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| | 土木工程中的虚拟现实技术 |
1 引言
我国是一个发展中的国家，有大量繁重的基本建设任务。人口城市化已成为不可逆的总趋势，而人口城市化的比例已成为衡量一个国家经济发展水平的一个重要指标。我国目前的城市人口约占总人口的26.4%左右; 估计到2000年，全国城市将发展到580个左右，城市人口可达到33%。据统计资料，一个发展中国家的城市人口达到30%左右时，整个国家的经济会有一个飞跃。依据这个规律，我国在本世纪末将会出现国民经济的大飞跃，预计到2020年，全国城市将会发展到1100个左右，城市人口可达到50%。考虑到我国的总人数和四化建设的规模，应该说我们正从事的是世界上最大规模的基本建设，而且正处在一个经济大飞跃的前夕。这种发展将为土木工程各学科提供优良的发展环境。这一优势，甚至西方国家目前也不具备。这一大好形势为我国土木工程科技工作者提供了空前难得的向国际水平冲击的良好机遇，同时，如何把握住世纪之交时土木工程学科的发展趋势，开创土木工程学科的新纪元，是对我们这些跨世纪一代人的严峻挑战。
在上述形势下，开创土木工程高新技术的信息化与集成环境的新纪元的研究与技术竞争已经开始，谁先成功地掌握和运用土木工程高新技术的信息化与集成环境技术，谁就能在国民经济支柱产业——建筑业的国际竞争和土木工程学科的发展中取得优势。作为土木工程科技工作者，我们深受这一大好形势的鼓舞，非常强烈地感受到了信息时代对各个学科、特别是对土木工程学科发展所带来的迅猛冲击。感到与其被动地等待信息革命的浪潮扑来，不如因势利导、冲在信息革命浪潮的风口浪尖上，积极主动地推动中国土木工程的信息化与集成化。我们应当抓住当前这一大好时机，组织全国的科研力量，投入人力和物力，研究与开发土木工程的高新技术，以促进我国土木工程学科和建筑业的发展。我们在这里介绍的虚拟现实技术就是土木工程高新技术的其中之一。
虚拟现实(Virtual Reality－VR)，有时也称为灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境(Virtual Environment)或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式视景仿真，因而一个身临其境的虚拟环境系统是由包括计算机图形学、图象处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音像技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环境，所以虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等很多领域都得到了广泛的应用。
正是由于对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性的追求，以及建立个人能够沉浸其中，超越其上进出自如交互作用的多维信息系统推动了虚拟现实技术在土木工程中的发展与应用。土木工程中的虚拟现实技术涉及土木工程的各个学科，已显示出一定的实用性，而且技术潜力巨大，应用前景十分广阔。 2 虚拟现实技术在仿真与建模中的应用 2.1 传统的仿真与建模
仿真(Simulation)是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。这里的系统包括技术系统，如土木、电气、机械、机电、水力、声学、热学等，也包括社会、经济、生态、生物和管理系统等非技术系统。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。
仿真技术得以发展的主要原因是它带来了重大的社会和经济效益。系统仿真的应用大致可分为：对已有系统进行分析时采用仿真技术；对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术；在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的、现在的、甚至是未来的信息，以便用户实时作出正确的决策；在系统运行前，利用仿真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以便用户修订计划或决策；利用仿真模型作为训练器，训练系统操纵人员或管理人员。对于工程领域仿真技术可以降低系统的研制成本，可以提高系统实验、调试和训练过程的安全性；对于非工程领域，仿真技术作为研究系统的必要手段，可以尽可能地避免直接实验。
建立模型(建模)是仿真的第一步，也是十分重要的一步。传统仿真技术中，一个仿真系统要首先建立起系统的数学模型——一次仿真模型，然后再改写成适合计算机处理的形式—仿真模型。仿真模型可以说是系统的二次近似模型。建立起仿真模型后，才能书写相应的程序。
仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验要了解系统中变量之间的关系，要观察系统模型变量变化的全过程，此外，为了对仿真模型进行深入研究和结果优化，还必须进行多次运行，系统优化等工作，因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。
仿真技术最早应用于航空航天领域，近年来在机械制造、电气、水力、社会、经济、生态、生物等各个领域都得到了广泛的应用。在土木工程中计算机仿真已经应用于如下几个方面：
在防灾工程中的应用：长期以来，人类一直与洪水、火灾、地震等自然灾害进行着坚持不懈的斗争。由于自然灾害的原型重复实验几乎是不可能的，因而计算机仿真在这一领域的应用就更有意义。目前已有不少抗灾、防灾的模拟仿真系统制作成功，例如洪水泛滥淹没区的洪水发展过程演示系统。该系统预先存储了泛滥区的地形地貌和地物，有高程数据可确定等高线，只要输入洪水标准(如百年一遇的洪水)及预定河堤决口位置，计算机就可根据水量、流速区域面积及高程数据算出不同时刻的淹没地区，并在显示器和大型屏幕上显示出来。人们从屏幕上可以看到水势从低处向高处逐渐淹没的过程，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均已开发出相应的模拟仿真系统，这对消防工程起到了很好的指导作用。
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，而计算机仿真则可把内部过程展现出来，有很大实用价值。例如，地下工程开挖经常会塌方冒项。根据地质勘察，我们可以知道断层、裂隙和节理的走向密度，通过小型试验，可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。在数值模型中，除了有限元方法外，还可采用分离单元。分离单元在平衡状态下的性能与有限元相仿，而当它失去平衡时，则在外力和重力作用下产生运动直到获得新的平衡为止。分析地下工程的围岩结构，边坡稳定等问题时，可以把节理断层划分为许多离散单元。这一过程可以在显示器和大型屏幕上显示出来，最终可以看到塌方的区域及范围，这就为支护设计提供了可靠依据。
在建筑系统工程中的应用：在建筑系统工程中，如项目管理系统、投标决策系统，在数学上可归纳为一定约束条件下的优化模型，这种计算量往往十分巨大，模型也很复杂，人工难于求解，而运用高速计算机可快速求出可行解。在复杂系统中，许多环节都具有随机性，我们可以在统计的基础上将随机事件概率引入仿真系统中，这样可以从仿真结果中得到相应的风险评价。
在工程结构分析中的应用：工程结构在各种荷载作用下的反应，其破坏特征和极限承载力是人们所关心的。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。若用计算机仿真技术，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，如核反应堆安全壳事故反演分析，汽车高速碰墙的检验试验，地震作用下的构筑物倒塌分析等只有采用计算机模拟仿真，分析才能大量进行。又如在高速荷载作用下，结构反应很快，人们在真实试验中只能观察到最终结果，而不能观察试验的全过程。如果采用计算机模拟仿真试验，则可观察其破坏的全过程，便于破坏机理的研究。对于长期的徐变过程则可在模拟中加快其变化过程，让人们清楚地看到其过程。
2.2 基于虚拟现实技术的仿真与建模
