技术仿真，如 特殊情况下挖掘机使用，基坑填筑，灌注桩等。并结合情景学习教学 理论构建人机交互模块把作品发布，供土木工程专业教师学生做教学 实践教学参考，提高教学和学习效率。 对建筑施工进行虚拟现实仿真研究及教学实现涉及面非常广，内 容复杂而多，工作量也非常大。因此应用已经成熟的虚拟现实理论， 针对建筑施工所具有的特点，研究实现建筑施工仿真系统三维模型总 体结构设计、实现、思路以及使用的技术路线，包括系统软件平台的 选择、技术使用、模块构件、交互功能设计和作品发布等。本文的主 要研究内容如下： ( 1 ) 研究已有的成果，分析建筑施工仿真技术系统构成，包括建 筑施工技术的特征、虚拟现实仿真理论以及情境学习理论等。 ( 2 ) 分析构建建筑施工仿真的虚拟现实软件平台v ir to ols 的功 用以及建筑施工中三维实体的模型仿真构建。 ( 3 ) 分析建筑施工过程并实现可视化仿真以及人机交互技术，重 点解决特殊情况下情况下建筑施工技术仿真，以及新技术，新装备的 操作技术仿真。 ( 4 ) 分析情境学习理论在建筑施工仿真系统中的作用，并根据情 境学习理论对建筑施工仿真进行人机交互系统设计，然后检验其应用 于实践教学的效果。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第6 页 1 4 论文结构安排 第一章是绪论，主要介绍了建筑施工仿真研究的背景及意义，国 内外研究现状及存在的问题，并介绍了论文研究的主要内容。 第二章是本论文研究的理论基础，首先对虚拟现实技术及仿真技 术等关键理论做了介绍。其次介绍了虚拟仿真技术应用在建筑施工领 域的优势。最后，对在土木工程专业教学实践中引入虚拟现实仿真技 术的必要性做了探讨。 第三章是建筑施工仿真技术系统的总体设计目标，开发方案和技 术路线，并且以某高层建筑为例，研究虚拟现实仿真技术在建筑施工 中的应用。 第四章是建筑施工场景相关的建模及动态仿真技术。详细介绍了 建筑施工场景及建筑构件的模型构建，建筑施工动态仿真的设计等。 以及在模型建构和动态仿真设计中应注意的关键问题。 第五章是建筑施工仿真平台设计与实现，主要介绍仿真平台的交 互性设计工作，包括建筑施工动态展示，施工机械的工作原理仿真， 基础工程，主体结构工程，建筑装饰工程等以及系统的发布与应用于 教学实践测试。 第六章是对本论文研究内容总结以及展望。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第7 页 2 本论文研究理论基础 2 1 虚拟仿真技术概述 2 1 1 仿真技术 仿真( sim ula tio n ) 是一门以控制理论、相似原理、信息技 术、数学模型与计算技术、系统技术及其相关专业技术为基础的 基础性学科，以计算机和专用的物理效应设备为工具，借助于系统 模型，对虚拟的系统进行动态仿真试验研究的一门新的综合性技 术h 引。简单的来说，仿真技术是在经济性和安全性方面有很大的 优势且对系统模型的一种试验性技术。仿真技术是一种可以控制 的、耗费较小的、非破坏性的、允许多次重复的试验技术，具有 廉价、高效、高品质的特点。也是至今最有效的经济一体化方法 和推动技术进步的战略技术。 仿真技术是通过试验来求解的一种技术，了解系统中各变量 间的关系和观察系统模型变量变化的全过程。仿真技术必须有良 好的人机交互特性以便进行多次运行和系统优化引。仿真技术最 早主要应用于航空、航天领域军事方面，而现在仿真技术随着经 济的发展已应用于国民经济的各个领域，成为系统工程和科学方 法的一个强大工具。 将虚拟现实仿真技术应用到建筑施工领域，可以使工程师提 前了解建筑施工结果，发现错误的设计，优化建筑设计，并预示 最终的工作状况，这已经达成工程界的共识。 2 。1 2 虚拟现实技术 虚拟现实，英语为( virtua lr eality ) 简称v r ，有的将其 翻译为“实境技术”、“灵境 、“幻真”等，而普遍使用的翻译为 “虚拟现实 ，它是最近几年较为活跃的研究领域。vr 集成了多 媒体技术、计算机图形学、网络技术、传感器技术、人机交互技 术以及计算机仿真技术等。同时也综合应用了数学、光学、力学、 机构运动学等学科。