基于 Unity3D 平台的交互式桥梁施工仿真教学系统研制

基于Unity3D平台的交互式桥梁施工仿真教学系统研制〔〕:

摘要：先进的桥梁施工技术在现代桥梁工程开展历程中起着举足轻重的作用，理解并掌握大型桥梁施工关键技术对道路与桥梁专业本科生非常重要。目前传统的?桥梁工程?课程教学形式仍存在诸多弊端，使学生仅通过课堂讲授及课本学习无法直观深化地理解桥梁施工涉及的关键技术。此外，大型桥梁构造施工工期较长，而暑期短暂的消费实习无法涵盖桥梁施工全过程，使得本专业学生在本科阶段难以获得相关方面的锻炼与培养。基于Unity3D平台研制一套针对桥梁施工全过程的互动式教学仿真系统，以真实大型连续刚构桥为实例，建立桥梁施工过程三维动态仿真模型，采取可视化与信息化的操作界面，实现桥梁施工过程的交互式动态仿真。通过亲身操作大型桥梁的模拟建造过程，加深对桥梁施工建造技术知识的理解与掌握，对桥梁工程课堂教学形成有益补充。

关键词：Unity3D；桥梁施工；教学改革；三维建模；交互式仿真

本文引用格式：尹涛，等.基于Unity3D平台的交互式桥梁施工仿真教学系统研制[J].教育现代化,2022,6(61):160-164.

?桥梁工程?课程是高等院校土木工程学科道路与桥梁专业方向的必修课程之一，通过这门课程的学习，学生可以掌握常用桥梁的构造设计原理、计算以及施工知识【1】。而当前高等工程教育的课堂教学形式仍然是以教师口头授课为主，这种重理论轻理论的教学形式无法适应桥梁工程理论性强的特点，类似问题也存在于?桥梁工程?教学之中【2】。这使得本专业学生在大学本科阶段较难获得相关方面充分的锻炼和培养，与?华盛顿协议?所要求的大学工程类本科生工程理论环节的教育培养目的明显不符。因此，有必要探究更有效的理论教学方法和手段。

随着计算机技术的飞速开展，作为重要分支之一的虚拟仿真技术在土木工程领域的应用日益广泛。利用桥梁工程仿真技术可以模拟复杂的工程模型并进展静力和动力学计算以解决实际工程中的大型运算问题【3】。仿真教学法在建立三维模型的根底上可以制作出仿真动画来模拟桥梁构造的施工工艺和构造特点，能让学生进一步深化理解其在课堂上所学知识【4】。然而，目前的仿真教学手段主要是在课堂讲授过程中辅以播放动画演示视频的方式，仍是学生被动地承受知识，缺少学生主动参与教学互动的环节，使得学生对于桥梁施工详细过程以及所涉及的相应关键技术问题仍然一知半解。

本文基于Unity3D软件平台研制了一套互动式桥梁构造施工仿真教学系统，该系统试图打造一个与实际桥梁工程工程施工高度贴合的虚拟仿真环境。在该仿真系统中，用户可以基于桥梁设计图纸，充分运用所掌握的桥梁工程专业知识通过一定的操作步骤以及用户指令来模拟建造出一整座桥梁。该仿真系统能让用户与桥梁施工动态模型进展直接互动，合理调配各种施工机械和施工人员，亲手参与完好桥梁的虚拟建造过程，既锻炼了学生读图识图才能、动手操作才能以及工程施工组织相关才能，也大大进步了桥梁工程施工技术知识的传授效果，同时也能较好实现土木工程类大学生本科阶段相关课程的理论教学培养目的。

一桥梁施工仿真系统实现

〔一〕Unity3D开发平台简介

Unity3D是由UnityTechnologies公司开发的一款全面整合的专业虚拟仿真引擎软件，用户可以基于该平台开发包含各种互动内容的多平台虚拟现实环境，例如构造可视化、建筑内外三维遨游、施工三维动画等。Unity3D平台编辑器可以在多种操作系统下运行，其开发产品可以在电脑、等多种媒体设备上运行，还可通过Unitywebplayer插件将产品发布成网页形式【5】。

