許 鎮(zhèn) 任愛(ài)珠 陸新征

（清華大學(xué)土木工程系，防災(zāi)減災(zāi)研究所，北京 100084）

基于有限元的橋梁垮塌場(chǎng)景模擬初探

許 鎮(zhèn) 任愛(ài)珠 陸新征

（清華大學(xué)土木工程系，防災(zāi)減災(zāi)研究所，北京 100084）

為了科學(xué)而逼真地還原橋梁垮塌過(guò)程，輔助橋梁垮塌事故鑒定，本文在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)上對(duì)基于有限元數(shù)據(jù)的橋梁垮塌過(guò)程場(chǎng)景模擬進(jìn)行了研究?；跇蛄嚎逅^(guò)程的有限元模擬數(shù)據(jù)，本文在三維圖形引擎OSG上實(shí)現(xiàn)了橋梁場(chǎng)景建模和垮塌動(dòng)畫(huà)模擬，并基于橋梁垮塌模型構(gòu)建了具有一定真實(shí)感的場(chǎng)景漫游系統(tǒng)。通過(guò)場(chǎng)景模擬與有限元模擬的結(jié)果對(duì)比，證明了本文基于有限元的橋梁場(chǎng)景建模和垮塌動(dòng)畫(huà)控制方法的有效性。本文將有限元技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，為橋梁垮塌事故鑒定提供了科學(xué)而真實(shí)的虛擬場(chǎng)景。

橋梁垮塌；場(chǎng)景模擬；有限元；虛擬現(xiàn)實(shí)；OSG

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起橋梁垮塌事故［1-2］，如2006年5月16日，甘肅岷縣北門(mén)洮河大橋（雙曲石拱橋）突然全部垮塌；2007年8月，在建的湖南鳳凰大橋發(fā)生坍塌，造成62人死亡；2007年8月1日，美國(guó)密西西比河I-35W鋼桁架拱橋在交通晚高峰時(shí)發(fā)生垮塌，造成13人死亡，145人受傷。這些事故造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也引起了廣大工程人員的關(guān)注與思考?？茖W(xué)、高效、準(zhǔn)確的橋梁垮塌事故鑒定，對(duì)國(guó)家建設(shè)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、社會(huì)安定，具有非常重要的意義。

美國(guó)“911”事件中世貿(mào)大廈及Khobar Towers的事故鑒定過(guò)程中使用了大量計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)［3-4］，已經(jīng)表明基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的結(jié)構(gòu)垮塌事故鑒定調(diào)查具有可行性強(qiáng)、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。在橋梁垮塌事故中，美國(guó)國(guó)家交通安全委員會(huì)對(duì)美國(guó)明尼蘇達(dá)州密西西比河I-35W橋事故進(jìn)行有限元建模分析，并根據(jù)影像資料和檢測(cè)資料修正有限元模型，再現(xiàn)了橋梁倒塌過(guò)程，準(zhǔn)確而高效地確定了橋梁垮塌的原因［5］。I-35W事故的準(zhǔn)確鑒定表明了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在橋梁垮塌事故鑒定中的具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

橋梁事故鑒定需要通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)科學(xué)而真實(shí)的再現(xiàn)橋梁垮塌過(guò)程。有限元技術(shù)已經(jīng)在橋梁垮塌力學(xué)模擬上已經(jīng)有不少成功的案例［6-8］，有限元技術(shù)可以保證垮塌模擬具有科學(xué)性，但是有限元模擬結(jié)果較為抽象，缺乏真實(shí)感，特別是非力學(xué)專業(yè)的人員理解有一定困難。因此，有必要將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與有限元結(jié)合，實(shí)現(xiàn)具有科學(xué)性和真實(shí)感的橋梁垮塌場(chǎng)景模擬，以更加準(zhǔn)確而逼真地還原橋梁垮塌過(guò)程，用于橋梁垮塌事故分析與結(jié)果展示。

目前，有限元與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合主要用于虛擬制造和虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)等方面等［9-10］，主要側(cè)重于基于有限元提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互性能。在土木建筑領(lǐng)域，Igor等人研究了實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境下彈性體的模擬，提升了具有大量結(jié)點(diǎn)的有限元模型的渲染效率［11］。此外，對(duì)有限元的可視化后處理技術(shù)研究較多［12］，如陳俊濤等開(kāi)發(fā)的地下結(jié)構(gòu)的有限元圖形系統(tǒng)，來(lái)表現(xiàn)應(yīng)力云圖等有限元計(jì)算結(jié)果［13］。以上研究在提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)交互性、模型渲染效率和有限元模型的表現(xiàn)技術(shù)上都有一定突破，但都不側(cè)重于提高有限元模擬結(jié)果的真實(shí)感。