它综合应用这些技术创造出逼真的模拟环境， 并模拟人类在现实环境中的各种感知系统行为的高级人机交互技 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 术。 上世纪90 年代虚拟现实技术为工程界和科学界所关注，在经 过多年的发展后，正在逐步的完善。美国是虚拟现实技术的发源 地，其研究领域主要集中在用户界面、感知、软硬件方面，并且 代表了当今世界的发展水平。英国主要研究了辅助设备设计、分 布并行处理和应用研究等虚拟现实技术开发方面，并取得了领先 的地位。而我国因对虚拟现实技术研究起步比较晚，与发达国家 研究水平相比有一定的差距。现在国家有关部门已经根据我国的 国情，制定了相应研究计划，也引起了一些科学的重视和参与其 中。 虚拟现实技术有狭义和广义之分。狭义的虚拟现实技术是由 人创造使用户具有身临其境之感并可以操纵虚拟环境中的物体与 之进行交互的计算机虚拟环境。而广义的虚拟现实技术是由计算 机技术创建的包含有物理和心理空间的三维世界，这个空间可以 是想象的，也可以是对真实世界的模拟，其本质是“人类想象力 付诸实施的感觉空间”，是人们对真实世界中的时间和空间特性认 识的扩展。 2 1 2 1 虚拟现实技术特性 l993 年，美国科学家b urde ag 在ele ctr o93 国际会议上发 表的“virtu a1r ea 1itys yste m a nd a p p1ic a tio n ”一文中，提 出了“虚拟现实技术特性的三角形 。即：im me rsi0n ( 沉浸感) 、 in te r a cti0f i ( 交互性) 、i m a g in a ti0n ( 构想性) 三“i ”特征n8 l 。 如图2 1 。 图2 1 ：虚拟现实系统“3i ”特性 fig 2 1vir t u ai re ai t ys y s t e f t ”3i ”c h ara c t eris tics 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 夏 in te r a ction ( 交互性) 是指用户使用输入输出设备与人类的 自然技能相结合，同虚拟场景中的对象相互作用的能力以及从环 境中得到反馈的自然程度。虚拟现实的环境是开放的，系统中的 人机交互是近乎自然的。交互性是人机和谐最重要的因素，其主 要特点有用户参与并获得相应反馈；人机交互具有有效性；人机 交互具有实时性。 immer si0n ( 沉浸性) 又称临场感，是指用户沉浸于计算机生 成的虚拟环境中以及允许用户投入到由计算机生成的虚拟场景中 的能力。理想的虚拟环境应该使用户在身体上和精神上都获得“身 临其境 之感。虚拟现实的沉浸性主要来自于对虚拟环境的多方 位的感知。 im agin a tio n ( 构想性) 是指用户沉浸在虚拟现实系统从定量 和定性综合构建的多维信息空间中，依靠自己的感认知能力获取 知识，发挥自身的主观能动性，寻求答案并做出相应的判断。用 户可以获取新的知识，提高感性和理性认识，最终产生新的构想 在虚拟环境中。并将新的构想反馈给系统，系统又将反馈的结果 反馈给用户，这样形成一个良性的循环，促进用户构想力的发展。 除此之外，虚拟现实还具有m u lti s e nso r y ( 多感知性) 的特 性。 2 1 2 2 虚拟现实分类 交互性和沉浸性是虚拟现实的两个重要特性，依据构造虚拟 现实系统的倾向性不同，虚拟现实系统可分成以下几种：桌面式虚 拟现实系统( d esk to pvirth a lr e a litysyste l i l ) 、沉浸式虚拟现 实系统( im mersivevirtu alr e a litysyste m ) 、分布式虚拟现实 系统( d istributdev ir tua lr e alitysyste m ) 和增强型虚拟现实 系统( a ug m entedvir tu alr ea 1itys yste m ) h9 j 。 ( 1 ) 桌面式虚拟现实系统。是基于个人计算机或者低级工作站 进行的仿真，将计算机的显示器作为用户观察虚拟世界的窗口， 通过各种输入设备如鼠标，力矩球，追踪球等实现与虚拟世界的 交互。