三维仿真技术在建筑工程中的应用

1、三维仿真技术在建筑工程中的应用一 引言仿真技术现已成为解决重大工程问题的必要手段， 并逐渐形成了一门交叉科学， 成为认 识客观世界的一种重要方法。建筑工程施工是一项将设计图建成实物的复杂工作。 其施工方法和组织程序都存在多样 性、多变性。至今，对施工方法和施工组织的优化主要建立在施工经验的基础上，依靠施工 经验对施工进行控制和优化， 且具有一定的局限性。 特别是在全新结构或复杂条件下的施工， 依靠经验对工程施工的可行性、 控制优化、事故预测和生产调度优化等各方面的分析和预测， 可能会由于思维惯性而忽略重要结果或由于力不从心只能分析局部和少量结果， 更无法开展 定量分析。 而依靠三维仿真技术这一

2、高效节省的试验方法， 能够跟踪施工过程的各环节， 对 施工生产全过程进行试验，验证优化施工技术和施工组织。二 三维仿真技术三维仿真技术或称虚拟仿真技术、虚拟现实技术， 是指以相似原理、信息技术、系统技 术及其应用领域有关的专业技术为基础， 运用计算机技术生成的一个逼真的、 具有多种感知 的虚拟环境， 用户可以通过其自然技能使用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的一 种技术。 简单的说， 三维仿真技术是对系统模型的一种试验技术， 其实质也就是进行建模和 实验。三 三维仿真的特点及特征具有沉浸性、 交互性、 多感知性和构想性等特点； 以及学科的高度综合化、 人的临场化、 系统或环境的大规模集成

3、化、 数据表示的多样化和标准化等特征。 目的是使操作者对所需解 决的问题有一清晰和直观的认识，从而也使模型的建立和验证更加方便。四 三维仿真技术在发展过程中碰到的四大问题1 设备的“贵族化” ；2 繁琐的三维建模； 3 数据量大； 4 以假乱真的存在技术等。五 三维仿真技术的关键技术以及研究内容1 环境建模技术； 2 立体声合成和立体显示技术； 3 触觉反馈技术； 4 交互技术；5 系统集成技术等。六 三维仿真技术的作用和意义1 观念上：从 “以计算机为主体 ”变成 “以人为主体 ”；2 哲学意义上：使人们进一步认识 “虚”和 “实”之间的关系。七 系统仿真技术与虚拟现实技术的结合 传统的系统

4、仿真技术很少研究人对感知模型的仿真，因而无法模拟人对外界环境的感 知。随着多媒体、计算机动画、 传感技术的发展， 计算机模拟外界环境对人的感官刺激开始 成为可能。 事实证明， 人类对于图像、 声音等感官信息的理解能力远远大于数字和文字等抽 象信息的理解能力。 将仿真技术与虚拟现实技术相结合， 利用虚拟现实技术进行仿真模型的 建立和实验的模拟， 使仿真的过程和结果可以实现图象化、 可视化， 使仿真的系统具有了三 维、实时交互、属性提取等特征，极大地促进了仿真技术的发展。八 三维仿真技术在工程中的应用1 在工程结构分析中的应用当结构形式特殊， 荷载及材料特性复杂时， 人们往往求助于模型试验来测定其

5、受力性能， 但模型试验往往受到场地和设备的限制， 只能做小比例模型试验， 难以完全反映结构的实际 情况。用仿真与虚拟现实技术， 则可以进行足尺寸的试验， 还可以很方便地修改参数。 此外， 有些结构难于进行直接试验，用计算机模拟仿真就更能体现出优越性。在运用传统的有限元法进行结构分析时， 结构应力的结果通常采用内力图等力线的形式 描绘出来；而利用仿真与虚拟现实技术则可以通过颜色的深浅给出三维物体中各点力的大 小，用不同颜色表示出不同的等力面；也可以任意变换角度， 从任何点去观察，这样就使工 程师的思维更加形象化，概念也更易于理解。2 在模拟施工过程中的应用建筑施工是复杂而又大型的动态系统， 它通

