土木工程中的虚拟现实技术doc.docx
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土木工程中的虚拟现实技术doc
土木工程中的虚拟现实技术
经济和技术的高速发展为土木工程科技提供了优良的发展环境。
目前，土木工程领域信息化与集成环境的研究与技术竞争已经在全球展开。
虚拟现实技术是综合性与集成性极强的高新技术，在航空航天、军事、医学、设计、艺术、文化娱乐等多个领域都得到了广泛的应用。
对建立用户能够沉侵其中、超越其上、自如时实交互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发展和应用。
土木工程中的虚拟现实技术涉及土木工程领域的各个学科，现已显示出一定的实用性，技术潜力十分巨大，应用前景非常广阔。
本文将从下列6个方面，介绍土木工程中虚拟现实技术的研究现状和发展前景。
1．土木工程仿真建模中的虚拟现实技术：
包括抗灾与防灾的模拟仿真系统；岩土工程中的模拟仿真系统；项目管理系统；投标决策系统；工程结构分析的模拟仿真系统；施工过程的模拟仿真系统；土木工程中的专家系统与仿真系统的集成等；
2．建筑 CAD中的虚拟现实技术：
包括城市规划、工程项目规划；建筑设计与结构设计；项目管理；室内装饰；建筑机械设计等；
3．建筑、结构设计与施工过程的可视化计算：
包括建筑设计与结构设计的可视化计算；建筑物、大型结构的风洞试验的可视化计算；结构有限元分析的可视化计算；施工过程模拟的可视化计算等；
4．建筑、结构设计与施工的先期技术成果演示和验证技术：
包括大型的公共建筑项目或比较重要的建筑（如车站、新机场、桥梁、港口、大坝、核电站等大型工程）、城市规划设计方案、城市交通布局设计方案、建筑物室内设计、布置和装饰效果的先期演示、验证；建筑设计成果、结构设计成果的先期演示、验证等；
5．建筑机器人中的虚拟现实技术：
包括表面修整机器人；隧道工程用机器人；挖掘用机器人；组装机器人；检查用机器人；放射性混凝土切割机器人等；
6．建筑、结构艺术与虚拟现实技术。
1 引言
我国是一个发展中的国家，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。
我国目前的城市人口约占总人口的26.4%左右;估计到2000年，全国城市将发展到580个左右，城市人口可达到33%。
据统计资料，一个发展中国家的城市人口达到30%左右时，整个国家的经济会有一个飞跃。
依据这个规律，我国在本世纪末将会出现国民经济的大飞跃，预计到2020年，全国城市将会发展到1100个左右，城市人口可达到50%。
考虑到我国的总人数和四化建设的规模，应该说我们正从事的是世界上最大规模的基本建设，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优良的发展环境。
这一优势，甚至西方国家目前也不具备。
这一大好形势为我国土木工程科技工作者提供了空前难得的向国际水平冲击的良好机遇，同时，如何把握住世纪之交时土木工程学科的发展趋势，开创土木工程学科的新纪元，是对我们这些跨世纪一代人的严峻挑战。
在上述形势下，开创土木工程高新技术的信息化与集成环境的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。
作为土木工程科技工作者，我们深受这一大好形势的鼓舞，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的浪潮扑来，不如因势利导、冲在信息革命浪潮的风口浪尖上，积极主动地推动中国土木工程的信息化与集成化。
我们应当抓住当前这一大好时机，组织全国的科研力量，投入人力和物力，研究与开发土木工程的高新技术，以促进我国土木工程学科和建筑业的发展。
我们在这里介绍的虚拟现实技术就是土木工程高新技术的其中之一。
虚拟现实（VirtualReality－VR），有时也称为灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界（VirtualWorld）的计算机系统。