传统的系统仿真技术很少研究人的感知模型的仿真，因而无法模拟人对外界环境的感知(听觉、视觉、触觉)。随着多媒体技术、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。把虚拟现实技术引入系统模拟仿真的各个阶段，可使人沉浸其中，对所需解决的问题有清晰的认识，而不必在屏幕外面去观察仿真的结果，将使模型的建立和验证更加方便。虚拟现实技术主要体现在：计算机根据所建立的领域知识库和数据库运用人工智能、模式识别等技术，主控机构进行建模、学习、规划和计算。通过三维动画制作和显示头盔进行该领域的视觉模拟；通过传感机制和触觉手套来进行该领域的模拟；通过音响制作和音效卡进行声音模拟；通过机械控制和传动装置进行动感模拟。然后将人对这些感官刺激所作的动作反应反馈给主控机构，从而实时产生新的感觉模型的模拟。
土木工程和人们的生活息息相关，建立多维信息感知模型，并将其应用于仿真系统中对于这一行业具有重大意义。虚拟现实技术在土木工程仿真与建模中主要应用于：
在减灾、防灾中的应用 虚拟现实技术在减灾、防灾仿真建模中的应用已在积极尝试之中。1993年，英国的Colt Virtual Reality公司开发了一个称为Vegas的火灾疏散演示设计模拟防真系统。该系统是基于Dimension International的Superscape虚拟现实系统而开发的，该系统的三维动画可以演示火灾时人员的疏散情况，并可以方便地修改各种参数。应用该系统对地铁、港口等典型建筑物火灾时的人员疏散情况进行了模拟仿真验证，取得了良好的效果。
该系统使用户具有沉浸感，让用户能够亲身体验火灾时的感受，根据用户的描述，研究火灾时人们的心理表现。另外，还可以进行消防人员救火抢险的模拟训练，疏散人群的模拟训练，而不必再采用真正点火的方法进行类似实验。通过普通用户的参与，培养大众在火灾到来时，能够具有良好的防灾意识，迅速离开火场或采取报警、救人等措施。
我们还可以利用虚拟现实技术建立其他抗灾、防灾的仿真模型，使社会具有一定的应变能力。
在模拟施工过程中的应用 建筑施工是复杂的大型的动态系统，它通常包括立模、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。模拟施工过程是为了通过仿真手段，去发现实际施工中存在的问题或可能出现的问题，这就需要对实际施工进行仿真。而目前施工过程的模拟只是从几何形体方面模拟施工的过程，即按楼层关系由下而上，每一层按柱、梁、板的几何形状加以着色来实现对施工过程的模拟。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。
基于以上原因，需对施工过程建立合适的模型，以达到模拟仿真的效果。例如，大型水利枢纽混凝土在运输浇筑系统的模拟仿真模型，是由运输子系统和浇注子系统构成的，模型是按进程交互的仿真策略建立的，按这种条件建立的模型能与仿真程序间保持紧密的对应关系，程序所要模仿的行为比较直观、清晰。程序流程直接与模型结构和系统状态相对应。如果在其中引入虚拟现实技术，使其实现对施工过程的仿真模拟，并且通过人机接口(头盔、立体眼镜以及数据手套等)使得决策者处于这一虚拟的环境之中，则达到了模拟施工过程，发现问题的目的。 3 计算机辅助设计(CAD)中的虚拟现实技术 在土木工程行业中应用CAD技术，一般可以收到如下效果：首先，可以缩短设计工期。由于计算处理速度快，并能不间断的工作，因而可以大大地提高设计效率，从而缩短了设计工期，设计工期的缩短意味着建设成本的降低，同时便于方案优化。其次，可以提高设计质量。使用自动化程度较高的CAD系统进行设计时，设计者只需输入一些有关设计初始条件的数据，由计算机调用结构分析程序进行分析计算，就可得到设计结果，此外利用计算机可以得到清晰、整齐、美观的设计图纸和文档，便于校核和修改，从而有效地防止了手工绘图中尺寸标注错误，不同图纸在表达同一构件时的不一致性等错误的产生，从而提高了设计质量。另外，可以降低设计成本。应用CAD技术可以帮助设计者提高设计效率，当设计费较高而CAD系统费用较低时，就会使成本降低，取得了明显的经济效益。
一般建筑或建筑物的建设都要经过规划、设计、施工、维护管理等阶段，目前，CAD技术已经被广泛应用于各个阶段中，下面从CAD技术的应用角度探讨一下虚拟现实技术的研究现状和应用前景。
3.1 在规划中的应用
对于任何工程项目，规划工作都是十分重要的。一般土木建筑工程的规划都需要考虑众多的因素，例如，土地利用、经济、交通、景观、法律等有关社会经济的因素，气象、地质、地形、水等有关自然的因素，以及水质、噪音、土地污染、绿化等生活环境的因素等等。
对应于该阶段的CAD系统主要有两类：
规划信息的存储和查询系统 例如土质数据库系统，地域信息系统，地理信息系统，城市政策信息系统等。这一类系统多采用数据库系统的形式。现行数据库的一个缺陷在于数字化程度高，可视化程度低，这种数据表现出来是抽象的，可接受性差，例如，地理信息系统对地形地貌的表现，如果只是由数字来表现，则可读性很差，如果表现为地形
图的形式，则相对容易接受。而采用虚拟现实技术，在系统中输入地形、地貌的数据，则可以从不同的角度去观察，不但可以取得必要的数据，而且能够有直观的感受，不用再劳神费力地想象地形图所表现的实际地形情况。
规划的辅助表现集成系统 例如景观表现系统，交通规划系统等。目前，景观表现系统其表现物段主要是二维的图片，如果能够让用户产生一种身临其境－“人在画中游”的感觉，则景观的规划将更加科学合理、全面，而这种身临其境的感觉，正是虚拟现实技术要解决的问题。实际上应用于景观表现的虚拟现实系统已经开始试用，德国的Frankfort的中心城市，最近将城市模型输入虚拟环境，用以规划一座银行，其实现并不是很复杂：首先把各个建筑物的平面图(轮廓)输入到记录地区的数据库中，将各建筑物的高度赋于适当的值的自动生成三维城市模型；再对重要建筑物利用CAD系统以不同精度进行修改，把建筑物正面的照片扫描进去经过修改加工输入CAD数据库；最后在VR系统及数据模型中加上动态措施及环境因素。目前，这一系统可以让人得到在其中漫游的感觉，以后还可望在此基础继续修正。
3.2 在建筑设计中的应用
建筑设计CAD的类型及缺陷 一般土建结构的设计都包含结构形式的选定，形状尺寸的假定、模型化、结构分析验算、图面绘制、材料计算等过程。CAD技术在土建工程中最早的应用就是在结构设计中，目前对应于设计的CAD系统也可以分为三类：
第一类，对应于各个设计过程中的系统。例如结构形式选择系统、结构分析系统、设计系统、绘图系统、材料计算系统等，其中每个系统都可以处理多种结构形式。
第二类，集成化设计系统。这类系统的自动化程度一般较高，只需输入少量的数据，利用集成系统即可完成设计的全过程。
第三类，通用CAD系统，如AutoCAD，Microstation等。这类系统只提供基本的图形处理功能，可用来绘制各个工程领域的设计图纸。该类系统的作业效率一般较低，需要进行二次开发，以适用不同专业的需要。
这些CAD系统擅长于进行几何数据处理，以表现三维空间的物体以及着色；但对于处理建筑设计工程中的复杂物理数学关系，如结构应力，热传导，声，光效应等，则显得无能为力。另外，由于适用各个设计过程的系统使用起来不方便，为完成一项设计需要使用多个系统，不但要掌握每个系统的使用方法还需重复输入大量数据，所以集成化设计系统已有取代各种分项设计系统的趋势。
目前的CAD系统大都建立在绘图支撑软件的基础上，绘图与分析计算是分开的。在绘图阶段单纯地就是绘图，计算机辅助设计体现在将设计人员的思想用图形表现出来(特别是用于绘制施工图时)，而不是在全局上，从方案选择、具体设计、分析计算到施工图
绘制辅助设计人员设计全过程。人们希望有了设计人员的知识，经验及设想后，通过计算机的分析，计算比较判断，不仅将方案形象地表现出来，而且将量化后的数据及结论输出来，设计者再依据它修改方案。这就是绘图与结构计算一体化的思想。
目前的集成化软件虽然已经向绘图与计算相结合的目标迈进，即实现了在建模后紧接着进行计算，建模所形成的数据可为后续的计算所利用。但是，两者还是各自为政的。更进一步的做法是将两者结合起来，随着模型的建立进行分析比较，将所得出的信息作为建模的参考。目前此类软件的缺点在于操作时规定限制多，且菜单级别过多，过分强求树状结构，使操作繁杂。
虚拟现实技术在建筑设计中的应用 将虚拟现实技术应用于集成化CAD系统中，能够较好地解决以上存在的问题，实现理想的绘图与结构计算一体化。如果把虚拟现实技术与现在的集成化CAD系统的设计思想相结合，创建虚拟现实的集成化CAD系统，从设计的建筑方案、结构方案的选择直至最后结果的实现必将大大提高设计效率，提高设计质量。
首先，建筑师利用虚拟现实CAD系统可以很方便地建立和修改建筑方案。建筑师仿佛置身于待建场地中，很方便地从库中提取各种物件和材料、家具、设备，象搭积木一样搭起一座虚拟的建筑，该虚拟建筑的尺寸可以和实际设计中的建筑一样，其色彩逼真，并且有材料的质感，建筑师可以对其进行着色，修改，并可以在随时改变视角和光源的条件下从任何视点去观察这座建筑，以便得出满意的方案。
然后，结构设计师就可以利用已经建起的模型，选取结构方案调整荷载和定义荷载，由系统自动进行结构分析，得出结果如配筋量和配筋图等，如果不能满意，则可修改参数或方案。
