基于VR技术的土木工程防灾策略研究

敖健红 何 顺

（六盘水师范学院， 贵州 553000）

0 引言

土木工程防灾演练中，提供一种可视化程度较高的应急预案，仅能为终端用户描述预案执行流程，而无法带动用户设身处地的去感受灾害中可能遇到的危险情景。而借助VR虚拟现实技术，完整的呈现出应急预案的细微感知，增强了用户沉浸度和体验度，更为详实的加深了灾害环境的呈现效果。基于此，本研究围绕VR虚拟现实技术展开分析，探讨了VR技术在土木工程防灾中的应用策略，先做如下分析。

1 土木工程防灾VR流程模拟流程解析

1.1 准备模拟预案资料

土木工程防灾中引用 VR技术，首先需要在准备阶段完成对于防灾隐患的模拟。通过VR软件模拟出可以及时响应的解决措施，进而演示防灾事项的关注点和集中项。这一过程中，需要对土木工程项目进行全面调查、评估、分析，并建立职能单位与居住成员的紧密联系，进而为VR及时的防灾科普宣传、防灾物资筹备、防灾应急设施准备、防灾应急演练提供虚拟现实呈现方案。可以认为，越为详尽的细节调研，其后续的VR模拟防灾效果越强，是真正加强科学防灾的基础工作和先决条件。可以借助VR模拟防灾的细微环节设计，来优化灾后处置方案的工作方向，进而为灾后重建提供参考。

1.2 模拟灾害应急程序

在灾民紧急救援、疏散、避难设施等方面的评估和选择，是进一步应用 VR虚拟技术的重要方向。在土木工程防灾应急预案中，模拟土木工程项目的受损情况，以及社区单元在应急预案中的快速反应效果，是完整程序受灾后可降低受灾面积、保障人员安全、减少经济损失的应急措施模拟过程。这一模拟过程相当于一种支持性的模拟预案，是应急处理阶段是否能够有效对接每一环节，保障灾害应急程序顺利执行的基础条件。当VR模拟程序的执行效果较为良好，可以判断为理想状态下的防灾应急程序可以合理推进。是借助VR模拟技术启动应急任务，通过模拟灾害发生时的应急处理效果，来推理应急预案的可行性和可靠性。最后，对灾后处置及应急任务终止，经过科学的演示和检验，对VR模拟防灾效果进行评价，不断修改模拟预案，达到土木工程项目的防灾应急措施要求条件。

2 应用于土木工程的VR虚拟现实技术系统类型

VR虚拟现实技术，是通过多种软件系统和硬件设备，来完成对于某一种现实世界场景的虚拟再现。计算机仿真系统描述出了土木工程项目的防灾细节，需要借助终端VR设备为用户呈现其中的关键信息。次数三维动态的防灾程序，可通过Data Glove数据手套、HMD头盔显示器、Stereo Headphone立体声耳机等硬件设备，达到投射虚拟场景，建立防灾预案的全感官沉浸。而依据沉浸效果的差异，可以将VR虚拟现实技术划分为三种系统类型：

2.1 桌面式VR系统

桌面式VR系统是最为简易的模拟程序呈现方式，虽然并未提供较高的用户体验度，但是允许多用户同时进入系统，相对的自由度和经济度优势更为明显。仅通过显示器设备，便可以完成虚拟防灾程序的展示。

2.2 沉浸式VR系统

沉浸式VR系统所使用的VR设备更多，包括前文提及的Stereo Headphone、Data Glove、HMD等交互设备。在软件系统与硬件系统的双重配合之下，完成了对土木工程防灾程序的展现。在交互设备的支持下，用户沉浸在极度真实的虚拟环境之中，创建了身临其境的环境感知，促使用户成为VR系统的操作者与参与者。

2.3 分布式 VR 系统

分布式 VR 系统是基于互联网架构的网络系统类型，在用户感知虚拟环境的基础上，为不同地点的用户创建了统一的虚拟交流环境。那么这样的分布条件，决定了防灾演练可以在异地开展，并通过远程终端完成讲座、视频、培训等多重交互式的学习过程匹配。

3 VR 技术在土木工程防灾各阶段的应用

3.1 设计阶段

土木工程防灾设计中应用VR技术，是为了更准确观察建筑受灾情况下特征。此外，拥有不同见解和经验的设计者，以及利益相关者，可以在借助VR技术的情况下，对不同方案设计进行探讨和研究交流。收集采纳多方建议，进而更好地适应木工程防灾需要。通过多角度环境思维互换，增强创新方式，深入设计理念。在土木工程施工过程中，可利用VR演示和技术论证，在模拟中从真实角度观察，可以规避风险性，同时提升木工程防灾的成功率。展现前期的木工程防灾演示成果，以及技术论证方面的广泛应用效果。