虚拟世界是全体虚拟环境（VirtualEnvironment）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、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的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、图象处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音像技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环境，所以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、娱乐等很多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的追求，以及建立个人能够沉浸其中，超越其上进出自如交互作用的多维信息系统推动了虚拟现实技术在土木工程中的发展与应用。
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。
2 虚拟现实技术在仿真与建模中的应用
2.1 传统的仿真与建模
仿真（Simulation）是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。
这里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、生物和管理系统等非技术系统。
仿真技术的实质也就是进行建模、实验。
现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。
控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的发展，则为仿真提供了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。
仿真技术得以发展的主要原因是它带来了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，给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起来后，可能产生什么现象，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。
对于工程领域仿真技术可以降低系统的研制成本，可以提高系统实验、调试和训练过程的安全性；对于非工程领域，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。
传统仿真技术中，一个仿真系统要首先建立起系统的数学模型——一次仿真模型，然后再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。
建立起仿真模型后，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。
通过仿真实验要了解系统中变量之间的关系，要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果优化，还必须进行多次运行，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航空航天领域，近年来在机械制造、电气、水力、社会、经济、生态、生物等各个领域都得到了广泛的应用。
在土木工程中计算机仿真已经应用于如下几个方面：
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。
由于自然灾害的原型重复实验几乎是不可能的，因而计算机仿真在这一领域的应用就更有意义。
目前已有不少抗灾、防灾的模拟仿真系统制作成功，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，有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是很有作用的。
又如在火灾方面，对森林火灾的蔓延，建筑物中火灾的传播均已开发出相应的模拟仿真系统，这对消防工程起到了很好的指导作用。
在岩土工程中的应用：
岩土工程处于地下，往往难于直接观察，而计算机仿真则可把内部过程展现出来，有很大实用价值。
例如，地下工程开挖经常会塌方冒项。
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。
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依据。
在建筑系统工程中的应用：
在建筑系统工程中，如项目管理系统、投标决策系统，在数学上可归纳为一定约束条件下的优化模型，这种计算量往往十分巨大，模型也很复杂，人工难于求解，而运用高速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中，这样可以从仿真结果中得到相应的风险评价。