设计中比较令人头痛的一个问题就是建筑、结构、设备等各方的协调问题。目前采用的方法是各方分别设计，再一起讨论，协商修改，反复进行直到满意。如果采用VR集成CAD系统，则可以实现各方同时设计，在设计过程中遇见冲突随时协调直到满意为止。
3.3 在室内装饰中的应用
工程项目进入室内装修阶段通常临近预定的竣工日期，工期非常紧，而装饰施工图又比较粗糙，在不少施工图中装饰线条的尺寸比例估计不足，因而在装饰施工中，返工是屡见不鲜的，由此而造成工期延长，造价增加，有时还不可避免地影响外观效果与内在质量。运用VR集成CAD技术在施工前就可以事先在计算机上进行室内装饰的模拟，从计算机的显示屏上进行修改，以解决设计中某些与实际脱节的现象，使上述弊病得以避免。
随着建筑业的发展，越来越多的建筑物采用外墙贴铺面砖面，面砖的色彩丰富，规格多样，加之建筑造型各异，使得面砖贴铺方案的确定大有文章可做，目前的常规方法是在建筑施工立面图上划出面砖的分隔，并着色来观察效果，确定方案，这种做法缺点是立面越多，考虑的方案越多，要绘的图纸就越多，工作量很大。运用VR集成CAD 技术在计算机上模拟贴面砖，模拟面砖色彩，即可减少重复制图还可以在计算机屏幕上显示出用绘图仪绘制出模拟效果以便进行比较。CAD技术不仅可用于外墙贴面砖的模拟，还可以用于模拟室内外铺贴地砖，花岗石大理石等。由于在施工过程中，进行模拟绘制，是按现场粉涮后则得的实际尺寸进行模拟和绘制的，这样的模拟与实际非常贴近，使得现场施工时定位放线与模拟图十分吻合，从而避免了以往施工放线时的尺寸与原施工图尺寸有误差而带来的种种麻烦。
由此可见，装饰工程中引入VR集成CAD 技术的前景是十分诱人的。如果在计算机中输入装饰房间的模型，再接入虚拟现实设备，设计者就能身临其境地处在房间中，可以直接体验各种装饰方案，也可以对装饰方案进行修改，这样即节省了时间，也使最终方案具有更强的可信性。
在室内装饰的其它方面，如选择贴墙纸还是贴面砖，面砖、地砖的颜色、图案、分隔形状的选择都是很繁的，传统的方法是做出缩小的实际模型，在实际的模型上进行实验，这样做不仅费时、费钱而且其效果并不好。如果在计算机中输入实际房间的模型，再引入虚拟现实设备，一切就将变得简单轻松，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，这样既节约了时间，又节省了做模型的费用，其结果更可信。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。
3.4 在建筑机械设计中的应用
建筑机械的适用程度是直接影响到建设时间和建筑质量的一个重要，很长的一段时间内人们并未认识到这个问题，但随着科学的不断进步，建筑机械化程度的不断提高，这个问题将会被人们所重视。在目前的机械设计上，用机械CAD也可以实现屏幕上的三维动画演示，但它无法实现操作者的虚拟实际操作。
我们知道建筑机械的适用包括两个方面，一方面是要最大程度地发挥该机械的效能，另一方面，它的操作应该简单适用。如果设计出一个新的机型，却无法实现操作者的虚拟实际操作那么该机型在实际操作中可能存在的问题就无法发现。
第一个受虚幻现实影响的设计是1996年推出的反铲载机。美国卡特彼勒公司建筑机械产品部工程师贝特纳在《光谱》杂志上发表文章，阐述他们在理论上有三个看上去都是可行的不同设计，用他们开发的虚幻环境系统对这三个设计方案进行了先期效果的演示验证，结果发现其中两个设计在操纵反铲传动机时，会不时进入视野死角。如果不使用虚幻环境系统，只有在样机造出后才能发现。结果卡特彼勒公司提前9个月选定了设计方案，并且节约了按其它两个较差设计方案试制样机所需的巨额费用。
在建筑机械设计中应用虚拟现实技术主要有以下几个特点：
1．建立虚拟模型将减少或者消除对昂贵的实际模型所需要的费用。
2．通过综合虚拟模型的虚拟结果工程分析将使结果更加有效。
3．进行性能和人机工程方面的研究时，将允许人直接参与操作模拟。
4．对装配、制造和维修等工作进行虚拟仿真模拟，可在设计过程的最初阶段发现可能存在的缺陷和问题，减少不必要的浪费，进行模拟职业培训，提高劳动力的适用性和技能。
由此可以看出，在未来的建筑机械设计中，虚拟现实技术有着极其广泛的前景，我们可以相信，在将来的建筑机械设计中，虚拟模型将会代替实际模型，并以目前的VR集成CAD 技术的优势而取代现有的设计方式。 4 建筑与结构的设计和施工过程的可视化计算技术 在科学研究中，人们会遇到大量的数据。为了从中得到有价值的规律和结论，需要对这些数据进行认真分析。例如，为了设计出阻力小的机翼，科学家必须详细分析空气的动力学特性，这需要巨大的计算量。为了使这种分析更加直观而发明了风洞试验的方法：通过使用烟雾气体，可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情况，因而大大提高了对机翼的空气动力学特性的了解。在研究微观领域，如蛋白质的结构以及分子结构时，由于这些结构超出了人眼所能观察的范围，使人难于理解和接受。我们通常采用分子结构模型、蛋白质结构模型来研究这些问题，使得问题更加易于理解。这种把不能或不易直接观察的现象转化为眼睛能够观察到的现象的技术称为可视化技术。在计算机图形学和工程设计领域，科学可视化可以定义为：对科学计算取得的数据进行可视化加工或三维图形显示，并可通过交互地改变参数来观察计算结果的全貌及其变化。
在我国的现代化建设中，建筑业越来越成为对国民经济发展起制约作用的支柱产业。同时，随着社会和科技的发展，建筑物的规模、功能、造型和相应的建筑技术越来越大型化、复杂化和多样化。所采用的新材料、新设备、新的结构技术和施工技术日新月异，节能技术、信息控制技术、生态技术等日益与建筑相结合。建筑业和建筑物本身正在成为许多新技术的复合载体。而超高层和超大跨度建筑、特大跨度桥梁及作为这些超大型复杂结构核心问题的现代结构技术则是代表一个国家建筑科学技术发展水平的重要标志。
超高层、超大跨度建筑和特大跨度桥梁这些超大型复杂结构的设计和施工技术含量高，具有结构形式丰富、设计与施工高度相互作用、设计和施工内业工作量大等特点。可视化计算技术将给这些超大型复杂结构的设计和施工控制技术带来了新的内涵，将使其变得比较容易，方便和更加直观。
例如，大跨度斜拉桥的施工大都采用悬臂浇注或拼装的方法，一般要经过多次的循环，而每一个循环内还要包括好几个工况，另外，由施工中的实际结构来反馈影响设计也是大跨度斜拉桥的一大特点。因此，在设计阶段无论是组织数据，编排仿真计算过程，阶段内力调整还是数据的输入以及计算结果的整理其工作量非常之大，且极容易出错，而对于斜拉桥施工阶段的内力和标高控制问题，更是具有显著的特点，其中最主要的是要根据施工中的实际结构来修正起初设计中的一些基本条件。以前由于受计算机技术的限制，这方面的研究工作相对滞后于桥梁工程的发展需要。因此，研制开发超大型复杂结构的设计和施工控制的可视化计算技术是当务之急，极有必要。
可视化技术在土木工程中有着广泛的应用。土木工程离不开数据的处理，各种数据不仅数量大，而且较抽象，难于理解。工程师更愿意用内力图来表示内力情况；用单元受力图来表示某点的受力状态；用挠度来表示某种荷载下构件或结构的弯曲程度，虽然这些力和挠度是眼睛观察不到的。在这种情况下，应用可视化技术可以做到一目了然。可视化计算的应用主要有：
4.1 建筑物、大型结构的风洞试验的可视化计算
在土木工程中，重要结构，如电视塔、大型桥梁、超高层建筑、过街楼等，通常要进行风洞试验。为了观察空气在建筑物中或建筑物间运动状况，也采用烟雾气体的方法，使科学家能够直接观察到气体的运行状况。
但是，进行传统的风洞试验需要采用实物模型。这种方法的缺点是：制作模型即费时又昂贵；由于模型通常比实物小，这就使实验存在着一定的误差；另外，人无法在近距离观察实验情况(因为这样将影响到实验结果)，这就给实验数据的获取造成了一些麻烦，从而会加大实验的误差。
虚拟现实技术可以克服传统的可视化计算中存在的这些缺点。虚拟的风洞可以让工程师看到模拟的空气流场，使其感到好象真的站在风洞里一样。虚拟风洞的目的是让工程师分析多漩涡的复杂三维性质和效果，空气循环区域被破坏的乱流等。而这些分析利用通常的数字仿真是很难实现可视化的，利用虚拟现实技术可以很好的解决这个问题。例如，可以将一个建筑的CAD模型数据调入该虚拟风洞进行性能分析，为了分析空气流模式可以往空气流中注入轨迹追踪物，该追踪物将随气流漂移，并将其运动轨迹显示给工程师。追踪物可以通过数据手套任意指向指定的位置，工程师可以从任意角度观察其运动轨迹，以得出满意的答案。
4.2 结构有限元分析的可视化计算
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，给人以直观的印象。利用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。还可以利用VR的交互性能，实时修改各种数据，以便对各种方案及结果进行比较。这样就使工程师的思维更加形象化，概念更易于理解。
