惠記莊，樊博涵，丁 凱，程旭東，劉永健，程 高

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.陜西省“四主體一聯(lián)合”橋梁工程智能建造技術(shù)校企聯(lián)合研究中心，陜西 西安 710064)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁由于其具有自重輕[1]、成本低[2]、跨越能力強(qiáng)[3]及構(gòu)件可互換[4]等優(yōu)點(diǎn)，在城市建設(shè)中可采用現(xiàn)場(chǎng)組裝鋼橋的方式搭建高架橋，不僅可以降低施工對(duì)公共交通的影響[5]，而且可以減少因天氣原因?qū)е碌氖┕ぱ诱`[6]，提升了橋梁建造效率[7]。為保證鋼橋構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝精度，一般需在加工場(chǎng)地進(jìn)行預(yù)裝配工作，預(yù)裝配工作主要由人工完成，而人工預(yù)裝配過(guò)程具有耗時(shí)長(zhǎng)、精確度低及占用場(chǎng)地大等局限性[8-9]。目前，施工方采用人工監(jiān)測(cè)手段獲取鋼構(gòu)件裝配信息，在傳統(tǒng)鋼橋施工安裝過(guò)程中，易出現(xiàn)鋼橋節(jié)段側(cè)翻和位置偏移現(xiàn)象，從而降低裝配質(zhì)量，增加裝配風(fēng)險(xiǎn)[10]。因此，在現(xiàn)場(chǎng)組裝前，開(kāi)發(fā)一種高效、便捷的鋼橋裝配仿真平臺(tái)系統(tǒng)具有重要的工程意義[11]。

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在歐美國(guó)家已廣泛應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域，Martins等[12]設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)橋梁頂推施工工藝可視化軟件，促進(jìn)了施工人員對(duì)鋼橋頂推工藝的理解。Omer等[13]結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于Unity3D的橋梁表面缺陷檢測(cè)應(yīng)用程序，較傳統(tǒng)視覺(jué)方法提升了檢測(cè)準(zhǔn)確性。Sampaio等[14]開(kāi)發(fā)橋梁施工交互式應(yīng)用程序，支持學(xué)生和教師與VR虛擬模型進(jìn)行交互。

結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)和鋼橋裝配技術(shù)，中國(guó)許多高校、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也在跟進(jìn)研究。王長(zhǎng)波等[15]提出基于OpenGL橋梁仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，建立橋梁構(gòu)件庫(kù)和橋梁三維模型，最終實(shí)現(xiàn)橋梁模型可視化仿真。陳一駿等[16]提出了橋梁虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)理念，實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用。董忠波等[17]設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橋梁信息三維可視化監(jiān)測(cè)。文少軍[18]開(kāi)發(fā)橋梁施工進(jìn)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)VR施工進(jìn)度監(jiān)測(cè)。王瑜晨[19]提出一種基于Unity3D開(kāi)發(fā)的橋梁VR仿真設(shè)計(jì)模式，有效地提高了橋梁工程前期施工方案決策效率。針對(duì)鋼橋裝配過(guò)程存在的可視化程度和人機(jī)交互性低等問(wèn)題，本文提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工裝配仿真系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方案，以Unity3D引擎和HTC Vive頭戴顯示器和手柄為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)裝配式鋼橋進(jìn)行施工模擬，實(shí)現(xiàn)了吊裝施工工藝優(yōu)化，預(yù)測(cè)了鋼橋施工過(guò)程中碰撞危險(xiǎn)，提升了仿真系統(tǒng)可視化程度和交互性。

1 虛擬鋼橋梁施工裝配仿真系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)搭建之初，需要確定系統(tǒng)功能、總體架構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)開(kāi)發(fā)路線等。

1.1 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁裝配過(guò)程存在的技術(shù)難點(diǎn)和實(shí)際工程需要，搭建的仿真系統(tǒng)主要包括虛擬場(chǎng)景漫游、施工人機(jī)交互、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取、碰撞監(jiān)測(cè)四大功能模塊。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

