劉 松， 鄭亞文， 周 迎， 陳一平

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074;2. 中國建筑第三工程局有限公司, 湖北 武漢 430070)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推廣，大型博覽中心，展覽館，體育館的建設(shè)越來越多，規(guī)模也越來越大。諸如沈陽博覽中心、廣州白云機(jī)場、上海新博覽中心、上海南站、南京奧體中心等。其中沈陽博覽中心鋼結(jié)構(gòu)施工，其面積尺寸達(dá)到23250 m2，橫向桁架跨度達(dá)到114 m[1]，上海新博覽中心單榀桁架跨度達(dá)到72 m[2]，武漢國際博覽會展中心單榀桁架跨度也達(dá)到72 m，根據(jù)當(dāng)前我國建筑業(yè)的實(shí)際情況，劉家武等人提出：跨度超過60 m的鋼結(jié)構(gòu)為大跨度鋼結(jié)構(gòu)[3]。以上實(shí)例均屬大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工范疇。大跨度鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)相應(yīng)進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期[4]。

同時(shí)大型鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展在國外一直處于高速發(fā)展的趨勢，從1972年德國慕尼黑奧運(yùn)會場館，到1993年福岡體育館亦稱福岡穹窿，再到1999年悉尼奧體中心體育場，以及2006年美國亞利桑那州體育場，都是國際上非常有代表性的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑[5～8]。然而，鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的同時(shí)也帶來新的挑戰(zhàn)。近年來，我國大型鋼結(jié)構(gòu)施工過程中出現(xiàn)事故也時(shí)有發(fā)生。其中大型鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程事故率尤為突出。如廣州某體育館高空散裝時(shí)，因腳手架剛度不夠,發(fā)生坍塌;湖南某體育館部分桿件在施工期間彎曲發(fā)生坍塌[9]。目前大型鋼結(jié)構(gòu)的吊裝施工過程主要面臨著如下挑戰(zhàn)：(1)在施工過程中因結(jié)構(gòu)失去平衡、穩(wěn)定而傾覆或倒塌；(2)大跨度鋼結(jié)構(gòu)整體提升過程與周圍實(shí)體發(fā)生干涉與碰撞；(3)吊裝過程中局部構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度不足而破壞整體結(jié)構(gòu)性能[10]。面對這些挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的施工技術(shù)和手段有時(shí)很難達(dá)到要求，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)日臻成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬建造技術(shù)已被成功引入建筑工程施工領(lǐng)域，通過對鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程進(jìn)行虛擬吊裝預(yù)演，在虛擬過程中實(shí)時(shí)處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如實(shí)現(xiàn)虛擬過程與碰撞檢測的結(jié)合，虛擬過程與力學(xué)分析的結(jié)合等等，一方面能有效解決現(xiàn)實(shí)吊裝過程中面臨的挑戰(zhàn)，同時(shí)也可以對原有的施工方案進(jìn)行優(yōu)化。而實(shí)現(xiàn)虛擬吊裝過程中關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，模型的建立是關(guān)鍵。目前我國計(jì)算機(jī)建模領(lǐng)域的研究，存在一定的局限性，其中一部分原因是因?yàn)樗x用的建模軟件的局限性導(dǎo)致，如BIM建模軟件能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化建模但所建模型無法完成復(fù)雜動作的功能，3Dmax等建模軟件能夠?qū)崿F(xiàn)模型的復(fù)雜動作的功能，但無法實(shí)現(xiàn)虛擬仿真與碰撞檢測以及力學(xué)分析相結(jié)合的功能。本文以大型博覽鋼結(jié)構(gòu)施工為研究對象，基于Creator建模軟件和Vega仿真平臺，提出了一種基于虛擬施工過程的關(guān)鍵建模技術(shù)和方法，有效解決了上面提到的難點(diǎn)問題，并實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真過程中實(shí)時(shí)處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)的功能，如圖1所示。

