土木工程中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的高速發(fā)展為土木工程科技提供了優(yōu)良的發(fā)展環(huán)境。目前，土木工程領(lǐng)域信息化與集成環(huán)境的研究與技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)在全球展開。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是綜合性與集成性極強(qiáng)的高新技術(shù)，在航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)、藝術(shù)、文化娛樂等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
　　對(duì)建立用戶能夠沉侵其中、超越其上、自如時(shí)實(shí)交互的多維信息系統(tǒng)的追求，推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程中發(fā)展和應(yīng)用。土木工程中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及土木工程領(lǐng)域的各個(gè)學(xué)科，現(xiàn)已顯示出一定的實(shí)用性，技術(shù)潛力十分巨大，應(yīng)用前景非常廣闊。本文將從下列6個(gè)方面，介紹土木工程中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景。
　　1．土木工程仿真建模中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：包括抗災(zāi)與防災(zāi)的模擬仿真系統(tǒng)；巖土工程中的模擬仿真系統(tǒng)；項(xiàng)目管理系統(tǒng)；投標(biāo)決策系統(tǒng)；工程結(jié)構(gòu)分析的模擬仿真系統(tǒng)；施工過程的模擬仿真系統(tǒng)；土木工程中的專家系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的集成等；
　　2．建筑　CAD中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：包括城市規(guī)劃、工程項(xiàng)目規(guī)劃；建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；項(xiàng)目管理；室內(nèi)裝飾；建筑機(jī)械設(shè)計(jì)等；
　　3．建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過程的可視化計(jì)算：包括建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可視化計(jì)算；建筑物、大型結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)的可視化計(jì)算；結(jié)構(gòu)有限元分析的可視化計(jì)算；施工過程模擬的可視化計(jì)算等；
　　4．建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的先期技術(shù)成果演示和驗(yàn)證技術(shù)：包括大型的公共建筑項(xiàng)目或比較重要的建筑(如車站、新機(jī)場(chǎng)、橋梁、港口、大壩、核電站等大型工程)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)方案、城市交通布局設(shè)計(jì)方案、建筑物室內(nèi)設(shè)計(jì)、布置和裝飾效果的先期演示、驗(yàn)證；建筑設(shè)計(jì)成果、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的先期演示、驗(yàn)證等；
　　5．建筑機(jī)器人中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：包括表面修整機(jī)器人；隧道工程用機(jī)器人；挖掘用機(jī)器人；組裝機(jī)器人；檢查用機(jī)器人；放射性混凝土切割機(jī)器人等；
　　6．建筑、結(jié)構(gòu)藝術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

1　引言
　　我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中的國(guó)家，有大量繁重的基本建設(shè)任務(wù)。人口城市化已成為不可逆的總趨勢(shì)，而人口城市化的比例已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的一個(gè)重要指標(biāo)。我國(guó)目前的城市人口約占總?cè)丝诘?6.4%左右; 估計(jì)到2000年，全國(guó)城市將發(fā)展到580個(gè)左右，城市人口可達(dá)到33%。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，一個(gè)發(fā)展中國(guó)家的城市人口達(dá)到30%左右時(shí)，整個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)會(huì)有一個(gè)飛躍。依據(jù)這個(gè)規(guī)律，我國(guó)在本世紀(jì)末將會(huì)出現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大飛躍，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)城市將會(huì)發(fā)展到1100個(gè)左右，城市人口可達(dá)到50%。考慮到我國(guó)的總?cè)藬?shù)和四化建設(shè)的規(guī)模，應(yīng)該說我們正從事的是世界上最大規(guī)模的基本建設(shè)，而且正處在一個(gè)經(jīng)濟(jì)大飛躍的前夕。這種發(fā)展將為土木工程各學(xué)科提供優(yōu)良的發(fā)展環(huán)境。這一優(yōu)勢(shì)，甚至西方國(guó)家目前也不具備。這一大好形勢(shì)為我國(guó)土木工程科技工作者提供了空前難得的向國(guó)際水平?jīng)_擊的良好機(jī)遇，同時(shí)，如何把握住世紀(jì)之交時(shí)土木工程學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)，開創(chuàng)土木工程學(xué)科的新紀(jì)元，是對(duì)我們這些跨世紀(jì)一代人的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
　　在上述形勢(shì)下，開創(chuàng)土木工程高新技術(shù)的信息化與集成環(huán)境的新紀(jì)元的研究與技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開始，誰(shuí)先成功地掌握和運(yùn)用土木工程高新技術(shù)的信息化與集成環(huán)境技術(shù)，誰(shuí)就能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)——建筑業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和土木工程學(xué)科的發(fā)展中取得優(yōu)勢(shì)。作為土木工程科技工作者，我們深受這一大好形勢(shì)的鼓舞，非常強(qiáng)烈地感受到了信息時(shí)代對(duì)各個(gè)學(xué)科、特別是對(duì)土木工程學(xué)科發(fā)展所帶來的迅猛沖擊。感到與其被動(dòng)地等待信息革命的浪潮撲來，不如因勢(shì)利導(dǎo)、沖在信息革命浪潮的風(fēng)口浪尖上，積極主動(dòng)地推動(dòng)中國(guó)土木工程的信息化與集成化。我們應(yīng)當(dāng)抓住當(dāng)前這一大好時(shí)機(jī)，組織全國(guó)的科研力量，投入人力和物力，研究與開發(fā)土木工程的高新技術(shù)，以促進(jìn)我國(guó)土木工程學(xué)科和建筑業(yè)的發(fā)展。我們?cè)谶@里介紹的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是土木工程高新技術(shù)的其中之一。
　　虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality－VR)，有時(shí)也稱為靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界(Virtual World)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬世界是全體虛擬環(huán)境(Virtual Environment)或給定仿真對(duì)象的全體。虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的感覺的交互式視景仿真，因而一個(gè)身臨其境的虛擬環(huán)境系統(tǒng)是由包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖象處理與模式識(shí)別、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多傳感器技術(shù)、語(yǔ)音處理與音像技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等不同功能、不同層次的具有相當(dāng)規(guī)模的子系統(tǒng)所構(gòu)成的大型綜合集成環(huán)境，所以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是綜合性極強(qiáng)的高新信息技術(shù)，在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)、藝術(shù)、娛樂等很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
　　正是由于對(duì)身臨其境的真實(shí)感和對(duì)超越現(xiàn)實(shí)的虛擬性的追求，以及建立個(gè)人能夠沉浸其中，超越其上進(jìn)出自如交互作用的多維信息系統(tǒng)推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用。土木工程中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及土木工程的各個(gè)學(xué)科，已顯示出一定的實(shí)用性，而且技術(shù)潛力巨大，應(yīng)用前景十分廣闊。
2　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在仿真與建模中的應(yīng)用
2.1　傳統(tǒng)的仿真與建模
　　仿真(Simulation)是通過對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。這里的系統(tǒng)包括技術(shù)系統(tǒng)，如土木、電氣、機(jī)械、機(jī)電、水力、聲學(xué)、熱學(xué)等，也包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、生物和管理系統(tǒng)等非技術(shù)系統(tǒng)。仿真技術(shù)的實(shí)質(zhì)也就是進(jìn)行建模、實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)聯(lián)的。控制工程和系統(tǒng)工程的發(fā)展促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)出現(xiàn)及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，則為仿真提供了強(qiáng)有力的手段和工具。因此，計(jì)算機(jī)仿真在仿真中占有越來越重要的地位。
　　仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因是它帶來了重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)仿真的應(yīng)用大致可分為：對(duì)已有系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)采用仿真技術(shù)；對(duì)尚未有的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用仿真技術(shù)；在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，利用仿真模型作為觀測(cè)器，給用戶提供有關(guān)系統(tǒng)過去的、現(xiàn)在的、甚至是未來的信息，以便用戶實(shí)時(shí)作出正確的決策；在系統(tǒng)運(yùn)行前，利用仿真模型作為預(yù)測(cè)器，向用戶提供系統(tǒng)運(yùn)行起來后，可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象，以便用戶修訂計(jì)劃或決策；利用仿真模型作為訓(xùn)練器，訓(xùn)練系統(tǒng)操縱人員或管理人員。對(duì)于工程領(lǐng)域仿真技術(shù)可以降低系統(tǒng)的研制成本，可以提高系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和訓(xùn)練過程的安全性；對(duì)于非工程領(lǐng)域，仿真技術(shù)作為研究系統(tǒng)的必要手段，可以盡可能地避免直接實(shí)驗(yàn)。
　　建立模型(建模)是仿真的第一步，也是十分重要的一步。傳統(tǒng)仿真技術(shù)中，一個(gè)仿真系統(tǒng)要首先建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型——一次仿真模型，然后再改寫成適合計(jì)算機(jī)處理的形式—仿真模型。仿真模型可以說是系統(tǒng)的二次近似模型。建立起仿真模型后，才能書寫相應(yīng)的程序。
　　仿真基本上是一種通過實(shí)驗(yàn)來求解的技術(shù)。通過仿真實(shí)驗(yàn)要了解系統(tǒng)中變量之間的關(guān)系，要觀察系統(tǒng)模型變量變化的全過程，此外，為了對(duì)仿真模型進(jìn)行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進(jìn)行多次運(yùn)行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作，因此，良好的人機(jī)交互性是系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要特性。
　　仿真技術(shù)最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，近年來在機(jī)械制造、電氣、水力、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、生物等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在土木工程中計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)應(yīng)用于如下幾個(gè)方面：
　　在防災(zāi)工程中的應(yīng)用：長(zhǎng)期以來，人類一直與洪水、火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害進(jìn)行著堅(jiān)持不懈的斗爭(zhēng)。由于自然災(zāi)害的原型重復(fù)實(shí)驗(yàn)幾乎是不可能的，因而計(jì)算機(jī)仿真在這一領(lǐng)域的應(yīng)用就更有意義。目前已有不少抗災(zāi)、防災(zāi)的模擬仿真系統(tǒng)制作成功，例如洪水泛濫淹沒區(qū)的洪水發(fā)展過程演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)預(yù)先存儲(chǔ)了泛濫區(qū)的地形地貌和地物，有高程數(shù)據(jù)可確定等高線，只要輸入洪水標(biāo)準(zhǔn)(如百年一遇的洪水)及預(yù)定河堤決口位置，計(jì)算機(jī)就可根據(jù)水量、流速區(qū)域面積及高程數(shù)據(jù)算出不同時(shí)刻的淹沒地區(qū)，并在顯示器和大型屏幕上顯示出來。人們從屏幕上可以看到水勢(shì)從低處向高處逐漸淹沒的過程，這樣對(duì)防洪規(guī)劃以及遭遇洪水時(shí)指導(dǎo)人員疏散是很有作用的。又如在火災(zāi)方面，對(duì)森林火災(zāi)的蔓延，建筑物中火災(zāi)的傳播均已開發(fā)出相應(yīng)的模擬仿真系統(tǒng)，這對(duì)消防工程起到了很好的指導(dǎo)作用。
　　在巖土工程中的應(yīng)用：巖土工程處于地下，往往難于直接觀察，而計(jì)算機(jī)仿真則可把內(nèi)部過程展現(xiàn)出來，有很大實(shí)用價(jià)值。例如，地下工程開挖經(jīng)常會(huì)塌方冒項(xiàng)。根據(jù)地質(zhì)勘察，我們可以知道斷層、裂隙和節(jié)理的走向密度，通過小型試驗(yàn)，可以確定巖體本身的力學(xué)性能及巖體夾層界面的力學(xué)特性、強(qiáng)度條件，并存入計(jì)算機(jī)中。在數(shù)值模型中，除了有限元方法外，還可采用分離單元。分離單元在平衡狀態(tài)下的性能與有限元相仿，而當(dāng)它失去平衡時(shí)，則在外力和重力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)直到獲得新的平衡為止。分析地下工程的圍巖結(jié)構(gòu)，邊坡穩(wěn)定等問題時(shí)，可以把節(jié)理斷層劃分為許多離散單元。這一過程可以在顯示器和大型屏幕上顯示出來，最終可以看到塌方的區(qū)域及范圍，這就為支護(hù)設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。
　　在建筑系統(tǒng)工程中的應(yīng)用：在建筑系統(tǒng)工程中，如項(xiàng)目管理系統(tǒng)、投標(biāo)決策系統(tǒng)，在數(shù)學(xué)上可歸納為一定約束條件下的優(yōu)化模型，這種計(jì)算量往往十分巨大，模型也很復(fù)雜，人工難于求解，而運(yùn)用高速計(jì)算機(jī)可快速求出可行解。在復(fù)雜系統(tǒng)中，許多環(huán)節(jié)都具有隨機(jī)性，我們可以在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上將隨機(jī)事件概率引入仿真系統(tǒng)中，這樣可以從仿真結(jié)果中得到相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。
