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日前美國(guó)佛羅里達(dá)橋梁倒塌事故引起國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注和熱議（圖1）。橋梁倒塌事故會(huì)造成重大人員傷亡和社會(huì)影響,，因此深入分析事故原因，尋找有效工程和管理對(duì)策,，一直是一個(gè)非常有價(jià)值的研究課題。 圖1 美國(guó)佛羅里達(dá)橋梁倒塌事故（圖片來(lái)自CNN） 多年前,，我們團(tuán)隊(duì)有幸參加了“西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目：橋梁事故調(diào)查及過(guò)程反演計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)研究（一期）”的研究工作,。經(jīng)過(guò)與交通部公路科學(xué)研究院,、浙江工業(yè)大學(xué),、交通部基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督總站等單位的通力合作，開展了一些比較有意思的研究工作,。這里就該項(xiàng)目中我們承擔(dān)的“橋梁倒塌過(guò)程的過(guò)程反演分析與場(chǎng)景再現(xiàn)”相關(guān)工作給大家簡(jiǎn)單介紹如下,。 一,、橋梁倒塌過(guò)程的有限元模擬 橋梁倒塌事故發(fā)生后,，調(diào)查單位希望可以科學(xué)和真實(shí)的再現(xiàn)事故過(guò)程,，為事故原因分析提供參考依據(jù),。由于有限元方法是現(xiàn)階段比較成熟的工程結(jié)構(gòu)災(zāi)變模擬方法，故而很多事故過(guò)程模擬是基于有限元分析來(lái)進(jìn)行的,。因此，我們首先開展了橋梁倒塌過(guò)程有限元模擬（圖2）以及基于廣義剛度原理的倒塌關(guān)鍵部位識(shí)別的研究工作,，詳細(xì)內(nèi)容可以參閱：Progressive-collapse simulation and critical region identification of a stone arch bridge, Journal of Performance of Constructed Facilities-ASCE, 2013, 27(1): 43-52. 圖2 橋梁倒塌過(guò)程的有限元模擬 二、橋梁倒塌碎片運(yùn)動(dòng)的模擬和高真實(shí)感展示 但是,，利用有限元方法模擬橋梁倒塌過(guò)程，往往需要通過(guò)“單元生死”算法將破壞嚴(yán)重的單元?dú)⑺溃▓D2）,，來(lái)模擬倒塌過(guò)程中結(jié)構(gòu)破壞的過(guò)程。這個(gè)方法雖然比較簡(jiǎn)便易行,，但是大量單元失效退出工作必然會(huì)導(dǎo)致模擬過(guò)程的真實(shí)感降低。我們把圖2中的模擬結(jié)果向非專業(yè)人員介紹時(shí),，往往也會(huì)得到反饋：“怎么你模擬出來(lái)的橋梁構(gòu)件一個(gè)個(gè)都消失啦,？”這樣的結(jié)果肯定不能很好的滿足橋梁事故調(diào)查的需要，所以我們需要設(shè)法模擬倒塌碎片的運(yùn)動(dòng),，并有效提高橋梁倒塌過(guò)程模擬的真實(shí)感。 于是我們提出：可以利用基于GPU計(jì)算和物理引擎的離散體模擬方法來(lái)模擬碎片運(yùn)動(dòng),，并提升橋梁倒塌過(guò)程的真實(shí)感。具體實(shí)現(xiàn)手段是當(dāng)橋梁構(gòu)件破壞失效后,，將破壞失效的構(gòu)件有限單元轉(zhuǎn)化成非連續(xù)碎塊模型（圖3）。然后利用基于GPU計(jì)算和物理引擎的離散體模擬方法來(lái)模擬碎片的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,。 圖3 橋梁倒塌過(guò)程中殺死單元轉(zhuǎn)化成碎塊模型 在碎片的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,，需要深入考慮碎片和原結(jié)構(gòu)、其他碎片,，以及地面之間相互接觸行為的模擬方法。并通過(guò)碎片的聚類算法進(jìn)一步提高模擬效率,。從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-碎片運(yùn)動(dòng)過(guò)程的高效,、真實(shí)感模擬（圖4）,。 (a) 無(wú)倒塌碎片模擬效果 (b) 包括倒塌碎片模擬效果 圖4 結(jié)構(gòu)-碎片運(yùn)動(dòng)過(guò)程的高效,、真實(shí)感模擬 詳細(xì)內(nèi)容可以參閱：Physics engine-driven visualization of deactivated elements and its application in bridge collapse simulation, Automation in Construction, 2013, 35:471–481. 三,、橋梁倒塌過(guò)程的實(shí)時(shí)VR展示 在事故原因調(diào)查過(guò)程中，往往需要實(shí)時(shí)的從多個(gè)角度去觀察橋梁倒塌的全過(guò)程,。而傳統(tǒng)方法只能事先錄下倒塌過(guò)程模擬的動(dòng)畫然后播放，缺乏動(dòng)態(tài)交互的能力,。我們通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)主內(nèi)存和顯卡中的顯存帶寬是實(shí)時(shí)可視化展示中的關(guān)鍵瓶頸,。要想做到實(shí)時(shí)展示，必須把整個(gè)模擬結(jié)果先放到顯存里面去,。而橋梁倒塌的模擬結(jié)果往往數(shù)據(jù)量非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了計(jì)算機(jī)顯存所能存儲(chǔ)的容量,。為了解決這一矛盾，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于歐氏距離的關(guān)鍵幀聚類算法（圖5）,，可以獲得94%以上的壓縮效率，從而解決了顯存空間不足的問(wèn)題,。 圖5 基于歐式距離的關(guān)鍵幀聚類算法 進(jìn)一步,，我們又設(shè)計(jì)了基于合并內(nèi)存訪問(wèn)的關(guān)鍵幀B樣條曲線插值還原算法。最終實(shí)現(xiàn)在同樣的硬件平臺(tái)上渲染效率提升67倍以上，滿足了橋梁倒塌事故實(shí)時(shí)高真實(shí)感可視化的需要（圖6）,。在圖6中，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)是用有限元法計(jì)算得到的,。橋梁倒塌的碎片是利用離散體模擬方法得到的。整個(gè)模擬的場(chǎng)景可以在系統(tǒng)中任意實(shí)時(shí)瀏覽,，漫游，并提供了3D VR視頻輸出的功能（圖7）,。從而滿足橋梁事故調(diào)查的模擬結(jié)果的科學(xué)性和真實(shí)感的雙重要求,。 圖 6 橋梁倒塌過(guò)程的實(shí)時(shí)高真實(shí)感展示 圖 7 3D VR環(huán)境演示 這部分工作可以參閱：High-speed visualization of time-varying data in large-scale structural dynamic analyses with a GPU, Automation in Construction, 2014, 42:90-99. 相關(guān)成果在國(guó)內(nèi)一些重要橋梁倒塌事故分析中得到了成功應(yīng)用。系統(tǒng)總結(jié)上述有關(guān)工作的資料可以參閱：基于計(jì)算機(jī)輔助的橋梁倒塌事故分析, 清華大學(xué)出版社, 2015.
上述工作得到了清華大學(xué)任愛珠教授,、葉列平教授等同事的大力支持，課題組多位同學(xué)也付出了辛勤的努力,，其中許鎮(zhèn)博士在其中做出的工作最多。并衷心感謝交通部公路科學(xué)研究院張勁泉,、呂建鳴、宋建永,，浙江工業(yè)大學(xué)彭衛(wèi)兵等合作單位的同仁大力支持,！
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