作者：清华大学土木工程系 张跃 张丛哲

　　一、引言

　　我国是一个迅速发展的国家,有大量繁重的基本建设任务,人口城市化已成为不可逆转的总趋势,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。

　　目前,我国的城市人口约占总人口的26.4%左右。到2000年, 估计全国城市将发展到580个左右,城市人口可达到33%。据统计,如果一个发展中国家的城市人口占总人口的30%左右,那么整个国家的经济会有一个飞跃。依据这一规律,我国在本世纪末和下世纪初将是国民经济的大飞跃期,预计到2020年,全国城市将会发展到1100个左右,城市人口将达到50%。考虑到我国的总人数和建设的规模,应该说我们正从事的是世界上规模最大的基本建设,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一个优良的发展环境,这是西方国家目前所不具备的优势。这一大好形势也为我国土木工程科技工作者提供了一个空前难得的向国际水平冲击的良好机遇。同时,如何在世纪之交把握住土木工程学科的发展趋势,开创土木工程学科的新纪元,是对我们跨世纪一代人的严峻挑战。

　　在此形势下,开创土木工程信息化与集成环境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。作为一名土木工程科技 工作者,在这一大好形势的鼓舞下,我们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浪潮的冲击,不 如因势利导,顺应信息革命浪潮,积极推动中国土木工程的信息化与集成化,以促进我国土 木工程学科和建筑业的发展。而虚拟现实技术就是土木工程高新技术的一种。

　　虚拟现实(VR :Virtual Reality)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,使用户产生身临其境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、图像处理与 模式识别、智能接口、人工智能、多传感器、语音处理与音像、网络、并行处理等技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的子系统所构成的大型综合集成环境。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、娱乐等多个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,以及建立个人能够沉浸其中、 超越其上、进出自如、具有交互作用的多维信息系统的追求,推动了虚拟现实技术在土木 工程中的应用与发展。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。

　　二、传统的仿真与建模

　　仿真(Simulation)是通过对系统模型的实验,研究一个存在的或设计中的系统,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 、生物和管理等非技术系统。仿真技术的实质就是进行建模、实验。现代仿真技术的发 展与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用,而计算机的出现及计算技术的发展则为仿真提供了一个强有力 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。

　　仿真技术发展的主要原因是它所带来的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,向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后可能产生的现象,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。工程领域应用仿真技术,可以降低系统的研制成本 ,提高系统实验、调试和训练过程的安全性;在非工程领域,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。在传统仿真技术中,要建立 一个仿真系统,首先要建立系统的数学模型(一次仿真模型),然后将其改写成适合计算机 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,了解系统中变量之间的关系,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构优化,还 必须进行多次运行及系统优化等工作,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