基于虚拟现实技术的框架结构分析

张博 刘伟 刚芹果

随着计算机技术的不断发展,建筑结构设计较传统模式有了巨大的飞跃。但目前的结构设计技术还处于半自动化状态,结构的复杂性与结构设计技术的发展程度之间的矛盾突出出来,已成为目前结构设计的瓶颈[1]。传统的ANSIS,FLA,SAP2000等结构分析工具虽然可以表现三维结构应力和变形,但不能将结构真实的材质和所处环境展现出来,同时缺乏良好的人机交互能力,操作也比较复杂。而像3DSMAX,MAYA,ProE等三维建模软件又只能表示模型的几何信息。因此在虚拟场景中的动态交互式设计必然会成为建筑结构设计的发展趋势。

国内在虚拟现实方面的研究主要集中于飞机制造、航天、军事、医学等领域,而在结构工程领域的应用尚没有成熟的成果出现[3]。本文对虚拟现实技术在结构分析中的应用进行了初步研究,以框架结构为例,利用VRML中节点编辑的建模功能和路由的交互功能,实现了在虚拟现实下的框架结构分析,并建造出了一个逼真的三维交互式结构分析的虚拟场景,为今后进一步研究虚拟现实技术在其他结构分析中的应用奠定了基础。

1 VRML在结构分析中的应用

基于虚拟现实语言的特点,在虚拟现实下的结构分析过程可分为如下四个主要步骤进行:结构造型建模、结构分析、交互功能设计及场景的渲染等。它们之间的数据传递关系如图1所示。

1.1 结构造型建模

在进行框架结构分析时,造型建模有两种方式:如基本构件和整体结构较为简单,可提取结构几何信息后,直接用VRML编程语言进行初步建模;如遇到特殊构件或具有特殊要求等不规则的结构形式,可先用3DSMAX或UG建模软件进行实体建模,再将其输出为VRML(*.wrl)文件格式并导入VR编辑器进行处理。

为满足交互控制要求和结构自身的变形特点,需在虚拟环境下对基本构件及结构进行处理。如结构形式较为简单,在编辑器下整理模型节点,方便编辑使用即可;如果结构不规则或施加荷载后的应力变形不能用单一造型实现,则模型构件应根据结构实际尺寸并参考3DSMAX建模数据,用节点坐标形式表示,以便后续工作的顺利进行。

1.2 结构分析

框架结构受力分析及位移计算可以按照建筑结构规范上的理论进行分析。具体分析方法可分为两种:1)利用VRML的程序脚本和Script节点,将结构力学分析的解析表达式编入其中,通过定义名字、域、事件及url或创建新节点(其中,url中使用的是JavaScript函数)用于复杂计算;2)用有限元方法在虚拟现实外部环境下将分析过程实现后,用VRML中的Java语言调用相应程序,将计算得出的受力及变形数据与结构几何信息相对应,从而实现虚拟环境下的结构受任意荷载后的变形分析。

1.3 交互功能设计

对于VRM L场景在结构中的应用来说,首先是要让用户感受到结构生动逼真的动画效果,这需要用插值器来实现。通过对相应作用的插值器进行节点编辑,控制相应插值器下的参数变化,再由路由将这些事件连接起来,就可得到想要的动画效果。

仅仅让用户感受到结构生动逼真的动画效果是不够的,还需要让用户通过控制场景使动画具有实时性和可控制性,以实现结构分析的交互功能。这应用传感器节点来实现,首先要根据用户的控制需求选择合适的传感器,再根据结构分析后的数据设置其下参数变量。设置路由,用来检测浏览者在虚拟场景中的动作,通过事件的传递,实现用户和虚拟环境之间的交互。用路由语句将接触传感器感知用户按下鼠标操作的事件与时间传感器的开闭状态连接在一起。当在造型上按下鼠标左键不松开时,路由将is-Active=TURE的事件传给时间传感器的enabled域,把其值改为TURE,开启时间传感器,使位移动画开始运行,再把关键点上的值由set-fraction接收再通过value-changed发送出,即实现了结构受力变形与用户动作之间的交互。

1.4 场景渲染

虚拟现实技术应用在结构分析中一个最大的优势在于能使其虚拟场景更逼真,更接近现实世界,这就需要在VRML中添加场景信息,对场景的环境进行设置。如视点Viewpoint{},光照节点Light{},纹理节点 Texture{},雾化Fog{}和声音节点Sound{}等,通过设置其相应的参数,可达到用户想要的最佳虚拟场景效果。

2 实例

考虑到框架实际侧移的变形特点,应用3DSMAX软件中的loft命令对柱进行了建模,以便导入VR后是节点形式作为柱弯曲时的关键点。为满足交互控制要求和结构自身的变形特点,在虚拟环境下对基本构件及结构进行了相应的处理,如构件名称的系统化,插入坐标修改等,具体模型如图3所示。

本例中此模型构件应用了节点坐标表示,根据结构实际尺寸并参考3DSMAX建模数据,通过位置插补器PositionInterpolator{}控制节点或结构的坐标,实现梁构件的平移。通过坐标差值器CoordinateInterpolator{}控制柱的变形,从而达到动画一定的效果。其中模型只取一个最大位移进行线性差值,由于侧移量较小,每层柱的侧移为扩大后数值。进入播放器,即可进行交互式动画变形演示,部分侧移如图4所示。

本例中交互功能的实现应用了路由,将接触传感器Touch-Sensor{}和时间传感器TimeSensor{}连接在一起。当用户在虚拟场景中用鼠标接触结构时,通过点击鼠标触发事件,实现用户和虚拟环境之间的交互。

对此场景进行渲染时,在程序中加入了背景,视点Viewpoint{},光照节点Light{},雾化Fog{}用于表现与真实环境相符的虚拟场景,用纹理节点Texture{}将混凝土材质加入模型中,以体现其应用的材料,用声音节点Sound{}使结构变形过程有感官效果。其中,背景和纹理使用JPG和GIF格式文件,声音使用了声音剪辑节点AudioClip{}和WAV声源,效果如图5～图7所示。

3 结语

1)用3DS MAX建模软件和虚拟现实语言建立了框架结构的三维模型,将虚拟现实技术应用到框架结构的受力变形分析中,通过对VRML的Script节点编辑,实现了框架结构变形的三维动态交互式模型,用户可通过简单的鼠标操作实时的观察框架结构的动态变形。2)通过添加视点Viewpoint{},光照 Light{},纹理Texture{},雾化Fog{}和声音Sound{}等节点使结构和基本构件在虚拟环境中形象逼真的显示了变形过程,使观看者沉浸其中,具有良好的感官效果。3)在结构分析中应用虚拟现实技术,一个最大的优势在于能使其虚拟场景更逼真,更接近现实世界,大大提高了结构分析的可视性,使设计工作更人性化,更富有创造性。通过对虚拟现实技术的进一步开发,还可将结构信息、结构应力应变分析一体化,使结构分析和设计更简便、更精确、更快速。所以,虚拟现实技术在结构分析和设计中具有广阔的发展前景。

[1] 周玉石.结构设计的虚拟原型技术与应用研究[D].上海:同济大学博士论文,2007.

[2] 胡小强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2009.

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[4] 刘 怡,张洪定,崔 欣.虚拟现实VRML程序设计[M].天津:南开大学出版社,2007.

[5] 吕西林.高层建筑结构[M].武汉:武汉工业大学出版社,2001.

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