3.2 宣传教育阶段

大量事实证明，火灾中造成众多人员伤亡主要因素，是被困人员防灾意识淡薄，自救互救能力有限的问题。在土木工程宣传教育中，VR技术的应用起到了重要的引导性作用，提高了普通群众火灾防范意识和自我救助能力，可有效减少灾害高危事故的发生几率。通过VR技术支持，可以精准展示出受害点，明确灾害发生主要原因。在交互式的模拟学习训练中，就土木工程灾害类型和连带因素做出客观分析，并进行更为细致的探讨，避免日后施工中由于违规操作所出现严重的工程技术缺陷。人类了解事物之间联系主要通过视觉映象，通过三维图像反映，可以更直观了解事物趋势与发展。因此，在土木工程防灾宣传教育中，运用 VR技术具有加强防灾演练效果的积极作用。

3.3 防灾模拟阶段

进行构造分析时，工程人员真正所关心的是对土木工程施加负载的最高作用力，以及具有何种程度的破坏力，是否影响了建筑体自身的承载力。利用模型实验时对特殊形式构造、荷载以及性能繁琐性材料的受力性进行判定，由于场地空间对模拟实验的限制，只能通过小型模型进行试验，导致结果难以精准化，产生分析误区。利用VR技术则不需要考虑场地限制，进行同尺寸试验，便于得出精确参数。在实验遇到问题时，如构造难以进行试验、发生周期较长等，VR技术具有较大优势，进行同比例实验，简化复杂实验流程，便于对变化过程产生清晰地认知。传统分析时，有限元法时通过内力等力线对构造应力的分析结果进行阐述。然而利用 VR技术与计算机仿真功能，可以借助颜色区分表达三维物体中点力大小，通过任意角度观察物理不同力面。VR技术在土木工程防灾实验时，需和其他软件协助使用以达到真实科学的效果。同时VR技术允许操作者实时修改数据，进而提高防灾模拟结果比对和分析质量。

4 在土木工程防灾中应用VR虚拟现实技术的策略

4.1 增强防灾模拟感知力

在土木工程项目中，应用VR虚拟现实技术完成防灾演练，并不代表预设模拟环境达到了真实的灾害现场描述条件。当虚拟灾害现场的环境信息相对有限，无法完全程序灾害情景时，VR虚拟场景与灾害场景的符合度较低，容易弱化用户感知力。鉴于此，需要通过完整描述灾害场景的真实情况，不断补充模拟元素，达到增强防灾模拟感知力的积极效果。方能形成多维感官信息的交互条件，为防灾演练提供更为真实的虚拟情景。可构建土木工程建筑动力学模型、外力冲击虚拟实验模型、工程项目外观功能模型等，直观呈现建筑体在灾害发生时的内外环境变化。

4.2 提高防灾宣传可视化

大量防灾演练的实际过程中，自救、互救、防护意识匮乏，是造成土木工程灾害伤亡的主要因素。借助VR虚拟现实技术，不仅是防灾救灾部门的训练模板，同时也是进行防灾科普宣传的重要工具。在这一过程中，最为关键的是解决虚拟视觉反差效果，让终端用户达到较高的可视化程度。通过二维平面图像信息，以及三维立体空间信息，补充防灾信息维度，在VR虚拟空间内建立交互式版面，让学习防灾措施的功能性更强，令宣传视频或讲座的呈现效果更佳。

4.3 优化防灾模拟适用性

防灾模拟的VR场景，本身存在适用性问题。假设为VR虚拟场景匹配的灾害元素不同，最终所呈现出的灾害场景也会存在本质差异。诸如，土木工程建筑的荷载特性、使用材料、结构形式等原始资料，对火灾、水灾、地震、塌方等自然灾害的抵御力效果不可能完全相同。为了进一步加强防灾演练的真实性，依据不同建筑体年代、材质、结构等微观要素，来设计适用度更强的等比例模拟空间，将有助于发挥出VR技术的虚拟场景呈现优势。通过选定真实度更高的场景化参数变量，达到应急预案的指标选取条件，补充额外产生的灾害因素变量，才能更为理想的输出防灾模拟场景，令VR技术的优势在土木工程防灾中真正发挥。

5 结语

综上所述，VR虚拟现实技术在土木工程防灾中的应用具有诸多优势，沉浸感、体验度、可视化、交互性的诸多优势特征，决定了VR虚拟现实技术在土木工程防灾中的可应用价值。鉴于桌面式VR系统、沉浸式VR系统、分布式 VR 系统等不同类型所具有的独特优势，建议增强防灾模拟感知力，提高防灾宣传可视化，优化防灾模拟适用性。进而发挥出VR虚拟现实技术的优势，完整呈现土木工程防灾预案的科学性与可行性，达到支持土木工程防灾救援演示功能的逐步完备的积极效果。