〔二〕桥梁施工仿真实现流程

1.前期数据搜集

仿真前期数据包括桥梁设计图纸、桥梁施工组织设计资料、桥梁周边地形地物资料和现场照片等。前期数据的完好程度决定着整个仿真系统模拟的精细程度。桥梁设计图纸包含桥梁各个构件的尺寸、预应力钢束的布置等准确信息，这些信息有利于快速三维建模并保证模型与实际桥梁尺寸比例的一致性。桥梁施工组织设计资料包含详细的施工方案信息，这些信息将通过编程语言反映在脚本文件中，从而决定着相关施工模型的运动轨迹。桥梁周边地形图和实景照片有助于虚拟地形场景的制作，使其尽可能地符合实际情况。

2.桥梁施工三维模型制作

三维模型和虚拟场景的质量上下将直接影响着系统的仿真效果以及用户体验，假设三维模型过于简陋就会破坏仿真视觉效果，反之假设太过精细那么会增加计算机负担从而影响仿真系统的运行流畅度【6】。本系统桥梁构造三维模型制作主要根据桥梁设计图纸，然后参考桥梁实际图片与桥梁周边环境按同等比例重建。为确保仿真模型与实际桥梁尺寸与构造形式一致，采用AutoCAD和3DMax软件互相配合【7】以制作三维仿真模型。本教学系统中的仿真模型不仅包含桥梁主体构造，还涵盖各类施工机械及措施模型。

制作桥梁构造三维模型需根据其设计图纸及相应的施工方案将桥梁构造进展层次分解，按照既定施工顺序确定每个步骤中涉及的构造模型，如，预应力混凝土桥梁建造从内至外应包含钢筋骨架、预应力钢束以及混凝土等模型构造过程。桥梁构造三维模型可由AutoCAD二维图形导入3DMax而生成，因此根据桥梁图纸等相关资料准确绘制出的桥梁二维图形成为关键。对于简单的等截面模型如等截面箱梁、预应力空心板等，可将其界面二维图形直接转换成三维模型，而对于变截面箱梁这样的异形构造，其三维模型还需结合横纵界面两种图形信息以生成。此外，根据详细桥梁施工方案的不同还需要制作支架、挂篮、架桥机等施工措施与施工机械的三维模型，这些辅助性模型可以在细节上充施行工仿真系统，使其贴近现实。图1、图2分别为箱梁三维模型和挂篮三维模型。

3.虚拟地形场景搭建

搭建桥梁施工虚拟场景是指在计算机中尽可能复原现实桥梁所处的真实场地环境，为桥梁三维模型的施工仿真行为提供虚拟场地。先利用Unity3D软件的地形编辑器创立出地形地貌，然后导入制作完成的三维模型，再设置完备的摄像机系统以便监控施工仿真进程。

〔1〕设计场景地形。所有仿真行为实现均是基于虚拟场景的地形地貌来完成的[8]。Unity3D的地形编辑功能包括虚拟场景地形创立、地面贴图导入、树木草地绘制及地形参数设定等方面。先根据实际地形地貌特征对虚拟地形的标高、地貌进展描绘，再利用相关插件添加相应的树木、建筑、公路等其它环境元素，并在地形上空创造出蓝天白云的虚拟效果，如图3所示。〔2〕导入三维模型。制作完毕的桥梁施工相关3DMax模型可通过FBX格式导入Unity3D并置于虚拟地形场景中；先在地形中确定出桥梁的大致位置，再根据桥梁的实际情况调整各模型的方位、大小、颜色、朝向等参数，使其与桥梁设计图纸相一致。图4为放置于虚拟场景中的某连续刚构桥模型。〔3〕建立摄像机系统。摄像机组件是Unity3D软件的核心组件之一，仿真程序运行时显示的所有画面都是摄像机所照射的内容。摄像机作为一类特殊的工具对象也存在于模型编辑器的作用范围，用户可以使用编辑器对摄像机进展挪动、旋转等物理性操作，还能通过修改属性来调整摄像机的类型、照射范围等参数，通过仿真显示画面实时查看调整情况。

4.脚本文件设计

Unity3D的脚本文件是虚拟仿真系统运行的关键组件之一，在虚拟场景中任何物体包括摄像机和UI逻辑判断及行为方式都需要通过脚本来实现。脚本文件在编写完成之后需要将其与相关模型物体"绑定";才能发挥作用，该绑定操作可直接通过鼠标将脚本文件拖拽到模型编辑器中的相关模型上予以实现，绑定成功后该脚本文件信息将出如今相应模型的属性列表里。程序运行时，用户可直接在编辑器中对脚本文件的参数和变量进展赋值，防止反复编辑脚本文件源代码，进步程序编译效率。

