多媒體技術的發展對于傳統數字仿真技術,從概念、方法和體系上不僅具有改造、拓展,甚至有重新構造的影響意義。所謂多媒體仿真,是指采用不同媒體形態描述不同性質的模型信息,建立反映系統內在運動規律和外在表現形式的仿真模型,在仿真運行時可產生定性、定量相結合的系統動態演變過程,以多維信息綜合表達仿真結果。

目前,國內用于建筑工程設計分析的軟件尚不具備上述多媒體仿真的概念和功能,他們或者僅用于結構分析計算,或者僅用于外觀及其內部構型的建模繪制。美國軟件SAP具備完整的動力分析功能,并能用三維線框法表示各階振型,但不具備三維實體結構動力響應的實時動態顯示等多媒體仿真功能。西英格蘭大學的倫敦塔建模軟件建立了塔架與周圍環境表現關系; 希臘Nat l大學Symakex zisC. 等人采用真實實驗圖象與計算機模型匹配方法建立塔架在地震荷載作用下的行為模型,在實體可視化方面取得了積極成果。美國國家宇航局Ames研究中心研制的分布式虛擬風洞 , 是基于虛擬現實技術的大型系統,要求的設備條件遠非獨立微機可以實現,也難在一般設計院所推廣應用。

筆者認為: 多媒體仿真系統軟件設計的關鍵技術是建立仿真對象的動態的多媒體表現模型,使內在數理規律與外在媒體表現、行為模式與形態模式、抽象時空與形象時空具有一致性表示。因此,在研究工程設計分析多媒體仿真原型系統時,作者提出了集建筑建模器、結構力學分析器、動態仿真演示器于一體的“三器一體化”設計方案,并在高檔微機上實現了風荷載作用下高聳結構多媒體仿真系統SIMUW HIS ( multimedia SIMUlatio n system ofWind-induced HIgh-ri se St ructure) ,為在工程設計研究和分析中使用桌式多媒體仿真,進行了成功的探索。

1　建筑工程多媒體仿真技術的理論方法

　　建筑工程多媒體仿真系統強調工程中建筑實體及其場景物理屬性建模和自然表觀屬性建模的結合、建筑結構系統響應定性分析與定量分析的結合、以及仿真表現的抽象數理結果和形象媒體表現的時空結合。無論從建模機制、仿真環境、還是成果表現上看,多媒體仿真技術在建筑工程領域中都具有突破性的發展。

1. 1　面向建筑實體的新型建模機制

建筑工程多媒體仿真系統是面向仿真對象的。仿真對象與現實世界中的真實建筑實體相對應,既是系統分析的基本概念單位,也是系統設計的基本模型單位,還是仿真程序的基本編程單位。建筑結構的仿真模型由具有層次化和多媒體屬性的仿真對象及各對象之間的關系組成。仿真對象包含了關于該對象的所有表觀屬性定義、物理數學模型和在仿真中所有可能的操作。而仿真模型描述仿真所包含的所有對象、對象之間的層次關系以及仿真對象之間相互作用的制約關系。

1. 2　建筑工程多媒體仿真環境設計的新特點

建筑工程多媒體仿真環境的設計與傳統數字仿真有很大的不同,從功能和核心技術看,主要有以下幾個方面:

· 支持建筑實體仿真對象從建模到仿真過程的多種媒體的表現;

· 所建建筑實體仿真對象在一定的仿真機制下運行時,能體現其固有的或虛擬的媒體特征,包括自動生成運動方程。

· 支持建筑工程仿真系統的實驗校正和交互控制。

· 支持仿真數據的管理、操作和查詢。

對于建筑工程仿真而言,還特別要求支持如下核心技術: 三維工程數據場的顯示技術; 四維曲面空間數據場靜態顯示和動態顯示及控制技術; 不同媒體對象的歸一化處理和集成技術。

2　SIMUWHIS系統的設計機制

2. 1　系統的體系結構

SIMUWHIS系統是依據建筑工程領域自身的特點,結合建筑工程的建模、結構分析等技術而建立的,研究高聳結構隨機荷載作用下的運動規律,并通過多種媒體表現形式反映出來的建筑工程多媒體仿真原型系統。SIMUW HIS系統的整體設計以建筑工程的設計過程為指導,即沿用建模→分析→表現的基本思路,將整體結構分為仿真對象建模、仿真執行求解以及仿真表現三大模塊。其功能模塊的實現跨學科、跨專業,涉及到多媒體技術、仿真技術、計算機圖形圖像學、計算機視覺、多/高維工程數據場的可視化技術、隨機過程理論、結構分析理論等多學科領域的理論技術探索與應用。

SIMUWHIS系統的各個功能模塊都分為形態模型的實現和行為模型的實現。這樣不僅明確建立了SIMUW HIS系統仿真對象的多媒體模型,又有助于仿真執行和演示的多媒體表現,具有獨特的多媒體仿真系統特性,其體系結構如圖1所示。

3　SIMUWHIS系統主要功能模塊

　　SIM UW HIS系統主要功能模塊有: 仿真建模器、結構靜/動力分析器和仿真演示器,它們分別完成仿真建模、仿真執行和仿真演示任務。

3. 1　仿真建模器

SIMUW HIS系統仿真建模器是該系統的基礎模塊,也是最重要的模塊之一。它擔負著系統的兩大主要仿真對象: 塔架和風荷載在抽象的數理邏輯空間和形象的媒體表現空間兩大空間上的建模,并建立兩個空間的映射關系。對象仿真模型的確切與否直接關系到整個仿真過程及結果的真實性。因此是整個系統的關鍵所在。