超高层、超大跨度建筑和特大跨度桥梁这些超大型复杂结构的设计、工程控制和的施工控制需要进行多次的结构重分析。如对斜拉桥和大型连续梁桥的理想后退分析、实时前进分析等。分析之前，首先要建立有限元结构分析总模型和施工阶段模型，其中包括单元拓扑结构、节点信息、刚度数据、材料特性、边界支持条件、荷载分布等。把可视化计算技术应用于这些超大型复杂结构的设计、工程控制和结构分析中，将增强计算软件的前后置处理能力。例如，在桥梁工程控制和结构分析的可视化计算中，倒退(拆)分析结构倒拆动态演示、结构理想施工线型显示、施工阶段主梁形心线的设计曲线和实测拟合曲线的显示、前进分桥结构拼装动态演示、施工预告图形显示、主梁内力图显示、危险截面应力分布图显示等等。
更重要的是能借助图形或图像来进行实时动态地控制结构的重分析和获取施工控制数据，同时能实时动态演示和控制设计和施工的过程。
4.3 施工过程模拟的可视化计算
可视化计算在土木工程施工过程中也有用武之地。例如，在钢筋的连接方面，现在应用得很广泛的套筒冷挤压技术，在研究其基理及可靠性时，是用实物挤压，然后再作强度破坏。为了达到施工的安全目的并且给出施工技术，要做成千上万组的实验，然后对实验数据进行分析，来确定破坏机理，建立力学模型。如果运用可视化计算，在计算机中输入套筒与钢筋的物理特性、力学特性，建立模型，就可以在计算机屏幕上看到不同型号的套筒和钢筋在不同压力下的挤压情况，作出钢筋和套筒的力－变形曲线，研究其机理，建立力学模型。
但是传统的可视化计算也有其局限性，其局限性在于只能观察纵断面和横断面的情况，只能起到一定的辅助作用。如果在可视化计算的基础上，再引入虚拟现实技术，那么在立体的环境中，工程师可以观察到挤压下钢筋和套筒上任一点的变形从无到有到稳定的全过程。并且对于最后的变形情况有直观的了解。在实物实验的基础上，将实验中所归纳出的基理输入到计算机中，对原来的模型进行修改，工程师就可以建立出可信的力学模型。
同济大学在桥梁工程控制的可视化计算方面做了许多出色的工作。在桥梁工程控制的可视化计算中，理想施工可视化倒退分析是在成桥结构理想初始状态下，对结构进行倒折，分析每次卸除一个施工段对剩余结构的影响各个阶段倒退分析出的结构位移、内力状态便是理想的施工状态。一般地，理想施工状态的确定由倒退分析系统完成。每完成一阶段的倒退分析都是对该阶段结构作一次完整的有限元分析，对大型结构，这样的分析在一般的计算机上要花费较多机时，很难实现实时地倒拆分析动态演示。采用并行计算技术，可使这种分析及其动态演示达到基本同步(准实时)的程度。
可视化计算中，可视化前进分析是指按施工阶段逐步进行的一种结构分析。这种分析的特点是：随着轿梁施工阶段的推进，结构形式、边界条件、载荷形式在不断改变，前期完成的结构会发生徐变和几何位置的改变，这些因素必须在下一施工阶段分析中予以考虑．前进分析系统是一种有限元分析系统的扩充，扩充内容主要包括阶段模型的自动拼装和已施工段混凝土徐变、收缩效应的计入。同样地，采用并行计算技术也可使前进分析像倒退分析一样快速地进行，从而实现可视化前进分析的准实时动态演示。
可视化计算中，实时可视化跟踪分析是指通过现场量测和计算机模型计算对量测数据和计算数据进行综合分析，以便对下一步施工进行指导，使其不会偏离理想施工状态过大它是实现桥梁工程控制助关键。其中主要包括量测数据采集、结构分析、温度修正计算、参数识别和施工预告计算。量测数据采集是以施工控制为目的在施工现场对每个施工阶段的控制变量(如挠度、应力和斜拉桥索力)进行检测和收集。结构分析对已施工部分进行初步检算和提供用于参数识别的计算结果。温度修正计算用来扣除由于温度而引起的对识别参数的影响。参数识别是为了消除因设计参数取值的不确切性所引起的在施工中设计与实际的不一致性；通过对实际结构反应(如挠度、索力等)信息的处理，求出符合实际结构的设计参数(如截面特性、主梁自重、徐变计算中的系数等)。施工预告就是根据这些较符合实际的设计参数，由可视化前进分析向前计算直至竣工得出的，它预告今后施工可能出现的状态并预告下一阶段当前已安装好的构件或即将安装的构件是否会出现不满足强度要求的情况，以确定是否要在本施工阶段对可调变量进行调整。
在进行实时跟踪分析时，首先要输入所采集到的现场量测数据，确认后，可视化计算系统将自动拟合所采集到的数据，将“施工阶段主梁形心线的设计曲线”和“实测拟合曲线”显示于屏幕上，供用户分析和参考用。其次，通过结构分析的可视化计算程序，将“监测点挠度对比”、“监测索索力对比”、“主梁内力图”、“危险截面应力分布图”和“主梁形心线挠度曲线” 显示于屏幕上。通过温度修正可视化计算模块，输入实测温度，系统会自动调用温度修正计算程序，并在计算完成后，将修正后的数据存人数据库，供参数识别用。然后，系统调用参数识别系统求出较符合实际的设计参数，存人数据库，供可视化前进分析和后退分析时用。最后，进行“前进分析结构拼装动态演示”、“施工预告图形动态演示”、“主梁内力图动态演示”、“危险截面应力分布图动态演示”分析，达到对桥梁施工控制的目的。
同样，对于一些看不到其内在情况的施工技术，我们也可以运用引入虚拟现实的可视化计算技术，只作少量的实物实验就可以达到事半功倍的效果。 5 先期技术成果演示与论证技术 一个大型的公共建筑工程项目或比较重要的建筑，如车站、机场、电视塔、桥梁、港口、大坝、核电站等，建成后往往会对某一地区的景观、环境等有较大的影响。它们建设成本高，社会影响大，其安全性、经济性以及功能合理性的意义更加重大。目前，这种重大项目的建设过程的初期经济评价是建立在高度抽象的模型基础上，其结果经常出现很大偏差。项目上马前的功能评价也只是建立在想象和经验的基础上，经常出现偏差。而这种偏差造成的功能上的缺陷几乎是无法弥补的。当然，目前也有一些功能评价建立在物理模型和计算机仿真模型分析的基础上。但物理模型是缩小比例的模型，试验和评价难免出现误差，而且试验周期长，费用较高。目前，计算机仿真模型由于存在和图形结合差、可视化不强的缺点，许多功能上的评价，特别是建筑的使用功能的评价，很难达到满意的效果。如何在建筑的设计阶段就对方案进行全面、客观的评价，是人们所关心的问题。这种评价技术就称为建筑设计的先期技术成果的演示和论证技术。
许多研究未来城市的资料表明：到了下个世纪，随着城市人口的空前增长，市民文化素质的提高、土地需求的白热化状态、以及城市机能的高度集约化和信息化，工业时代城市的稳定社会结构和传统职能均被打破，许多新的课题将应运而生。城市人口的高速增长带来的一系列社会问题，城市组团密集导致的城市结构系统扩张，城市为向三度空间的发展所期待的新环境研究，城市建筑(特别是住宅)的高密度和多样化需求提出的新内容、新形式课题，高速运载系统对环境的冲击，大量人口需求户外娱乐对社会和生态的影响，以及人们对环境质量的新要求，能源匮乏和生态环境面临的危机等，所有这些都与城市实质环境有关。因此，在环境保护意识日益受到重视的今天，我们不能不考虑到一个建筑对周围环境所产生的影响，毫无疑问，在工程竣工以前，我们不可能以一个与实际建成后的建筑同等比例的模型置于实际的环境中，用以考察该建筑物对于周边环境的影响。以三峡工程为例，对于本世纪最大的水利工程，其影响是深远的，一旦其建成以后无论是对生态环境，还是社会环境都有相当大的影响。就在截流前几天，一批科学家对三峡上下游进行全面考察，其目的不言而喻自然是为了得到各方面的相关数据，从而保护上下游的自然环境。然而，以传统的在一堆抽象的数字上加以想象力的发挥，其结果的可信度无疑并不十分理想。
本世纪20年代以来，整个建筑行业形成了一种设计模式。建筑师可以撇开工程师，进行“纯”建筑设计，所有环境、气候的影响，以及设计功能上的不足，最终都可用现代化的设备、材料和技术来弥补。一直到80年代，这种设计思想仍然是建筑设计的主流。但是，近年以来，这种设计模式面临着严峻的挑战。
对当前设计思想的挑战来自人类面临的能源危机和生存环境的污染和恶化。环境恶化和能源危机产生的根本原因都是人类过度使用能源。统计估算表明，目前人类能耗的49％都用于维持建筑物的内部环境上。相比之下，用于工业和交通业的能耗才分别占26％和25％。这一数据向现行的建筑设计模式提出了严峻的挑战，建筑设计也要考虑节能问题。建筑设计人员，包括建筑师、结构工程师、设备工程师和项目管理经理，有必要作为一个整体，重新估价自己的设计思想，迎接这一挑战。
当代科学技术的发展，推动了建筑材料、建筑设备和建筑控制技术的发展，也为建筑设计思想的更新创造了物质和技术基础。然而，根据英国建筑研究院最近一项统计表明：存在问题的建筑工程项目中，错误来自设计阶段的占50%；因施工不当的占40%，其它的占10%。这些数据向我们提出了以下问题：
—— 采用新的建筑设计模式，其实际效果究竟怎样?