〔1〕脚本文件创立施工动画。为动态模拟施工过程，本仿真系统以动画形式展现各施工环节，提升用户体验。在Unity3D环境下，任何物体模型在创立或导入时都会具有Transform组件，其包括位置、缩放和旋转三个根本属性。使用脚本语言对模型位置属性进展修改，配合时间参数的改变，以实现各种动画效果。〔2〕脚本文件控制输入设备。脚本文件控制某个事件的发生过程，其需要按照一定的顺序和批次进展，每个脚本功能实现均需要相应触发信号，而此信号的传递那么需要借助键盘和鼠标。脚本语言可通过判断鼠标和键盘的输入操作来选择需要运行的功能。本仿真系统常用的键盘动作有按键按下、抬起、长按及连按等，而鼠标动作有鼠标按下、抬起和拖拽等。〔3〕脚本文件控制摄像机。由于本仿真系统存在多个摄像机，而程序运行时仅允许一个摄像机处于工作状态，这就涉及到摄像机之间的切换。例如，要近间隔观察箱梁施工情况，当主摄像机的位置和角度不太理想时，需要切换到近景摄像机，该切换操作可通过相应脚本文件编写来实现。当需要某个摄像机工作时，仅需让该摄像机处于激活状态，而其余处于隐藏状态即可。

〔三〕仿真教学系统构造设计

1.仿真系统总体设计

本仿真系统目前的根本功能模块构成如图5所示，其主要包含技术与管理两大模块，分别涵盖桥梁施工及其组织情况。本桥梁施工仿真教学系统的目的用户是教师与学生，分别为传授知识和学习知识。教师通过演示该仿真系统来展示桥梁施工的全过程，在系统演示过程中可根据实际需要分步讲解重要的知识点，以动态的形式让学生全方位学习桥梁施工技术知识；学生也可以基于该系统亲自操作完成一座桥梁的虚拟建造过程，充分利用该仿真系统的交互性以进步学习效率。

图6为本桥梁施工仿真教学系统的欢送界面及主操作界面。在主操作界面中，用户可以很方便地通过鼠标控制摄像机的视角方位及远近以进展观察，主界面上方为信息查询类的功能组件，如施工进度、人员调用数量和预应力箱梁节段施工情况等；下方为操作类的功能组件，如施工人员调配、安装施工机械等。通过操作类组件中各项功能的配合运用就可以完成桥梁的建造任务，在此过程中，通过上方的信息查询类组件可以在桥梁建造的过程中随时查看施工状态信息，方便用户控制施工进程。

2.仿真系统功能设计

〔1〕施工机械和措施的使用功能

在桥梁施工仿真教学系统的主操作界面左下方设置有"机械";和"措施";两个功能按钮，其根据不同桥梁的施工方案选择对应的施工机械和施工措施。施工机械包括塔吊、挂篮施工平台、架桥机等的安装与拆卸；施工措施包括模板、支架等的安装与拆卸。为简化操作，施工机械与施工措施的拆卸操作可以直接通过点击相应的三维模型完成。在实际施工工程中，机械与措施是施工过程必不可少的组成局部，本仿真系统中施工机械与措施同样也是后续施工任务的前提，例如，采用挂篮悬臂浇筑施工法的大型桥梁上部构造施工是通过对挂篮平台的操作而进展的，而钢筋混凝土桥墩的施工过程那么是通过对模板的操作而开展的。

〔2〕钢筋混凝土构造建造功能

桥梁钢筋混凝土构造的建造功能目前主要包括模板安装、钢筋体系安装以及混凝土浇筑三局部。经前期准备，先将桥梁各局部构造模型布置在相应位置，通过调配一定数量的施工人员并确保资金充足，便可开始施工建造过程。本系统采用可视化施工界面，为方便用户操作，除人员、机械和措施通过下方菜单操作之外，其余施工仿真过程均可直接通过点击模型进展，并可同时执行多个构造部位的施工任务。安装好施工部位的模板之后，点击模板模型会自动弹出操作窗口以供选择相应的建造行为，此时按照先安装主梁节段钢筋骨架后浇筑混凝土的顺序便可完成一个主梁节段的施工，该过程以动画形式呈现，提升用户体验。