本文基于MSC.Marc有限元軟件進(jìn)行了橋梁垮塌力學(xué)模擬。在此基礎(chǔ)上，在圖形平臺(tái)OSG中實(shí)現(xiàn)了基于MSC.Marc數(shù)據(jù)的橋梁垮塌過(guò)程的場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)，使橋梁垮塌場(chǎng)景模擬與科學(xué)的有限元模擬結(jié)果保持一致。同時(shí)開(kāi)發(fā)了橋梁垮塌場(chǎng)景漫游系統(tǒng)，構(gòu)建了具有真實(shí)感和科學(xué)性的橋梁垮塌場(chǎng)景，以還原橋梁垮塌過(guò)程，用于橋梁垮塌事故鑒定。

1 系統(tǒng)介紹

橋梁垮塌事故鑒定不僅需要逼真的橋梁垮塌過(guò)程的場(chǎng)景模擬，而且還需要一定的場(chǎng)景交互操作功能，因此一個(gè)完整的橋梁垮塌場(chǎng)景模擬系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的模擬效果和交互性能。對(duì)于場(chǎng)景模擬，一方面需要有限元數(shù)據(jù)的支持，作為科學(xué)模擬的保證，另一方面由于真實(shí)感的需要，模擬場(chǎng)景也需要具有地形模型、紋理數(shù)據(jù)、垮塌特效等多種要素，并根據(jù)橋梁事故鑒定需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的漫游操作和交互操作。為此，本文將橋梁垮塌場(chǎng)景模擬系統(tǒng)分為界面層、功能層、實(shí)現(xiàn)層、模型層、數(shù)據(jù)層、支撐層及外部層，其架構(gòu)見(jiàn)圖1。其中，有限元模擬作為外部層，模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)將應(yīng)用到該系統(tǒng)中。有限元數(shù)據(jù)來(lái)源于有限元軟件MSC.Marc力學(xué)模擬得到的橋梁倒塌計(jì)算結(jié)果，包括節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元拓?fù)潢P(guān)系以及節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程。將節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元拓?fù)湓贠SG中建立橋梁模型，再利用節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)，最后在利用橋梁的垮塌模型建立基于OSG的橋梁場(chǎng)景漫游系統(tǒng)，更具真實(shí)感的表現(xiàn)橋梁垮塌場(chǎng)景。

2 橋梁垮塌有限元模擬

某鋼筋混凝土大橋全長(zhǎng)191.6m，主橋上部結(jié)構(gòu)為混凝土組合桁架拱橋，跨徑138m，用途為公路橋，如圖2。

在MSC.Marc軟件中建立橋梁的非線性有限元模型，為模擬該鋼筋混凝土橋因超載工況導(dǎo)致垮塌的過(guò)程，特意將模型中的標(biāo)準(zhǔn)車（55噸）后四軸軸重增加近一倍，形成總軸重為107噸的特重車，并由5輛特重車組成的車隊(duì)駛上橋梁，構(gòu)成超載工況，得到的有限元模型如圖3所示。

有限元方法適用于連續(xù)體，在垮塌過(guò)程中，對(duì)于破碎、分離等非連續(xù)力學(xué)行為一般采用“生死單元法”進(jìn)行處理。在垮塌模擬過(guò)程中，當(dāng)混凝土達(dá)到壓碎應(yīng)變或鋼筋被拉斷，則相應(yīng)的有限元單元會(huì)被“殺死”。在MSC.Marc的橋梁垮塌模擬完成后，MSC.Marc軟件可以輸出四種文件，用于虛擬現(xiàn)實(shí)模塊進(jìn)行場(chǎng)景真實(shí)度模擬，見(jiàn)表1。

3 橋梁垮塌場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)

圖1 橋梁垮塌場(chǎng)景模擬系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 某鋼筋混凝土橋梁立面示意圖

本文的橋梁垮塌場(chǎng)景模擬一方面要結(jié)合有限元數(shù)據(jù)，這就要求要進(jìn)行大量開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)基于有限元數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)景模擬中的模型、動(dòng)畫(huà)等場(chǎng)景要素的控制；另一方面場(chǎng)景模擬是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的，這就要求場(chǎng)景過(guò)程要使用紋理技術(shù)、場(chǎng)景特效等高級(jí)圖形功能。所以本文場(chǎng)景模擬所需要的圖形引擎一方面需要是較大的開(kāi)發(fā)權(quán)限，最好是開(kāi)源，以便于最大程度地控制場(chǎng)景要素；另一方面要有很多高級(jí)圖形功能，避免從底層進(jìn)行開(kāi)發(fā)，降低開(kāi)發(fā)效率。