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，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。
若用计算机仿真技术，则可以进行足尺寸的试验，还可以很方便地修改参数。
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，地震作用下的构筑物倒塌分析等只有采用计算机模拟仿真，分析才能大量进行。
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，便于破坏机理的研究。
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。
2.2 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、传感技术的发展，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，而不必在屏幕外面去观察仿真的结果，将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，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具有重大意义。
虚拟现实技术在土木工程仿真与建模中主要应用于：
在减灾、防灾中的应用 虚拟现实技术在减灾、防灾仿真建模中的应用已在积极尝试之中。
1993年，英国的Colt Virtual Reality公司开发了一个称为Vegas的火灾疏散演示设计模拟防真系统。
该系统是基于Dimension International的Superscape虚拟现实系统而开发的，该系统的三维动画可以演示火灾时人员的疏散情况，并可以方便地修改各种参数。
应用该系统对地铁、港口等典型建筑物火灾时的人员疏散情况进行了模拟仿真验证，取得了良好的效果。
该系统使用户具有沉浸感，让用户能够亲身体验火灾时的感受，根据用户的描述，研究火灾时人们的心理表现。
另外，还可以进行消防人员救火抢险的模拟训练，疏散人群的模拟训练，而不必再采用真正点火的方法进行类似实验。
通过普通用户的参与，培养大众在火灾到来时，能够具有良好的防灾意识，迅速离开火场或采取报警、救人等措施。
我们还可以利用虚拟现实技术建立其他抗灾、防灾的仿真模型，使社会具有一定的应变能力。
在模拟施工过程中的应用 建筑施工是复杂的大型的动态系统，它通常包括立模、架设钢筋、浇注、振捣、拆模、养护等多道工序，而这些工序中涉及的因素繁多，其间关系复杂，直接影响着混凝土浇筑的进程。
模拟施工过程是为了通过仿真手段，去发现实际施工中存在的问题或可能出现的问题，这就需要对实际施工进行仿真。
而目前施工过程的模拟只是从几何形体方面模拟施工的过程，即按楼层关系由下而上，每一层按柱、梁、板的几何形状加以着色来实现对施工过程的模拟。
现有的模拟只是对进度计划起到了一定作用，并没有对施工过程起到真正的作用。
基于以上原因，需对施工过程建立合适的模型，以达到模拟仿真的效果。
例如，大型水利枢纽混凝土在运输浇筑系统的模拟仿真模型，是由运输子系统和浇注子系统构成的，模型是按进程交互的仿真策略建立的，按这种条件建立的模型能与仿真程序间保持紧密的对应关系，程序所要模仿的行为比较直观、清晰。
程序流程直接与模型结构和系统状态相对应。
如果在其中引入虚拟现实技术，使其实现对施工过程的仿真模拟，并且通过人机接口（头盔、立体眼镜以及数据手套等）使得决策者处于这一虚拟的环境之中，则达到了模拟施工过程，发现问题的目的。
3 计算机辅助设计（CAD）中的虚拟现实技术
在土木工程行业中应用CAD技术，一般可以收到如下效果：
首先，可以缩短设计工期。
由于计算处理速度快，并能不间断的工作，因而可以大大地提高设计效率，从而缩短了设计工期，设计工期的缩短意味着建设成本的降低，同时便于方案优化。
其次，可以提高设计质量。
使用自动化程度较高的CAD系统进行设计时，设计者只需输入一些有关设计初始条件的数据，由计算机调用结构分析程序进行分析计算，就可得到设计结果，此外利用计算机可以得到清晰、整齐、美观的设计图纸和文档，便于校核和修改，从而有效地防止了手工绘图中尺寸标注错误，不同图纸在表达同一构件时的不一致性等错误的产生，从而提高了设计质量。
另外，可以降低设计成本。
应用CAD技术可以帮助设计者提高设计效率，当设计费较高而CAD系统费用较低时，就会使成本降低，取得了明显的经济效益。