(1)虛擬場(chǎng)景漫游功能

本系統(tǒng)利用Solidworks、Revit三維建模軟件、3ds Max三維渲染軟件，建立起重機(jī)和橋梁模型，調(diào)整模型參數(shù)；在Unity3D虛擬引擎中，搭建了虛擬鋼結(jié)構(gòu)橋梁裝配場(chǎng)景。系統(tǒng)為用戶提供了近乎真實(shí)的虛擬施工環(huán)境，用戶可以通過(guò)手動(dòng)操作鍵盤和鼠標(biāo)來(lái)瀏覽虛擬場(chǎng)景，能夠自由地漫游并靈活控制相機(jī)視角。針對(duì)鋼橋節(jié)段組裝場(chǎng)景，用戶預(yù)先選定節(jié)段組裝操作區(qū)域，使用Vive手柄實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，以便選擇合適的觀察角度進(jìn)行節(jié)段組裝。

(2)施工人機(jī)交互功能

人機(jī)交互功能分為節(jié)段組裝場(chǎng)景射線人機(jī)交互、吊裝施工過(guò)程人機(jī)交互。在節(jié)段組裝場(chǎng)景中，用戶操作虛擬手柄與UI交互，參照鋼橋節(jié)段工藝順序組裝鋼橋構(gòu)件。此外，用戶在虛擬系統(tǒng)中操作鍵盤和鼠標(biāo)控制起重機(jī)進(jìn)行前后移動(dòng)，伸長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)吊臂抓取鋼橋節(jié)段，起升下降吊臂安裝鋼橋節(jié)段至預(yù)定位置，從而實(shí)現(xiàn)起重吊裝作業(yè)功能。

(3)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取功能

通過(guò)編寫(xiě)C#腳本使系統(tǒng)場(chǎng)景UI顯示施工進(jìn)度信息和吊車操作指導(dǎo)。用戶在裝配仿真過(guò)程中，UI動(dòng)態(tài)監(jiān)控虛擬場(chǎng)景中起重機(jī)吊臂工作長(zhǎng)度、起升高度和主臂仰角關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)判斷吊裝過(guò)程中是否存在錯(cuò)誤的裝配操作，最終反饋至操作人員并糾正，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

(4)碰撞監(jiān)測(cè)功能

在鋼橋節(jié)段起重作業(yè)過(guò)程中，易出現(xiàn)節(jié)段與橋墩或者節(jié)段之間的干涉現(xiàn)象。系統(tǒng)基于Collider組件開(kāi)發(fā)了碰撞干涉檢測(cè)模塊，針對(duì)鋼橋節(jié)段在起重過(guò)程中可能出現(xiàn)的碰撞干涉情況進(jìn)行分析并及時(shí)預(yù)警。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了三層架構(gòu)體系，分別是數(shù)據(jù)層、中間層、應(yīng)用層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)層。虛擬裝配系統(tǒng)支持各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其中包括鋼結(jié)構(gòu)橋梁和施工設(shè)備模型信息、施工工藝信息、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境及圖片信息等。

(2)中間層。該層依據(jù)數(shù)據(jù)層信息，借助三維建模軟件構(gòu)建橋梁和設(shè)備模型，以虛擬引擎為支撐，通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)包(SDK)連接虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了具有通用交互行為的VR系統(tǒng)。

(3)應(yīng)用層。應(yīng)用層基于數(shù)據(jù)層和中間層封裝了系統(tǒng)的核心功能，主要實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景漫游、射線檢測(cè)交互、吊裝鋼橋節(jié)段和組裝鋼橋構(gòu)件等功能。

1.3 系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)路線

本系統(tǒng)確定鋼結(jié)構(gòu)橋梁為研究對(duì)象，分析鋼橋起重吊裝施工工藝，提出系統(tǒng)技術(shù)路線，如圖3所示。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，首先選取Unity3D虛擬引擎作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，搭建鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工場(chǎng)景。分別采用Solidworks軟件進(jìn)行施工設(shè)備建模和Revit軟件構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)橋梁模型，使用3ds Max軟件對(duì)起重機(jī)和橋梁模型進(jìn)行輕量化處理并導(dǎo)出fbx格式，最終導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中。其次，系統(tǒng)利用Unity3D的C#API驅(qū)動(dòng)3ds Max建立的三維模型，實(shí)現(xiàn)鋼橋吊裝施工過(guò)程仿真和碰撞檢測(cè)功能。設(shè)計(jì)UI界面監(jiān)測(cè)鋼橋?qū)崟r(shí)位置、起重機(jī)關(guān)鍵參數(shù)等。在系統(tǒng)安裝Steam VR 2.0插件后，用戶通過(guò)操作Vive手柄實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中的鋼橋節(jié)段組裝功能，通過(guò)部署VR一體機(jī)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行完善和測(cè)試，最終在不同客戶端進(jìn)行系統(tǒng)的發(fā)布運(yùn)行。