—— 对不同的设计方案，如何在设计之初就能对其实际效果作出正确检验与评价?
—— 对于施工质量，如何在未施工之前就能对其进行模拟控制？
显然，先期技术成果的演示和论证技术是检验这种效果的有效手段。基于这种情况，世界各国的研究机构都在作不懈的努力，以找出一种有效的评价设计中建筑物的性能的方法。虚拟现实技术正是解决这一问题的方法之一。采用虚拟现实技术，可以达到如下效果：
5.1 改善设计
采用虚拟现实技术的虚拟环境系统，可以向建筑设计单位提供一套进行建筑性能评价的有效工具，以利于更好地认识设计参数与设计结果之间的关系，发现设计中潜在的缺陷和问题，试探解决问题的不同方法，从而使整个设计更加完善。
一些建筑物，如图书馆的阅览室等，对建筑内部的采光要求比较高。为了达到最佳的采光效果，设计人员可以把建筑物模型及各种环境条件输入到虚拟现实系统中，通过日照和灯光的模拟，让人感受到光照的质量。建筑师可以采用不同的方案比较，实时修改方案，试验不同种类的反光材料，直到得到最佳采光结果。
目前，我们正在进行国家自然科学基金项目“厅堂音质设计和评价的虚拟环境系统”的研究和开发工作。众所周知，厅堂音质设计是建筑声学设计的一项重要内容，是在建筑设计过程中，从音质上保证建筑适合要求所采取的技术措施。尤其是在以听闻为主要功能之一的观演性建筑中，如音乐厅、剧场、电影院、录音棚、礼堂、多功能厅、电话会议厅等，音质设计往往成为影响建筑设计的决定性因素。在这些中，有的开会时既听得清报告，演出时声音又宏亮丰满、悦耳动听；而有的则开会时听不清讲话内容，演出时声音又单调干涩；有的甚至有回声。厅堂音质问题不仅与厅堂的物理条件、人的听觉生理特性有关，它还与民族特点、文化传统、艺术风格等有密切关系，目前的评价设计中建筑的音响效果采用的方法，通常是实物建模的方法，即采用缩小比例的模型，模拟音质效果，测出客观参量，再进行评价。这种方法，不但建模周期长，而且费用高，如果效果不够满意，修改起来很麻烦，更重要的是，由于模型是缩小的，试验的结果和实际常常产生很大的误差。如果采用虚拟现实技术实现对建筑物声场的模拟，人可以置身于虚拟现实系统之中，在建筑的任意一点体会音响效果，实时地进行吸音材料的修改和声源位置、建筑局部的修改，直至得到满意的效果。
人们为了定量地研究厅堂的音质设计问题，建立了许多音质评价的客观指标，如混响时间、早期衰减、清晰度和明晰度等等。厅堂音质的优劣决定于听众的评价，这涉及到人的主观感觉。如何能在设计阶段就对厅堂音质的主观感觉，即实际的音质效果，作出正确的先期演示、验证和进行主观评价？多少年来，建筑声学界的广大科技工作者为了实现这一古老的梦想，一直在为之奋斗。显然，一旦找到这样一种方法，将对整个建筑声学界产生具有重大理论意义和经济价值的影响。
“厅堂音质设计和评价的虚拟环境系统”通过采用用于虚拟环境开发的世界工具包WTK(WorldToolKit)作为开发平台，应用建筑声学原理、计算机图形学、信号处理理论、虚拟现实技术和厅堂建筑设计的３维可视化描绘生成和３维可听化描绘生成的集成技术，实现在设计阶段就对厅堂的实际音质效果，作出正确的先期演示验证和进行主观评价。 (1)通过建立厅堂建筑设计的３维可视化描绘生成(3D visualization rendering)和３维可听化描绘生成(3D auralization rendering)的集成技术，把计算机图形学中单纯的３维可视化描绘生成技术，更新成为３维可视化和３维可听化的并行描绘生成技术。这一技术与虚拟现实技术结合在一起，将大大改善人机接口的界面。
(2)通过世界工具包WTK这一虚拟环境开发平台支持的几何对象多种输入方式，能实现厅堂几何形状数据输入的快速化和简易化。
(3)通过世界工具包WTK这一虚拟环境开发平台支持的3D声音设备和软件： 3D声音合成器，3D声音球(3D Audiosphere)和脉冲响应、卷积积分的计算软件，如图1所示，可大大提高脉冲响应的模拟计算和生成，以及卷积积分计算的速度。
(4)通过采用世界工具包WTK这一虚拟环境开发平台，对与当前国际上广泛应用的、已成为商品化的AutoCAD软件和电声模拟软件(如：EASE 2.1，Acousta CADD，CADPP2等)进行集成，通过虚拟现实头盔显示器生成能够使人沉浸到计算机系统所创造的3维立体厅堂环境之中，在设计阶段或者在虚拟的厅堂中，实现厅堂建筑设计的３维可视化和３维可听化的并行描绘生成，使听众同时建立视觉和听觉感觉，对厅堂的音质效果进行主观的多因素模糊综合评价。
5.2 展示设计成果
用虚拟现实技术展示设计成果是一种理想的方法。这种设计成果的展示，既可以面向大众，作为宣传的需要，又可以将方案展示给业主，供其提出修改意见，及时修改，以增加方案的竞争能力。在设计阶段，利用各种建模工具，数字化该拟建建筑物以及周围环境，对其进行仿真建模(此时的模型比例为1：1)，得到虚拟世界中该拟建建筑物的实体模型；而后按真实三维位置放置建筑物，同时考虑周围地形的轮廓；再次加上建筑细节，如门和窗设计，以便准确地表现该环境的美学特征。综合编辑各种对象(文字、表格、图形、虚拟世界中用多维信息所描述的对象以及真实世界在虚拟空间中的映射)，在其中增加动画和对象的动态行为。同时利用虚拟艺术制作工具和虚拟世界编辑器，形成一个存在于虚拟世界中拟建建筑物的“客观实体”。最后在各种输入、输出软件和设备的支持下就可以实现对该建筑物设计成果的预先展示，据此对拟建建筑物结构进行创建、修改和可视化。 例如，桥梁的设计方案是方案能否为人们所接受，方案是否具有竞争力的关键。一般地，桥梁方案主要由以下几个方面组成：桥梁工程地点的路线、水文、地质、气象、地形等交通资料信息的处理；全桥平面图、立面图、结构设计图、钢筋布置图、曲线布置及墩部分详图；墩、台、基础设计资料；全桥工程概预算等。
如果采用虚拟现实技术，就可以考虑用另一种方式来表现设计方案。把当地的地形、景观和交通条件和桥梁方案输入建筑物漫游的虚拟现实系统中，人可以漫步桥上，也可以从任意视点、任意角度来观察桥的形象，甚至可以驱车通过该桥，得到类似桥建成后的感受。结构设计方案也可以采用三维建模的方法直观、形象地展示出来。而工程概预算等其它信息则可以用声音等多媒体的方式表现出来。这种虚拟现实系统可以设计成交互性很好的系统，用户可以很方便地选取任何细部去看，给人留下深刻的印象。
例如，英国的Skye岛大桥的规划设计，在环境保护问题上有争议，受到公众关注。后来应用虚拟现实技术，逼真地向公众展示了设计建成后的大桥及周围环境的形貌，以及作环岛飞行和驾车通过大桥的动态视觉感，受到公众的欢迎，大桥的设计方案也得到了肯定。
5.3 节省投资和运行费用
采用虚拟现实技术进行先期技术成果的演示和论证有助于发现设计中多余的措施和方案中各工种不协调的部分，及时修正从而节省投资和运行费用。同时，演示论证也可发现设计中可能导致无法满足要求的设计不当之出，从而避免了建筑物建造完成后的返工。
现在各个国家在传统上习惯于通过举行实战演习来训练军事人员和士兵，但是这种实战演练，特别是大规模的军事演习，将耗费大量资金和军用物资，安全性差，而且还很难在实战演习条件下改变状态，来反复进行各种战场态势下的战术和决策研究。今年来，随着技术的发展特别是VR技术的应用，加上各国政府军费的裁减，使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃，即通过建立虚拟战场环境(作战仿真系统)来训练军事人员，同时通过虚拟战场来检验和评估武器系统的性能。在虚拟战场环境中，参与者可以看到在地面行进的坦克和装甲车，在空中飞行的直升机、歼击机和导弹，在水面和水下游弋的舰艇；可以看到坦克行进时后面扬起的尘土和被击中坦克的燃烧浓烟；可以听到飞机或坦克的隆隆声由远而近，从声音辨别目标的来向和速度。参与者可以瞄准、射击上述目标，也可以驾驶坦克、飞机等武器平台仿真器。
