在土木工程中计算机仿真已经应用于如下几个方面:

　　1. 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。对于自然灾害的原型重复实验几乎是不可能的,因而在这一领域应用计算机仿真就具有非比寻常 的意义。目前已有不少抗灾、防灾的模拟仿真系统研制成功,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,由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等有很大帮助。又如在预防火灾方面,对森林火灾的蔓延、建筑物中火灾的传播等均已开发出相应的 模拟仿真系统,这对开展消防工作起到了很好的指导作用。

　　2. 在岩土工程中的应用 岩土工程一般处于地下,往往难以直接观察,而计算机仿真则可把其内部过程展现出 来,具有很大的实用价值。例如,地下工程开挖经常会出现塌方、冒顶。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,还可采用分离单元的方法。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 的依据。

　　3. 在建筑系统工程中的应用 建筑系统工程中的项目管理系统、投标决策系统等,在数学上可归纳为在一定约束条件下的优化模型,这时计算量往往十分巨大,模型也很复杂,人工难于求解,而运用高性能 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,这样就可以从仿真结果中得到相应的风险评价。

　　4. 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及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。若采用计算机仿真技术,则可以进行足尺寸的试验,还可以方便地修改参数。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,地震作用下的建筑物倒塌分析等,只有采用计算 机模拟仿真,才能进行大量的分析实验。

　　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,便于研 究破坏机理。对于长期的徐变过程则可在模拟中加快其变化过程,让研究人员清楚地看到其全过程。

　　三、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、传感器技术的发展,用计算机模 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 理解能力远远大于对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,而不再仅局限于从屏 幕上观察仿真的结果,从而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,由主控机构进行建模、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触觉模拟,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,从而实时产生对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 ,对于这一行业的发展具有重大意义。虚拟现实技术在土木工程中主要应用于以下几个方面:

　　1.减灾防灾

　　虚拟现实技术在减灾、防灾仿真建模中的应用正在积极尝试之中。1993年,英国的C olt V