圖3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)路線

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬施工場(chǎng)景

Unity3D是一個(gè)多平臺(tái)的綜合型虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具和全面整合的專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎[20-21]。基于Unity3D提供的Terrain(地形系統(tǒng))、Light(光源系統(tǒng))、Camera(攝像機(jī)組件)和Skybox(天空盒組件)成功搭建施工場(chǎng)景，用戶通過(guò)控制鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游，提升系統(tǒng)的沉浸性。系統(tǒng)針對(duì)復(fù)雜模型采用LOD多細(xì)節(jié)層級(jí)顯示技術(shù)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性[22]。

系統(tǒng)根據(jù)無(wú)人機(jī)拍攝的現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境圖片還原虛擬施工場(chǎng)景，具體的操作步驟為：首先，在Hierachy右鍵彈出菜單欄，新建Terrain地形，并調(diào)整Terrain Width(地形寬度)、Terrain Length(地形長(zhǎng)度)和Terrain Height(地形高度)參數(shù)；其次，在菜單欄中選擇Light燈光模塊，新建Directional Light(直射光)為整個(gè)場(chǎng)景添加光照系統(tǒng)，添加Spotlight(點(diǎn)光源)，設(shè)置Spot Angle(照射角度)參數(shù)和Range(照射范圍)大小模擬路燈；再依次點(diǎn)擊菜單欄Window、Lighting、Settings、Skybox Material天空盒系統(tǒng)渲染天空，模擬真實(shí)鋼橋施工環(huán)境；最后，通過(guò)設(shè)置Camera組件參數(shù)，調(diào)整視圖區(qū)域的大小和形狀。通過(guò)以上操作步驟得到的鋼結(jié)構(gòu)橋梁虛擬施工環(huán)境如圖4所示。

圖4 虛擬施工環(huán)境

2.2 施工裝備模型

系統(tǒng)采用SolidWorks軟件建立起重機(jī)三維模型，因?yàn)镾olidWorks模型過(guò)于精細(xì)，面和面之間產(chǎn)生大量冗余，運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)會(huì)造成電腦負(fù)荷過(guò)大，因此將建立好的模型以step格式導(dǎo)入3ds Max軟件，然后對(duì)模型進(jìn)行減面處理以降低模型復(fù)雜度，并為模型材質(zhì)渲染貼圖[23]。Revit橋梁三維模型創(chuàng)建完成后，將模型以rvt文件作為媒介傳遞到3ds Max中，將其輸出為Unity3D可以識(shí)別的fbx格式，最終在Unity3D中進(jìn)行渲染。起重機(jī)模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后，分離汽車、吊臂、吊鉤和支腿構(gòu)件，針對(duì)不同構(gòu)件設(shè)置子父物體關(guān)系，并設(shè)置Transform組件中的Position、Rotation、Scale參數(shù)。圖5和圖6分別為調(diào)參后的起重機(jī)模型和橋梁模型。

圖5 起重機(jī)模型

圖6 橋梁模型

2.3 施工過(guò)程UI設(shè)計(jì)

UI在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中占據(jù)重要地位，不同的UI設(shè)計(jì)會(huì)直接影響用戶操作和系統(tǒng)交互體驗(yàn)[24]。在起重作業(yè)過(guò)程中，若操作人員不能及時(shí)獲取鋼橋?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，則無(wú)法判斷鋼橋節(jié)段是否按照預(yù)定吊裝工藝路線安裝，施工過(guò)程存在一定的安全隱患。UI能夠給操作人員實(shí)時(shí)傳遞簡(jiǎn)潔清晰的橋梁狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，因此通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)UI可以監(jiān)控橋梁實(shí)時(shí)位置信息和起重機(jī)關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)該界面可直觀查看當(dāng)前施工進(jìn)度、鋼橋節(jié)段關(guān)鍵參數(shù)及施工操作指導(dǎo)等(圖7)。

