姜 華，仝 亮，高陽秋曄

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045;2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州450003)

大型鋼結(jié)構(gòu)工程施工中的數(shù)據(jù)監(jiān)控管理以及構(gòu)件的校核十分關(guān)鍵卻又非常繁鎖，它關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)能否按照圖紙的設(shè)計安全、有效地投入使用.為處理此問題，需要設(shè)計友好的操作系統(tǒng)，從根本上改變以往對大量控制數(shù)據(jù)的管理方法，拋開圖紙和數(shù)據(jù)列表，令其更直觀地顯示在對話窗口內(nèi)，對計算結(jié)果和觀測結(jié)果進行比較，從而指導(dǎo)施工［1］.基于此，筆者以鋼桁梁橋為例，采用VB語言設(shè)計可視化仿真軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)對動態(tài)可視化仿真三維模型的調(diào)用和控制，實現(xiàn)工程施工中對各類數(shù)據(jù)的快速檢索和調(diào)用，實現(xiàn)施工管理數(shù)字化.

1 軟件設(shè)計目標(biāo)、性能要求與架構(gòu)

1.1 軟件設(shè)計目標(biāo)

該軟件系統(tǒng)的使用對象主要是鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程施工建設(shè)與設(shè)計單位相關(guān)的管理和設(shè)計人員.該軟件系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是:①用戶可以直接在操作界面內(nèi)獲取橋梁鋼桁架任意桿件的截面尺寸、材料屬性，并結(jié)合動態(tài)的可視化模型標(biāo)示出桿件所對應(yīng)的節(jié)段位置信息，以及在任一施工過程中查詢?nèi)我馐┕ざ慰刂泣c的位移坐標(biāo)值;②通過對復(fù)雜分部工程工藝編制施工動畫和施工預(yù)演，形象直觀地進行技術(shù)交底和施工人員技術(shù)培訓(xùn);③操作簡單，使用方便;④硬件要求低，普通個人電腦即可滿足該系統(tǒng)的運行要求.

1.2 性能要求

將有限元計算的大量復(fù)雜數(shù)據(jù)和動態(tài)可視化仿真模型進行高度集成，使系統(tǒng)在性能上實現(xiàn):①友好的操作界面，采用導(dǎo)向式的目錄菜單，結(jié)合開闊的動態(tài)可視化窗口，使用戶對系統(tǒng)的操作一目了然，系統(tǒng)具備點擊式查詢方式，用戶不必具有較多的專業(yè)知識就能進行信息查詢;②支持多平臺性，在Windows 2000，ArcView 3.2平臺及以上系統(tǒng)支持下，與Microsoft Office辦公軟件相結(jié)合，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性.

1.3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

動態(tài)可視化仿真軟件系統(tǒng)建立在共享數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，由數(shù)據(jù)庫模塊、虛擬現(xiàn)實模塊、施工管理控制模塊3大模塊構(gòu)成，其軟件架構(gòu)如圖1所示.

1.3.1 數(shù)據(jù)庫模塊

該軟件的開發(fā)結(jié)合鋼懸索橋設(shè)計、施工管理，處理大量的設(shè)計參數(shù)和施工控制數(shù)據(jù).通過Treeview目錄樹的控制菜單涵蓋設(shè)計構(gòu)件信息、施工控制數(shù)據(jù)的節(jié)點信息就有15 571個單元組，而且每個節(jié)點所對應(yīng)的數(shù)據(jù)組又有數(shù)十個子客體.因此數(shù)據(jù)量非常大，若不進行科學(xué)的管理和保存，極易造成數(shù)據(jù)遺漏或丟失，因而結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和圖形圖像技術(shù)管理施工數(shù)據(jù)是大型結(jié)構(gòu)進行施工數(shù)據(jù)管理的必然選擇［2－4］.

圖1 動態(tài)可視化仿真軟件架構(gòu)

SQL Server是基于服務(wù)器端的中型數(shù)據(jù)庫，適合大容量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，在后臺開發(fā)、處理海量數(shù)據(jù)，以及可擴展性等方面具有強大的功能.根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)施工管理信息特征，選取Microsoft SQL Server作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng).