　　在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用：工程結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的反應(yīng)，其破壞特征和極限承載力是人們所關(guān)心的。當(dāng)結(jié)構(gòu)形式特殊，荷載及材料特性復(fù)雜時(shí)，人們往往求助于模型試驗(yàn)來測(cè)定其受力性能，但模型試驗(yàn)往往受到場(chǎng)地和設(shè)備的限制，只能做小比例模型試驗(yàn)，難以完全反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。若用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，則可以進(jìn)行足尺寸的試驗(yàn)，還可以很方便地修改參數(shù)。此外，有些結(jié)構(gòu)難于進(jìn)行直接試驗(yàn)，用計(jì)算機(jī)模擬仿真就更能體現(xiàn)出優(yōu)越性，如核反應(yīng)堆安全殼事故反演分析，汽車高速碰墻的檢驗(yàn)試驗(yàn)，地震作用下的構(gòu)筑物倒塌分析等只有采用計(jì)算機(jī)模擬仿真，分析才能大量進(jìn)行。又如在高速荷載作用下，結(jié)構(gòu)反應(yīng)很快，人們?cè)谡鎸?shí)試驗(yàn)中只能觀察到最終結(jié)果，而不能觀察試驗(yàn)的全過程。如果采用計(jì)算機(jī)模擬仿真試驗(yàn)，則可觀察其破壞的全過程，便于破壞機(jī)理的研究。對(duì)于長(zhǎng)期的徐變過程則可在模擬中加快其變化過程，讓人們清楚地看到其過程。
　
2.2　基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真與建模
　　傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術(shù)很少研究人的感知模型的仿真，因而無法模擬人對(duì)外界環(huán)境的感知(聽覺、視覺、觸覺)。隨著多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、傳感技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬外界環(huán)境對(duì)人的感官刺激開始成為可能。事實(shí)證明，人類對(duì)于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入系統(tǒng)模擬仿真的各個(gè)階段，可使人沉浸其中，對(duì)所需解決的問題有清晰的認(rèn)識(shí)，而不必在屏幕外面去觀察仿真的結(jié)果，將使模型的建立和驗(yàn)證更加方便。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要體現(xiàn)在：計(jì)算機(jī)根據(jù)所建立的領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)用人工智能、模式識(shí)別等技術(shù)，主控機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模、學(xué)習(xí)、規(guī)劃和計(jì)算。通過三維動(dòng)畫制作和顯示頭盔進(jìn)行該領(lǐng)域的視覺模擬；通過傳感機(jī)制和觸覺手套來進(jìn)行該領(lǐng)域的模擬；通過音響制作和音效卡進(jìn)行聲音模擬；通過機(jī)械控制和傳動(dòng)裝置進(jìn)行動(dòng)感模擬。然后將人對(duì)這些感官刺激所作的動(dòng)作反應(yīng)反饋給主控機(jī)構(gòu)，從而實(shí)時(shí)產(chǎn)生新的感覺模型的模擬。
　　土木工程和人們的生活息息相關(guān)，建立多維信息感知模型，并將其應(yīng)用于仿真系統(tǒng)中對(duì)于這一行業(yè)具有重大意義。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程仿真與建模中主要應(yīng)用于：
　　在減災(zāi)、防災(zāi)中的應(yīng)用　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在減災(zāi)、防災(zāi)仿真建模中的應(yīng)用已在積極嘗試之中。1993年，英國(guó)的Colt　Virtual　Reality公司開發(fā)了一個(gè)稱為Vegas的火災(zāi)疏散演示設(shè)計(jì)模擬防真系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于Dimension　International的Superscape虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而開發(fā)的，該系統(tǒng)的三維動(dòng)畫可以演示火災(zāi)時(shí)人員的疏散情況，并可以方便地修改各種參數(shù)。應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)地鐵、港口等典型建筑物火災(zāi)時(shí)的人員疏散情況進(jìn)行了模擬仿真驗(yàn)證，取得了良好的效果。
　　該系統(tǒng)使用戶具有沉浸感，讓用戶能夠親身體驗(yàn)火災(zāi)時(shí)的感受，根據(jù)用戶的描述，研究火災(zāi)時(shí)人們的心理表現(xiàn)。另外，還可以進(jìn)行消防人員救火搶險(xiǎn)的模擬訓(xùn)練，疏散人群的模擬訓(xùn)練，而不必再采用真正點(diǎn)火的方法進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)。通過普通用戶的參與，培養(yǎng)大眾在火災(zāi)到來時(shí)，能夠具有良好的防災(zāi)意識(shí)，迅速離開火場(chǎng)或采取報(bào)警、救人等措施。
　　我們還可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立其他抗災(zāi)、防災(zāi)的仿真模型，使社會(huì)具有一定的應(yīng)變能力。
　　在模擬施工過程中的應(yīng)用　建筑施工是復(fù)雜的大型的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它通常包括立模、架設(shè)鋼筋、澆注、振搗、拆模、養(yǎng)護(hù)等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關(guān)系復(fù)雜，直接影響著混凝土澆筑的進(jìn)程。模擬施工過程是為了通過仿真手段，去發(fā)現(xiàn)實(shí)際施工中存在的問題或可能出現(xiàn)的問題，這就需要對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行仿真。而目前施工過程的模擬只是從幾何形體方面模擬施工的過程，即按樓層關(guān)系由下而上，每一層按柱、梁、板的幾何形狀加以著色來實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的模擬。現(xiàn)有的模擬只是對(duì)進(jìn)度計(jì)劃起到了一定作用，并沒有對(duì)施工過程起到真正的作用。
　　基于以上原因，需對(duì)施工過程建立合適的模型，以達(dá)到模擬仿真的效果。例如，大型水利樞紐混凝土在運(yùn)輸澆筑系統(tǒng)的模擬仿真模型，是由運(yùn)輸子系統(tǒng)和澆注子系統(tǒng)構(gòu)成的，模型是按進(jìn)程交互的仿真策略建立的，按這種條件建立的模型能與仿真程序間保持緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系，程序所要模仿的行為比較直觀、清晰。程序流程直接與模型結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。如果在其中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使其實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的仿真模擬，并且通過人機(jī)接口(頭盔、立體眼鏡以及數(shù)據(jù)手套等)使得決策者處于這一虛擬的環(huán)境之中，則達(dá)到了模擬施工過程，發(fā)現(xiàn)問題的目的。
3　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
　　在土木工程行業(yè)中應(yīng)用CAD技術(shù)，一般可以收到如下效果：首先，可以縮短設(shè)計(jì)工期。由于計(jì)算處理速度快，并能不間斷的工作，因而可以大大地提高設(shè)計(jì)效率，從而縮短了設(shè)計(jì)工期，設(shè)計(jì)工期的縮短意味著建設(shè)成本的降低，同時(shí)便于方案優(yōu)化。其次，可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。使用自動(dòng)化程度較高的CAD系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者只需輸入一些有關(guān)設(shè)計(jì)初始條件的數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)調(diào)用結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行分析計(jì)算，就可得到設(shè)計(jì)結(jié)果，此外利用計(jì)算機(jī)可以得到清晰、整齊、美觀的設(shè)計(jì)圖紙和文檔，便于校核和修改，從而有效地防止了手工繪圖中尺寸標(biāo)注錯(cuò)誤，不同圖紙?jiān)诒磉_(dá)同一構(gòu)件時(shí)的不一致性等錯(cuò)誤的產(chǎn)生，從而提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。另外，可以降低設(shè)計(jì)成本。應(yīng)用CAD技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)者提高設(shè)計(jì)效率，當(dāng)設(shè)計(jì)費(fèi)較高而CAD系統(tǒng)費(fèi)用較低時(shí)，就會(huì)使成本降低，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
　　一般建筑或建筑物的建設(shè)都要經(jīng)過規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)管理等階段，目前，CAD技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)階段中，下面從CAD技術(shù)的應(yīng)用角度探討一下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。?
?
3.1　在規(guī)劃中的應(yīng)用
　　對(duì)于任何工程項(xiàng)目，規(guī)劃工作都是十分重要的。一般土木建筑工程的規(guī)劃都需要考慮眾多的因素，例如，土地利用、經(jīng)濟(jì)、交通、景觀、法律等有關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的因素，氣象、地質(zhì)、地形、水等有關(guān)自然的因素，以及水質(zhì)、噪音、土地污染、綠化等生活環(huán)境的因素等等。
?　對(duì)應(yīng)于該階段的CAD系統(tǒng)主要有兩類：
　　規(guī)劃信息的存儲(chǔ)和查詢系統(tǒng)　例如土質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，地域信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)，城市政策信息系統(tǒng)等。這一類系統(tǒng)多采用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的形式。現(xiàn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)缺陷在于數(shù)字化程度高，可視化程度低，這種數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來是抽象的，可接受性差，例如，地理信息系統(tǒng)對(duì)地形地貌的表現(xiàn)，如果只是由數(shù)字來表現(xiàn)，則可讀性很差，如果表現(xiàn)為地形
圖的形式，則相對(duì)容易接受。而采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在系統(tǒng)中輸入地形、地貌的數(shù)據(jù)，則可以從不同的角度去觀察，不但可以取得必要的數(shù)據(jù)，而且能夠有直觀的感受，不用再勞神費(fèi)力地想象地形圖所表現(xiàn)的實(shí)際地形情況。?
　　規(guī)劃的輔助表現(xiàn)集成系統(tǒng)　例如景觀表現(xiàn)系統(tǒng)，交通規(guī)劃系統(tǒng)等。目前，景觀表現(xiàn)系統(tǒng)其表現(xiàn)物段主要是二維的圖片，如果能夠讓用戶產(chǎn)生一種身臨其境－“人在畫中游”的感覺，則景觀的規(guī)劃將更加科學(xué)合理、全面，而這種身臨其境的感覺，正是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要解決的問題。實(shí)際上應(yīng)用于景觀表現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)開始試用，德國(guó)的Frankfort的中心城市，最近將城市模型輸入虛擬環(huán)境，用以規(guī)劃一座銀行，其實(shí)現(xiàn)并不是很復(fù)雜：首先把各個(gè)建筑物的平面圖(輪廓)輸入到記錄地區(qū)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，將各建筑物的高度賦于適當(dāng)?shù)闹档淖詣?dòng)生成三維城市模型；再對(duì)重要建筑物利用CAD系統(tǒng)以不同精度進(jìn)行修改，把建筑物正面的照片掃描進(jìn)去經(jīng)過修改加工輸入CAD數(shù)據(jù)庫(kù)；最后在VR系統(tǒng)及數(shù)據(jù)模型中加上動(dòng)態(tài)措施及環(huán)境因素。目前，這一系統(tǒng)可以讓人得到在其中漫游的感覺，以后還可望在此基礎(chǔ)繼續(xù)修正。?
?
3.2　在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
　　建筑設(shè)計(jì)CAD的類型及缺陷　一般土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都包含結(jié)構(gòu)形式的選定，形狀尺寸的假定、模型化、結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算、圖面繪制、材料計(jì)算等過程。CAD技術(shù)在土建工程中最早的應(yīng)用就是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，目前對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)也可以分為三類：
　　第一類，對(duì)應(yīng)于各個(gè)設(shè)計(jì)過程中的系統(tǒng)。例如結(jié)構(gòu)形式選擇系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、繪圖系統(tǒng)、材料計(jì)算系統(tǒng)等，其中每個(gè)系統(tǒng)都可以處理多種結(jié)構(gòu)形式。?
　　第二類，集成化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的自動(dòng)化程度一般較高，只需輸入少量的數(shù)據(jù)，利用集成系統(tǒng)即可完成設(shè)計(jì)的全過程。?
　　第三類，通用CAD系統(tǒng)，如AutoCAD，Microstation等。這類系統(tǒng)只提供基本的圖形處理功能，可用來繪制各個(gè)工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)圖紙。該類系統(tǒng)的作業(yè)效率一般較低，需要進(jìn)行二次開發(fā)，以適用不同專業(yè)的需要。?
　　這些CAD系統(tǒng)擅長(zhǎng)于進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)處理，以表現(xiàn)三維空間的物體以及著色；但對(duì)于處理建筑設(shè)計(jì)工程中的復(fù)雜物理數(shù)學(xué)關(guān)系，如結(jié)構(gòu)應(yīng)力，熱傳導(dǎo)，聲，光效應(yīng)等，則顯得無能為力。另外，由于適用各個(gè)設(shè)計(jì)過程的系統(tǒng)使用起來不方便，為完成一項(xiàng)設(shè)計(jì)需要使用多個(gè)系統(tǒng)，不但要掌握每個(gè)系統(tǒng)的使用方法還需重復(fù)輸入大量數(shù)據(jù)，所以集成化設(shè)計(jì)系統(tǒng)已有取代各種分項(xiàng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的趨勢(shì)。?
　　目前的CAD系統(tǒng)大都建立在繪圖支撐軟件的基礎(chǔ)上，繪圖與分析計(jì)算是分開的。在繪圖階段單純地就是繪圖，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)體現(xiàn)在將設(shè)計(jì)人員的思想用圖形表現(xiàn)出來(特別是用于繪制施工圖時(shí))，而不是在全局上，從方案選擇、具體設(shè)計(jì)、分析計(jì)算到施工圖
　　繪制輔助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)全過程。人們希望有了設(shè)計(jì)人員的知識(shí)，經(jīng)驗(yàn)及設(shè)想后，通過計(jì)算機(jī)的分析，計(jì)算比較判斷，不僅將方案形象地表現(xiàn)出來，而且將量化后的數(shù)據(jù)及結(jié)論輸出來，設(shè)計(jì)者再依據(jù)它修改方案。這就是繪圖與結(jié)構(gòu)計(jì)算一體化的思想。?
　　目前的集成化軟件雖然已經(jīng)向繪圖與計(jì)算相結(jié)合的目標(biāo)邁進(jìn)，即實(shí)現(xiàn)了在建模后緊接著進(jìn)行計(jì)算，建模所形成的數(shù)據(jù)可為后續(xù)的計(jì)算所利用。但是，兩者還是各自為政的。更進(jìn)一步的做法是將兩者結(jié)合起來，隨著模型的建立進(jìn)行分析比較，將所得出的信息作為建模的參考。目前此類軟件的缺點(diǎn)在于操作時(shí)規(guī)定限制多，且菜單級(jí)別過多，過分強(qiáng)求樹狀結(jié)構(gòu)，使操作繁雜。?
　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用　將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于集成化CAD系統(tǒng)中，能夠較好地解決以上存在的問題，實(shí)現(xiàn)理想的繪圖與結(jié)構(gòu)計(jì)算一體化。如果把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)在的集成化CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想相結(jié)合，創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)的集成化CAD系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)的建筑方案、結(jié)構(gòu)方案的選擇直至最后結(jié)果的實(shí)現(xiàn)必將大大提高設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。?