Canvas(畫(huà)布)組件屬于Unity3D的UI，該組件提供了可視化編輯功能。UGUI組件包括Text(文本)、Image(圖像)和Button(按鈕)功能模塊。系統(tǒng)UI界面在主攝像機(jī)上添加一個(gè)Canvas組件，在此基礎(chǔ)上調(diào)整主攝像機(jī)Position(位置)、Height(高度)、Rotation(角度)和Scale(尺寸)參數(shù)。設(shè)置完成后操作人員以第一人稱視角在Game面板中查看待架設(shè)鋼橋節(jié)段位置信息，減少起重作業(yè)過(guò)程中的安全隱患，提升了鋼橋裝配質(zhì)量。

2.4 射線檢測(cè)與UI交互設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不但可以滿足設(shè)備場(chǎng)景可視化，而且可以呈現(xiàn)逼真的三維效果和虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)交互[25-26]。本系統(tǒng)搭建了鋼橋節(jié)段裝配人機(jī)交互場(chǎng)景，如圖8所示。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Vive手柄，采用射線檢測(cè)與UI交互方法，實(shí)現(xiàn)鋼橋節(jié)段組裝功能，提高了系統(tǒng)的交互性和操作人員的沉浸感。

圖8 射線檢測(cè)與UI設(shè)計(jì)場(chǎng)景

具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是操作人員點(diǎn)擊Trigger鍵，系統(tǒng)虛擬手部模型發(fā)射射線，射線指向場(chǎng)景內(nèi)布置好的UI界面。通過(guò)C#擴(kuò)展腳本組件編寫(xiě)代碼定義射線與物體碰撞、停留、離開(kāi)3個(gè)事件，場(chǎng)景內(nèi)會(huì)逐幀刷新射線與UI碰撞信息并與上一幀已保存的信息進(jìn)行對(duì)比，來(lái)推算行為并觸發(fā)相應(yīng)事件。當(dāng)射線檢測(cè)到與UI界面碰撞時(shí)，按照鋼橋節(jié)段裝配工藝實(shí)現(xiàn)橫梁組裝、橫梁夾板組裝、夾板螺栓組裝和加頸肋組裝功能。各節(jié)段安裝完成后，運(yùn)輸至吊裝虛擬施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。

3 案例運(yùn)用

為測(cè)試系統(tǒng)施工裝配仿真應(yīng)用效果，以實(shí)際工程項(xiàng)目施工作為依托，對(duì)鋼橋吊裝施工仿真過(guò)程結(jié)果進(jìn)行模擬分析，獲取橋梁裝配過(guò)程中不同節(jié)段關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)對(duì)比參數(shù)與額定值大小，檢驗(yàn)本系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁概況及施工工藝分析

3.1.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁概況

圖9、10分別為鋼橋主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面和BIM模型，主梁結(jié)構(gòu)采用H型鋼梁結(jié)構(gòu)，橋梁寬度為1 000 mm，兩側(cè)防撞墻基礎(chǔ)寬度為50 mm，橋面鋪裝為900 mm，橋面設(shè)坡度為2%的雙向橫坡。

圖9 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:mm)

圖10 兩跨橋梁模型

K0+323.70上跨橋梁使用鋼材如下:節(jié)段主梁和橫梁所用的板材材料為Q345D鋼材，普通鋼筋材料為HRB400鋼筋，鋼主梁與混凝土橋面板間選用直徑22 mm圓柱頭栓釘連接。

3.1.2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)段劃分

橋梁立面圖和平面圖分別如圖11、12所示，項(xiàng)目施工橋梁為兩跨鋼結(jié)構(gòu)橋梁，橋長(zhǎng)45 020 mm，單孔跨徑為20 000 mm，總跨徑為40 000 mm。為便于運(yùn)輸和裝配，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行節(jié)段劃分，經(jīng)計(jì)算后將鋼板組合梁分為3個(gè)節(jié)段，各節(jié)段的長(zhǎng)度分別為13 000、14 000、13 000 mm。