一般建筑或建筑物的建设都要经过规划、设计、施工、维护管理等阶段，目前，CAD技术已经被广泛应用于各个阶段中，下面从CAD技术的应用角度探讨一下虚拟现实技术的研究现状和应用前景。
3.1 在规划中的应用
对于任何工程项目，规划工作都是十分重要的。
一般土木建筑工程的规划都需要考虑众多的因素，例如，土地利用、经济、交通、景观、法律等有关社会经济的因素，气象、地质、地形、水等有关自然的因素，以及水质、噪音、土地污染、绿化等生活环境的因素等等。
对应于该阶段的CAD系统主要有两类：
规划信息的存储和查询系统 例如土质数据库系统，地域信息系统，地理信息系统，城市政策信息系统等。
这一类系统多采用数据库系统的形式。
现行数据库的一个缺陷在于数字化程度高，可视化程度低，这种数据表现出来是抽象的，可接受性差，例如，地理信息系统对地形地貌的表现，如果只是由数字来表现，则可读性很差，如果表现为地形
图的形式，则相对容易接受。
而采用虚拟现实技术，在系统中输入地形、地貌的数据，则可以从不同的角度去观察，不但可以取得必要的数据，而且能够有直观的感受，不用再劳神费力地想象地形图所表现的实际地形情况。
规划的辅助表现集成系统 例如景观表现系统，交通规划系统等。
目前，景观表现系统其表现物段主要是二维的图片，如果能够让用户产生一种身临其境－“人在画中游”的感觉，则景观的规划将更加科学合理、全面，而这种身临其境的感觉，正是虚拟现实技术要解决的问题。
实际上应用于景观表现的虚拟现实系统已经开始试用，德国的Frankfort的中心城市，最近将城市模型输入虚拟环境，用以规划一座银行，其实现并不是很复杂：
首先把各个建筑物的平面图（轮廓）输入到记录地区的数据库中，将各建筑物的高度赋于适当的值的自动生成三维城市模型；再对重要建筑物利用CAD系统以不同精度进行修改，把建筑物正面的照片扫描进去经过修改加工输入CAD数据库；最后在VR系统及数据模型中加上动态措施及环境因素。
目前，这一系统可以让人得到在其中漫游的感觉，以后还可望在此基础继续修正。
3.2 在建筑设计中的应用
建筑设计CAD的类型及缺陷 一般土建结构的设计都包含结构形式的选定，形状尺寸的假定、模型化、结构分析验算、图面绘制、材料计算等过程。
CAD技术在土建工程中最早的应用就是在结构设计中，目前对应于设计的CAD系统也可以分为三类：
第一类，对应于各个设计过程中的系统。
例如结构形式选择系统、结构分析系统、设计系统、绘图系统、材料计算系统等，其中每个系统都可以处理多种结构形式。
第二类，集成化设计系统。
这类系统的自动化程度一般较高，只需输入少量的数据，利用集成系统即可完成设计的全过程。
第三类，通用CAD系统，如AutoCAD，Microstation等。
这类系统只提供基本的图形处理功能，可用来绘制各个工程领域的设计图纸。
该类系统的作业效率一般较低，需要进行二次开发，以适用不同专业的需要。
这些CAD系统擅长于进行几何数据处理，以表现三维空间的物体以及着色；但对于处理建筑设计工程中的复杂物理数学关系，如结构应力，热传导，声，光效应等，则显得无能为力。
另外，由于适用各个设计过程的系统使用起来不方便，为完成一项设计需要使用多个系统，不但要掌握每个系统的使用方法还需重复输入大量数据，所以集成化设计系统已有取代各种分项设计系统的趋势。
目前的CAD系统大都建立在绘图支撑软件的基础上，绘图与分析计算是分开的。
在绘图阶段单纯地就是绘图，计算机辅助设计体现在将设计人员的思想用图形表现出来（特别是用于绘制施工图时），而不是在全局上，从方案选择、具体设计、分析计算到施工图
绘制辅助设计人员设计全过程。
人们希望有了设计人员的知识，经验及设想后，通过计算机的分析，计算比较判断，不仅将方案形象地表现出来，而且将量化后的数据及结论输出来，设计者再依据它修改方案。
这就是绘图与结构计算一体化的思想。
目前的集成化软件虽然已经向绘图与计算相结合的目标迈进，即实现了在建模后紧接着进行计算，建模所形成的数据可为后续的计算所利用。
但是，两者还是各自为政的。
更进一步的做法是将两者结合起来，随着模型的建立进行分析比较，将所得出的信息作为建模的参考。
目前此类软件的缺点在于操作时规定限制多，且菜单级别过多，过分强求树状结构，使操作繁杂。
虚拟现实技术在建筑设计中的应用 将虚拟现实技术应用于集成化CAD系统中，能够较好地解决以上存在的问题，实现理想的绘图与结构计算一体化。
如果把虚拟现实技术与现在的集成化CAD系统的设计思想相结合，创建虚拟现实的集成化CAD系统，从设计的建筑方案、结构方案的选择直至最后结果的实现必将大大提高设计效率，提高设计质量。
首先，建筑师利用虚拟现实CAD系统可以很方便地建立和修改建筑方案。