　　首先，建筑師利用虛擬現(xiàn)實(shí)CAD系統(tǒng)可以很方便地建立和修改建筑方案。建筑師仿佛置身于待建場(chǎng)地中，很方便地從庫(kù)中提取各種物件和材料、家具、設(shè)備，象搭積木一樣搭起一座虛擬的建筑，該虛擬建筑的尺寸可以和實(shí)際設(shè)計(jì)中的建筑一樣，其色彩逼真，并且有材料的質(zhì)感，建筑師可以對(duì)其進(jìn)行著色，修改，并可以在隨時(shí)改變視角和光源的條件下從任何視點(diǎn)去觀察這座建筑，以便得出滿意的方案。?
　　然后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師就可以利用已經(jīng)建起的模型，選取結(jié)構(gòu)方案調(diào)整荷載和定義荷載，由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得出結(jié)果如配筋量和配筋圖等，如果不能滿意，則可修改參數(shù)或方案。?
　　設(shè)計(jì)中比較令人頭痛的一個(gè)問題就是建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各方的協(xié)調(diào)問題。目前采用的方法是各方分別設(shè)計(jì)，再一起討論，協(xié)商修改，反復(fù)進(jìn)行直到滿意。如果采用VR集成CAD系統(tǒng)，則可以實(shí)現(xiàn)各方同時(shí)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中遇見沖突隨時(shí)協(xié)調(diào)直到滿意為止。?
3.3　在室內(nèi)裝飾中的應(yīng)用
　　工程項(xiàng)目進(jìn)入室內(nèi)裝修階段通常臨近預(yù)定的竣工日期，工期非常緊，而裝飾施工圖又比較粗糙，在不少施工圖中裝飾線條的尺寸比例估計(jì)不足，因而在裝飾施工中，返工是屢見不鮮的，由此而造成工期延長(zhǎng)，造價(jià)增加，有時(shí)還不可避免地影響外觀效果與內(nèi)在質(zhì)量。運(yùn)用VR集成CAD技術(shù)在施工前就可以事先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行室內(nèi)裝飾的模擬，從計(jì)算機(jī)的顯示屏上進(jìn)行修改，以解決設(shè)計(jì)中某些與實(shí)際脫節(jié)的現(xiàn)象，使上述弊病得以避免。?
　　隨著建筑業(yè)的發(fā)展，越來越多的建筑物采用外墻貼鋪面磚面，面磚的色彩豐富，規(guī)格多樣，加之建筑造型各異，使得面磚貼鋪方案的確定大有文章可做，目前的常規(guī)方法是在建筑施工立面圖上劃出面磚的分隔，并著色來觀察效果，確定方案，這種做法缺點(diǎn)是立面越多，考慮的方案越多，要繪的圖紙就越多，工作量很大。運(yùn)用VR集成CAD　技術(shù)在計(jì)算機(jī)上模擬貼面磚，模擬面磚色彩，即可減少重復(fù)制圖還可以在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出用繪圖儀繪制出模擬效果以便進(jìn)行比較。CAD技術(shù)不僅可用于外墻貼面磚的模擬，還可以用于模擬室內(nèi)外鋪貼地磚，花崗石大理石等。由于在施工過程中，進(jìn)行模擬繪制，是按現(xiàn)場(chǎng)粉涮后則得的實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬和繪制的，這樣的模擬與實(shí)際非常貼近，使得現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)定位放線與模擬圖十分吻合，從而避免了以往施工放線時(shí)的尺寸與原施工圖尺寸有誤差而帶來的種種麻煩。?
　　由此可見，裝飾工程中引入VR集成CAD　技術(shù)的前景是十分誘人的。如果在計(jì)算機(jī)中輸入裝飾房間的模型，再接入虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，設(shè)計(jì)者就能身臨其境地處在房間中，可以直接體驗(yàn)各種裝飾方案，也可以對(duì)裝飾方案進(jìn)行修改，這樣即節(jié)省了時(shí)間，也使最終方案具有更強(qiáng)的可信性。
　　在室內(nèi)裝飾的其它方面，如選擇貼墻紙還是貼面磚，面磚、地磚的顏色、圖案、分隔形狀的選擇都是很繁的，傳統(tǒng)的方法是做出縮小的實(shí)際模型，在實(shí)際的模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣做不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢而且其效果并不好。如果在計(jì)算機(jī)中輸入實(shí)際房間的模型，再引入虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，一切就將變得簡(jiǎn)單輕松，設(shè)計(jì)者身處所需裝飾的房間，按照自己的構(gòu)思去裝飾、修改，并且可以變換自己在房間中的位置，去觀察裝飾的效果，直到滿意為止，這樣既節(jié)約了時(shí)間，又節(jié)省了做模型的費(fèi)用，其結(jié)果更可信。可以設(shè)想，在未來的裝飾工程中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)代替現(xiàn)有的實(shí)際模型而顯示出其強(qiáng)大的生命力。?
?
3.4　在建筑機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
　　建筑機(jī)械的適用程度是直接影響到建設(shè)時(shí)間和建筑質(zhì)量的一個(gè)重要，很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)人們并未認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題，但隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，建筑機(jī)械化程度的不斷提高，這個(gè)問題將會(huì)被人們所重視。在目前的機(jī)械設(shè)計(jì)上，用機(jī)械CAD也可以實(shí)現(xiàn)屏幕上的三維動(dòng)畫演示，但它無法實(shí)現(xiàn)操作者的虛擬實(shí)際操作。?
　　我們知道建筑機(jī)械的適用包括兩個(gè)方面，一方面是要最大程度地發(fā)揮該機(jī)械的效能，另一方面，它的操作應(yīng)該簡(jiǎn)單適用。如果設(shè)計(jì)出一個(gè)新的機(jī)型，卻無法實(shí)現(xiàn)操作者的虛擬實(shí)際操作那么該機(jī)型在實(shí)際操作中可能存在的問題就無法發(fā)現(xiàn)。?
　　第一個(gè)受虛幻現(xiàn)實(shí)影響的設(shè)計(jì)是1996年推出的反鏟載機(jī)。美國(guó)卡特彼勒公司建筑機(jī)械產(chǎn)品部工程師貝特納在《光譜》雜志上發(fā)表文章，闡述他們?cè)诶碚撋嫌腥齻€(gè)看上去都是可行的不同設(shè)計(jì)，用他們開發(fā)的虛幻環(huán)境系統(tǒng)對(duì)這三個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了先期效果的演示驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中兩個(gè)設(shè)計(jì)在操縱反鏟傳動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)不時(shí)進(jìn)入視野死角。如果不使用虛幻環(huán)境系統(tǒng)，只有在樣機(jī)造出后才能發(fā)現(xiàn)。結(jié)果卡特彼勒公司提前9個(gè)月選定了設(shè)計(jì)方案，并且節(jié)約了按其它兩個(gè)較差設(shè)計(jì)方案試制樣機(jī)所需的巨額費(fèi)用。?
　　在建筑機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
　　1．建立虛擬模型將減少或者消除對(duì)昂貴的實(shí)際模型所需要的費(fèi)用。?
　　2．通過綜合虛擬模型的虛擬結(jié)果工程分析將使結(jié)果更加有效。?
　　3．進(jìn)行性能和人機(jī)工程方面的研究時(shí)，將允許人直接參與操作模擬。?
　　4．對(duì)裝配、制造和維修等工作進(jìn)行虛擬仿真模擬，可在設(shè)計(jì)過程的最初階段發(fā)現(xiàn)可能存在的缺陷和問題，減少不必要的浪費(fèi)，進(jìn)行模擬職業(yè)培訓(xùn)，提高勞動(dòng)力的適用性和技能。?
　　由此可以看出，在未來的建筑機(jī)械設(shè)計(jì)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著極其廣泛的前景，我們可以相信，在將來的建筑機(jī)械設(shè)計(jì)中，虛擬模型將會(huì)代替實(shí)際模型，并以目前的VR集成CAD　技術(shù)的優(yōu)勢(shì)而取代現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方式。
4　建筑與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工過程的可視化計(jì)算技術(shù)
　　在科學(xué)研究中，人們會(huì)遇到大量的數(shù)據(jù)。為了從中得到有價(jià)值的規(guī)律和結(jié)論，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析。例如，為了設(shè)計(jì)出阻力小的機(jī)翼，科學(xué)家必須詳細(xì)分析空氣的動(dòng)力學(xué)特性，這需要巨大的計(jì)算量。為了使這種分析更加直觀而發(fā)明了風(fēng)洞試驗(yàn)的方法：通過使用煙霧氣體，可以用肉眼直接觀察到氣體與機(jī)翼的作用情況，因而大大提高了對(duì)機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)特性的了解。在研究微觀領(lǐng)域，如蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及分子結(jié)構(gòu)時(shí)，由于這些結(jié)構(gòu)超出了人眼所能觀察的范圍，使人難于理解和接受。我們通常采用分子結(jié)構(gòu)模型、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模型來研究這些問題，使得問題更加易于理解。這種把不能或不易直接觀察的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為眼睛能夠觀察到的現(xiàn)象的技術(shù)稱為可視化技術(shù)。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，科學(xué)可視化可以定義為：對(duì)科學(xué)計(jì)算取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化加工或三維圖形顯示，并可通過交互地改變參數(shù)來觀察計(jì)算結(jié)果的全貌及其變化。
　　在我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)中，建筑業(yè)越來越成為對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起制約作用的支柱產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，建筑物的規(guī)模、功能、造型和相應(yīng)的建筑技術(shù)越來越大型化、復(fù)雜化和多樣化。所采用的新材料、新設(shè)備、新的結(jié)構(gòu)技術(shù)和施工技術(shù)日新月異，節(jié)能技術(shù)、信息控制技術(shù)、生態(tài)技術(shù)等日益與建筑相結(jié)合。建筑業(yè)和建筑物本身正在成為許多新技術(shù)的復(fù)合載體。而超高層和超大跨度建筑、特大跨度橋梁及作為這些超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)核心問題的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)技術(shù)則是代表一個(gè)國(guó)家建筑科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。
　　超高層、超大跨度建筑和特大跨度橋梁這些超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)含量高，具有結(jié)構(gòu)形式豐富、設(shè)計(jì)與施工高度相互作用、設(shè)計(jì)和施工內(nèi)業(yè)工作量大等特點(diǎn)。可視化計(jì)算技術(shù)將給這些超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工控制技術(shù)帶來了新的內(nèi)涵，將使其變得比較容易，方便和更加直觀。
　　例如，大跨度斜拉橋的施工大都采用懸臂澆注或拼裝的方法，一般要經(jīng)過多次的循環(huán)，而每一個(gè)循環(huán)內(nèi)還要包括好幾個(gè)工況，另外，由施工中的實(shí)際結(jié)構(gòu)來反饋影響設(shè)計(jì)也是大跨度斜拉橋的一大特點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)階段無論是組織數(shù)據(jù)，編排仿真計(jì)算過程，階段內(nèi)力調(diào)整還是數(shù)據(jù)的輸入以及計(jì)算結(jié)果的整理其工作量非常之大，且極容易出錯(cuò)，而對(duì)于斜拉橋施工階段的內(nèi)力和標(biāo)高控制問題，更是具有顯著的特點(diǎn)，其中最主要的是要根據(jù)施工中的實(shí)際結(jié)構(gòu)來修正起初設(shè)計(jì)中的一些基本條件。以前由于受計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，這方面的研究工作相對(duì)滯后于橋梁工程的發(fā)展需要。因此，研制開發(fā)超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工控制的可視化計(jì)算技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急，極有必要。
　　可視化技術(shù)在土木工程中有著廣泛的應(yīng)用。土木工程離不開數(shù)據(jù)的處理，各種數(shù)據(jù)不僅數(shù)量大，而且較抽象，難于理解。工程師更愿意用內(nèi)力圖來表示內(nèi)力情況；用單元受力圖來表示某點(diǎn)的受力狀態(tài)；用撓度來表示某種荷載下構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的彎曲程度，雖然這些力和撓度是眼睛觀察不到的。在這種情況下，應(yīng)用可視化技術(shù)可以做到一目了然。可視化計(jì)算的應(yīng)用主要有：
　
4.1　建筑物、大型結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)的可視化計(jì)算
　　在土木工程中，重要結(jié)構(gòu)，如電視塔、大型橋梁、超高層建筑、過街樓等，通常要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。為了觀察空氣在建筑物中或建筑物間運(yùn)動(dòng)狀況，也采用煙霧氣體的方法，使科學(xué)家能夠直接觀察到氣體的運(yùn)行狀況。
　　但是，進(jìn)行傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)需要采用實(shí)物模型。這種方法的缺點(diǎn)是：制作模型即費(fèi)時(shí)又昂貴；由于模型通常比實(shí)物小，這就使實(shí)驗(yàn)存在著一定的誤差；另外，人無法在近距離觀察實(shí)驗(yàn)情況(因?yàn)檫@樣將影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果)，這就給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取造成了一些麻煩，從而會(huì)加大實(shí)驗(yàn)的誤差。
　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以克服傳統(tǒng)的可視化計(jì)算中存在的這些缺點(diǎn)。虛擬的風(fēng)洞可以讓工程師看到模擬的空氣流場(chǎng)，使其感到好象真的站在風(fēng)洞里一樣。虛擬風(fēng)洞的目的是讓工程師分析多漩渦的復(fù)雜三維性質(zhì)和效果，空氣循環(huán)區(qū)域被破壞的亂流等。而這些分析利用通常的數(shù)字仿真是很難實(shí)現(xiàn)可視化的，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以很好的解決這個(gè)問題。例如，可以將一個(gè)建筑的CAD模型數(shù)據(jù)調(diào)入該虛擬風(fēng)洞進(jìn)行性能分析，為了分析空氣流模式可以往空氣流中注入軌跡追蹤物，該追蹤物將隨氣流漂移，并將其運(yùn)動(dòng)軌跡顯示給工程師。追蹤物可以通過數(shù)據(jù)手套任意指向指定的位置，工程師可以從任意角度觀察其運(yùn)動(dòng)軌跡，以得出滿意的答案。
　
4.2　結(jié)構(gòu)有限元分析的可視化計(jì)算
