基于虚拟现实技术的建筑结构设计研究

基于虚拟现实技术的建筑结构设计研究

朱峰

朱峰

广东博意建筑设计院有限公司528311

摘要：虚拟现实技术融入到了建筑结构设计行业，不但为投资商节省了投资成本，同时也节省了运行费用，顾客通过简单的交互式设备就能看见设计师的用意。本文主要针对虚拟现实技术的基础定义，对其作用和意义进行了具体分析，最后做出了概括总结，希望能在某种角度上帮助二者融合。

关键词：虚拟现实技术；建筑结构设计；结构分析

随着我国社会经济的发展，建筑信息化技术越来越引起人们的重视。如何高效解决建筑工程设计、施工、管理中存在的信息协调问题，是一个值得深入研究的课题。虚拟现实技术是一门崭新的综合性信息技术，它极大地推动了建筑行业的发展，因其特有的沉浸感、交互性和构想性，在建筑工程表达方面有独特的优势。

1虚拟现实技术

虚拟现实“VirtualReality”（简称VR）是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，自身的自然技能对虚拟世界的物体进行考察或操作，参与其中的事件；同时提供视觉、听觉、触觉等多通道的信息，用户通过视、听、摸等直观而又自然的实时感知，并使参与者沉浸于模拟环境中。VR的三个最突出的特征是交互性（interactivity）、沉浸感（IllusionofImmersion）、想象（imagination）。虚拟现实技术是在众多相关技术如计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、传感器技术、人工智能的基础上发展起来的。虚拟现实技术在近十年里获得了极大的发展，这主要归因于计算机软、硬件条件的飞速发展，以及虚拟现实专用设备价格的下降和性能的提高。虚拟现实技术是上述技术高层次的集成和渗透，它给用户以逼真的环境体验，使人们可以通过使用各种特殊装置将自己投入到这个环境中去，为探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便直接观察的事物运动变化规律，提供了极大的方便。其在军事、医学、设计、艺术、娱乐等很多领域都得到了广泛的应用。且虚拟现实技术在土木工程中已用于：（1）土木工程仿真建模中的虚拟现实技术；（2）建筑CAD中的虚拟现实技术；（3）建筑、结构设计与施工过程的可视化计算；（4）建筑、结构设计与施工的先期技术成果演示和验证技术；（5）建筑机器人中的虚拟现实技术；（6）建筑、结构艺术与虚拟现实技术。

2虚拟环境中的结构设计系统

2.1虚拟环境模块

虚拟环境模块的作用是构建一个交互的、沉浸的环境。通过用户的交互操作，该模块负责建立或修改模型，并对模型进行实时渲染。为加快虚拟环境模块的开发速度，一个合适的开发平台是非常重要的。目前，windows系统下的开发平台主要有：SVE（乔治亚技术学院），

VESS（中央佛罗里达大学）和VRJuggler（爱荷华州立大学）等。这些开发平台都具有设备无关性，

提供了对各种虚拟现实输入和输出设备的支持。在这些平台上开发，只需编写应用部分，而不须关心其所连接的设备，从而使开发更快、更容易。在虚拟环境模块中，虚拟建筑效果的真实程度是非常重要的。为达到较好的真实性，除应具有良好的渲染效果外，系统所渲染生成的场景亦应跟随用户视角的改变而及时生成新的场景。同时其生成场景的转换速度应达到每秒10帧以上，才能有流畅的视角转换效果。很明显，场景越复杂、模型越精细，其对计算机运算能力的要求也越高。因此，该模块的开发应在计算机计算能力和渲染场景的细致程度问题上，进行均衡，才能达到最好的效果。

2.2结构分析模块

结构分析模块的核心主要由有限元分析程序组成。但同其他有限元分析程序有所区别，该模块除了具有构件的内力和变形的计算功能外，还应具有符合规范的设计分析能力，并将计算结果的数据传递给虚拟环境，使用户能直观地看到结构分析结果，从而进行设计的优化处理。