1.3.2 虛擬現(xiàn)實模塊

該系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和可視化仿真理論應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，根據(jù)建立的三維數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫以及工程動畫建立虛擬現(xiàn)實模塊.該模塊可互動、實時、動態(tài)地展現(xiàn)架設(shè)過程，可實現(xiàn)工程場景及周圍環(huán)境的可視化管理，允許系統(tǒng)的操作者在虛擬的橋梁架設(shè)工程中漫游.該模塊具有以下特點.

1)信息模型數(shù)據(jù)的快速更新.仿真分析數(shù)據(jù)的輸入、輸出量巨大，對這些數(shù)據(jù)的檢查、分析、比較、判斷需要強大的2D和3D圖形功能的支持，而且仿真分析的過程需要反復(fù)地計算調(diào)整才能得到方案的合理優(yōu)化結(jié)果.因此，在仿真模擬過程中，需要采用可視化的3D圖形，以實現(xiàn)對計算結(jié)果與數(shù)據(jù)傳遞的實時性.以VRP為平臺實現(xiàn)信息模型數(shù)據(jù)的快速更新，具有高效、通用化的特點［5－10］.

2)關(guān)鍵技術(shù)、重大事件的仿真.實現(xiàn)對工程中重大事件、特殊事件、工藝、工法創(chuàng)新的描述、記錄與再現(xiàn)，對工程關(guān)鍵技術(shù)進行可視化的仿真預(yù)演.對現(xiàn)場桿件拼裝、吊車調(diào)裝運輸、橋面鋪設(shè)、循序漸進的施工過程進行仿真預(yù)演.可以多維度呈現(xiàn)僅靠單純平面圖紙、表格無法觀察到的施工現(xiàn)象和問題，通過調(diào)整預(yù)演，深入觀察整個施工過程可能出現(xiàn)的問題，通過全橋的全過程仿真預(yù)演，提前準(zhǔn)備好對策預(yù)案和施工處理措施，將施工問題和損失降低到最小范圍.另外，通過對復(fù)雜工藝的仿真建模，結(jié)合傳統(tǒng)的技術(shù)交底方式，可進行可視化施工培訓(xùn)和技術(shù)交底.

3)施工過程的資源與進度協(xié)調(diào)控制.可視化仿真模型可實現(xiàn)項目架設(shè)過程中的優(yōu)化設(shè)計、合理制定計劃、精確掌握施工進程、合理使用施工資源和科學(xué)地進行場地布置.實現(xiàn)資源的合理分配與利用，以縮短工期，降低成本，提高質(zhì)量，盡可能實現(xiàn)工程的節(jié)約和環(huán)保.

1.3.3 施工監(jiān)控模塊

大橋架設(shè)階段節(jié)點的位移、桿件應(yīng)力、應(yīng)變等計算結(jié)果貫穿整座橋施工架設(shè)的26個過程，數(shù)據(jù)繁多.基于此，編制了面向用戶的動態(tài)可視化數(shù)據(jù)查詢演示系統(tǒng)，建立友好的人機交互界面，形成“圖形內(nèi)蘊含數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中關(guān)聯(lián)圖形”的復(fù)合數(shù)據(jù)圖像系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型、圖像的實時、交互控制，具有整個施工過程各構(gòu)件的截面尺寸、重量、長度、材料屬性、控制坐標(biāo)、完成工作進度的實時數(shù)據(jù)索引功能，對復(fù)雜海量數(shù)據(jù)結(jié)合可視化模型進行形象的結(jié)果輸出，并與現(xiàn)場施工觀測數(shù)據(jù)進行實時比較，從而指導(dǎo)施工.

2 應(yīng)用實例

壩陵河大橋是滬瑞國道主干線在貴州境內(nèi)重要路段的關(guān)鍵工程，大橋全長1 564 m，主跨長為1 088 m的鋼桁加勁梁懸索結(jié)構(gòu)，主桁架高10 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長度10.8 m，主桁架共98個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間.根據(jù)施工方案設(shè)計，鋼桁梁和橋面板采用橋面吊機的吊裝方式，除端部1個節(jié)間為1個架設(shè)單元，其他每2個節(jié)間為1個架設(shè)單元，從端部向跨中按26個架設(shè)過程進行對稱施工.