　　在運(yùn)用傳統(tǒng)的有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的結(jié)果通常采用內(nèi)力圖等力線的形式描繪出來，給人以直觀的印象。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以通過顏色的深淺給出三維物體中各點(diǎn)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(diǎn)去觀察。還可以利用VR的交互性能，實(shí)時(shí)修改各種數(shù)據(jù)，以便對(duì)各種方案及結(jié)果進(jìn)行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。
　　超高層、超大跨度建筑和特大跨度橋梁這些超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工程控制和的施工控制需要進(jìn)行多次的結(jié)構(gòu)重分析。如對(duì)斜拉橋和大型連續(xù)梁橋的理想后退分析、實(shí)時(shí)前進(jìn)分析等。分析之前，首先要建立有限元結(jié)構(gòu)分析總模型和施工階段模型，其中包括單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)信息、剛度數(shù)據(jù)、材料特性、邊界支持條件、荷載分布等。把可視化計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于這些超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工程控制和結(jié)構(gòu)分析中，將增強(qiáng)計(jì)算軟件的前后置處理能力。例如，在橋梁工程控制和結(jié)構(gòu)分析的可視化計(jì)算中，倒退(拆)分析結(jié)構(gòu)倒拆動(dòng)態(tài)演示、結(jié)構(gòu)理想施工線型顯示、施工階段主梁形心線的設(shè)計(jì)曲線和實(shí)測(cè)擬合曲線的顯示、前進(jìn)分橋結(jié)構(gòu)拼裝動(dòng)態(tài)演示、施工預(yù)告圖形顯示、主梁內(nèi)力圖顯示、危險(xiǎn)截面應(yīng)力分布圖顯示等等。
　　更重要的是能借助圖形或圖像來進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地控制結(jié)構(gòu)的重分析和獲取施工控制數(shù)據(jù)，同時(shí)能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演示和控制設(shè)計(jì)和施工的過程。
　
4.3　施工過程模擬的可視化計(jì)算
　　可視化計(jì)算在土木工程施工過程中也有用武之地。例如，在鋼筋的連接方面，現(xiàn)在應(yīng)用得很廣泛的套筒冷擠壓技術(shù)，在研究其基理及可靠性時(shí)，是用實(shí)物擠壓，然后再作強(qiáng)度破壞。為了達(dá)到施工的安全目的并且給出施工技術(shù)，要做成千上萬(wàn)組的實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來確定破壞機(jī)理，建立力學(xué)模型。如果運(yùn)用可視化計(jì)算，在計(jì)算機(jī)中輸入套筒與鋼筋的物理特性、力學(xué)特性，建立模型，就可以在計(jì)算機(jī)屏幕上看到不同型號(hào)的套筒和鋼筋在不同壓力下的擠壓情況，作出鋼筋和套筒的力－變形曲線，研究其機(jī)理，建立力學(xué)模型。
　　但是傳統(tǒng)的可視化計(jì)算也有其局限性，其局限性在于只能觀察縱斷面和橫斷面的情況，只能起到一定的輔助作用。如果在可視化計(jì)算的基礎(chǔ)上，再引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，那么在立體的環(huán)境中，工程師可以觀察到擠壓下鋼筋和套筒上任一點(diǎn)的變形從無到有到穩(wěn)定的全過程。并且對(duì)于最后的變形情況有直觀的了解。在實(shí)物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將實(shí)驗(yàn)中所歸納出的基理輸入到計(jì)算機(jī)中，對(duì)原來的模型進(jìn)行修改，工程師就可以建立出可信的力學(xué)模型。
　　同濟(jì)大學(xué)在橋梁工程控制的可視化計(jì)算方面做了許多出色的工作。在橋梁工程控制的可視化計(jì)算中，理想施工可視化倒退分析是在成橋結(jié)構(gòu)理想初始狀態(tài)下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒折，分析每次卸除一個(gè)施工段對(duì)剩余結(jié)構(gòu)的影響各個(gè)階段倒退分析出的結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力狀態(tài)便是理想的施工狀態(tài)。一般地，理想施工狀態(tài)的確定由倒退分析系統(tǒng)完成。每完成一階段的倒退分析都是對(duì)該階段結(jié)構(gòu)作一次完整的有限元分析，對(duì)大型結(jié)構(gòu)，這樣的分析在一般的計(jì)算機(jī)上要花費(fèi)較多機(jī)時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地倒拆分析動(dòng)態(tài)演示。采用并行計(jì)算技術(shù)，可使這種分析及其動(dòng)態(tài)演示達(dá)到基本同步(準(zhǔn)實(shí)時(shí))的程度。
　　可視化計(jì)算中，可視化前進(jìn)分析是指按施工階段逐步進(jìn)行的一種結(jié)構(gòu)分析。這種分析的特點(diǎn)是：隨著轎梁施工階段的推進(jìn)，結(jié)構(gòu)形式、邊界條件、載荷形式在不斷改變，前期完成的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生徐變和幾何位置的改變，這些因素必須在下一施工階段分析中予以考慮．前進(jìn)分析系統(tǒng)是一種有限元分析系統(tǒng)的擴(kuò)充，擴(kuò)充內(nèi)容主要包括階段模型的自動(dòng)拼裝和已施工段混凝土徐變、收縮效應(yīng)的計(jì)入。同樣地，采用并行計(jì)算技術(shù)也可使前進(jìn)分析像倒退分析一樣快速地進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)可視化前進(jìn)分析的準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演示。
　　可視化計(jì)算中，實(shí)時(shí)可視化跟蹤分析是指通過現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和計(jì)算機(jī)模型計(jì)算對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以便對(duì)下一步施工進(jìn)行指導(dǎo)，使其不會(huì)偏離理想施工狀態(tài)過大它是實(shí)現(xiàn)橋梁工程控制助關(guān)鍵。其中主要包括量測(cè)數(shù)據(jù)采集、結(jié)構(gòu)分析、溫度修正計(jì)算、參數(shù)識(shí)別和施工預(yù)告計(jì)算。量測(cè)數(shù)據(jù)采集是以施工控制為目的在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)每個(gè)施工階段的控制變量(如撓度、應(yīng)力和斜拉橋索力)進(jìn)行檢測(cè)和收集。結(jié)構(gòu)分析對(duì)已施工部分進(jìn)行初步檢算和提供用于參數(shù)識(shí)別的計(jì)算結(jié)果。溫度修正計(jì)算用來扣除由于溫度而引起的對(duì)識(shí)別參數(shù)的影響。參數(shù)識(shí)別是為了消除因設(shè)計(jì)參數(shù)取值的不確切性所引起的在施工中設(shè)計(jì)與實(shí)際的不一致性；通過對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)反應(yīng)(如撓度、索力等)信息的處理，求出符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)(如截面特性、主梁自重、徐變計(jì)算中的系數(shù)等)。施工預(yù)告就是根據(jù)這些較符合實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)，由可視化前進(jìn)分析向前計(jì)算直至竣工得出的，它預(yù)告今后施工可能出現(xiàn)的狀態(tài)并預(yù)告下一階段當(dāng)前已安裝好的構(gòu)件或即將安裝的構(gòu)件是否會(huì)出現(xiàn)不滿足強(qiáng)度要求的情況，以確定是否要在本施工階段對(duì)可調(diào)變量進(jìn)行調(diào)整。
　　在進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤分析時(shí)，首先要輸入所采集到的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)，確認(rèn)后，可視化計(jì)算系統(tǒng)將自動(dòng)擬合所采集到的數(shù)據(jù)，將“施工階段主梁形心線的設(shè)計(jì)曲線”和“實(shí)測(cè)擬合曲線”顯示于屏幕上，供用戶分析和參考用。其次，通過結(jié)構(gòu)分析的可視化計(jì)算程序，將“監(jiān)測(cè)點(diǎn)撓度對(duì)比”、“監(jiān)測(cè)索索力對(duì)比”、“主梁內(nèi)力圖”、“危險(xiǎn)截面應(yīng)力分布圖”和“主梁形心線撓度曲線”　顯示于屏幕上。通過溫度修正可視化計(jì)算模塊，輸入實(shí)測(cè)溫度，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用溫度修正計(jì)算程序，并在計(jì)算完成后，將修正后的數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫(kù)，供參數(shù)識(shí)別用。然后，系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)求出較符合實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)，存人數(shù)據(jù)庫(kù)，供可視化前進(jìn)分析和后退分析時(shí)用。最后，進(jìn)行“前進(jìn)分析結(jié)構(gòu)拼裝動(dòng)態(tài)演示”、“施工預(yù)告圖形動(dòng)態(tài)演示”、“主梁內(nèi)力圖動(dòng)態(tài)演示”、“危險(xiǎn)截面應(yīng)力分布圖動(dòng)態(tài)演示”分析，達(dá)到對(duì)橋梁施工控制的目的。
　　同樣，對(duì)于一些看不到其內(nèi)在情況的施工技術(shù)，我們也可以運(yùn)用引入虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化計(jì)算技術(shù)，只作少量的實(shí)物實(shí)驗(yàn)就可以達(dá)到事半功倍的效果。
5　先期技術(shù)成果演示與論證技術(shù)
　　一個(gè)大型的公共建筑工程項(xiàng)目或比較重要的建筑，如車站、機(jī)場(chǎng)、電視塔、橋梁、港口、大壩、核電站等，建成后往往會(huì)對(duì)某一地區(qū)的景觀、環(huán)境等有較大的影響。它們建設(shè)成本高，社會(huì)影響大，其安全性、經(jīng)濟(jì)性以及功能合理性的意義更加重大。目前，這種重大項(xiàng)目的建設(shè)過程的初期經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)是建立在高度抽象的模型基礎(chǔ)上，其結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)很大偏差。項(xiàng)目上馬前的功能評(píng)價(jià)也只是建立在想象和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)常出現(xiàn)偏差。而這種偏差造成的功能上的缺陷幾乎是無法彌補(bǔ)的。當(dāng)然，目前也有一些功能評(píng)價(jià)建立在物理模型和計(jì)算機(jī)仿真模型分析的基礎(chǔ)上。但物理模型是縮小比例的模型，試驗(yàn)和評(píng)價(jià)難免出現(xiàn)誤差，而且試驗(yàn)周期長(zhǎng)，費(fèi)用較高。目前，計(jì)算機(jī)仿真模型由于存在和圖形結(jié)合差、可視化不強(qiáng)的缺點(diǎn)，許多功能上的評(píng)價(jià)，特別是建筑的使用功能的評(píng)價(jià)，很難達(dá)到滿意的效果。如何在建筑的設(shè)計(jì)階段就對(duì)方案進(jìn)行全面、客觀的評(píng)價(jià)，是人們所關(guān)心的問題。這種評(píng)價(jià)技術(shù)就稱為建筑設(shè)計(jì)的先期技術(shù)成果的演示和論證技術(shù)。
　　許多研究未來城市的資料表明：到了下個(gè)世紀(jì)，隨著城市人口的空前增長(zhǎng)，市民文化素質(zhì)的提高、土地需求的白熱化狀態(tài)、以及城市機(jī)能的高度集約化和信息化，工業(yè)時(shí)代城市的穩(wěn)定社會(huì)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)職能均被打破，許多新的課題將應(yīng)運(yùn)而生。城市人口的高速增長(zhǎng)帶來的一系列社會(huì)問題，城市組團(tuán)密集導(dǎo)致的城市結(jié)構(gòu)系統(tǒng)擴(kuò)張，城市為向三度空間的發(fā)展所期待的新環(huán)境研究，城市建筑(特別是住宅)的高密度和多樣化需求提出的新內(nèi)容、新形式課題，高速運(yùn)載系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的沖擊，大量人口需求戶外娛樂對(duì)社會(huì)和生態(tài)的影響，以及人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量的新要求，能源匱乏和生態(tài)環(huán)境面臨的危機(jī)等，所有這些都與城市實(shí)質(zhì)環(huán)境有關(guān)。因此，在環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益受到重視的今天，我們不能不考慮到一個(gè)建筑對(duì)周圍環(huán)境所產(chǎn)生的影響，毫無疑問，在工程竣工以前，我們不可能以一個(gè)與實(shí)際建成后的建筑同等比例的模型置于實(shí)際的環(huán)境中，用以考察該建筑物對(duì)于周邊環(huán)境的影響。以三峽工程為例，對(duì)于本世紀(jì)最大的水利工程，其影響是深遠(yuǎn)的，一旦其建成以后無論是對(duì)生態(tài)環(huán)境，還是社會(huì)環(huán)境都有相當(dāng)大的影響。就在截流前幾天，一批科學(xué)家對(duì)三峽上下游進(jìn)行全面考察，其目的不言而喻自然是為了得到各方面的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而保護(hù)上下游的自然環(huán)境。然而，以傳統(tǒng)的在一堆抽象的數(shù)字上加以想象力的發(fā)揮，其結(jié)果的可信度無疑并不十分理想。
　　本世紀(jì)20年代以來，整個(gè)建筑行業(yè)形成了一種設(shè)計(jì)模式。建筑師可以撇開工程師，進(jìn)行“純”建筑設(shè)計(jì)，所有環(huán)境、氣候的影響，以及設(shè)計(jì)功能上的不足，最終都可用現(xiàn)代化的設(shè)備、材料和技術(shù)來彌補(bǔ)。一直到80年代，這種設(shè)計(jì)思想仍然是建筑設(shè)計(jì)的主流。但是，近年以來，這種設(shè)計(jì)模式面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
　　對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)思想的挑戰(zhàn)來自人類面臨的能源危機(jī)和生存環(huán)境的污染和惡化。環(huán)境惡化和能源危機(jī)產(chǎn)生的根本原因都是人類過度使用能源。統(tǒng)計(jì)估算表明，目前人類能耗的49％都用于維持建筑物的內(nèi)部環(huán)境上。相比之下，用于工業(yè)和交通業(yè)的能耗才分別占26％和25％。這一數(shù)據(jù)向現(xiàn)行的建筑設(shè)計(jì)模式提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，建筑設(shè)計(jì)也要考慮節(jié)能問題。建筑設(shè)計(jì)人員，包括建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、設(shè)備工程師和項(xiàng)目管理經(jīng)理，有必要作為一個(gè)整體，重新估價(jià)自己的設(shè)計(jì)思想，迎接這一挑戰(zhàn)。
　　當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了建筑材料、建筑設(shè)備和建筑控制技術(shù)的發(fā)展，也為建筑設(shè)計(jì)思想的更新創(chuàng)造了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。然而，根據(jù)英國(guó)建筑研究院最近一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表明：存在問題的建筑工程項(xiàng)目中，錯(cuò)誤來自設(shè)計(jì)階段的占50%；因施工不當(dāng)?shù)恼?0%，其它的占10%。這些數(shù)據(jù)向我們提出了以下問題：
　　—— 采用新的建筑設(shè)計(jì)模式，其實(shí)際效果究竟怎樣?