OSG（Open Scene Graph）是一個(gè)基于OpenGL的開(kāi)源的三維圖形引擎，提供了一套C＋＋的API，具有較完整的高級(jí)三維圖形功能和豐富的功能插件，滿足本文場(chǎng)景模擬的要求。為了精確地表現(xiàn)MSC.Marc計(jì)算的橋梁垮塌過(guò)程，OSG中的橋梁場(chǎng)景模型根據(jù)MSC.Marc中的有限元模型建立，并在垮塌動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中引入MSC.Marc的位移數(shù)據(jù)和“殺死”單元數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)有限元數(shù)據(jù)對(duì)垮塌動(dòng)畫(huà)的控制。

3.1 橋梁場(chǎng)景建模

橋梁場(chǎng)景建模的是根據(jù)MSC.Marc的文件在OSG中建立橋梁的場(chǎng)景模型，需要保證兩模型的一致性，才能實(shí)現(xiàn)精確的橋梁垮塌場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)。合理的橋梁場(chǎng)景模型是實(shí)現(xiàn)模擬過(guò)程有效控制垮塌的基礎(chǔ)。因此，建模過(guò)程中要充分考慮橋梁場(chǎng)景模型的控制要素。

（1）場(chǎng)景層次

在OSG中，場(chǎng)景管理是分層次的，所有的場(chǎng)景數(shù)據(jù)都會(huì)加入到一個(gè)Group當(dāng)中，Group內(nèi)可以包含很多Node。其中，幾何圖元作為一種需要繪制的對(duì)象有一個(gè)專門(mén)的Geode節(jié)點(diǎn)。繪制幾何體的一般層次是，設(shè)置Geometry類，添加到Geode，然后在Geometry設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)、法線、紋理等屬性［14］。

由于在橋梁場(chǎng)景模擬過(guò)程中，一些有限元的單元會(huì)被“殺死”，所以在OSG中每個(gè)單元都設(shè)為一個(gè)Geometry，整個(gè)橋梁模型為一個(gè)Geode。在場(chǎng)景模型中，可以通過(guò)Geode.getDrawable（unsigned int i）來(lái)獲得Geometry的指針。其中，getDrawable（i）中的參數(shù)i表示在Geode中第i個(gè)Geometry，與繪制順序有關(guān)。因此，為了控制每個(gè)單元，Geometry的繪制順序應(yīng)該與Geometry代表的單元編號(hào)一致。

（2）建模方法

在本系統(tǒng)中，Node文件中包含的是單元頂點(diǎn)的坐標(biāo)都要儲(chǔ)存在OSG中三維向量osg：：Vec3的數(shù)組中，然后根據(jù)Elem文件獲得單元頂點(diǎn)編號(hào)，在三維向量數(shù)組中調(diào)用相應(yīng)的向量構(gòu)成單元的頂點(diǎn)向量數(shù)組VertexArray，并儲(chǔ)存在Geometry中，最后通過(guò)DrawArrays（）進(jìn)行圖形繪制。

有限元模型中，包括長(zhǎng)方體、面、線三種不同類型的單元。在繪制線和面時(shí)，通過(guò)DrawArrays（）進(jìn)行繪制并不造成Geometry頂點(diǎn)重復(fù)，因?yàn)槊婧途€的頂點(diǎn)和繪制所需要的頂點(diǎn)數(shù)量相同。但是在繪制體單元時(shí)，DrawArrays（）無(wú)法直接繪制長(zhǎng)方體，需要依次畫(huà)出6個(gè)面，共需24個(gè)頂點(diǎn)。事實(shí)上，長(zhǎng)方體只需要8個(gè)頂點(diǎn)。為了避免重復(fù)，節(jié)省內(nèi)存，同時(shí)也為在模擬過(guò)程中控制體單元變形，在繪制體單元時(shí)，采用引索數(shù)組方式DrawElementsUInt（）進(jìn)行圖形繪制。采用引索數(shù)組后，每個(gè)體單元只儲(chǔ)存8個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，而且改變某一個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，該頂點(diǎn)相關(guān)的面都會(huì)改變。由于MSC.Marc中未能提供法線信息，法線向量需要根據(jù)頂點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算。為了避免由于法線錯(cuò)誤造成的單元不可見(jiàn)，需要獲取面單元的渲染狀態(tài)集StateSet，在StateSet中關(guān)閉背面剔除，并且通過(guò)setTwoSided（）設(shè)置雙面光源。