應(yīng)用該可視化仿真系統(tǒng)軟件，建立壩陵河大橋工程的虛擬現(xiàn)實模型，對施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行預(yù)演與記錄、再現(xiàn)施工場景等.

2.1 桁架桿件屬性信息查詢

在建立的虛擬現(xiàn)實模型中，所呈現(xiàn)的信息包括桿件的位置信息、截面尺寸、長度、數(shù)量以及重量和力學(xué)屬性信息等，可對這些信息進行查詢和校核，如圖2所示.

圖2 桿件屬性查詢

2.2 施工控制位移查詢

結(jié)合虛擬現(xiàn)實模型的圖像、平面位置和空間位置等信息對各施工過程的控制關(guān)鍵點位移信息進行顯示和輸入，如圖3所示.對施工位移信息的預(yù)調(diào)量進行實時計算，以便指導(dǎo)施工.

圖3 控制位移查詢

2.3 關(guān)鍵技術(shù)的動畫模擬及預(yù)演

根據(jù)實際施工組織安排，對關(guān)鍵技術(shù)進行動畫模擬和復(fù)雜工藝的施工預(yù)演，并進行施工回顧.輸入各分項工程的開工時間，真實地再現(xiàn)不同階段施工場景.可視化虛擬仿真的施工動畫和復(fù)雜工藝的施工預(yù)演截圖如圖4所示.

圖4 項目施工過程關(guān)鍵技術(shù)的仿真

3 結(jié)語

1)以鋼桁梁橋為例，結(jié)合項目的施工架設(shè)全過程，開發(fā)了可視化的仿真軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有使用方便、直觀易懂的操作優(yōu)點.

2)該系統(tǒng)實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實模型和數(shù)據(jù)庫的動態(tài)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫分類數(shù)據(jù)對虛擬現(xiàn)實模型的聯(lián)動控制，將數(shù)據(jù)附著于虛擬現(xiàn)實模型，復(fù)雜數(shù)據(jù)通過虛擬現(xiàn)實模型形象地呈現(xiàn)出來.

3)該系統(tǒng)實現(xiàn)了施工過程中各類數(shù)據(jù)的查詢和校核，從而指導(dǎo)施工.具有對工程關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)演與記錄、大場景的施工再現(xiàn)等功能.實現(xiàn)了施工管理的信息化，在很大程度上提高了施工管理的效率.

4)該系統(tǒng)適用于各類鋼結(jié)構(gòu)工程，實現(xiàn)了現(xiàn)代化施工管理的精細化、自動化.

［1］魏群，彭成山，姜華，等.鋼桁梁架設(shè)過程仿真技術(shù)研究［R］.鄭州:華北水利水電學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)與工程研究所，2008.

［2］魏群.CIS/2鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的建立方法和存取技術(shù)的研究［R］.多倫多:加拿大Auspic研發(fā)中心，2003.

［3］姜華，魏群，彭運動.壩陵河大型懸索橋鋼桁加勁梁安裝施工新技術(shù)［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，31(1):37－40.

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［5］魏群，姜華，彭運動，等.大型鋼桁架懸索橋節(jié)點剛度對成橋受力影響探討［J］.公路，2009(3):29－33.

［6］魏魯雙.拱壩結(jié)構(gòu)三維建模軟件的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2006.

［7］姜華，魏群，焦?jié)?，?梁腹板開圓孔鋼框架的抗震性能分析［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報，2008，27(1):333 －338.

［8］魏群.邏輯產(chǎn)品模型的研發(fā)和應(yīng)用［C］//新世紀(jì)水利工程科技前沿.天津:天津大學(xué)出版社，2005.

［9］魏群.數(shù)字城市可視化仿真三維實體建模及虛擬現(xiàn)實軟件系統(tǒng)的自主研發(fā)［C］//第二屆中國國際數(shù)字城市建設(shè)會議論文集.蘇州:知識產(chǎn)權(quán)出版社，2006.

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