3. 2　SIMUWHIS風振響應解析器

是該仿真系統的內核。用于建立仿真執行的數理規律; 計算仿真執行的結果數據。SIMUW HIS系統靜/動力分析器利用由仿真建模器創建的模型數據,輸出仿真結果數據,作為仿真演示器的原始數據。因此它是連接仿真建模器與仿真演示器的橋梁。SIMUW HIS系統靜/動力分析器的主要功能是:

1) 在等效靜力風荷載作用下求解塔架體系桿件的內力、應力和應變等靜力響應; 該數據一方面是作為塔架桿件結構設計選型的根據,另一方面也可以作為該系統實驗校正工具的原始數據,可以依據已有塔架設計資料讓用戶對本系統進行一個可靠度測試。

2) 以脈動風荷載作為結構輸入,求解塔架在隨機荷載作用下的動力響應: 位移、速度、加速度。并由此求解塔架結構的運動軌跡。

3. 3　系統仿真演示器

SIMUWHIS系統仿真演示器是該系統的外在表現環境。它將仿真器建立的系統模型數據和解析器演算的系統行為數據轉換成形象空間的時變媒體數據,將仿真擴展到非數字模型所描述的事物領域,使仿真結果具有定型表現解。SIMUWHIS系統仿真演示器的主要功能是:

1) 塔架及其場景的真實感表現、塔架風振響應應力場的表現、塔架時程行為的動態演示等定型表現;

2) 三維空間坐標的顯示控制、SIMUW HIS系統仿真對象相互作用判斷與控制、仿真對象的表現媒體選擇與協調應用、仿真對象多種媒體表現的同步控制等。

4　實例分析

采用江蘇濱海電視塔作為仿真分析的對象。江蘇濱海電視塔建于1983年,塔高134. 5 m,其中天線桿39 m,塔架95. 5 m。塔架為四邊形桁架結構,腹桿為柔性交叉斜桿體系。塔架標高84. 5 m處有一面積為56 m2 的微波機房,在標高106. 5 m處有一面積為9 m2 的工作平臺。塔架采用基本風壓0. 4kN /m2計算。

4. 1　高聳塔架的整體建模

進入SIMUW HIS系統后, 首先進行塔架的三維實體建模。SIMUW HIS系統同時提供了建筑場景的真實感繪制工具,其中包括場景光照效果設計以及建筑實體的材質選擇和紋理映射。

4. 2　脈動風荷載的建模與設計

為建立風荷載的等效靜力模型和隨機脈動模型,需要輸入一些基本信息,其中包括本地區的基本風速、風向角、建筑所在地面粗糙度等級等。對于脈動風的建模,采用ARMA模型設計及參數估計的方法來擬合給定功率譜密度的脈動風記錄。用戶可以自行選擇脈動風的功率譜密度,從而確定仿真風荷載的隨機特性。圖2顯示了ARM A模型生成的脈動風記錄擬合Davenpo rt譜的功率譜密度。

4. 3　塔架的靜力響應分析與計算

SIMUW HIS靜力響應解析器用于計算塔架承受的等效靜風荷載、塔架各桿件的內力/應力,并為塔架的動力分析提供必要的數據。用戶可以采用察看結構列表數據的形式觀察結構的分析結果。此外,系統還提供了四維空間應力場的表現工具供用戶觀看塔架體系的應力分布情況,采用彩色灰度分布圖的表現方法將色度值與應力值相對應,十分直觀清晰(由于印刷限制未列彩圖) ,用戶可以很容易的獲取塔架應力分布的規律,由此找出當前截面設計下的最不利桿件或不合格桿件。

4. 4　系統動態響應分析與表現

SIMUW HIS系統的結構動態響應分析主要包括脈動風荷載的時程曲線生成,塔架結構的動態響應計算(包括位移、速度和加速度)、塔體頂端最大位移時程曲線的生成以及塔架三維空間實體變形的實時動畫生成與演示。

在進行脈動風仿真動態分析與演示時,整個界面分成3個主要窗口: 脈動風時程曲線瀏覽窗、塔架最大位移時程曲線瀏覽窗以及塔架空間三維實體變形動畫演示窗(參見圖4)。通過這3個窗口,用戶就可以實時監測各仿真對象的運動狀態、仿真執行的進程以及仿真的結果數據。

5　結　論

本文探索了多媒體仿真技術在建筑工程領域應用的理論方法和技術實現,并建立一個建筑工程多媒體仿真系統原型,同時以高聳結構的風振響應這一具有典型性的和綜合性的熱點課題作為仿真實例,建造了一個集建筑建模-結構分析-仿真演示于一體的高聳結構風振響應多媒體仿真系統,為充分發揮多媒體仿真技術在建筑工程設計與研究中的作用提供了一條有效的途徑。

在總結原型系統的設計與研制經驗中,認為多媒體仿真支持的新型建筑設計分析系統在系統建模、過程控制和結果表現等方面能夠更好的適應建筑工程的設計和研究的需要。因此,多媒體仿真在建筑工程領域具有廣闊的發展空間和應用前景。