2.3数据模块

数据模块负责虚拟环境模块和结构分析模之间的数据传输。首先，它将模型的属性传递给分析模块，分析完成后，再将分析结果传递给虚拟环境。不论是模型属性还是分析结果，其数据量都是很大的。如何快速准确地进行数据传递，是非常重要的。通常，有两种方法：文本文件传递和内存传递。文本文件传递方式即采用文本文件进行模型数据和结果数据的传递。因为一般的有限元软件都具有文本文件输入和输出功能，因此，可以利用现有的有限元软件来代替结构分析模块，这样，开发的工作量比较少。但是因为文件传递方式是对硬盘数据的读写操作，其速度较慢，很难达到虚拟环境的速度要求。内存传递方式即数据的交互完全在计算机内存中完成。因其存取速度很快，完全可以满足实时虚拟环境的要求。但是，采用这种模式，必须自行开发有限元分析模块，因此，开发的工作量比较大。从两种传输模式来看，因速度是影响虚拟环境性能的重要因素，采用内存传递模式无疑具有较高的适用性。

3虚拟现实技术在建筑工程设计中的应用

3.1虚拟现实技术在建筑设计中的应用

虚拟现实技术在建筑领域的应用十分广泛。由于实时的三维空间表现能力、人机交互式的操作环境，为创新的、艺术与技术相结合的建筑领域开拓了一个新的思路，使建筑表现从平面、立面、剖面和三维模型的形式中走出，设计者可以将己设计的拟建建筑物通过三维建模和虚拟现实技术在计算机中创建建筑物的各个构件的三维模型，完成仿真建筑物。通过虚拟建筑物，不仅可以在修建之前向业主展现建筑物的总体外观，而且设计者和用户可以“走

进”设计场景中，身临其境地感受空间、尺度、环境光线及声音变化，在人与模拟自然的交互环境中感受设计的优缺点，使设计更完美，实现人机交互模拟现实。

3.2虚拟现实技术在结构设计及受力分析试验中的应用

虚拟现实技术在结构设计中的运用范围很广泛，不仅可以表现复杂构配件的内部情况，制作虚拟交互演示系统，表现构件内部钢筋的分布情况，为施工人员提供更直观的技术资料，而且可以模拟工程结构在各种荷载作用下的应力—应变及破坏情况。在工程研究中对其破坏特征和极限承载力，通常是借助于结构模型破坏试验进行分析，由于结构在高速荷载作用下反应很快，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，只能根据

表面现象分析受力及变形乃至破坏情况，此类工作只能在专业实验室由专业人员来完成，成本高、危险性大，因此，很有必要探求新的结构设计辅助表现形式及结构受力试验方法。

通过计算机建立梁、板、柱的三维模型，借助虚拟现实技术，进行计算机仿真结构试验，在任意角度实时观测构件的配筋，模拟构件的真实的受力情况，也可以借助于专业虚拟软件模拟构件在外力作用下产生变形以至于破坏的整个过程，分析荷载与变形的关系。因此，采用计算机模拟仿真试验，可观察其受力破坏的全过程，采集相关数据，分析构件破坏的全过程。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。此技术可逐步代替破坏试验用于结构受力分析及破坏研究，亦可用于专业教学。

4结语

综上所述，虚拟现实技术是一项新生的、具有强大生命力的技术．在建筑结构的结构优化设计中突显其优越性。它能极大的减少方案反复修改所带来的烦琐的机械劳动．降低结构设计人员的计算工作量。加大和建筑设计等其他工种的配合程度，同时也能在整体结构性能优化设计上取得很大的突破。随着VR技术的不断发展，在结构工程方面应用范围将向横向和纵向有更大的发展，为建筑结构的详细计算分析和施工图设计，为提高工程质量、降低工程成本、保障施工安全等奠定更好的基础达到了真正的结构优化设计目的。

参考文献：

[1]刘旭红，武飞.基于BIM的虚拟现实技术（VR）在建筑工程中的创新应用[J].中外建筑，2018（04）：134-136.

[2]唐迎春，张永祥，王海林.虚拟现实技术在建筑工程中的应用[J].科教文汇（下旬刊），2018（02）：186-188.

[3]李洪刚.浅析虚拟现实（VR）技术在房地产领域中的应用与发展[J].中外建筑，2017（12）：148-150.