圖11 橋梁立面圖(單位:cm)

3.2 案例運(yùn)行

3.2.1 系統(tǒng)登錄

系統(tǒng)登錄/注冊(cè)界面和功能模塊選擇界面分別如圖13、14所示，用戶登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)校驗(yàn)用戶名密碼，校驗(yàn)正確后，進(jìn)入系統(tǒng)功能菜單，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工要求，選擇所需功能模塊進(jìn)入鋼橋施工裝配場(chǎng)景。

圖13 系統(tǒng)登錄/注冊(cè)界面

圖14 系統(tǒng)功能模塊界面

3.2.2 施工吊車物理仿真及節(jié)段吊裝

用戶進(jìn)入鋼橋節(jié)段吊裝施工界面后，在虛擬環(huán)境中模擬起重機(jī)吊裝作業(yè)。起重機(jī)支腿支撐如圖15所示。起重機(jī)就位后，用戶使用鍵盤操作起重機(jī)支腿外伸著地，支腿臨時(shí)固定起重機(jī)位置。鋼節(jié)段吊裝施工過(guò)程如圖16所示。起重機(jī)位置固定后，吊鉤抓取鋼橋節(jié)段，用戶使用鍵盤起吊鋼橋節(jié)段至預(yù)設(shè)位置，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)吊裝作業(yè)功能。

圖15 起重機(jī)支腿支撐

圖16 鋼節(jié)段吊裝施工過(guò)程

在Unity3D中，系統(tǒng)依據(jù)Name屬性判斷吊鉤是否與鋼橋節(jié)段發(fā)生碰撞，當(dāng)?shù)蹉^檢測(cè)到與鋼橋節(jié)段主梁碰撞時(shí)，鋼橋節(jié)段成為吊臂子物體，實(shí)現(xiàn)吊臂抓取鋼橋節(jié)段功能。

3.2.3 施工數(shù)據(jù)獲取

在Unity3D中，用戶在Canvas畫(huà)布上部署系統(tǒng)所需組件，通過(guò)C#腳本技術(shù)，可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)獲取鋼橋位置信息。運(yùn)用C#語(yǔ)言獲取鋼橋節(jié)段空間位置信息代碼如下：

if(x1Judge==true&&x2Judge==false&&

x3Judge==false)

{float x1 =jieduan1.position.x;

float y1 =jieduan1.position.y;

float z1 =jieduan1.position.z;

textX.text=x1.ToString();

textY.text=y1.ToString();

textZ.text=z1.ToString();}

UI顯示的鋼橋節(jié)段質(zhì)量、編號(hào)和施工進(jìn)度信息等如圖17所示。在鋼橋節(jié)段起吊過(guò)程中，已安裝好的節(jié)段與待架設(shè)節(jié)段如果發(fā)生碰撞干涉，系統(tǒng)UI進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)警，反饋至施工人員進(jìn)行施工工藝優(yōu)化，保證了施工過(guò)程的安全性。

圖17 數(shù)據(jù)獲取與UI顯示

3.2.4 沉浸式虛擬漫游

沉浸式虛擬裝配的關(guān)鍵是為操作人員提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，給予用戶高度的沉浸感[18]。為提升鋼橋裝配系統(tǒng)的沉浸感，系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。施工場(chǎng)景虛擬漫游如圖18所示。用戶頭戴HTC顯示器以第一人稱視角進(jìn)行漫游，手持Vive手柄在規(guī)劃好的區(qū)域分別進(jìn)行上下左右轉(zhuǎn)向和移動(dòng)，以便于用戶調(diào)整視角。起重機(jī)起吊作業(yè)時(shí)，用戶可通過(guò)漫游功能觀察鋼橋構(gòu)件間的位置關(guān)系，對(duì)可能產(chǎn)生碰撞干涉的位置進(jìn)行標(biāo)記，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖18 施工場(chǎng)景虛擬漫游