圖1 幾種典型建模思路的評價(jià)與比較

1 虛擬吊裝建模技術(shù)的研究

虛擬吊裝顧名思義是基于虛擬平臺，實(shí)現(xiàn)虛擬吊裝過程的研究。要實(shí)現(xiàn)虛擬吊裝的過程，首先是虛擬模型的建立，大型博覽建筑鋼結(jié)構(gòu)形狀構(gòu)件種類復(fù)雜，數(shù)量龐大，比如單獨(dú)一個(gè)展廳的鋼結(jié)構(gòu)桿件就可能達(dá)到12000多根，通常的大型博覽建筑擁有多個(gè)甚至幾十個(gè)展廳。傳統(tǒng)的建模方式工作量極大，這里采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的參數(shù)化建模技術(shù)，能夠快速精準(zhǔn)完成對鋼結(jié)構(gòu)模型的建模。

1.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的參數(shù)化建模方法

所謂基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的參數(shù)化建模，實(shí)質(zhì)是利用數(shù)據(jù)庫支持的尺寸驅(qū)動的原理，采用基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑模型的表達(dá)方法，使尺寸的改變能自動轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型形狀的改變，并研究如何創(chuàng)建施工資源庫，研究數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬施工過程仿真。

其中IFC(Industry Foundation Class)標(biāo)準(zhǔn)是指建筑對象的工業(yè)基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)，由國際協(xié)同聯(lián)盟(IAI)在1995年提出的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是為了促成建筑業(yè)中不同專業(yè)，以及同一專業(yè)中的不同軟件可以共享同一數(shù)據(jù)源，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的共享及交互。基本建模原理：基礎(chǔ)模型庫——復(fù)合物體建?！獦?biāo)準(zhǔn)件特征參數(shù)庫——模型數(shù)據(jù)化驅(qū)動[11]。其中標(biāo)準(zhǔn)特征參數(shù)庫最核心最重要的是如何解決鏈接問題。采用參數(shù)化建模技術(shù)的基本流程圖，如圖2所示：

圖2 參數(shù)化建模技術(shù)的基本流程

采用數(shù)據(jù)化驅(qū)動進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，主要完成以下兩方面的工作：其一，盡量分割模型，分別建模；其二，盡可能對模型進(jìn)行優(yōu)化。分割模型就是按照建模實(shí)體的功能、部位等原則來將該整體模型分解為若干部分，分別建模，即按照整體拆為局部，然后局部合并成整體的指導(dǎo)思想。對模型的優(yōu)化主要表現(xiàn)在處理模型任務(wù)時(shí)盡量做到減少建模工作量，減少冗余的多邊面，以及合理分割模型的順序、部件的調(diào)整優(yōu)化等。鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模型歸納起來分為以下幾類：一般形式，型鋼，鋼板和鋼管，如表1所示。

表1 基礎(chǔ)模型主要參數(shù)

其中，L、W、H分別為截面長、寬和柱高；X、Y、t分別為鋼板截面長、寬以及板厚。r、R、H分別為鋼管環(huán)形截面的內(nèi)外半徑以及管的高度。

大型博覽建筑鋼結(jié)構(gòu)虛擬吊裝施工過程的參數(shù)化建模主要分為兩大類：一類是鋼構(gòu)件的參數(shù)化建模，另一類是施工過程中機(jī)械設(shè)備的參數(shù)化建模。

1.2 大型博覽建筑虛擬吊裝施工鋼構(gòu)件建模

鋼構(gòu)件參數(shù)化建模，主要工作包括設(shè)置模型的基本幾何屬性參數(shù)，如桿件的截面屬性，模型工程性能參數(shù)，如材料屬性等以及實(shí)現(xiàn)虛擬仿真過程的技術(shù)參數(shù)，如自由度節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)、自由運(yùn)動屬性限制參數(shù)等等。這些參數(shù)屬性在建模過程中都可以在特定環(huán)境下指定的屬性欄設(shè)置。比如在建立單根鋼管柱的模型時(shí)，在指定的屬性欄中通過設(shè)置鋼管的半徑，高，材質(zhì)等參數(shù)信息來完成鋼管的初期模型的建立。如圖3所示。另外，標(biāo)準(zhǔn)化模型還應(yīng)包括對面向工程對象的特定參數(shù)描述，使最終形成的模型庫中的每一個(gè)模型都是具有智能化屬性和建筑元素特征和的建筑構(gòu)件，如圖4所示。