再如，英国航空公司总部拟建六栋沿街办公楼。原设计为：步行街顶部和侧面空旷处全部以玻璃覆盖；在顶部和侧面采用内外百叶遮阳；同时采用排气量为4.4m/秒的21台排气机构，以冷却步行街。在应用虚拟现实系统，对日照、热动力和空气动力作模拟以后，发现完全没有必要采用百叶遮阳，采用特性玻璃就可达到同样目的。在模拟中，还发现不同于常识的情况，即步行街的温度大部分时间低于室外气温，故没有必要安装风机。这样，不计长年运行耗费，单投资一项就节省30万英镑。
5.4 验证施工方案
在土木工程的施工过程中，先期技术成果演示和论证技术也有其广阔的应用前景。建筑业的发展使得建筑逐渐向大型、超高层和地下发展。目前我国高层建筑正在向层数增多，高度增高，平面布置更加复杂，筒体或筒束结构而且竖向建筑立面多样化发展。随之而来便是超高层建筑的基础工程、模板工程、施工测量和垂直度控制、高层钢结构的制作与安装、外脚手架工程、吊装机械与垂直运输等等新技术与工艺。这些都是以前的建设者所没有遇到过的，施工中就必然有一些问题不知如何去解决。不可否认，高新技术所带来的丰厚回报以及其远大的意义具有很大的诱惑力，但是往往回报与风险的并存，令许多实力并不非常雄厚的企业滞足不前。
例如：通过近几年的工程实践，我国高层建筑的施工水平有了很大提高。施工新技术、新经验不断涌现。如钢筋对头焊接新工艺——气压焊接；WDJ碗扣型多功能脚手架；玻璃幕墙的设计与施工；复杂建筑施工放线等等。所有这些新工艺的第一次引入，都带有较大的风险性，但是利用虚拟现实的先期演示和论证技术，则可以在计算机模拟系统中以“真实”的角度去观察任何新技术的预演，避免了风险，提高了成功率，同时也节省了不必要的浪费。再如超大型建筑物的混凝土浇筑往往需要一次成型，这就需要解决混凝土的运输问题。混凝土的浇灌和输送方法，对高层建筑主体结构的经济性和质量有重要影响。众所周知，建筑物的高度越高，混凝土输送的距离随高度增加，如何合理地选用混凝土的输送设备，对提高施工效率，保证混凝土工程的质量及加快整个工程的进度有着重要作用。因而在选择输送方法时，应对许多因素综合地加以考虑。然而运输计划是否可行，不可能去实际演习，只能在计算机中进行仿真模拟。作为一个决策者和管理者为了处理其中可能出现的问题，也需沉浸到虚拟的环境中去解决。还有，大型混凝土浇注后的散热等问题都需要一个虚拟的环境去进行先期的技术演示论证，而这些就需要运用虚拟现实技术。
新型的施工方案，设计者往往为自己的大胆设想而激动，但是我们不可能实际去尝试、验证其是否正确，如何验证其可行性？先期技术演示论证为大胆的设想提供了一个演示的舞台。
近年来，超高层建筑，地下多层建筑相继出现，施工人员缺少相应的施工经验。旧的施工方案是否可行，脚手架系统及吊车在高空中是否稳定等等施工问题都需要先期技术的演示与论证。
总之，先期技术成果的演示论证技术在建筑业的应用需求越来越迫切，而虚拟现实技术则是其实现的重要支撑技术和手段。发展虚拟现实技术在这方面的应用，必将给整个建筑业带来一场革命。
5.5 促进房地产业的发展
我们清华大学土木系的“VRGROUP”小组于1998年开发了位于成府路中段清华大学南侧，即将开工的“清华北大蓝旗营教师住宅小区”的虚拟环境浏览系统。这一开发成果在刚刚闭幕的Multimedia '98国际多媒体展中亮相，受到观众的好评。这个虚拟环境浏览系统是在Superscape公司的VRT虚拟环境软件包中开发的，在这个VR的世界中，你可以领略到蓝旗营小区建成后的全貌。在这个占地2万多平方米，由十二幢高层住宅楼及商场、相应配套设施构成的小区中，人们可以随意浏览小区美丽的景色，即能沿着固定路线，由导游带您参观小区，也能任意在街道上漫步，感受由绿树、石雕构成的优美环境，又能信步走入自选商店体会现代购物的便捷。更重要的是，你可以走入住宅楼的房间中去参观一下自己即将拥有的住宅，观察一下房屋的构局，设想一下家具的布置。对于房地产开发商来说，这套虚拟环境浏览系统给了他们一个机会，使他们在小区未建成前，甚至是未开工前，就可以向消费者展示建成后的实际场景，比起空白的说教和复杂的图纸，这套系统起到了很好的广告、宣传效应。
实际上，虚拟现实技术在房地产开发中具有很广阔的应用前景。房地产开发商的产品，如写字楼、住宅小区、商业楼、旅馆等都必须经过销售，进入市场，才能实现其价值。所以销售是房地产经营的重要一关，尤其在目前情况下，房地产市场总体不够活跃，销售业绩对于开发商的盈利状况具有决定性意义。成功的房地产开发商，不仅要有合格优秀的房地产商品，还应具备出奇制胜的销售谋略，在计算机、网络技术飞速发展的今天，虚拟现实技术是可以助那些目光敏锐，勇于进取的开发商和销售代理们一臂之力的。
房地产的销售分为现房出售和预售(楼花)，由于预售的房屋实际上是并不存在，购买者很难在一片荒凉的空地上激起美丽的幻想，而图纸上的平面图形也不具有空间感，有条件的房地产商建造样品屋，表现未来产品的布局和机能，并加强装潢，让消费者产生身临其境的感觉。但是样品屋具有一次性的局限而且成本较高，并难以表现出实际房产的外部环境，对于复杂或庞大的房地产品更是几乎无能为力。如果换之以虚拟现实技术生成的虚拟房地产，不仅可以获得远远超过样品屋所具有的适用范围和效果，而且更为经济合算。于是心存疑惑的买家就可以戴上头盔、数据手套，超越时空，在自己未来的房屋中尽情徜徉，直到作出明智决断。
无论是对企事业单位还是个人，房地产的购置都是一件大事，在与房地产开发商和销售代理的交易过程中，一些买家一反一复，犹豫不决是必然的，作为房地产靠开发商一方，通常需要“不厌其烦，锲而不舍”地进行促销讲解。然而有了虚拟房地产的帮助，开发商不仅省了很多力气，购买者也更为放心。
虽然说在销售中虚拟房地产的作用毕竟不能和实际房地产相比，实地察看才是房地产交易的决定步骤，但是实际房地产位置固定，开发商不可能像蜗牛一样背着房子四处上门推销。而只要有一台笔记本计算机，几件不大的虚拟现实外设，销售人员就可以随时随地让顾客进入自己的产品中遨游。因此，可以大胆地说，虚拟房地产必将带来房地产促销手段的重大变革。
随着整个社会大环境信息化的发展，信息市场在房地产市场体系中的地位越来越重要。可以说，没有一个繁荣的房地产信息市场，就不可能建立完善的房地产市场体系，也决不会有发达的房地产商品经济。这种观点已为房地产业内人士所认同，其直接的结果就是中国房地产联合网的建立和发展。在房地产信息市场中，广告的地位极其重要。业内人士多有这样的共识：“房地产的价值和质量＋广告艺术=高额利润”。这是一句至理。在房地产市场不乏这样的事例，相同、甚至稍差一些的房地产商品，由于广告宣传上占有较大的优势，结果市场价格远远高于其他的房地产商品。可以说，虚拟房地产具有很强的广告效应，认识到这一点的房地产开发商，加以聪明地利用，必将受到比其他人更大的收益。 6 建筑机器人中的虚拟现实技术 机器人是一种可再编程的多功能操作机器，以各种编程的动作完成多种作业，用于搬运材料、工件、工具和专用装置等。总的看来，机器人在一定程度上是具有类似“人”的功能的一种机器。机器人的发展已经经历了三代：
第一代机器人是指“示教”—“再现”型机器人。 “示教”内容是机器人机构的空间轨迹，作业条件、作业顺序等，示教方法是由操作员“手把手”地直接带机器人手操作一个全过程，由机器人的记忆环节记忆住，全过程的顺序，各种位置和时间。“再现”是机器人可自己读出记忆的操作程序，自己重复再现所被教的操作运动。如喷漆机器人可先由极有经验的技术工人的手把手地教它一次，以后喷漆机器人就可重复不断地自动再现这种经验的操作运动，这样当然可以保证喷漆工艺的质量。如果喷漆工艺需要改变，只要重新示教一次，机器人就可以自动再现新工艺的新操作运动，这也是非常方便的。当然也可事先按工艺要求用计算机编程，并输入到机器人记忆环节中去，这样机器人也可按规定的工艺要求动作。