　　—— 對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案，如何在設(shè)計(jì)之初就能對(duì)其實(shí)際效果作出正確檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)?
　　—— 對(duì)于施工質(zhì)量，如何在未施工之前就能對(duì)其進(jìn)行模擬控制？
　　顯然，先期技術(shù)成果的演示和論證技術(shù)是檢驗(yàn)這種效果的有效手段。基于這種情況，世界各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)都在作不懈的努力，以找出一種有效的評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)中建筑物的性能的方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正是解決這一問題的方法之一。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以達(dá)到如下效果：
　
5.1　改善設(shè)計(jì)
　　采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬環(huán)境系統(tǒng)，可以向建筑設(shè)計(jì)單位提供一套進(jìn)行建筑性能評(píng)價(jià)的有效工具，以利于更好地認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)結(jié)果之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在的缺陷和問題，試探解決問題的不同方法，從而使整個(gè)設(shè)計(jì)更加完善。
　　一些建筑物，如圖書館的閱覽室等，對(duì)建筑內(nèi)部的采光要求比較高。為了達(dá)到最佳的采光效果，設(shè)計(jì)人員可以把建筑物模型及各種環(huán)境條件輸入到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，通過日照和燈光的模擬，讓人感受到光照的質(zhì)量。建筑師可以采用不同的方案比較，實(shí)時(shí)修改方案，試驗(yàn)不同種類的反光材料，直到得到最佳采光結(jié)果。
　　目前，我們正在進(jìn)行國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境系統(tǒng)”的研究和開發(fā)工作。眾所周知，廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)是建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是在建筑設(shè)計(jì)過程中，從音質(zhì)上保證建筑適合要求所采取的技術(shù)措施。尤其是在以聽聞為主要功能之一的觀演性建筑中，如音樂廳、劇場(chǎng)、電影院、錄音棚、禮堂、多功能廳、電話會(huì)議廳等，音質(zhì)設(shè)計(jì)往往成為影響建筑設(shè)計(jì)的決定性因素。在這些中，有的開會(huì)時(shí)既聽得清報(bào)告，演出時(shí)聲音又宏亮豐滿、悅耳動(dòng)聽；而有的則開會(huì)時(shí)聽不清講話內(nèi)容，演出時(shí)聲音又單調(diào)干澀；有的甚至有回聲。廳堂音質(zhì)問題不僅與廳堂的物理?xiàng)l件、人的聽覺生理特性有關(guān)，它還與民族特點(diǎn)、文化傳統(tǒng)、藝術(shù)風(fēng)格等有密切關(guān)系，目前的評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)中建筑的音響效果采用的方法，通常是實(shí)物建模的方法，即采用縮小比例的模型，模擬音質(zhì)效果，測(cè)出客觀參量，再進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種方法，不但建模周期長(zhǎng)，而且費(fèi)用高，如果效果不夠滿意，修改起來很麻煩，更重要的是，由于模型是縮小的，試驗(yàn)的結(jié)果和實(shí)際常常產(chǎn)生很大的誤差。如果采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物聲場(chǎng)的模擬，人可以置身于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之中，在建筑的任意一點(diǎn)體會(huì)音響效果，實(shí)時(shí)地進(jìn)行吸音材料的修改和聲源位置、建筑局部的修改，直至得到滿意的效果。
　　人們?yōu)榱硕康匮芯繌d堂的音質(zhì)設(shè)計(jì)問題，建立了許多音質(zhì)評(píng)價(jià)的客觀指標(biāo)，如混響時(shí)間、早期衰減、清晰度和明晰度等等。廳堂音質(zhì)的優(yōu)劣決定于聽眾的評(píng)價(jià)，這涉及到人的主觀感覺。如何能在設(shè)計(jì)階段就對(duì)廳堂音質(zhì)的主觀感覺，即實(shí)際的音質(zhì)效果，作出正確的先期演示、驗(yàn)證和進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)？多少年來，建筑聲學(xué)界的廣大科技工作者為了實(shí)現(xiàn)這一古老的夢(mèng)想，一直在為之奮斗。顯然，一旦找到這樣一種方法，將對(duì)整個(gè)建筑聲學(xué)界產(chǎn)生具有重大理論意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的影響。
　　“廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境系統(tǒng)”通過采用用于虛擬環(huán)境開發(fā)的世界工具包WTK(WorldToolKit)作為開發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用建筑聲學(xué)原理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、信號(hào)處理理論、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和廳堂建筑設(shè)計(jì)的３維可視化描繪生成和３維可聽化描繪生成的集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段就對(duì)廳堂的實(shí)際音質(zhì)效果，作出正確的先期演示驗(yàn)證和進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。它由以下部分組成(如圖1所示)：
　

圖　1　廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境系統(tǒng)框圖
　
　　(1)通過建立廳堂建筑設(shè)計(jì)的３維可視化描繪生成(3D　visualization　rendering)和３維可聽化描繪生成(3D　auralization　rendering)的集成技術(shù)，把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中單純的３維可視化描繪生成技術(shù)，更新成為３維可視化和３維可聽化的并行描繪生成技術(shù)。這一技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合在一起，將大大改善人機(jī)接口的界面。
　　(2)通過世界工具包WTK這一虛擬環(huán)境開發(fā)平臺(tái)支持的幾何對(duì)象多種輸入方式，能實(shí)現(xiàn)廳堂幾何形狀數(shù)據(jù)輸入的快速化和簡(jiǎn)易化。
　　(3)通過世界工具包WTK這一虛擬環(huán)境開發(fā)平臺(tái)支持的3D聲音設(shè)備和軟件：　　3D聲音合成器，3D聲音球(3D　Audiosphere)和脈沖響應(yīng)、卷積積分的計(jì)算軟件，如圖1所示，可大大提高脈沖響應(yīng)的模擬計(jì)算和生成，以及卷積積分計(jì)算的速度。?
　　(4)通過采用世界工具包WTK這一虛擬環(huán)境開發(fā)平臺(tái)，對(duì)與當(dāng)前國(guó)際上廣泛應(yīng)用的、已成為商品化的AutoCAD軟件和電聲模擬軟件(如：EASE 2.1，Acousta CADD，CADPP2等)進(jìn)行集成，通過虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔顯示器生成能夠使人沉浸到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)造的3維立體廳堂環(huán)境之中，在設(shè)計(jì)階段或者在虛擬的廳堂中，實(shí)現(xiàn)廳堂建筑設(shè)計(jì)的３維可視化和３維可聽化的并行描繪生成，使聽眾同時(shí)建立視覺和聽覺感覺，對(duì)廳堂的音質(zhì)效果進(jìn)行主觀的多因素模糊綜合評(píng)價(jià)。
　
5.2　展示設(shè)計(jì)成果
　　用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示設(shè)計(jì)成果是一種理想的方法。這種設(shè)計(jì)成果的展示，既可以面向大眾，作為宣傳的需要，又可以將方案展示給業(yè)主，供其提出修改意見，及時(shí)修改，以增加方案的競(jìng)爭(zhēng)能力。在設(shè)計(jì)階段，利用各種建模工具，數(shù)字化該擬建建筑物以及周圍環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行仿真建模(此時(shí)的模型比例為1：1)，得到虛擬世界中該擬建建筑物的實(shí)體模型；而后按真實(shí)三維位置放置建筑物，同時(shí)考慮周圍地形的輪廓；再次加上建筑細(xì)節(jié)，如門和窗設(shè)計(jì)，以便準(zhǔn)確地表現(xiàn)該環(huán)境的美學(xué)特征。綜合編輯各種對(duì)象(文字、表格、圖形、虛擬世界中用多維信息所描述的對(duì)象以及真實(shí)世界在虛擬空間中的映射)，在其中增加動(dòng)畫和對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為。同時(shí)利用虛擬藝術(shù)制作工具和虛擬世界編輯器，形成一個(gè)存在于虛擬世界中擬建建筑物的“客觀實(shí)體”。最后在各種輸入、輸出軟件和設(shè)備的支持下就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該建筑物設(shè)計(jì)成果的預(yù)先展示，據(jù)此對(duì)擬建建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)建、修改和可視化。其設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)框圖如圖二。
　　例如，橋梁的設(shè)計(jì)方案是方案能否為人們所接受，方案是否具有競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。一般地，橋梁方案主要由以下幾個(gè)方面組成：橋梁工程地點(diǎn)的路線、水文、地質(zhì)、氣象、地形等交通資料信息的處理；全橋平面圖、立面圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、鋼筋布置圖、曲線布置及墩部分詳圖；墩、臺(tái)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料；全橋工程概預(yù)算等。
　　如果采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，就可以考慮用另一種方式來表現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。把當(dāng)?shù)氐牡匦巍⒕坝^和交通條件和橋梁方案輸入建筑物漫游的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，人可以漫步橋上，也可以從任意視點(diǎn)、任意角度來觀察橋的形象，甚至可以驅(qū)車通過該橋，得到類似橋建成后的感受。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案也可以采用三維建模的方法直觀、形象地展示出來。而工程概預(yù)算等其它信息則可以用聲音等多媒體的方式表現(xiàn)出來。這種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成交互性很好的系統(tǒng)，用戶可以很方便地選取任何細(xì)部去看，給人留下深刻的印象。
例如，英國(guó)的Skye島大橋的規(guī)劃設(shè)計(jì)，在環(huán)境保護(hù)問題上有爭(zhēng)議，受到公眾關(guān)注。后來應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，逼真地向公眾展示了設(shè)計(jì)建成后的大橋及周圍環(huán)境的形貌，以及作環(huán)島飛行和駕車通過大橋的動(dòng)態(tài)視覺感，受到公眾的歡迎，大橋的設(shè)計(jì)方案也得到了肯定。

圖　2采用VR技術(shù)的建筑物設(shè)計(jì)開發(fā)流程
　
5.3　節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用
　　采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行先期技術(shù)成果的演示和論證有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中多余的措施和方案中各工種不協(xié)調(diào)的部分，及時(shí)修正從而節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)，演示論證也可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中可能導(dǎo)致無法滿足要求的設(shè)計(jì)不當(dāng)之出，從而避免了建筑物建造完成后的返工。
　　現(xiàn)在各個(gè)國(guó)家在傳統(tǒng)上習(xí)慣于通過舉行實(shí)戰(zhàn)演習(xí)來訓(xùn)練軍事人員和士兵，但是這種實(shí)戰(zhàn)演練，特別是大規(guī)模的軍事演習(xí)，將耗費(fèi)大量資金和軍用物資，安全性差，而且還很難在實(shí)戰(zhàn)演習(xí)條件下改變狀態(tài)，來反復(fù)進(jìn)行各種戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)下的戰(zhàn)術(shù)和決策研究。今年來，隨著技術(shù)的發(fā)展特別是VR技術(shù)的應(yīng)用，加上各國(guó)政府軍費(fèi)的裁減，使得軍事演習(xí)在概念上和方法上有了一個(gè)新的飛躍，即通過建立虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境(作戰(zhàn)仿真系統(tǒng))來訓(xùn)練軍事人員，同時(shí)通過虛擬戰(zhàn)場(chǎng)來檢驗(yàn)和評(píng)估武器系統(tǒng)的性能。在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，參與者可以看到在地面行進(jìn)的坦克和裝甲車，在空中飛行的直升機(jī)、殲擊機(jī)和導(dǎo)彈，在水面和水下游弋的艦艇；可以看到坦克行進(jìn)時(shí)后面揚(yáng)起的塵土和被擊中坦克的燃燒濃煙；可以聽到飛機(jī)或坦克的隆隆聲由遠(yuǎn)而近，從聲音辨別目標(biāo)的來向和速度。參與者可以瞄準(zhǔn)、射擊上述目標(biāo)，也可以駕駛坦克、飛機(jī)等武器平臺(tái)仿真器。