圖3 MSC.Marc中的橋梁有限元模型

表1 MSC.M arc軟件提供的數(shù)據(jù)類型

圖4 基于MSC.Marc數(shù)據(jù)的OSG橋梁場(chǎng)景模型

（3）場(chǎng)景模型

在MSC.Marc的橋梁和車輛有限元模型中，包括體、面、線三種不同類型單元，共計(jì)2萬(wàn)多個(gè)單元。根據(jù)上述方法，在OSG中建立橋梁的場(chǎng)景模型如圖4所示。通過(guò)圖3和圖4進(jìn)行對(duì)比，OSG的橋梁場(chǎng)景模型和MSC.Marc中橋梁有限元模型是一致的。

3.2 橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)

在OSG的橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，主要包括兩部分工作：通過(guò)MSC.Marc的DispOut文件實(shí)現(xiàn)橋梁垮塌變形控制和根據(jù)DelElem文件實(shí)現(xiàn)對(duì)特定單元的“殺死”模擬。

圖5 橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)流程

（1）垮塌動(dòng)畫(huà)控制

在OSG中，有專門(mén)用于制作動(dòng)畫(huà)Animation類，但是，Animation類一般不適合單元數(shù)量巨大的有限元模型的變形動(dòng)畫(huà)。因此，本文利用OSG的更新回調(diào)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁變形動(dòng)畫(huà)。

OSG通過(guò)回調(diào)（CallBack）完成每一幀的系統(tǒng)中所需工作。在OSG中，設(shè)有節(jié)點(diǎn)（Node）、幾何體（Drawable）、鏡頭（Camera）等多種回調(diào)機(jī)制，在幾何體回調(diào)中有一種幾何體更新遍歷（DrawableUpdateCallback）可以通過(guò)重載函數(shù)update（），實(shí)現(xiàn)幾何體的內(nèi)容更新［16］。

繼承DrawableUpdateCallback類，建立新的DisplaceUpdate類。在DisplaceUpdate類中重載update（）函數(shù)，在每一步回調(diào)中，通過(guò)getVertexArray（）函數(shù)獲得Geometry的頂點(diǎn)數(shù)組，然后將有限元的頂點(diǎn)位移數(shù)據(jù)在頂點(diǎn)數(shù)組中更新，最后通過(guò)dirty（）函數(shù)更新頂點(diǎn)數(shù)組，經(jīng)過(guò)回調(diào)后，每個(gè)Geometry的變形就實(shí)現(xiàn)了。

通過(guò)Geode的getDrawable（）函數(shù)可以獲得每一個(gè)Geometry的指針，然后可以通過(guò)setUpdateCallback（）可以將每個(gè)Geometry關(guān)聯(lián)到重載的update（）函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)橋梁模型的變形動(dòng)畫(huà)。在update（）可以通過(guò)osg：：Timer：：instance（）－＞tick（）獲取開(kāi)始執(zhí)行時(shí)時(shí)間和更新完成時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)的時(shí)間控制，見(jiàn)圖5。此外，為了動(dòng)態(tài)調(diào)用頂點(diǎn)的內(nèi)存，橋梁場(chǎng)景模型建模時(shí)，要使用VBO（Vertex Buffer Object）模式，關(guān)閉默認(rèn)的顯示列表模式。

（2）“殺死”單元模擬

在有限元模擬中，在某些時(shí)間點(diǎn)上一些單元會(huì)因?yàn)樽冃芜^(guò)大而被“殺死”，在場(chǎng)景模擬中表現(xiàn)為單元不可見(jiàn)。在OSG中，有很多方法可以實(shí)現(xiàn)圖形的不可見(jiàn)，比如設(shè)置透明色或不使物體進(jìn)入渲染通道等。本文采用的方法是將“殺死”單元的坐標(biāo)都設(shè)為零。置零后的單元都形成了點(diǎn)，OSG中有微小剔除功能，所以這些點(diǎn)將不可見(jiàn)。需要指出的是，在更細(xì)致的場(chǎng)景模擬中，這些“殺死”單元并不是在圖形上消失了，而應(yīng)為破碎或者脫離的碎塊。因此，關(guān)于“生死單元”的模擬還有待進(jìn)一步研究。