目前国际和国内商品化、实用化的机器人大都属于第一代机器人。
第二代机器人是具有一定感觉和自适应能力的离线编程机器人。这类机器人装有视觉、触觉、力觉等传感器，可以感知外界的部分信息，并作出相应的反应。因此，这类机器人能获取作用环境及操作对象的简单信息，通过计算处理，机器人可做出一定的推理，对机器人动作进行反馈控制，表现出低级智能。这种机器人只有少量可应用于工业生产，大部分还属实验室研究类型机器人。
第三代机器人是指智能机器人。这类机器人是具有高度适应性的机器人，它具有多种感知功能，可进行较复杂的逻辑思维与判断决策，可自己拟制整个作业规划。
智能机器人本身能认识环境，工作对象及其状态，它根据人给予的指令和自身认识外界的情况，来独立地决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应环境的变化。智能机器人应有四种功能，即运动功能(相当于人的手和脚的动作功能)，思维功能(求解问题的认识、推理、判断功能)，人—机通讯功能(理解指示命令，输出内容状态的功能)。智能机器人就是第三代机器人，目前它只是处于实验室研究阶段。
建筑施工由于露天作业，受气候影响大，人员劳动强度大，危险性大，容易发生意外，而且重复性作业较多，所以机器人在建筑业中的使用有很多优点：
(1)人类可以把建筑活动扩展到人所不适的新场所和新领域；
(2)它把人类从单调重复的传统建筑作业中替换出来；
(3)应用机器人可以使传统的古老工序现代化，并提高效率；
(4)建筑业中的人工费用较高且缺乏熟练劳动力，在一些领域可用机器人替代建筑工人，在新的建筑工序中，也可以设计出一些更有效的机器人。
在建筑行业，从商业角度看，机器人还没有普遍投入市场，但是人们已经在一些领域进行了非常有意义的尝试，这些尝试几乎涉及到所有的建筑活动，从技术和经济效益角度考虑，这些尝试是切实可行的。目前世界上已有几十种建筑机器人，主要有以下几种类型建筑机器人：
1．表面修整机器人
1)混凝土喷射机器人；
2)混凝土铺面修整机器人；
3)钢梁防火层喷涂机器人。
2．隧道工程机器人
3．挖掘用机器人
1)REX机器人挖掘机；
2)超深隔墙挖掘机；
4．组装机器人 如钢筋放置机器人。
5．检查用机器人 1)取芯钻探作业的遥控机器人；
2)瓷砖检查机器人。
6．放射性混凝土切割(遥控)机器人
从这些机器人的应用现状看，目前应用分为两个方面：一种是工作直接用机器人完成，只需在机器人中输入固定的程序。另一种则是机器人只是作为一种远程操作器，由机器人感知环境，再将感知信息(视触听等感觉信息)实时传递给不在现场的操作员。使其能身临其境地遥控该环境中的被控对象，这就是遥控机器人。目前的研究表明，要研制出复杂未知或变化环境下全自主式机器人尚不可能，因而工作在交互方式下的遥控机器人是种现实可行的选择。
由于建筑行业任务的复杂性和工作环境的不确定性，目前不可能实现机器人的完全自主控制，因而临场感技术是切实可行的。应用临场感技术，使得操作者在控制器的所在地，通过来自工地上的传感器信号，可以得到一种在现场直接操作的感觉，以获知工作地机器人与环境的相互作用，并通过决策及控制而不断调整自身施加的作用，这实际上是将操作者的控制与机器人的自主功能相结合，达到将人的高智能纳入机器人控制系统中去的目的，从而可以智能地遥控机器人完成任务。为了实现遥控机器人，必须研究以下技术：
(1)由远处环境信息产生现场感技术；
(2)人体运行测量技术，包括测量头、臂、平指、眼球是关键部位运行，要求实时且受限制；
(3)类人感觉器官功能，包括尺寸的视觉、听觉、触觉等传感器技术；
(4)类人形操作控制技术；
(5)人机界面技术。
虚拟现实技术可以解决以上问题。应用虚拟现实技术，操作者可以实时观察机器人在现场的活动，根据实际情况作出判断，指导机器人的活动。例如，日本开发出一种自主行使式遥控机器人系统，它由下列部分组成：装在台车上的立体摄像机，装备有双臂及手的人型机器人，以及遥控该机器人的主控制台。机器人的头部有3个自由度，左右臂各有6个自由度，手部有一个自由度。操作员头戴头盔显示器，它可融合传感器发出的信息，装有立体摄像机及麦克风的机器人头部随动于操作员的头部动作，可为操作员实时显示想要观察方向的立体图像。
控制台上主控手的传感器测量操作员手的位置和6个自由度的姿态及动作，来遥控机器人的右臂。机器人的手随动于主控手手指的开合，通过安装于机器人手上的压力传感器的反馈信号，使操作员有一种抓东西的感觉。利用主控手的控制系统，是一种比以往系统更加灵活的具有良好操作性能的主从式系统。
只要将地图信息输入给行驶台车，利用主动轮的编码器计算并确定机器人的位置，行驶中通过传感器监测到的随机障碍物的数据，就可控制机器人的避障行驶。
由此可见，机器人尤其是遥控机器人在建筑业是有着广泛的应用前景的。可以设想，在未来的建筑工地上，完全是一群机器人在工作，而真正的工人则在控制室内遥控机器人。 7 建筑、结构艺术与虚拟现实技术 相传，古代西方，有一位年轻漂亮的歌手，有一天，他用音乐女神缪斯交给他的一把神奇的七弦琴，弹奏着美妙动听的乐曲。一曲终了，山岳动容，万物起舞，连周围的房屋建筑，砖瓦木石，也翩翩响应，转而化为固体的“音符”，组成了“凝固的音乐”。音乐是美的，音乐的美附着在建筑的物质媒体上，才使建筑产生了美的旋律。这虽是一个神话般的传说，但在科技高度发展的今天，这一神话般的传说将得以实现。
显然，张跃博士对北京明清皇宫宏伟的建筑深感敬佩，他骑着自行车沿着故宫走廊行驶，一面聆听着优美的古典音乐，一面穿过错落有致、有首有尾、有叠起高潮的层层殿宇，它们像一篇凝固的交响乐，构成连续的空间序列，建筑之美随时间的流动而逐步展现在他的面前。殿堂组成大小院落，有的狭长，有的深远，有的宽阔，有的小巧，收放张弛有致。他时而在附会“三朝”之说的太和、中和、保和三大殿之间穿行，时而又进入大殿的内部游览，刹那间，便又盘旋升上天空鸟瞰整个气势磅礴的皇宫。他低低地掠过殿宇的屋顶，绕着庞大的宫殿翱翔。然后，慢慢越过殿宇周围低矮却连绵不断的配房下降。
然而，张跃博士并未在故宫。他在北京展览馆国家863计划十年成果展的展厅内。这次虚拟旅行游览是在靠微型计算机上开发的一个虚拟环境游览系统实现的。藉助这一系统，任何人只要头戴一付虚拟现实受送设备，经历其内装的一对微型电视屏幕所投射的立体图象，骑在模拟自行车上，就能享受北京明清故宫的游览。这次虚拟旅行是1996年10月在北京展览馆国家863计划十年成果展的展厅里进行的。
7.1 人的建筑感知与虚拟环境
建筑审美是一个生理——心理——意识的综合过程，表现为感知、情感、联想、理智四者有机的结构结合。首先，是在观赏建筑的作用下，知觉活动综合各种感觉，形成对建筑的初步感知。这也就必然带上了观赏者对建筑的某种心理倾向性，表现出或喜或爱或厌或恶的情感色调。一旦情景交融，就会产生强烈的意向性，不仅把眼前的建筑与曾经观赏过的类似的或者不同的建筑联想起来，而且把顷刻的感受与以往的遭遇乃至未来的憧憬联想起来。这种联想往往与理智思考密切结合，从根本上认识和把握建筑的结构特征和审美特征。建筑审美由直接的生理快感；经过心理快感这一中介，发展和上升到理智的精神快感。与其他形式的审美活动不同，建筑审美具有更加鲜明突出的直接性、时间性和能动性。