　　再如，英國(guó)航空公司總部擬建六棟沿街辦公樓。原設(shè)計(jì)為：步行街頂部和側(cè)面空曠處全部以玻璃覆蓋；在頂部和側(cè)面采用內(nèi)外百葉遮陽(yáng)；同時(shí)采用排氣量為4.4m /秒的21臺(tái)排氣機(jī)構(gòu)，以冷卻步行街。在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，對(duì)日照、熱動(dòng)力和空氣動(dòng)力作模擬以后，發(fā)現(xiàn)完全沒有必要采用百葉遮陽(yáng)，采用特性玻璃就可達(dá)到同樣目的。在模擬中，還發(fā)現(xiàn)不同于常識(shí)的情況，即步行街的溫度大部分時(shí)間低于室外氣溫，故沒有必要安裝風(fēng)機(jī)。這樣，不計(jì)長(zhǎng)年運(yùn)行耗費(fèi)，單投資一項(xiàng)就節(jié)省30萬(wàn)英鎊。
　
5.4　驗(yàn)證施工方案
　　在土木工程的施工過程中，先期技術(shù)成果演示和論證技術(shù)也有其廣闊的應(yīng)用前景。建筑業(yè)的發(fā)展使得建筑逐漸向大型、超高層和地下發(fā)展。目前我國(guó)高層建筑正在向?qū)訑?shù)增多，高度增高，平面布置更加復(fù)雜，筒體或筒束結(jié)構(gòu)而且豎向建筑立面多樣化發(fā)展。隨之而來便是超高層建筑的基礎(chǔ)工程、模板工程、施工測(cè)量和垂直度控制、高層鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝、外腳手架工程、吊裝機(jī)械與垂直運(yùn)輸?shù)鹊刃录夹g(shù)與工藝。這些都是以前的建設(shè)者所沒有遇到過的，施工中就必然有一些問題不知如何去解決。不可否認(rèn)，高新技術(shù)所帶來的豐厚回報(bào)以及其遠(yuǎn)大的意義具有很大的誘惑力，但是往往回報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)的并存，令許多實(shí)力并不非常雄厚的企業(yè)滯足不前。
　　例如：通過近幾年的工程實(shí)踐，我國(guó)高層建筑的施工水平有了很大提高。施工新技術(shù)、新經(jīng)驗(yàn)不斷涌現(xiàn)。如鋼筋對(duì)頭焊接新工藝——?dú)鈮汉附樱籛DJ碗扣型多功能腳手架；玻璃幕墻的設(shè)計(jì)與施工；復(fù)雜建筑施工放線等等。所有這些新工藝的第一次引入，都帶有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，但是利用虛擬現(xiàn)實(shí)的先期演示和論證技術(shù)，則可以在計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)中以“真實(shí)”的角度去觀察任何新技術(shù)的預(yù)演，避免了風(fēng)險(xiǎn)，提高了成功率，同時(shí)也節(jié)省了不必要的浪費(fèi)。再如超大型建筑物的混凝土澆筑往往需要一次成型，這就需要解決混凝土的運(yùn)輸問題。混凝土的澆灌和輸送方法，對(duì)高層建筑主體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量有重要影響。眾所周知，建筑物的高度越高，混凝土輸送的距離隨高度增加，如何合理地選用混凝土的輸送設(shè)備，對(duì)提高施工效率，保證混凝土工程的質(zhì)量及加快整個(gè)工程的進(jìn)度有著重要作用。因而在選擇輸送方法時(shí)，應(yīng)對(duì)許多因素綜合地加以考慮。然而運(yùn)輸計(jì)劃是否可行，不可能去實(shí)際演習(xí)，只能在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真模擬。作為一個(gè)決策者和管理者為了處理其中可能出現(xiàn)的問題，也需沉浸到虛擬的環(huán)境中去解決。還有，大型混凝土澆注后的散熱等問題都需要一個(gè)虛擬的環(huán)境去進(jìn)行先期的技術(shù)演示論證，而這些就需要運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。
　　新型的施工方案，設(shè)計(jì)者往往為自己的大膽設(shè)想而激動(dòng)，但是我們不可能實(shí)際去嘗試、驗(yàn)證其是否正確，如何驗(yàn)證其可行性？先期技術(shù)演示論證為大膽的設(shè)想提供了一個(gè)演示的舞臺(tái)。
　　近年來，超高層建筑，地下多層建筑相繼出現(xiàn)，施工人員缺少相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)。舊的施工方案是否可行，腳手架系統(tǒng)及吊車在高空中是否穩(wěn)定等等施工問題都需要先期技術(shù)的演示與論證。
　　總之，先期技術(shù)成果的演示論證技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用需求越來越迫切，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是其實(shí)現(xiàn)的重要支撐技術(shù)和手段。發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在這方面的應(yīng)用，必將給整個(gè)建筑業(yè)帶來一場(chǎng)革命。
　
5.5　促進(jìn)房地產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
　　我們清華大學(xué)土木系的“VRGROUP”小組于1998年開發(fā)了位于成府路中段清華大學(xué)南側(cè)，即將開工的“清華北大藍(lán)旗營(yíng)教師住宅小區(qū)”的虛擬環(huán)境瀏覽系統(tǒng)。這一開發(fā)成果在剛剛閉幕的Multimedia　'98國(guó)際多媒體展中亮相，受到觀眾的好評(píng)。這個(gè)虛擬環(huán)境瀏覽系統(tǒng)是在Superscape公司的VRT虛擬環(huán)境軟件包中開發(fā)的，在這個(gè)VR的世界中，你可以領(lǐng)略到藍(lán)旗營(yíng)小區(qū)建成后的全貌。在這個(gè)占地2萬(wàn)多平方米，由十二幢高層住宅樓及商場(chǎng)、相應(yīng)配套設(shè)施構(gòu)成的小區(qū)中，人們可以隨意瀏覽小區(qū)美麗的景色，即能沿著固定路線，由導(dǎo)游帶您參觀小區(qū)，也能任意在街道上漫步，感受由綠樹、石雕構(gòu)成的優(yōu)美環(huán)境，又能信步走入自選商店體會(huì)現(xiàn)代購(gòu)物的便捷。更重要的是，你可以走入住宅樓的房間中去參觀一下自己即將擁有的住宅，觀察一下房屋的構(gòu)局，設(shè)想一下家具的布置。對(duì)于房地產(chǎn)開發(fā)商來說，這套虛擬環(huán)境瀏覽系統(tǒng)給了他們一個(gè)機(jī)會(huì)，使他們?cè)谛^(qū)未建成前，甚至是未開工前，就可以向消費(fèi)者展示建成后的實(shí)際場(chǎng)景，比起空白的說教和復(fù)雜的圖紙，這套系統(tǒng)起到了很好的廣告、宣傳效應(yīng)。
　　實(shí)際上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在房地產(chǎn)開發(fā)中具有很廣闊的應(yīng)用前景。房地產(chǎn)開發(fā)商的產(chǎn)品，如寫字樓、住宅小區(qū)、商業(yè)樓、旅館等都必須經(jīng)過銷售，進(jìn)入市場(chǎng)，才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。所以銷售是房地產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的重要一關(guān)，尤其在目前情況下，房地產(chǎn)市場(chǎng)總體不夠活躍，銷售業(yè)績(jī)對(duì)于開發(fā)商的盈利狀況具有決定性意義。成功的房地產(chǎn)開發(fā)商，不僅要有合格優(yōu)秀的房地產(chǎn)商品，還應(yīng)具備出奇制勝的銷售謀略，在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是可以助那些目光敏銳，勇于進(jìn)取的開發(fā)商和銷售代理們一臂之力的。
　　房地產(chǎn)的銷售分為現(xiàn)房出售和預(yù)售(樓花)，由于預(yù)售的房屋實(shí)際上是并不存在，購(gòu)買者很難在一片荒涼的空地上激起美麗的幻想，而圖紙上的平面圖形也不具有空間感，有條件的房地產(chǎn)商建造樣品屋，表現(xiàn)未來產(chǎn)品的布局和機(jī)能，并加強(qiáng)裝潢，讓消費(fèi)者產(chǎn)生身臨其境的感覺。但是樣品屋具有一次性的局限而且成本較高，并難以表現(xiàn)出實(shí)際房產(chǎn)的外部環(huán)境，對(duì)于復(fù)雜或龐大的房地產(chǎn)品更是幾乎無能為力。如果換之以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的虛擬房地產(chǎn)，不僅可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過樣品屋所具有的適用范圍和效果，而且更為經(jīng)濟(jì)合算。于是心存疑惑的買家就可以戴上頭盔、數(shù)據(jù)手套，超越時(shí)空，在自己未來的房屋中盡情徜徉，直到作出明智決斷。
　　無論是對(duì)企事業(yè)單位還是個(gè)人，房地產(chǎn)的購(gòu)置都是一件大事，在與房地產(chǎn)開發(fā)商和銷售代理的交易過程中，一些買家一反一復(fù)，猶豫不決是必然的，作為房地產(chǎn)靠開發(fā)商一方，通常需要“不厭其煩，鍥而不舍”地進(jìn)行促銷講解。然而有了虛擬房地產(chǎn)的幫助，開發(fā)商不僅省了很多力氣，購(gòu)買者也更為放心。
　　雖然說在銷售中虛擬房地產(chǎn)的作用畢竟不能和實(shí)際房地產(chǎn)相比，實(shí)地察看才是房地產(chǎn)交易的決定步驟，但是實(shí)際房地產(chǎn)位置固定，開發(fā)商不可能像蝸牛一樣背著房子四處上門推銷。而只要有一臺(tái)筆記本計(jì)算機(jī)，幾件不大的虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)，銷售人員就可以隨時(shí)隨地讓顧客進(jìn)入自己的產(chǎn)品中遨游。因此，可以大膽地說，虛擬房地產(chǎn)必將帶來房地產(chǎn)促銷手段的重大變革。　
　　隨著整個(gè)社會(huì)大環(huán)境信息化的發(fā)展，信息市場(chǎng)在房地產(chǎn)市場(chǎng)體系中的地位越來越重要。可以說，沒有一個(gè)繁榮的房地產(chǎn)信息市場(chǎng)，就不可能建立完善的房地產(chǎn)市場(chǎng)體系，也決不會(huì)有發(fā)達(dá)的房地產(chǎn)商品經(jīng)濟(jì)。這種觀點(diǎn)已為房地產(chǎn)業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)同，其直接的結(jié)果就是中國(guó)房地產(chǎn)聯(lián)合網(wǎng)的建立和發(fā)展。在房地產(chǎn)信息市場(chǎng)中，廣告的地位極其重要。業(yè)內(nèi)人士多有這樣的共識(shí)：“房地產(chǎn)的價(jià)值和質(zhì)量＋廣告藝術(shù)=高額利潤(rùn)”。這是一句至理。在房地產(chǎn)市場(chǎng)不乏這樣的事例，相同、甚至稍差一些的房地產(chǎn)商品，由于廣告宣傳上占有較大的優(yōu)勢(shì)，結(jié)果市場(chǎng)價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的房地產(chǎn)商品。可以說，虛擬房地產(chǎn)具有很強(qiáng)的廣告效應(yīng)，認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)的房地產(chǎn)開發(fā)商，加以聰明地利用，必將受到比其他人更大的收益。
6　建筑機(jī)器人中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
　　機(jī)器人是一種可再編程的多功能操作機(jī)器，以各種編程的動(dòng)作完成多種作業(yè)，用于搬運(yùn)材料、工件、工具和專用裝置等。總的看來，機(jī)器人在一定程度上是具有類似“人”的功能的一種機(jī)器。機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代：
　　第一代機(jī)器人是指“示教”—“再現(xiàn)”型機(jī)器人。　“示教”內(nèi)容是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的空間軌跡，作業(yè)條件、作業(yè)順序等，示教方法是由操作員“手把手”地直接帶機(jī)器人手操作一個(gè)全過程，由機(jī)器人的記憶環(huán)節(jié)記憶住，全過程的順序，各種位置和時(shí)間。“再現(xiàn)”是機(jī)器人可自己讀出記憶的操作程序，自己重復(fù)再現(xiàn)所被教的操作運(yùn)動(dòng)。如噴漆機(jī)器人可先由極有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人的手把手地教它一次，以后噴漆機(jī)器人就可重復(fù)不斷地自動(dòng)再現(xiàn)這種經(jīng)驗(yàn)的操作運(yùn)動(dòng)，這樣當(dāng)然可以保證噴漆工藝的質(zhì)量。如果噴漆工藝需要改變，只要重新示教一次，機(jī)器人就可以自動(dòng)再現(xiàn)新工藝的新操作運(yùn)動(dòng)，這也是非常方便的。當(dāng)然也可事先按工藝要求用計(jì)算機(jī)編程，并輸入到機(jī)器人記憶環(huán)節(jié)中去，這樣機(jī)器人也可按規(guī)定的工藝要求動(dòng)作。
　　目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)商品化、實(shí)用化的機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。
　　第二代機(jī)器人是具有一定感覺和自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人。這類機(jī)器人裝有視覺、觸覺、力覺等傳感器，可以感知外界的部分信息，并作出相應(yīng)的反應(yīng)。因此，這類機(jī)器人能獲取作用環(huán)境及操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過計(jì)算處理，機(jī)器人可做出一定的推理，對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)智能。這種機(jī)器人只有少量可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，大部分還屬實(shí)驗(yàn)室研究類型機(jī)器人。
　　第三代機(jī)器人是指智能機(jī)器人。這類機(jī)器人是具有高度適應(yīng)性的機(jī)器人，它具有多種感知功能，可進(jìn)行較復(fù)雜的邏輯思維與判斷決策，可自己擬制整個(gè)作業(yè)規(guī)劃。