用户使用输入设备，通过显示器全方位观察虚拟场景以及 与虚拟场景中的物体进行交互的一种最简单的虚拟现实系统。由 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 于桌面式虚拟现实系统是在个人计算机的软硬件环境下运行的， 具有较低的运作门槛和较广泛的应用前景。并且随着计算机软硬 件技术的进步和三维图形实时渲染技术的发展，高质量的视觉虚 拟环境实现已经成为现实。 ( 2 ) 沉浸式虚拟现实系统。主要是为用户提供一种完全沉浸的 效果，使用户具有“身临其境 之感。用户使用头盔、数据手套 等传感器装置，把自身的听觉、视觉、触觉和其他多种感觉封闭 起来与构建的虚拟环境进行交互，全身心地投入到虚拟环境中去。 例如，在消防仿真演习系统中，消防员会沉浸于极度真实的火灾 场景并做出不同反应。这种系统具有完全沉浸的优点和系统设备 价格较高，难以大规模推广的缺点。 ( 3 ) 分布式虚拟现实系统，又称网络虚拟现实系统。是指在不 同物理环境中的用户通过计算机网络共同参加一个虚拟环境，获 得相应的虚拟经历和与其他用户共享和交互信息。分布式虚拟现 实系统充分的利用了因特网环境下的各种分布资源。它为了实现 某种特定的用途通过计算机网络把分布于不同地方的沉浸虚拟现 实系统连接起来，是沉浸式虚拟现实系统的发展。虽然近年来网 络技术的发展推动了其研究与开发，但是宽带与延迟仍是主要的 技术难点。 ( 4 ) 增强型虚拟现实系统。是一种把计算机生成的虚拟环境或 其他信息与用户感知的真实世界相结合的一种系统，也是未来虚 拟现实发展的方向。增强型虚拟现实系统不仅可以用来模拟仿真 现实世界，而且可以用来增强用户对真实世界的感受。 虚拟现实技术的不断进步与成熟，其应用领域已有过去的军 事和模拟训练扩展到航空航天、土木、铁道、科学计算可视化、 医疗、娱乐、教育、艺术、通信等领域。 2 1 3 虚拟现实技术与系统仿真技术结合 系统仿真是这样的一种技术，利用计算机模拟真实环境并进行科 学实验。视觉是它的主要感知，并且强调模拟的真实性。同时虚拟现 实技术的交互性和沉浸感来源于通过视觉、听觉、触觉和嗅觉等对虚 拟世界的感知。虚拟现实技术更加重视“身临其境”之感，而仿真一 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 般不要求实时交互性。仿真是虚拟现实系统的引擎，虚拟现实的本质 是仿真3 。 将虚拟现实技术与系统仿真技术相结合，对真实的环境进行建模 和仿真试验，使系统仿真的过程和结果可视化、图像化，并使系统仿 真具有三维、实时交互性和属性提取的特性，将促进系统仿真技术的 发展，也使虚拟现实技术具有更强的生命力。 2 2 建筑施工仿真技术 2 2 1 建筑施工的特点 目前我国城市化的进程正在加快，越来越多的高层建筑出现 在各大城市，与之相随的是建筑施工领域的变化。建筑产品的特 点决定了建筑施工的特点，建筑产品除了具有体积大、整体难分、 复杂多样、难以移动等一般工业生产的基本特性外，还具有下述 主要特点心1 | ： ( 1 ) 建筑施工的流动性。主要是指建筑施工机构随着建筑物或 构筑物坐落位置的变化而发生整个场地转移以及在同个工程的施 工过程中，施工人员和各种机械设备沿着施工对象而发生的上下 左右流动。 ( 2 ) 施工技术复杂性。建筑施工常常需要根据建筑结构情况进 行多工种、多单位配合作业。建筑施工所用的物资设备种类较多 决定了对建筑施工技术管理和建筑施工组织都要求较高。 ( 3 ) 产品的形式多样性。建筑施工工程的造型、结构和材料受 建筑物用途和所处环境的制约，其施工方法具有变化性，无法实 现标准化。 ( 4 ) 露天和高处作业较多、机械化程度低。建筑产品复杂庞大、 施工周期较长，且多在露天和高处作业，容易受到自然气候的影 响。而当前我国建筑施工机械化程度较低，需要大量的手工操作， 这就需要保护操作人员的生命安全。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 2 2 2 虚拟仿真技术在建筑施工中的研究和应用 2 2 2 1 建筑施工中应用虚拟仿真技术的意义 在建筑施工使用虚拟仿真技术仿真模拟，可以提前了解各建筑构 件在实际结构中的相互位置关系，优化施工方案，计算相应工况应力 以及试验多种施工方法，这将产生以下几个意义： ( 1 ) 建筑工程施工方案选择和优化。