建筑以“形”、“光”、“色”具体反映建筑的质感、色感和交间感，表现建筑的形象。一个美好的建筑形象，通过视觉的感受，都涉及到建筑的尺度、距离、立体轮廓、明暗、色彩、光泽、质地、内部与外部环境、人的生理条件、心理状态、生活状况、社会时尚、文化素养等。所有这些都是通过视觉捕捉外界的信息传给大脑来完成的。
通过视觉，感受建筑形象，识别建筑的尺度、距离、立体轮廓、阴暗、色彩、光泽、质地等，研究建筑内部与外部的环境与形象，说明研究建筑形象的各个方面都与视觉具有密切的关系。研究建筑视觉，必须要涉及心理学、生理学、生活习惯、感知和其他有关概念等一系列的问题。建筑空间，现在已发展成为“空间+时间+感受或意念”，被视为“五度空间”，其中人们对于空间高低大小的感受，虽与实际有关，更重要的是要考虑人们的不同心理状态。心理状态的不同对客观事物的感受有很大差异。
人类对于建筑的感知机理和特性的研究是现代实验心理学的一个分支。事实上，建筑感知的研究对于虚拟环境的研究也格外重要，因为如果对人类建筑环境感知的机理以及在心理学和生理学方面特点没有一个全面的了解，那么设计出的建筑虚拟环境结构和系统很可能并不真正适合人类感知的要求。我们知道在一般应用计算机系统的人机界面设计中，人们非常强调友好性。因为不友好的界面可能导致用户厌倦，甚至拒绝使用所提供的系统，尽管该系统功能可能非常之强。建筑虚拟环境系统所面临的远比一般的应用计算机系统要严峻得多，因为不合理的设计不仅会使用户感到不友好，问题更大的是可能会导致用户的不舒适感，甚至使用户的健康受到损害。
经过几亿年的进化，人类对于所熟悉的自然环境具有极为敏锐的感觉，对于环境的变化具有极为复杂的反馈机制。人类的视觉、听觉、触摸、前庭感觉(运动和重力觉)、整体位置及躯体感觉(皮肤压力)等等部分作为整个集成系统的一部分而工作，它们在反馈机制的作用下互相制约，互相协调，从而使人可以在日常生活中能够感知事物和适应环境的变化。
人类对建筑形象的感知包括视觉、触觉、听觉、前庭感觉(运动和重力觉)、整体位置及躯体感觉(皮肤压力)，其中由于视觉引起的感受和人们的心理变化，将起到主要作用。但人眼在正常情况下都有一定的局限性。要想超出常态范围，必需借于红外线、射电、电子等高新技术方能达到。但人眼在适应亮光、暗光、辨色、估计远近、分辨物体大小和运动方向、体形状与质地等，是任何动物的眼所不能及的。
视觉通道是虚拟环境系统中最重要的接口，在日常生活中，80％以上的客观现象都是通过视觉而感知，给人们以具体的解答。物象的反映，以视觉的理解、领悟最深。它不仅看到物象的形、光、色，还体现着物象的精神与气质。不幸的是我们现在对人类视觉系统的信息处理机理所知甚少、人的视觉系统的工作效率是如此之高，以至于到目前为止还没有任何一个巨型机系统或超级并行计算机系统或网络工作站机群的认知速度与能力能与人的视觉系统相匹敌。
人的视觉系统是非常敏感和严格的，任何不满足物理学或光学定律的运动视景，任何同步不好的视频序列都会被轻而易举地发现，也都会对视觉系统带来额外的刺激。在虚拟环境中、为了满足人的视觉要求、应该提供硬件技术所能支持的尽可能高的显示分辨率。但我们知道显示分辨率与成本成正比，为了使所实现的应用系统成本可以被接受，我们又个得不尽量降低分辨率。那么问题的关键是，什么样的分辨率是可以令视觉系统接受的下限呢?
听觉通道是虚拟环境系统中最重要的接口之一。一般人类从外界所获得的信息有近15％是通过耳朵得到的，是除了视觉以外的最重要途径。
到目前为止，为实现虚拟环境目标，在理论心理学与实验心理学方面有待进一步研究的问题包括：
1．对感知基本性质的系统测量；
2．更好的感知理论，以指导假设形成；
3．严格的假设测试，以提出有效的理论；
4．基于经验与理论准则来构造和测试人机交互装置；
5．评价标准与校准过程。
7.2 计算机建筑、结构艺术与虚拟现实技术
建筑是人类历史文化的载体，任何时代，建筑都以其感人的形象展现出它的风貌，反映着它所包容的各种信息和内涵。建筑的发展是人类进步与文明的标志、建筑艺术又是这文明史诗中最辉煌的篇章。从古至今，建筑与艺术就结下了不解之缘。
建筑，这一石头铸成的史书，记载了多少大师的睿智和天才! 艺术，这一金光四射的明灯，又为建筑披上了多么绚丽耀眼的光芒!
时代发展到了即将进入21世纪的前夕，人们对建筑艺术的追求又是多么光怪陆离，多么不可思议!
从结构方面考虑，同样可以产生艺术的概念。因为钢筋混凝土的出现，使得古老的建筑业有了新的突破，钢筋混凝土这一材料具有两个不同于人类曾经使用过的所有其他建筑材料：
混凝土是在一种半流质状态中制作的，因此它可以浇注成任意的形状；
由于钢筋混凝土结构的整体性，结构的各个部分是以一个力学上的整体状态结合在一起，所有混凝土结构构件在力学或者构造上都提供某些启示，可以转化为一种有表现力的艺术形式典型。
所以，结构师可以大胆使用以前从未使用过的设计方法，设计出大跨度结构、高层建筑、网状结构、拱型结构等造型美观的建筑。
在计算机技术飞速发展的今天，人们不仅把计算机看作一种工具加以应用，也看作一门艺术来研究。计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科，是计算机应用的一个崭新的、富有时代气息而又非常有前景的组成部分。计算机艺术创作不同于传统的艺术创作，它不仅需要艺术家、工程技术人员的创意，还需要充分发挥计算机这一高科技产品高速处理数据和图像的功能并显示和制作出来。
在现实世界中，人们花了很大精力去创造特定的场所作为社会交往的背景——试想想陈列橱窗、艺术博物馆、建筑物及内部设计。虚拟现实技术的出现，使得建筑师和结构师的艺术创作有了一个飞跃。它将有助于使许多这类技能延续到电子空间中去。随着虚拟空间开始呈现一种更丰富多彩、更复杂的结构，虚拟现实技术就将成为计算的特征中一项重大转变的基础。适用于艺术的一个公认标准就是其创新程度，虚拟现实是一种允许广泛创新的媒体，由于它作为通信媒体有着全面的灵活性，因而是非常适合于建筑师、结构工程师、艺术家的一种工具。
设计师可以在虚拟的世界里去创作、去观察、去修改，不受条件的制约，他可以从各个角度去设计一个建筑，设计成各种形状，采用各种建筑形式，从中比较优劣，而不再象以前一样只在头脑中想象，同时，计算机多样的表现形式、丰富的色彩也极大的激发了设计师的创作灵感，使其有可能设计出更好的建筑。
像前面叙述的故宫虚拟旅行一样，人们也可以在计算机创造的虚拟世界中去欣赏建筑艺术。因为种种原因，我们不能看到真正的建筑，但是可以通过虚拟现实技术将世界上知名的建筑“搬”回家中，全方位、各角度的去欣赏，我们可以“足不出户”地欣赏埃菲尔铁塔、悉尼歌剧院，万里长城等世界知名建筑，从中得到美的享受。例如，Microsoft公司投资开发虚拟现实技术在艺术品展览领域的运用。通过显示头盔，人可以“看”到三维立体的艺术展品，并且通过触觉手套“抚摸”展品，从而达到欣赏艺术品的目的。
设计师在虚拟现实的发展过程中可能起着比技术专家更重要的作用。因为艺术家与建筑师始终必须考虑对他们的艺术和建筑艺术作品的理性响应和感性响应的相互作用，而技术专家则可能只满足于把计算机作为一种仅仅用于处理人类智能的媒介。当艺术家与建筑师们探索虚拟现实的表达潜能时，他们将越来越善于表现其经历的复杂性与微妙性，从“综合感觉”到感情丰富的联想，而虚拟现实的工具与技术也将得到相应的发展。
虚拟现实技术是一项新兴的技术，它还有很多的不完善的地方，其中计算机建筑与结构艺术就是有待于进一步研究的领域之一。需要我们为之作出艰苦的奋斗；但是，虚拟现实技术在建筑业中有着广阔的应用前景，它将带给我们一个崭新的天地。 |
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