　　智能機(jī)器人本身能認(rèn)識(shí)環(huán)境，工作對(duì)象及其狀態(tài)，它根據(jù)人給予的指令和自身認(rèn)識(shí)外界的情況，來獨(dú)立地決定工作方法，利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并能適應(yīng)環(huán)境的變化。智能機(jī)器人應(yīng)有四種功能，即運(yùn)動(dòng)功能(相當(dāng)于人的手和腳的動(dòng)作功能)，思維功能(求解問題的認(rèn)識(shí)、推理、判斷功能)，人—機(jī)通訊功能(理解指示命令，輸出內(nèi)容狀態(tài)的功能)。智能機(jī)器人就是第三代機(jī)器人，目前它只是處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
　　建筑施工由于露天作業(yè)，受氣候影響大，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性大，容易發(fā)生意外，而且重復(fù)性作業(yè)較多，所以機(jī)器人在建筑業(yè)中的使用有很多優(yōu)點(diǎn)：
　　(1)人類可以把建筑活動(dòng)擴(kuò)展到人所不適的新場(chǎng)所和新領(lǐng)域；
　　(2)它把人類從單調(diào)重復(fù)的傳統(tǒng)建筑作業(yè)中替換出來；
　　(3)應(yīng)用機(jī)器人可以使傳統(tǒng)的古老工序現(xiàn)代化，并提高效率；
　　(4)建筑業(yè)中的人工費(fèi)用較高且缺乏熟練勞動(dòng)力，在一些領(lǐng)域可用機(jī)器人替代建筑工人，在新的建筑工序中，也可以設(shè)計(jì)出一些更有效的機(jī)器人。
　　在建筑行業(yè)，從商業(yè)角度看，機(jī)器人還沒有普遍投入市場(chǎng)，但是人們已經(jīng)在一些領(lǐng)域進(jìn)行了非常有意義的嘗試，這些嘗試幾乎涉及到所有的建筑活動(dòng)，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，這些嘗試是切實(shí)可行的。目前世界上已有幾十種建筑機(jī)器人，主要有以下幾種類型建筑機(jī)器人：
　　1．表面修整機(jī)器人
　　1)混凝土噴射機(jī)器人；
　　2)混凝土鋪面修整機(jī)器人；
　　3)鋼梁防火層噴涂機(jī)器人。
　　2．隧道工程機(jī)器人
　　3．挖掘用機(jī)器人
　　1)REX機(jī)器人挖掘機(jī)；
　　2)超深隔墻挖掘機(jī)；
　　4．組裝機(jī)器人　如鋼筋放置機(jī)器人。
　　5．檢查用機(jī)器人
　　1)取芯鉆探作業(yè)的遙控機(jī)器人；
　　2)瓷磚檢查機(jī)器人。
　　6．放射性混凝土切割(遙控)機(jī)器人
　　從這些機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀看，目前應(yīng)用分為兩個(gè)方面：一種是工作直接用機(jī)器人完成，只需在機(jī)器人中輸入固定的程序。另一種則是機(jī)器人只是作為一種遠(yuǎn)程操作器，由機(jī)器人感知環(huán)境，再將感知信息(視觸聽等感覺信息)實(shí)時(shí)傳遞給不在現(xiàn)場(chǎng)的操作員。使其能身臨其境地遙控該環(huán)境中的被控對(duì)象，這就是遙控機(jī)器人。目前的研究表明，要研制出復(fù)雜未知或變化環(huán)境下全自主式機(jī)器人尚不可能，因而工作在交互方式下的遙控機(jī)器人是種現(xiàn)實(shí)可行的選擇。
　　由于建筑行業(yè)任務(wù)的復(fù)雜性和工作環(huán)境的不確定性，目前不可能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的完全自主控制，因而臨場(chǎng)感技術(shù)是切實(shí)可行的。應(yīng)用臨場(chǎng)感技術(shù)，使得操作者在控制器的所在地，通過來自工地上的傳感器信號(hào)，可以得到一種在現(xiàn)場(chǎng)直接操作的感覺，以獲知工作地機(jī)器人與環(huán)境的相互作用，并通過決策及控制而不斷調(diào)整自身施加的作用，這實(shí)際上是將操作者的控制與機(jī)器人的自主功能相結(jié)合，達(dá)到將人的高智能納入機(jī)器人控制系統(tǒng)中去的目的，從而可以智能地遙控機(jī)器人完成任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)遙控機(jī)器人，必須研究以下技術(shù)：
　　(1)由遠(yuǎn)處環(huán)境信息產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)感技術(shù)；
　　(2)人體運(yùn)行測(cè)量技術(shù)，包括測(cè)量頭、臂、平指、眼球是關(guān)鍵部位運(yùn)行，要求實(shí)時(shí)且受限制；
　　(3)類人感覺器官功能，包括尺寸的視覺、聽覺、觸覺等傳感器技術(shù)；
　　(4)類人形操作控制技術(shù)；
　　(5)人機(jī)界面技術(shù)。
　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以解決以上問題。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，操作者可以實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)的活動(dòng)，根據(jù)實(shí)際情況作出判斷，指導(dǎo)機(jī)器人的活動(dòng)。例如，日本開發(fā)出一種自主行使式遙控機(jī)器人系統(tǒng)，它由下列部分組成：裝在臺(tái)車上的立體攝像機(jī)，裝備有雙臂及手的人型機(jī)器人，以及遙控該機(jī)器人的主控制臺(tái)。機(jī)器人的頭部有3個(gè)自由度，左右臂各有6個(gè)自由度，手部有一個(gè)自由度。操作員頭戴頭盔顯示器，它可融合傳感器發(fā)出的信息，裝有立體攝像機(jī)及麥克風(fēng)的機(jī)器人頭部隨動(dòng)于操作員的頭部動(dòng)作，可為操作員實(shí)時(shí)顯示想要觀察方向的立體圖像。
　　控制臺(tái)上主控手的傳感器測(cè)量操作員手的位置和6個(gè)自由度的姿態(tài)及動(dòng)作，來遙控機(jī)器人的右臂。機(jī)器人的手隨動(dòng)于主控手手指的開合，通過安裝于機(jī)器人手上的壓力傳感器的反饋信號(hào)，使操作員有一種抓東西的感覺。利用主控手的控制系統(tǒng)，是一種比以往系統(tǒng)更加靈活的具有良好操作性能的主從式系統(tǒng)。
　　只要將地圖信息輸入給行駛臺(tái)車，利用主動(dòng)輪的編碼器計(jì)算并確定機(jī)器人的位置，行駛中通過傳感器監(jiān)測(cè)到的隨機(jī)障礙物的數(shù)據(jù)，就可控制機(jī)器人的避障行駛。
　　由此可見，機(jī)器人尤其是遙控機(jī)器人在建筑業(yè)是有著廣泛的應(yīng)用前景的。可以設(shè)想，在未來的建筑工地上，完全是一群機(jī)器人在工作，而真正的工人則在控制室內(nèi)遙控機(jī)器人。
7　建筑、結(jié)構(gòu)藝術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
　　相傳，古代西方，有一位年輕漂亮的歌手，有一天，他用音樂女神繆斯交給他的一把神奇的七弦琴，彈奏著美妙動(dòng)聽的樂曲。一曲終了，山岳動(dòng)容，萬(wàn)物起舞，連周圍的房屋建筑，磚瓦木石，也翩翩響應(yīng)，轉(zhuǎn)而化為固體的“音符”，組成了“凝固的音樂”。音樂是美的，音樂的美附著在建筑的物質(zhì)媒體上，才使建筑產(chǎn)生了美的旋律。這雖是一個(gè)神話般的傳說，但在科技高度發(fā)展的今天，這一神話般的傳說將得以實(shí)現(xiàn)。
　　顯然，張躍博士對(duì)北京明清皇宮宏偉的建筑深感敬佩，他騎著自行車沿著故宮走廊行駛，一面聆聽著優(yōu)美的古典音樂，一面穿過錯(cuò)落有致、有首有尾、有疊起高潮的層層殿宇，它們像一篇凝固的交響樂，構(gòu)成連續(xù)的空間序列，建筑之美隨時(shí)間的流動(dòng)而逐步展現(xiàn)在他的面前。殿堂組成大小院落，有的狹長(zhǎng)，有的深遠(yuǎn)，有的寬闊，有的小巧，收放張弛有致。他時(shí)而在附會(huì)“三朝”之說的太和、中和、保和三大殿之間穿行，時(shí)而又進(jìn)入大殿的內(nèi)部游覽，剎那間，便又盤旋升上天空鳥瞰整個(gè)氣勢(shì)磅礴的皇宮。他低低地掠過殿宇的屋頂，繞著龐大的宮殿翱翔。然后，慢慢越過殿宇周圍低矮卻連綿不斷的配房下降。
　　然而，張躍博士并未在故宮。他在北京展覽館國(guó)家863計(jì)劃十年成果展的展廳內(nèi)。這次虛擬旅行游覽是在靠微型計(jì)算機(jī)上開發(fā)的一個(gè)虛擬環(huán)境游覽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。藉助這一系統(tǒng)，任何人只要頭戴一付虛擬現(xiàn)實(shí)受送設(shè)備，經(jīng)歷其內(nèi)裝的一對(duì)微型電視屏幕所投射的立體圖象，騎在模擬自行車上，就能享受北京明清故宮的游覽。這次虛擬旅行是1996年10月在北京展覽館國(guó)家863計(jì)劃十年成果展的展廳里進(jìn)行的。
　
7.1　人的建筑感知與虛擬環(huán)境
　　建筑審美是一個(gè)生理——心理——意識(shí)的綜合過程，表現(xiàn)為感知、情感、聯(lián)想、理智四者有機(jī)的結(jié)構(gòu)結(jié)合。首先，是在觀賞建筑的作用下，知覺活動(dòng)綜合各種感覺，形成對(duì)建筑的初步感知。這也就必然帶上了觀賞者對(duì)建筑的某種心理傾向性，表現(xiàn)出或喜或愛或厭或惡的情感色調(diào)。一旦情景交融，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的意向性，不僅把眼前的建筑與曾經(jīng)觀賞過的類似的或者不同的建筑聯(lián)想起來，而且把頃刻的感受與以往的遭遇乃至未來的憧憬聯(lián)想起來。這種聯(lián)想往往與理智思考密切結(jié)合，從根本上認(rèn)識(shí)和把握建筑的結(jié)構(gòu)特征和審美特征。建筑審美由直接的生理快感；經(jīng)過心理快感這一中介，發(fā)展和上升到理智的精神快感。與其他形式的審美活動(dòng)不同，建筑審美具有更加鮮明突出的直接性、時(shí)間性和能動(dòng)性。
　　建筑以“形”、“光”、“色”具體反映建筑的質(zhì)感、色感和交間感，表現(xiàn)建筑的形象。一個(gè)美好的建筑形象，通過視覺的感受，都涉及到建筑的尺度、距離、立體輪廓、明暗、色彩、光澤、質(zhì)地、內(nèi)部與外部環(huán)境、人的生理?xiàng)l件、心理狀態(tài)、生活狀況、社會(huì)時(shí)尚、文化素養(yǎng)等。所有這些都是通過視覺捕捉外界的信息傳給大腦來完成的。
　　通過視覺，感受建筑形象，識(shí)別建筑的尺度、距離、立體輪廓、陰暗、色彩、光澤、質(zhì)地等，研究建筑內(nèi)部與外部的環(huán)境與形象，說明研究建筑形象的各個(gè)方面都與視覺具有密切的關(guān)系。研究建筑視覺，必須要涉及心理學(xué)、生理學(xué)、生活習(xí)慣、感知和其他有關(guān)概念等一系列的問題。建筑空間，現(xiàn)在已發(fā)展成為“空間+時(shí)間+感受或意念”，被視為“五度空間”，其中人們對(duì)于空間高低大小的感受，雖與實(shí)際有關(guān)，更重要的是要考慮人們的不同心理狀態(tài)。心理狀態(tài)的不同對(duì)客觀事物的感受有很大差異。
　　人類對(duì)于建筑的感知機(jī)理和特性的研究是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)心理學(xué)的一個(gè)分支。事實(shí)上，建筑感知的研究對(duì)于虛擬環(huán)境的研究也格外重要，因?yàn)槿绻麑?duì)人類建筑環(huán)境感知的機(jī)理以及在心理學(xué)和生理學(xué)方面特點(diǎn)沒有一個(gè)全面的了解，那么設(shè)計(jì)出的建筑虛擬環(huán)境結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)很可能并不真正適合人類感知的要求。我們知道在一般應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)中，人們非常強(qiáng)調(diào)友好性。因?yàn)椴挥押玫慕缑婵赡軐?dǎo)致用戶厭倦，甚至拒絕使用所提供的系統(tǒng)，盡管該系統(tǒng)功能可能非常之強(qiáng)。建筑虛擬環(huán)境系統(tǒng)所面臨的遠(yuǎn)比一般的應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要嚴(yán)峻得多，因?yàn)椴缓侠淼脑O(shè)計(jì)不僅會(huì)使用戶感到不友好，問題更大的是可能會(huì)導(dǎo)致用戶的不舒適感，甚至使用戶的健康受到損害。
　　經(jīng)過幾億年的進(jìn)化，人類對(duì)于所熟悉的自然環(huán)境具有極為敏銳的感覺，對(duì)于環(huán)境的變化具有極為復(fù)雜的反饋機(jī)制。人類的視覺、聽覺、觸摸、前庭感覺(運(yùn)動(dòng)和重力覺)、整體位置及軀體感覺(皮膚壓力)等等部分作為整個(gè)集成系統(tǒng)的一部分而工作，它們?cè)诜答仚C(jī)制的作用下互相制約，互相協(xié)調(diào)，從而使人可以在日常生活中能夠感知事物和適應(yīng)環(huán)境的變化。
　　人類對(duì)建筑形象的感知包括視覺、觸覺、聽覺、前庭感覺(運(yùn)動(dòng)和重力覺)、整體位置及軀體感覺(皮膚壓力)，其中由于視覺引起的感受和人們的心理變化，將起到主要作用。但人眼在正常情況下都有一定的局限性。要想超出常態(tài)范圍，必需借于紅外線、射電、電子等高新技術(shù)方能達(dá)到。但人眼在適應(yīng)亮光、暗光、辨色、估計(jì)遠(yuǎn)近、分辨物體大小和運(yùn)動(dòng)方向、體形狀與質(zhì)地等，是任何動(dòng)物的眼所不能及的。
　　視覺通道是虛擬環(huán)境系統(tǒng)中最重要的接口，在日常生活中，80％以上的客觀現(xiàn)象都是通過視覺而感知，給人們以具體的解答。物象的反映，以視覺的理解、領(lǐng)悟最深。它不僅看到物象的形、光、色，還體現(xiàn)著物象的精神與氣質(zhì)。不幸的是我們現(xiàn)在對(duì)人類視覺系統(tǒng)的信息處理機(jī)理所知甚少、人的視覺系統(tǒng)的工作效率是如此之高，以至于到目前為止還沒有任何一個(gè)巨型機(jī)系統(tǒng)或超級(jí)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)工作站機(jī)群的認(rèn)知速度與能力能與人的視覺系統(tǒng)相匹敵。
　　人的視覺系統(tǒng)是非常敏感和嚴(yán)格的，任何不滿足物理學(xué)或光學(xué)定律的運(yùn)動(dòng)視景，任何同步不好的視頻序列都會(huì)被輕而易舉地發(fā)現(xiàn)，也都會(huì)對(duì)視覺系統(tǒng)帶來額外的刺激。在虛擬環(huán)境中、為了滿足人的視覺要求、應(yīng)該提供硬件技術(shù)所能支持的盡可能高的顯示分辨率。但我們知道顯示分辨率與成本成正比，為了使所實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)成本可以被接受，我們又個(gè)得不盡量降低分辨率。那么問題的關(guān)鍵是，什么樣的分辨率是可以令視覺系統(tǒng)接受的下限呢?