(右邊為參數(shù)化控制界面(未添材料屬性))圖3 鋼管柱參數(shù)化建模效果

(已加金屬材質(zhì)屬性和技術(shù)參數(shù)屬性)圖4 鋼管柱參數(shù)化建模效果

1.3 大型博覽建筑虛擬吊裝施工機(jī)械設(shè)備模型及復(fù)雜動作實(shí)現(xiàn)建模

大型博覽建筑鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工中主要使用到的機(jī)械設(shè)備包括汽車吊，履帶吊，塔吊，叉車等等，這些機(jī)械模型實(shí)現(xiàn)，參數(shù)的控制最關(guān)鍵，不同機(jī)械設(shè)備其控制參數(shù)各有差異。比如履帶吊的主要技術(shù)控制參數(shù)為起重量、起重高度和起重半徑。考慮到系統(tǒng)對履帶吊動作仿真的需要，將履帶吊分成以下幾個(gè)部分：履帶部分、機(jī)身部分、駕駛室及機(jī)身回轉(zhuǎn)部分、機(jī)身吊臂連接部分、吊臂部分和吊鉤部分，各部分的控制參數(shù)見表2。

表2 履帶吊建?？刂茀?shù)

汽車吊建?？刂茀?shù)與履帶吊有相似之處，主要增加了位置坐標(biāo)、車身水平轉(zhuǎn)角、整體轉(zhuǎn)角、吊臂豎直平面轉(zhuǎn)角等控制參數(shù)。塔吊主要技術(shù)參數(shù)有：吊臂長度、工作半徑、最大起重量、附著式最大起升高度、起升速度、爬升機(jī)構(gòu)頂升速度和附著間距等[12]。這里不作詳細(xì)講述，本文主要研究上述各種機(jī)械設(shè)備在虛擬吊裝施工中實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜動作的關(guān)鍵建模方法。

吊裝施工中大多數(shù)機(jī)械設(shè)備的基本動作主要包括以下四類：起升、變幅、回轉(zhuǎn)和行走。由于部件與部件、部件與整體之間結(jié)構(gòu)及功能存在約束關(guān)系，因此其運(yùn)動軌跡有一定的關(guān)聯(lián)度。如起重機(jī)具除自身在裝卸貨物時(shí)作垂直方向運(yùn)動外，還和汽車吊一起作水平運(yùn)動，同時(shí)在重力、風(fēng)力及慣性力等作用下也會作水平偏擺，因而吊具及其吊載的貨物均作復(fù)合運(yùn)動。為了真實(shí)反映其運(yùn)動過程(前期基本模型已經(jīng)完成)，建立精準(zhǔn)、合理的層次坐標(biāo)系是后期建模工作的關(guān)鍵所在，為簡化其運(yùn)動模型，至少需建立4個(gè)層次的坐標(biāo)系，讓處于不同坐標(biāo)系下的模型實(shí)體能夠獨(dú)立完成當(dāng)前坐標(biāo)系下的軌跡運(yùn)動，如圖5所示。

圖5 汽車吊建模層次坐標(biāo)系

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中吊具的運(yùn)動只需計(jì)算相對于汽車吊的位置變化即可。由于汽車吊的運(yùn)動會通過鋼絲繩滑輪組帶動吊具一起運(yùn)動，建模時(shí)將吊具作為起重機(jī)的下一級節(jié)點(diǎn)，吊具既可繼承上一級節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動，又可獨(dú)立于上一級節(jié)點(diǎn)運(yùn)動，起吊貨物等。圖6為基于參數(shù)化建模技術(shù)下的汽車吊模型，履帶吊模型。