圖6 MSC.M arc模擬結(jié)果和OSG橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)（2.3 s）

圖7 MSC.M arc模擬結(jié)果和OSG橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)（7.8 s）

圖8 MSC.M arc模擬結(jié)果和OSG橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)（9.4 s）

3.3 垮塌動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)本文的方法，使用MSC.Marc模型文件在OSG中建立橋梁場(chǎng)景模型，通過(guò)MSC.Marc模擬數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了橋梁垮塌過(guò)程的場(chǎng)景模擬動(dòng)畫(huà)。本文將橋梁垮塌的MSC.Marc模擬結(jié)果和OSG橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)進(jìn)行對(duì)照，整個(gè)倒塌過(guò)程持續(xù)時(shí)間為9.4 s，三種不同時(shí)刻的垮塌情況如圖6～圖8。

從圖6～圖8可以看出，基于OSG的橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)與MSC.Marc有限元的模擬結(jié)果是一致的?；贠SG的橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)具有科學(xué)性，同時(shí)，在OSG場(chǎng)景中橋梁垮塌動(dòng)畫(huà)具有場(chǎng)景模擬的優(yōu)勢(shì)。在場(chǎng)景模型中，可以通過(guò)紋理、光照技術(shù)等增加橋梁模型的真實(shí)感，還可以加入垮塌過(guò)程中橋梁破碎、煙塵等特效，同時(shí)還可以加入地形、周邊環(huán)境等場(chǎng)景，形成更為逼真的橋梁垮塌場(chǎng)景模擬。

圖9 基于OSG的橋梁垮塌漫游場(chǎng)景

4 橋梁垮塌場(chǎng)景漫游

橋梁垮塌事故鑒定及橋梁力學(xué)研究都需要對(duì)橋梁垮塌過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的了解，因此要求在虛擬場(chǎng)景中充分地觀察橋梁垮塌情況。本文開(kāi)發(fā)了橋梁垮塌場(chǎng)景漫游系統(tǒng)，可以任意路徑、任意角度對(duì)橋梁垮塌情況進(jìn)行觀察。

漫游系統(tǒng)首先需要定義漫游操作，如按“W”鍵前進(jìn)、按“A”鍵左移等。漫游的過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為觸發(fā)事件、事件響應(yīng)和場(chǎng)景改變?nèi)齻€(gè)步驟，在OSG中對(duì)應(yīng)的三個(gè)類，管理觸發(fā)事件類osgGA：：GUIEventHandler，管理事件響應(yīng)并聯(lián)系場(chǎng)景控制的類osgGA：：CameraManipulator，場(chǎng)景管理的核心類是osg：：Viewer。在OSG中，采用osgGA：：Camera-Manipulator作為基類定義Walkthrough類，在類中定義場(chǎng)景控制要素和與場(chǎng)景管理類osg：：Viewer的接口，并且重載osgGA：：GUIEventHandler中的handle（）函數(shù)來(lái)定義觸發(fā)事件，如鼠標(biāo)移動(dòng)、按鍵盤(pán)等。最終，利用viewer.setCameraManipulator（new Walkthrough（））載入Walkthrough類一個(gè)實(shí)例就可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游操作了。在漫游系統(tǒng)中，還需要設(shè)置碰撞檢測(cè)，以增加漫游的真實(shí)感。

本文對(duì)基于MSC.Marc數(shù)據(jù)生產(chǎn)的橋梁垮塌模型賦予簡(jiǎn)單材質(zhì)，并且加入水面、地形、天空等環(huán)境要素，構(gòu)成具有一定真實(shí)感的場(chǎng)景。將該場(chǎng)景載入到本文開(kāi)發(fā)的橋梁垮塌場(chǎng)景漫游系統(tǒng)，系統(tǒng)中不同的漫游場(chǎng)景見(jiàn)圖9。

通過(guò)圖9可以看出橋梁場(chǎng)景漫游系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)垮塌橋梁多角度、多方位的觀察，同時(shí)構(gòu)建了一個(gè)具有真實(shí)感和科學(xué)性的橋梁垮塌場(chǎng)景，為橋梁垮塌事故鑒定和事故結(jié)果展示提供了技術(shù)支持。但是，橋梁垮塌模型紋理技術(shù)和垮塌特效技術(shù)還有待于進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