建筑师仿佛置身于待建场地中，很方便地从库中提取各种物件和材料、家具、设备，象搭积木一样搭起一座虚拟的建筑，该虚拟建筑的尺寸可以和实际设计中的建筑一样，其色彩逼真，并且有材料的质感，建筑师可以对其进行着色，修改，并可以在随时改变视角和光源的条件下从任何视点去观察这座建筑，以便得出满意的方案。
然后，结构设计师就可以利用已经建起的模型，选取结构方案调整荷载和定义荷载，由系统自动进行结构分析，得出结果如配筋量和配筋图等，如果不能满意，则可修改参数或方案。
设计中比较令人头痛的一个问题就是建筑、结构、设备等各方的协调问题。
目前采用的方法是各方分别设计，再一起讨论，协商修改，反复进行直到满意。
如果采用VR集成CAD系统，则可以实现各方同时设计，在设计过程中遇见冲突随时协调直到满意为止。
3.3 在室内装饰中的应用
工程项目进入室内装修阶段通常临近预定的竣工日期，工期非常紧，而装饰施工图又比较粗糙，在不少施工图中装饰线条的尺寸比例估计不足，因而在装饰施工中，返工是屡见不鲜的，由此而造成工期延长，造价增加，有时还不可避免地影响外观效果与内在质量。
运用VR集成CAD技术在施工前就可以事先在计算机上进行室内装饰的模拟，从计算机的显示屏上进行修改，以解决设计中某些与实际脱节的现象，使上述弊病得以避免。
随着建筑业的发展，越来越多的建筑物采用外墙贴铺面砖面，面砖的色彩丰富，规格多样，加之建筑造型各异，使得面砖贴铺方案的确定大有文章可做，目前的常规方法是在建筑施工立面图上划出面砖的分隔，并着色来观察效果，确定方案，这种做法缺点是立面越多，考虑的方案越多，要绘的图纸就越多，工作量很大。
运用VR集成CAD 技术在计算机上模拟贴面砖，模拟面砖色彩，即可减少重复制图还可以在计算机屏幕上显示出用绘图仪绘制出模拟效果以便进行比较。
CAD技术不仅可用于外墙贴面砖的模拟，还可以用于模拟室内外铺贴地砖，花岗石大理石等。
由于在施工过程中，进行模拟绘制，是按现场粉涮后则得的实际尺寸进行模拟和绘制的，这样的模拟与实际非常贴近，使得现场施工时定位放线与模拟图十分吻合，从而避免了以往施工放线时的尺寸与原施工图尺寸有误差而带来的种种麻烦。
由此可见，装饰工程中引入VR集成CAD 技术的前景是十分诱人的。
如果在计算机中输入装饰房间的模型，再接入虚拟现实设备，设计者就能身临其境地处在房间中，可以直接体验各种装饰方案，也可以对装饰方案进行修改，这样即节省了时间，也使最终方案具有更强的可信性。
在室内装饰的其它方面，如选择贴墙纸还是贴面砖，面砖、地砖的颜色、图案、分隔形状的选择都是很繁的，传统的方法是做出缩小的实际模型，在实际的模型上进行实验，这样做不仅费时、费钱而且其效果并不好。
如果在计算机中输入实际房间的模型，再引入虚拟现实设备，一切就将变得简单轻松，设计者身处所需装饰的房间，按照自己的构思去装饰、修改，并且可以变换自己在房间中的位置，去观察装饰的效果，直到满意为止，这样既节约了时间，又节省了做模型的费用，其结果更可信。
可以设想，在未来的装饰工程中虚拟现实技术将会代替现有的实际模型而显示出其强大的生命力。
3.4 在建筑机械设计中的应用
建筑机械的适用程度是直接影响到建设时间和建筑质量的一个重要，很长的一段时间内人们并未认识到这个问题，但随着科学的不断进步，建筑机械化程度的不断提高，这个问题将会被人们所重视。
在目前的机械设计上，用机械CAD也可以实现屏幕上的三维动画演示，但它无法实现操作者的虚拟实际操作。
我们知道建筑机械的适用包括两个方面，一方面是要最大程度地发挥该机械的效能，另一方面，它的操作应该简单适用。
如果设计出一个新的机型，却无法实现操作者的虚拟实际操作那么该机型在实际操作中可能存在的问题就无法发现。
第一个受虚幻现实影响的设计是1996年推出的反铲载机。
美国卡特彼勒公司建筑机械产品部工程师贝特纳在《光谱》杂志上发表文章，阐述他们在理论上有三个看上去都是可行的不同设计，用他们开发的虚幻环境系统对这三个设计方案进行了先期效果的演示验证，结果发现其中两个设计在操纵反铲传动机时，会不时进入视野死角。
如果不使用虚幻环境系统，只有在样机造出后才能发现。
结果卡特彼勒公司提前9个月选定了设计方案，并且节约了按其它两个较差设计方案试制样机所需的巨额费用。
在建筑机械设计中应用虚拟现实技术主要有以下几个特点：
1．建立虚拟模型将减少或者消除对昂贵的实际模型所需要的费用。
2．通过综合虚拟模型的虚拟结果工程分析将使结果更加有效。
3．进行性能和人机工程方面的研究时，将允许人直接参与操作模拟。
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