3.2.5 射線檢測(cè)交互

在鋼橋節(jié)段組裝場(chǎng)景中，系統(tǒng)采用射線與UI交互的方式，用戶可以使用手柄對(duì)虛擬場(chǎng)景中的鋼橋構(gòu)件進(jìn)行操作。射線檢測(cè)交互如圖19所示。用戶控制手柄按鍵，場(chǎng)景中的虛擬手部模型發(fā)射射線，從而與場(chǎng)景內(nèi)UI進(jìn)行碰撞檢測(cè)。當(dāng)射線檢測(cè)到與UI發(fā)生碰撞時(shí)，對(duì)節(jié)段構(gòu)件進(jìn)行移動(dòng)組裝，實(shí)現(xiàn)鋼橋節(jié)段組裝功能。

圖19 射線檢測(cè)交互

3.3 案例分析

按照鋼橋吊裝施工裝配工藝要求，操作人員運(yùn)行本系統(tǒng)，穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，操作Vive手柄實(shí)現(xiàn)鋼橋節(jié)段組裝和吊裝施工仿真，通過(guò)多次對(duì)鋼橋節(jié)段吊裝施工過(guò)程仿真，得到各節(jié)段在施工過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示。

表1 鋼節(jié)段吊裝施工裝配過(guò)程參數(shù)

施工設(shè)備采用STC350C5-1型號(hào)汽車起重機(jī)，表2為起重機(jī)性能參數(shù)，對(duì)比仿真數(shù)據(jù)與施工設(shè)備參數(shù)，在起重吊裝作業(yè)過(guò)程中，鋼橋各節(jié)段質(zhì)量、吊臂最大工作長(zhǎng)度和最大起升高度均未超過(guò)額定值，主臂最大仰角在工作額定值范圍之內(nèi)，保證了施工過(guò)程中的安全性；按照施工工藝要求，起重機(jī)起吊節(jié)段1時(shí)，起吊垂直高度應(yīng)高于5.8 m，否則節(jié)段1端部易與橋臺(tái)產(chǎn)生干涉碰撞，起吊節(jié)段2時(shí)，為避免與節(jié)段1端部和橋墩發(fā)生碰撞，起重機(jī)起升高度應(yīng)高于6.7 m，起吊節(jié)段3時(shí)，為避免與節(jié)段2端部和橋臺(tái)發(fā)生碰撞，起重機(jī)起升高度應(yīng)高于6.2 m；此外，施工人員穿戴HTC Vive設(shè)備，按照鋼橋節(jié)段裝配工藝順序進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)了節(jié)段組裝功能，驗(yàn)證了射線與UI交互功能的可靠性；系統(tǒng)配置HTC頭戴設(shè)備，提高了系統(tǒng)的可視化程度和沉浸感，操作人員使用Vive手柄和鍵盤，實(shí)現(xiàn)了裝配過(guò)程中的人機(jī)交互功能。

表2 STC350C5-1汽車起重機(jī)性能參數(shù)

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文開(kāi)發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁裝配化施工仿真系統(tǒng)，包括鋼橋節(jié)段組裝場(chǎng)景和節(jié)段吊裝場(chǎng)景。系統(tǒng)重構(gòu)了吊車設(shè)備、攝像機(jī)和施工場(chǎng)景，引入了碰撞、UGUI和射線檢測(cè)等技術(shù)，提高了虛擬施工的效果。

(2)系統(tǒng)部署HTC Vive設(shè)備與虛擬場(chǎng)景連接，操作人員以第一人稱視角實(shí)現(xiàn)鋼橋裝配和節(jié)段組裝，使施工具有真實(shí)性及臨場(chǎng)感，提高用戶對(duì)鋼橋施工全過(guò)程的認(rèn)知與交互，滿足施工單位高效獲取信息進(jìn)行決策的要求。

(3)系統(tǒng)以實(shí)際工程項(xiàng)目鋼橋進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比節(jié)段關(guān)鍵參數(shù)與額定值大小，各鋼橋節(jié)段關(guān)鍵參數(shù)均未超過(guò)額定值；為保證施工質(zhì)量和安全，吊車在起吊階段時(shí)起升高度應(yīng)高于限定值。該系統(tǒng)在鋼橋施工過(guò)程中適用性好，可以滿足鋼橋裝配化施工的安全性、智能化要求。