本文通過(guò)MSC.Marc對(duì)某鋼筋混凝土橋梁垮塌過(guò)程進(jìn)行了模擬，基于Marc數(shù)據(jù)在OSG平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了橋梁垮塌場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)，并開(kāi)發(fā)了具有一定真實(shí)感的橋梁垮塌場(chǎng)景漫游系統(tǒng)。橋梁場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)與Marc模擬結(jié)果一致，表明文中基于OSG的橋梁垮塌場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)方法的有效性?；谖闹袠蛄嚎逅蜗到y(tǒng)構(gòu)建的橋梁垮塌虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，更加科學(xué)、真實(shí)的還原了橋梁垮塌場(chǎng)景，為準(zhǔn)確的橋梁垮塌事故鑒定提供技術(shù)支持。

［1］陳明憲.從鳳凰堤溪大橋事故談石拱橋［J］.公路工程.2008.06，33（3）：1-9.

［2］Zhu，S.，Levinson，D.，Liu，H.and Harder，K.The traffic and behavioral effects of the I-35W Mississippi river bridge collapse［C］.Transportation Research Board Annual Meeting 2009 Paper＃09-2164，2009.

［3］NIST.Final report on the collapse of world trade centre building 7［R］.2008，11.

［4］Baylot，JT.Numerical Simulation of Alternate Scenario for Khobar Towers［C］.Proceedings of 68th Shock and Vibration Symposium（Limited Distribution），Hunt Valley MD，1997.

［5］National Transportation Safety Board.Highway Accident Report-Collapse of Interstate 35W Highway Bridge［EB／OL］.http：／／www.ntsb.gov／events／2008／minneapolismn／presentations.htm，2010-8-19.

［6］D.Isobe，M.Tsuda.Seismic collapse analysis of reinforced concrete framed structures using the finite element method［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2003，32（13）：2027-2046.

［7］陸新征，葉列平，江見(jiàn)鯨等.考慮地震行波效應(yīng)大型高架橋梁破壞模擬［J］.工程抗震與改造加固，2007，29（3）：1-5.

［8］Kumar P and Bhandari NM.Non-linear Finite Element A-nalysis of Masonry Arches for Prediction of Collapse Load［J］.Structural Engineering International，2005，15（3）：166-175.

［9］吳祚寶，肖田元.虛擬制造環(huán)境下有限元分析的應(yīng)用［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，40（7）：66-69.

［10］吳鵬，趙龍，王勇軍等.一種于基于有限元的形變模型算法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2001，13（5）：674-677.

［11］Igor N.et al..Real-time simulation of elastic objects in virtual environments using finite element method and precomputed Green's functions，Proceedings of the workshop on virtual environments 2002（Wolfgang S.and Stefan M.，editors），Barcelona，Spain，2002，47-52.

［12］于巍，吳煒煜.三維可視化仿真技術(shù)與災(zāi)害虛擬表現(xiàn)［J］.中國(guó)體視學(xué)與圖像分析，2001，6（2）122-127.

［13］陳俊濤，肖明，鄭永蘭.用OpenGL開(kāi)發(fā)地下結(jié)構(gòu)工程三維有限元圖形系統(tǒng)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（5）：1015-1020.

［14］肖鵬，劉更代，徐明亮.OpenSceneGraph三維渲染引擎編程指南［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［15］王銳，錢(qián)學(xué)雷.OpenSceneGraph三維渲染引擎設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

Preliminary Study on Scene Simulation of Bridge Collapse Based on FEM

Xu Zhen，Ren Aizhu，Lu Xinzheng
（Institute of Disaster Prevention and Relief，Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

To replay the process of bridge collapse scientifically and realistically and assist the technical appraisals for bridge collapse accidents，the scene simulation of bridge collapse on VR platform based on FEM is studied in this paper.By the data of FEM simulation of bridge collapse，the bridge scene model and the animation of bridge collapse are realized in 3D graphic engine OSG.Based on the model of bridge collapse，a scene walkthrough system with realistic graphics is developed in this paper.By comparing the animation of bridge collapse in OSG with the FEM simulation of bridge collapse，the methods of creating bridge scene model and realizing the animation of bridge collapse prove to be operative.This paper combines FEM simulation and VR simulation to provide a scientific and realistic virtual scene for the technical appraisals of bridge collapse accidents.

Bridge collapse；Scene simulation；FEM；VR；OSG

TP391.9

A

1674－7461（2010）04－0014－07

交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（編號(hào)：2008-318-223-43）

許鎮(zhèn)（1986－）男，博士生。主要從事虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與結(jié)構(gòu)仿真方面的研究。E-mail：martin31567＠gmail.com