圖6 汽車吊、履帶吊及其底盤模型

在機(jī)械建模過程中層次坐標(biāo)系的建立DOF(Degree of Freedom)技術(shù)非常重要。DOF技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)模型局部的旋轉(zhuǎn)，位移等動作，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)的最大最小值，還能控制局部運(yùn)動的變化范圍。它包含了與旋轉(zhuǎn)、伸縮和位移相關(guān)聯(lián)的6個(gè)自由度參數(shù)變量。其相應(yīng)的約束參數(shù)信息均以. flt文件格式保存于OpenFlight模型數(shù)據(jù)庫中。在裝載過程間，為DOF節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)DCS 坐標(biāo)(動態(tài)坐標(biāo)系，Dynamic Coordinate System)，這樣Vega在加載.flt模型的時(shí)候會讀入相應(yīng)的約束條件供應(yīng)用程序調(diào)用。從底層看，DOF 節(jié)點(diǎn)被Vega加載后就會有一個(gè)對應(yīng)的動態(tài)坐標(biāo)系節(jié)點(diǎn)。通俗的說，模型對象一旦是動態(tài)坐標(biāo)系了，那么它就“自由了”，就可以在虛擬吊裝過程中隨意地改變其位置和姿態(tài)了。

1.4 虛擬吊裝與碰撞檢測、力學(xué)分析功能結(jié)合建模

虛擬吊裝過程中模型的逼真效果，尺寸，以及特定運(yùn)動要求，影響著鋼結(jié)構(gòu)虛擬吊裝過程實(shí)現(xiàn)的效果。大型博覽建筑鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場情況十分復(fù)雜，施工過程中，不僅要考慮比如支撐塔架設(shè)置、空間異型構(gòu)件安裝、安裝精度控制等而且還要考慮主結(jié)構(gòu)安裝完成后的支撐塔架卸載與拆除方案及安全措施設(shè)置方案。其中一個(gè)非常突出的施工難點(diǎn)就是施工過程中發(fā)生實(shí)體之間的碰撞。因此在虛擬仿真過程中進(jìn)行碰撞檢測非常必要。

實(shí)現(xiàn)碰撞檢測的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于建模時(shí)模型約束體的建立、仿真平臺的選擇以及操作技術(shù)。約束體的大小和形狀通過參數(shù)化建模技術(shù)來完成和控制，是虛擬現(xiàn)實(shí)中碰撞檢測效果的重要影響因素。模型約束體的建立可由Creator建模軟件實(shí)現(xiàn)[13]。

而虛擬吊裝與力學(xué)分析相結(jié)合是解決現(xiàn)實(shí)吊裝過程中因結(jié)構(gòu)失去平衡、穩(wěn)定而傾覆或倒塌，以及吊裝過程中局部構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度不足而破壞整體結(jié)構(gòu)性能等問題的有效手段。

要實(shí)現(xiàn)虛擬吊裝過程與力學(xué)分析結(jié)合，關(guān)鍵之處在于所建立的模型應(yīng)該是準(zhǔn)確清晰的包含每一根桿件的必要信息，能夠在鋼結(jié)構(gòu)虛擬施工過程中的任一時(shí)點(diǎn)t，動態(tài)獲取模型中結(jié)構(gòu)桿件的空間坐標(biāo)、桿件屬性信息傳輸?shù)紸NSYS軟件進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析，以保證吊裝過程的安全性。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)突破，建模時(shí)對模型進(jìn)行處理是關(guān)鍵。大型博覽建筑的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特點(diǎn)是每個(gè)構(gòu)件模型都是由一根根單一桿件組合而成，因此，在建模的過程中，應(yīng)以單根桿件為建模單元，在桿件建模的過程中，首先是從相關(guān)施工組織設(shè)計(jì)資料中獲取各個(gè)模型的原始數(shù)據(jù)資料，然后通過參數(shù)化建模技術(shù)，精確設(shè)置各根桿件的幾何參數(shù)，完成桿件的基本模型，接下來最重要的，也是實(shí)現(xiàn)和力學(xué)分析相結(jié)合最關(guān)鍵的，是將每根桿件兩端的幾何中心點(diǎn)設(shè)為自由度節(jié)點(diǎn)，同時(shí)分別為每個(gè)節(jié)點(diǎn)命名。只有通過先設(shè)置自由度節(jié)點(diǎn)，然后命名，這樣所建模型導(dǎo)入到虛擬仿真平臺后才能夠捕捉顯示。下面是桿件信息讀取界面圖以及添加自由度節(jié)點(diǎn)的次桁架效果圖(如圖7)。圖中每個(gè)局部坐標(biāo)系X、Y、Z都表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息。