6、常包括立模、 架设钢筋、 浇注、 振捣、拆模、 养护等多道工序， 而这些工序中涉及的因素繁多， 其间关系复杂， 直接影响着混凝土浇筑的 进程。 现有的模拟只是对进度计划起到了一定作用， 并没有对施工过程起到真正的作用， 而 对施工过程建立合适的模型， 才能通过仿真手段去发现实际施工中存在的问题或可能出现的 问题。 另外，仿真与虚拟现实技术在结构工程领域内，还可应用在建筑系统工程管理、 建筑 信息管理、建筑物及构筑物的空气流场、空气品质分析等方面。3 在安全工程中的应用 对于安全工程中的培训、 指挥、 产品性能设计以及事故救灾指挥等方面都可以运用虚拟 现实系统真实再现客观环境，已达到科学研究成果

7、真实化再现。4 在土木工程中的应用 由于土木工程中常用比较抽象的图形和精练的语言来描述复杂的场景， 以传递大量的信 息，但这种信息处理与传递方式受到信息接受者所从事的职业、 知识结构及理解能力的影响， 交流起来非常困难，但三维仿真技术的发展为我们克服这些困难，提供了极其有效的手段。5 在岩土工程中的应用 岩土工程处于地下， 往往难于直接观察， 而仿真与虚拟现实技术则可把内部过程展现出 来，以确定岩体本身的力学性能及岩体夹层界面的力学特性、强度条件，并存入计算机中， 具有很大实用价值。6 在防灾工程中的应用 由于自然灾害的原型重复实验几乎是不可能的， 因而仿真与虚拟现实技术在这一领域的 应用就更

8、有意义， 其能针对抗灾、 防灾进行模拟仿真， 这样对防洪规划以及遭遇洪水时指导 人员疏散是很有作用的。 又如在火灾方面， 对森林火灾的蔓延、 建筑物中火灾的传播也起到 了很好的指导作用。7 在工程项目招标投标中的应用 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。 尤其是大型工程、 国家重点工程和国际工程的招标 投标， 往往在项目企划阶段就已经开始这方面的运作。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

9、的几率。九 三维仿真技术在建筑应用上的优点1 当结构形式特殊、荷载及材料特性复杂时，三维仿真技术可以进行足尺寸的试验，还可以 很方便地修改参数。 另外， 利用三维仿真技术也可以通过颜色的深浅给出三维物体中各点力 的大小，用不同颜色表示出不同的等力面；还可以任意变换角度， 从任何点去观察，这样就 使工程师的思维更加形象化，概念也更易于理解。2 可以把地下管线等用眼睛难以看到的东西， 利用电脑模拟出来， 而且以三维动画的形式展 示管线的长度位置及施工流程，让不形象的、眼睛看不到的东西能清晰地表现出来。3 可以让人们精确地看到工程施工的内部构件， 方便观察者从内部到外部直观地看清施工进 度。4 能针

10、对自然灾害、 抗灾、 防灾等进行模拟仿真， 这样对防洪规划以及遭遇洪水时指导人员 疏散是很有作用的。5 可以模拟新技术、新材料、新工艺应用后的效果。6 能模拟施工全工程，能够提前发现施工进程中的相互链接以及管理中的质量、安全等方面 存在的隐患。管理人员可以采取有效的预防、 加强措施， 提高工程施工质量和管理效果；施 工虚拟仿真技术能实时、直观地显示施工全过程，这样有助于操作人员全面了解作业过程， 安全地完成施工任务。十 总结 三维仿真技术作为结构工程高新技术之一， 开创了结构工程学科的新纪元， 其技术潜力 巨大、 应用前景十分广阔。 三维仿真技术已成为人类探索客观世界规律的三大手段之一。它在建筑工程管理的每个专业中都有着广阔的应用前景， 也是实现信息化、 智能化、 空间可视 化、全生命周期的工程管理有效途径。 但就目前的三维仿真技术来说还存在一定缺陷， 所以 还需在以下方面作出进一步的完善：（1）系统的通用性：由于三维仿真技术普及性较差，目前只对单个工程有效，还不具备在 建筑