这需要建立在大量施工经验 基础上的，并且具有局限性。而现代建筑都因其各自的特性其建筑施 工过程是不可复制的。通过对建筑施工的仿真可以更直观、更科学的 展示不同的施工和组织方法，完成施工方案的对比，实现最优施工。 ( 2 ) 施工管理方面。可以提前发现施工管理中的存在的安全和质 量等方面的问题，通过使用虚拟现实仿真技术对建筑施工的全过程进 行模拟，可以提高建筑工程施工质量和管理效益，通过使施工管理者 采取有效的预防和强化措施。 ( 3 ) 新技术的引入和革新。建筑施工仿真技术可以降低试验新施 工新技术的成本，发挥创造性和展示新技术的成效，以及缩短新技术 的引入和推广，降低其实验风险。 ( 4 ) 有利于建筑市场管理和安全生产培训。建筑施工仿真技术可 以在招标中更直观的对比各施工方案，增加其透明性和公正性；便于 建筑市场的管理规范；另外建筑旄工过程的直观显示，可以帮助施工 者全面了解操作流程，进而安全优质地完成建筑施工任务。 ( 5 ) 有利于建筑技术的进步，建筑施工仿真技术的开发带动了虚 拟现实技术在建筑业其他方面的应用，主要表现在城市和市政规划的 优化；建筑机械设计以及投资者的投资意向及市场营销。 ( 6 ) 大型工程设计。建筑施工仿真技术可以检查建筑设计的合理 性以及修改拟改进部位，进而得到令人满意的结果。同时有利于施工 单位与设计单位以及业主进行设计交底。 2 2 2 2 虚拟仿真技术在建筑施工中应用分析 在建筑施工中使用虚拟仿真技术，可以保证施工方案的可行性， 创造极大的经济效益。促进建筑施工技术的进步，使建筑施工这个传 统的技术行业适应当代信息化社会的发展【22 1 。 ( 1 ) 在建筑施工方案设计中的应用。利用虚拟仿真技术对虚拟施 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 工方案设计构建包括周围场景的虚拟施工环境，结构构件以及机械设 备等三维模型，然后利用计算机软硬件对其进行虚拟仿真装配，并根 据特定的交互功能，使用户在人机交互的环境中对施工方案进行修 改。 、 虚拟现实的沉浸性和交互性使建筑施工方案设计从过去只能在 计算结束后查看计算结果，到现在参与整个计算过程。使设计从过去 的静态、经验和类比转向为动态化。 ( 2 ) 虚拟仿真建造技术的应用。建筑工程施工方法和组织程序都 存在多样性、多变性的特点决定了将设计图纸建成实体建筑工作的复 杂性。当前对施工方法和组织进行优化主要依靠大量的施工经验，具 有局限性。尤其在复杂条件或者全新结构下的施工。施工经验会受到 思维惯性和精力的限制，对建筑旖工的可行性、优化以及事故预测等 方面的分析只能是局部的或少量的，更无法展开定量分析。 将虚拟现实技术对建筑物及其构件和施工过程进行几何建模，对施工 方案和施工过程进行实时、逼真的交互模拟，并进行验证对比和优化， 然后可以采用数字化手段制定和修改施工方案，并逐步代替传统的手 段，这就是建筑施工仿真技术。其建筑施工过程如图2 2 所示： 图2 - 2 虚拟仿真建造技术流程 fl9 2 2 vir t u aisim uia tio nt e c h n oio g yo fc o n s tru c tio npro c e ss 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 2 3 在建筑施工人员培训中的应用 我国基本建设的规模随着经济的发展而不断扩大，建筑业从业人 员数量急剧增加，而其中的大多数都是农民工，其文化程度和专业技 能不高，几乎没有建筑施工经验，除了少数特殊工种人员需要进行岗 前培训外，大多数建筑施工人员是由建筑企业培训的。由于这些工人 的流动性较大，难以接受系统的培训，容易导致建筑施工中安全事故 的频繁发生。 在虚拟仿真环境中对施工人员进行培训的优越性主要表现在以 下几个方面： ( 1 ) 虚拟仿真具有交互性，由用户在虚拟仿真环境中决定下一步 做什么，怎么做、重复做等。 ( 2 ) 有经验施工人员可以在虚拟仿真环境中提供建筑施工经验， 使施工人员了解、学习、检验建筑旌工的组织和管理。 ( 3 ) 施工人员和虚拟仿真环境的交互方式和现实世界中的方式是 一样的，虚拟仿真环境中的事物很容易被施工人员理解和接受，并且 不需要精深的计算机操作技巧。另外虚拟仿真提供一种有趣的，交互 式的培训技术，能提高施工人员的学习兴趣。 对建筑施工进行模拟后，施工人员可以对施工现场进行实时漫游 并全方位的观察建筑施工。在建筑旌工仿真中，施工人员可以观察各 对象之间的相互位置空间关系，避免了在施工过程中各施工工序之间 的相互配合的不易性，对于接近可能干涉的对象，给予施工人员提醒 和警告 。 2 3 虚拟仿真技术与土木工程专业教学 土木工程专业一直是各大高校的热门专业，也是一门理论性和实 践性相结合很强的综合性学科，但当前土木工程专业的实践教学已远 远滞后于理论教学。而建筑施工技术、装备以及实验检测设备却随着 现代科学技术的发展而更新。这些都给土木工程专业学生的综合素质 提出了更高的要求。因此如何提高学生实践能力，综合分析解决问题 的能力以及创新能力，是当今土木工程专业教学实践的重要任务心4 1 。 虚拟仿真技术为土木工程专业的实践教学提供一种新的手段和 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 新的技术方法。虚拟现实仿真技术是一种能很好地满足实践教学中情 景化以及自然交互性的要求的新的教学媒体，教师可以简化现实世界 过程太复杂的细节，学生也可以亲身体验、全方位观察施工环境和现 实中不易观测到的现象。因此虚拟仿真技术在土木工程专业培养操作 型、技能型复合人才方面有着巨大的应用前景。 2 3 1 虚拟仿真技术与教育理论 建筑施工仿真是虚拟仿真技术的一个应用领域，其开发和应用需 要教育理论的支持和指导。 2 3 2 认知理论 认知学习理论基本观点是：人类的认识不直接来源于外界刺 激，而来源于外界刺激和认知主体内部心理过程的共同作用心5 1 。 因此，学习过程被解释为学习是一个循环同化和顺应彼此交替发 生作用而导致心理和生理从平衡状态到不平衡状态的过程的内部 发展过程。而教学的过程则被解释为提供一种学生与自身的认知 加工的特定情境和特殊过程，由此促进学生认知结构的形成和学 生的认知发展。 认知心理学把知识分为陈述性知识和程序性知识，陈述性知识是 个人有意识的提取线索，同时直接陈述的知识。程序性知识是指个体 意识的提取，借助一些间接的形式运作，推测其存在的知识。知识的 获取是个体通过与环境相互作用及其组织获得的信息。 认知理论指出知识是学习者通过新旧知识和经验之间的相互作 用完成的，可以分为符号性学习、观察性学习和技能性学习。 符号性学习包括对符号本身的学习以及个体通过语言符号和他 人沟通的过程中实现的知识和经验增长，具有较强概括性和系统性。 观察性学习个人知识经验的增长是通过对其他个人与客体的相 互作用过程的观察而实现的。观察者以自己的经验为基础来理解包括 理解活动的背景、目标、对客体的操纵以及操纵的结果等的观察活动。 技能性学习知识经验的增长是通过个体与客体的相互作用来实 现的。 虚拟仿真技术与教育相结合注重学生的经验和对情境的认识，以 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 学生的认知心理出发，使学生顺利完成新旧知识之间的同化，建立自 己认知结构和促进认知的发展。 2 3 3 建构主义理论 瑞士学者皮亚杰( j p i a g e t ) 最早提出了建构主义理论，建构主 义理论认为学习是一个动态的适应过程，在学习过程中的个人活动是 对环境的具体体现，不应该脱离社会环境，孤立地学习。学习发生的 条件是学习资料与学习者的动机、情感和社会生活相互作用。学习者 在意义建构过程中完成对知识的理解和掌握心6 l 。学习者从外部世界 吸收信息，用与某领域相关的知识经验来储存和提取所有知识的，而 不是接受点滴知识并将它们储存在头脑里，然后对知识领域进行重 建。这对传统的教学理论提出了巨大的挑战。 学习是通过人际间的协作活动在一定的情境即社会文化背景下 实现的有意义的建构过程。 “情境”、“协作”、“会话”和“意 义建