　　聽覺通道是虛擬環(huán)境系統(tǒng)中最重要的接口之一。一般人類從外界所獲得的信息有近15％是通過耳朵得到的，是除了視覺以外的最重要途徑。
　　到目前為止，為實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境目標(biāo)，在理論心理學(xué)與實(shí)驗(yàn)心理學(xué)方面有待進(jìn)一步研究的問題包括：
　　1．對(duì)感知基本性質(zhì)的系統(tǒng)測(cè)量；
　　2．更好的感知理論，以指導(dǎo)假設(shè)形成；
　　3．嚴(yán)格的假設(shè)測(cè)試，以提出有效的理論；
　　4．基于經(jīng)驗(yàn)與理論準(zhǔn)則來構(gòu)造和測(cè)試人機(jī)交互裝置；
　　5．評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與校準(zhǔn)過程。
　
7.2　計(jì)算機(jī)建筑、結(jié)構(gòu)藝術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
　　建筑是人類歷史文化的載體，任何時(shí)代，建筑都以其感人的形象展現(xiàn)出它的風(fēng)貌，反映著它所包容的各種信息和內(nèi)涵。建筑的發(fā)展是人類進(jìn)步與文明的標(biāo)志、建筑藝術(shù)又是這文明史詩(shī)中最輝煌的篇章。從古至今，建筑與藝術(shù)就結(jié)下了不解之緣。　　
　　建筑，這一石頭鑄成的史書，記載了多少大師的睿智和天才!　藝術(shù)，這一金光四射的明燈，又為建筑披上了多么絢麗耀眼的光芒!
　　時(shí)代發(fā)展到了即將進(jìn)入21世紀(jì)的前夕，人們對(duì)建筑藝術(shù)的追求又是多么光怪陸離，多么不可思議!
　　從結(jié)構(gòu)方面考慮，同樣可以產(chǎn)生藝術(shù)的概念。因?yàn)殇摻罨炷恋某霈F(xiàn)，使得古老的建筑業(yè)有了新的突破，鋼筋混凝土這一材料具有兩個(gè)不同于人類曾經(jīng)使用過的所有其他建筑材料：
混凝土是在一種半流質(zhì)狀態(tài)中制作的，因此它可以澆注成任意的形狀；
　　由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分是以一個(gè)力學(xué)上的整體狀態(tài)結(jié)合在一起，所有混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在力學(xué)或者構(gòu)造上都提供某些啟示，可以轉(zhuǎn)化為一種有表現(xiàn)力的藝術(shù)形式典型。
所以，結(jié)構(gòu)師可以大膽使用以前從未使用過的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、拱型結(jié)構(gòu)等造型美觀的建筑。
　　在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人們不僅把計(jì)算機(jī)看作一種工具加以應(yīng)用，也看作一門藝術(shù)來研究。計(jì)算機(jī)藝術(shù)是科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的一門新興的交叉學(xué)科，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)嶄新的、富有時(shí)代氣息而又非常有前景的組成部分。計(jì)算機(jī)藝術(shù)創(chuàng)作不同于傳統(tǒng)的藝術(shù)創(chuàng)作，它不僅需要藝術(shù)家、工程技術(shù)人員的創(chuàng)意，還需要充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)這一高科技產(chǎn)品高速處理數(shù)據(jù)和圖像的功能并顯示和制作出來。
　　在現(xiàn)實(shí)世界中，人們花了很大精力去創(chuàng)造特定的場(chǎng)所作為社會(huì)交往的背景——試想想陳列櫥窗、藝術(shù)博物館、建筑物及內(nèi)部設(shè)計(jì)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，使得建筑師和結(jié)構(gòu)師的藝術(shù)創(chuàng)作有了一個(gè)飛躍。它將有助于使許多這類技能延續(xù)到電子空間中去。隨著虛擬空間開始呈現(xiàn)一種更豐富多彩、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就將成為計(jì)算的特征中一項(xiàng)重大轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。適用于藝術(shù)的一個(gè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)就是其創(chuàng)新程度，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種允許廣泛創(chuàng)新的媒體，由于它作為通信媒體有著全面的靈活性，因而是非常適合于建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、藝術(shù)家的一種工具。
設(shè)計(jì)師可以在虛擬的世界里去創(chuàng)作、去觀察、去修改，不受條件的制約，他可以從各個(gè)角度去設(shè)計(jì)一個(gè)建筑，設(shè)計(jì)成各種形狀，采用各種建筑形式，從中比較優(yōu)劣，而不再象以前一樣只在頭腦中想象，同時(shí)，計(jì)算機(jī)多樣的表現(xiàn)形式、豐富的色彩也極大的激發(fā)了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作靈感，使其有可能設(shè)計(jì)出更好的建筑。
　　像前面敘述的故宮虛擬旅行一樣，人們也可以在計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的虛擬世界中去欣賞建筑藝術(shù)。因?yàn)榉N種原因，我們不能看到真正的建筑，但是可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將世界上知名的建筑“搬”回家中，全方位、各角度的去欣賞，我們可以“足不出戶”地欣賞埃菲爾鐵塔、悉尼歌劇院，萬(wàn)里長(zhǎng)城等世界知名建筑，從中得到美的享受。例如，Microsoft公司投資開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在藝術(shù)品展覽領(lǐng)域的運(yùn)用。通過顯示頭盔，人可以“看”到三維立體的藝術(shù)展品，并且通過觸覺手套“撫摸”展品，從而達(dá)到欣賞藝術(shù)品的目的。
　　設(shè)計(jì)師在虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展過程中可能起著比技術(shù)專家更重要的作用。因?yàn)樗囆g(shù)家與建筑師始終必須考慮對(duì)他們的藝術(shù)和建筑藝術(shù)作品的理性響應(yīng)和感性響應(yīng)的相互作用，而技術(shù)專家則可能只滿足于把計(jì)算機(jī)作為一種僅僅用于處理人類智能的媒介。當(dāng)藝術(shù)家與建筑師們探索虛擬現(xiàn)實(shí)的表達(dá)潛能時(shí)，他們將越來越善于表現(xiàn)其經(jīng)歷的復(fù)雜性與微妙性，從“綜合感覺”到感情豐富的聯(lián)想，而虛擬現(xiàn)實(shí)的工具與技術(shù)也將得到相應(yīng)的發(fā)展。
　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，它還有很多的不完善的地方，其中計(jì)算機(jī)建筑與結(jié)構(gòu)藝術(shù)就是有待于進(jìn)一步研究的領(lǐng)域之一。需要我們?yōu)橹鞒銎D苦的奮斗；但是，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景，它將帶給我們一個(gè)嶄新的天地。
參考文獻(xiàn)
　
[1] 汪成為、高文、王行仁, 靈境(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用, 清華大學(xué)出版社, 1996年
[2] 張躍, 土木工程中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù), 科技日?qǐng)?bào), 1997年6月23日
[3] 張躍、張叢哲, 土木工程中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與展望, 計(jì)算機(jī)世界, 第5期, D版, D1-D3, 1998年2月16日
[4] 張叢哲、張躍, 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù), 計(jì)算機(jī)世界, 第5期, D版, D5, 1998年2月16日
[5] 張躍、張叢哲, 建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過程的可視化計(jì)算, 計(jì)算機(jī)世界, 第5期, D版, D7, 1998年2月16日
[6] 張躍、張叢哲, 建筑設(shè)計(jì)與施工過程的先期技術(shù)演示與驗(yàn)證技術(shù), 計(jì)算機(jī)世界, 第5 期, D版, D9-D11, 1998年2月16日
[7] 張叢哲、張躍, 建筑遙控機(jī)器人中的VR技術(shù), 計(jì)算機(jī)世界, 第5期, D版, D13, 1998年2 月16日
[8] 張躍、張叢哲, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)藝術(shù), 計(jì)算機(jī)世界, 第5期, D版, D15, 1998年2月16日
[9] 林賢光, 關(guān)于國(guó)外建筑CAD發(fā)展?fàn)顩r的思考，工程設(shè)計(jì)CAD及自動(dòng)化，1996年第4 期
[10] 陳清來，建筑結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想和發(fā)展，工程設(shè)計(jì)CAD及自動(dòng)化，1996年第4期
[11] 方天培，建筑設(shè)計(jì)CAD現(xiàn)狀及有關(guān)問題思考，計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用，1995年第2期
[12] 袁耀明，從可視化到視算一體化，系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1996年第5期
[13] 吳煒煜，工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域計(jì)算機(jī)應(yīng)用發(fā)展方向與技術(shù)對(duì)策, 工程設(shè)計(jì)CAD及自動(dòng)化, 1995年第6期
[14] 雷言清, 三維CAD與城市規(guī)劃設(shè)計(jì), 工程設(shè)計(jì)CAD及自動(dòng)化, 1996年第7期
[15] 吳全軍, 建筑設(shè)計(jì)CAD的系統(tǒng)構(gòu)成與發(fā)展, 工程設(shè)計(jì)CAD及自動(dòng)化, 1995年第8期
[16] 周曉琪, Virtual Reality 的內(nèi)涵及所涉及的關(guān)鍵技術(shù), 電子科技導(dǎo)報(bào), 1996年第11期
[17] 吳新垣, 靈境技術(shù)及其在系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用, 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 第8卷第4期
[18] 陳碩, 多媒體技術(shù)在橋梁方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討, 計(jì)算機(jī)輔助工程, 1996年第9期
[19] 張?jiān)倥d等, 遙現(xiàn)——種重要的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù), 機(jī)器人, 1995年第11期
[20] 張慶、金甌, 力覺臨場(chǎng)感系統(tǒng)的工作模式與操作者的環(huán)節(jié)研究, 機(jī)器人, 1996年第7期
[21] 吳煒煜, 建筑領(lǐng)域多媒體應(yīng)用與發(fā)展研究, 工程CAD及自動(dòng)化, 1995年第2期
[22] 汪成為, 靈境(虛擬現(xiàn)實(shí))是建立和諧仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù), 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 第7卷第4期
[23] 王維平等, 靈境技術(shù)及其在仿真中的應(yīng)用展望, 電子學(xué)報(bào), 1995年第4期
[24] 葉文等, 通用系統(tǒng)仿真工程GSST, 仿真學(xué)報(bào), 1996年第4期
[25] 孟小風(fēng)等, 建模與仿真的職能化、集成化發(fā)展綜述, 計(jì)算機(jī)技術(shù), 1995年第1期
[26] 文傳源, 系統(tǒng)仿真學(xué)科與系仿真系統(tǒng)技術(shù), 計(jì)算機(jī)仿真, 1992年第7期
[27] Carl Machover and Steve.Tice, Virtual Reality, IEEE Computer Graphics & Applications, January 1994
[28] Karen Whitehouse , Building Cyberspace, IEEE Computer Graphics & Applications, July 1996
[29] Martin Gobel, Industrial Applications of VEs, IEEE Computer Graphics & Applications, January 1996
[30] Jay Bolter et al., Integrating Perceptual and Symbolic Information in VR, IEEE Computer Graphics & Applications, July 1995
[31] Sam Shaw and Carroll Touch, VACUUM TECHNOLOGY, research & development, August 1985
[32] Uva User Interface Group, Alice：Rapid Prototyping for Virtual Reality, IEEE Computer Graphics & Applications, May 1995
[33] Richard S．Gallagher, Computer visualization： graphics techniques for scientific and engineering analysis, CRC Press, Inc, 1995
[34] Dave Sims, See How They Run：Modeling Evacuations in VR, IEEE Computer Graphics & Applications, March 1995
[35] John N.Latta and David J.Oberg, A Conceptual Virtual Reality Model , IEEE Computer Graphics & Applications, January 1994