〔3〕预应力张拉功能

在虚拟施工场景中以施工节段为单位按照桥梁设计图纸确定每个节段需要张拉的预应力钢束位置，在正确位置的波纹管模型上绑定脚本文件，当用户确定正确的张拉位置时，就可由该脚本文件触发进一步施工信号。在节段混凝土浇筑完成后，经过一定天数的混凝土养护后点击"预应力张拉";功能按钮便可进入当前主梁施工节段的预应力钢束选择界面，如图7所示。在此操作界面中用户可通过鼠标左键单击以选择其认为正确的预应力束位置，然后点击"确定张拉";按钮以进展确认。此时，本仿真系统将以动画形式呈现预应力束和锚具，方便用户全方位观察当前节段的预应力束张拉情况。

〔4〕桥梁三维遨游功能

虚拟场景三维遨游技术是虚拟现实技术的一个重要组成局部，也是将来主要开展方向之一[9]。本仿真教学系统同样设置有虚拟场景三维遨游功能，其实现是利用了Unity3D软件的第一人称视角组件，属于角色控制器的一种，可模拟第一人称视角进展遨游活动。利用键盘方向键控制视角的前后左右挪动，利用鼠标平移调整视角方向，用户可以在虚拟场景中自由穿梭，详细观察桥梁模型任意局部的施工状况。

二工程实例演示

〔一〕工程概况

以福建宁德京台高速某特大型桥梁为实例进展仿真系统演示，其桥型布置为：4x40米预应力混凝土连续-刚构T梁+〔66+120+66〕米预应力混凝土变截面连续刚构箱梁主桥+4x40米预应力混凝土连续-刚构T梁，其主桥立面布置如图8所示。主桥上部构造为连续刚构箱梁，设计为单箱单室变截面箱梁；下部构造为桩根底、柱式桥墩。箱梁桥纵向采用预应力钢绞线，塑料波纹管成孔。上部构造箱梁采用挂篮悬臂浇筑法施工，刚构段箱梁各施工节段均要求一次浇注完成并保持对称平衡施工。

〔二〕桥梁施工仿真实例

本实例中桥梁的建造从桥墩开始，每个桥墩分为6个施工阶段。桥梁下部构造的建造功能包括安装模板、安装钢筋体系、浇筑混凝土。按照以上施工操作顺序依次进展，直到6个施工节段全部建造完毕，即可以撤除模板，如图9所示，准备下阶段上部构造施工。

本桥上部构造采用挂篮悬臂对称浇筑法施工，以挂篮施工平台为依托进展。上部构造在两个桥墩顶局部别对称施工，每个桥墩顶部主桥箱梁分别包含33个施工阶段，另外还有2个边跨合拢施工段以及1个中跨合拢施工段，共计69个主梁施工阶段。本系统桥梁上部构造的建造功能主要包括挂篮体系的安装与行走，各箱梁施工节段的钢筋体系安装，以及混凝土浇筑和预应力钢束张拉。该环节将创立脚本文件并设置两个全局变量以分别代表两个桥墩顶部箱梁的施工进度，且该全局变量贯穿上部构造施工全过程。经过一系列悬臂施工过程，本仿真系统中连续刚构桥在主梁中跨合拢前的虚拟施工状态如图10所示。

对于本预应力混凝土连续刚构桥而言，预应力钢束的布置及其张拉为控制因素。本桥采用三向预应力体系布置，既在腹板、顶板和底板布置了顺桥向的纵向预应力钢束，也在腹板中布置了竖向预应力钢束，同时还在顶板中布置了横向预应力钢束，布置情况比拟复杂。另考虑到挂篮施工法将箱梁整体分为一定数量的施工节段，每个施工节段又有其相应截面的预应力孔道位置信息，因此本系统预应力钢束张拉功能的设计思路是根据桥梁设计图纸的张拉信息以施工节段为单位进展每个相应截面的预应力张拉，分布到整体形成预应力张拉体系，同时设置桥梁预应力张拉整体状态图作为施工过程的参考信息，例如，图11显示本系统中某施工节段预应力钢束张拉完毕后的界面。

基于本仿真教学系统，在本桥梁施工过程中或施工完成后点击键盘的F5键，将进入三维遨游形式，如图12所示，用户使用鼠标和键盘互相配合控制第一人称视角的挪动，可以非常方便地从任意角度和间隔观察桥梁的建造情况。

三结论

基于Unity3D平台设计开发了桥梁施工互动式仿真教学系统，本文简要介绍了该系统的设计思路与构建过程。该系统通过三维建模与脚本编程构建出一个贴合实际的虚拟施工环境，桥梁施工相关信息通过平台工具集成到该系统之中，用户利用该系统的可视化操作界面来完成大型桥梁的虚拟建造。本系统是一种具有交互性的可视化教学手段，其融入了多种计算机编程手段