圖7 添加自由度節(jié)點(diǎn)的次桁架效果

2 案例應(yīng)用

本文以武漢國際博覽中心(以下簡稱為武漢國博)為研究對象。武漢國博，為內(nèi)外兩環(huán)二層建筑結(jié)構(gòu)。第一層高7 m，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；第二層高20.5 m，為鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)重約1.5萬噸。主展覽館單體展館的架空層面積為9072 m2，由31根鋼管柱支撐鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，屋蓋由2榀單跨126 m桁架、8榀單跨72 m桁架和四片網(wǎng)架組成，單榀桁架最大重量達(dá)350噸。

(1)技術(shù)分析

在武漢國博虛擬施工過程中，所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模型(包括徑向主桁架，環(huán)形次桁架，內(nèi)外網(wǎng)架，胎架)均采用Creator來實(shí)現(xiàn)，對于復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備模型有些是通過Creator建模，比如汽車吊，另外一些是先通過在3Dmax里面建模后，導(dǎo)出為3ds.*格式，然后再導(dǎo)入到Creator里面，如履帶吊的模型，需要注意的是，從外部導(dǎo)入到Creator里面的模型，在導(dǎo)入過程中會發(fā)生模型信息丟失，和模型失真的現(xiàn)象，此時(shí)還需要人工調(diào)整和修復(fù)。最后用Vega Prime進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對已建立的虛擬模型進(jìn)行交互控制。通過該軟件平臺實(shí)現(xiàn)模型的基本動作。

(2) 虛擬吊裝與力學(xué)分析、碰撞檢測功能結(jié)合應(yīng)用

在內(nèi)網(wǎng)架的吊裝過程中，首先吊裝的是左邊的第一片，其次是右邊的第三片，最后是中間的第二片，在吊裝過程中，第二片吊裝空間小，吊裝過程容易發(fā)生碰撞，對吊裝的要求較高，所以第二片為最不利工況。這里對第二片進(jìn)行力學(xué)分析。通過傳輸所需數(shù)據(jù)至ANSYS，分析得到結(jié)構(gòu)最大位移為2.86 mm，最大等效應(yīng)力為14.0 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力235 MPa，穩(wěn)定性分析得到屈曲載荷因子為107.11?1，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)如圖8所示。

圖8 內(nèi)網(wǎng)架第二片吊裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析結(jié)果

在吊裝過程中，我們可以根據(jù)需要，隨時(shí)對吊裝過程機(jī)械進(jìn)行碰撞檢測，下圖是履帶吊進(jìn)行網(wǎng)架吊裝過程中的某一時(shí)刻碰撞檢測示意，如圖9。

圖9 碰撞檢測示意

(3)建模完成后的效果如圖10、11、12。

圖10 基于參數(shù)化建模的鋼結(jié)構(gòu)建模效果(內(nèi)網(wǎng)架)

圖11 7m承臺及虛擬吊裝整體模型效果型

圖12 某單區(qū)場館鋼結(jié)構(gòu)模結(jié)構(gòu)建模效果(內(nèi)網(wǎng)架)

3 結(jié) 語

本文以大型復(fù)雜工程虛擬施工課題為研究背景，主要闡述了基于大型博覽鋼結(jié)構(gòu)虛擬吊裝過程關(guān)鍵建模技術(shù)的研究與應(yīng)用，通過采用這些關(guān)鍵的建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真與碰撞檢測、力學(xué)分析的實(shí)時(shí)動態(tài)結(jié)合，有助于解決目前大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程中遇到的重難點(diǎn)問題。并成功申請了《大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)虛擬施工仿真吊裝系統(tǒng)》軟件專著權(quán)。

另外，本文的研究由于個(gè)人經(jīng)歷，水平以及資源有限，在實(shí)際操作中選取了虛擬吊裝施工過程中幾個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)來進(jìn)行分析，尚未實(shí)現(xiàn)全過程任意時(shí)間點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。但是按照這種方法這種思路理論上是能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)動態(tài)分析，因此具有一定的指導(dǎo)意義。

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