巖土工程師輔導(dǎo)：仿真在正大廣場施工中的應(yīng)用

　　摘要： 仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合技術(shù)。簡單的說，仿真技術(shù)是對系統(tǒng)模型的一種試驗技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞： 仿真技術(shù) 廣場施工

　　仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合技術(shù)。簡單的說，仿真技術(shù)是對系統(tǒng)模型的一種試驗技術(shù)。

　　建筑工程施工是一項將設(shè)計圖建成實物的復(fù)雜工作。其施工方法和組織程序都存在多樣性、多變性。至今，對施工方法和施工組織的優(yōu)化主要建立在施工經(jīng)驗基礎(chǔ)上。依靠施工經(jīng)驗對施工進行控制和優(yōu)化，具有一定的局限性。特別是在全新結(jié)構(gòu)或復(fù)雜條件下的施工，依靠經(jīng)驗對工程施工的可行性、控制優(yōu)化、事故預(yù)測和生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化等各方面的分析和預(yù)測，可能會由于思維慣性而忽略重要結(jié)果或由于力不從心只能分析局部和少量結(jié)果，更無法開展定量分析。而依靠仿真技術(shù)這一高效節(jié)省的試驗方法，能夠跟蹤施工過程的各環(huán)節(jié)。對施工生產(chǎn)全過程進行試驗，驗證優(yōu)化施工技術(shù)和施工組織。鑒于仿真技術(shù)的顯著優(yōu)越性，中建三局和華中科技大學(xué)合作，以上海正大商業(yè)廣場項目為背景，對仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑工程施工進行了嘗試。

　　1. 工程概況

　　正大廣場位于上海浦東陸家嘴東方明珠電視塔下。平面基本呈矩形，地下3層，地上10層，長約260m，寬約100m，總高度50m，總建筑面積達24.3萬平方，是集商業(yè)、餐飲、娛樂為一體的綜合性建筑。

　　本建筑由于建筑規(guī)模、設(shè)計造型要求，采用了大量鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)件數(shù)量規(guī)格繁多，各種不同類型的構(gòu)件約3000 余件、共5600T，而結(jié)構(gòu)吊裝工期僅85天，且鋼結(jié)構(gòu)主要集中在8層以上，重、大型構(gòu)件又集中在建筑物腹地。單件超大超長，安裝高度各異，大多數(shù)構(gòu)件只能用桅桿式起重機安裝，吊裝有較大難度。吊裝過程中任何失誤都可能造成難以估量的損失，其施工組織和施工技術(shù)亟需應(yīng)用全新的技術(shù)手段進行驗證。

　　2. 仿真系統(tǒng)的主要內(nèi)容

　　“上海正大商業(yè)廣場施工虛擬仿真系統(tǒng)”以滿足生產(chǎn)需求為目標，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對施工過程進行模擬，主要包括三大部分內(nèi)容。

　　2.1 第一部分：外景仿真

　　在建筑物建成前，虛擬顯現(xiàn)建筑物建成后周圍的環(huán)境。

　　將正大廣場按現(xiàn)設(shè)計圖紙詳細建模渲染，并將附近建筑、場景、道路、黃浦江等建模渲染，使觀察者如身臨其境。系統(tǒng)實現(xiàn)了觀察者不同的觀察角度和漫游方式，使觀察者能自由地在場景中漫游;在場景中加入海洋效果、聲音仿真等特效，使場景更顯真實并具有動感，沉浸感更強。在漫游中實現(xiàn)了碰撞檢測功能，使漫游場景中的各種實體能真實反映現(xiàn)實生活中的各種狀況。例如，運動物體遇到障礙物會停止運動，在高低不平的道路上，能夠隨地形起伏運動等。

　　2.2 第二部分：吊裝仿真

　　這是系統(tǒng)的核心部分。于鋼結(jié)構(gòu)施工前在計算機上完成各種構(gòu)件配裝、吊裝的多種試驗和優(yōu)化工作。同時利用多點決策理論，采用兩榀屋架同時裝配方案，使裝配-吊裝過程連續(xù)進行。

　　正大商業(yè)廣場鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量多、規(guī)格雜、分布散。施工方案選用6 臺塔吊和5部桅桿式起重機進行吊裝。課題組成員能按每個構(gòu)件的具體吊裝方法及整個吊裝過程的先后順序，對每個吊裝過程進行吊裝虛擬。吊裝過程采用GSL編程實現(xiàn)。針對不同的吊裝過程采用了不同的計算方法。對塔吊雙機抬吊采用了反運動學(xué)算法。通過正在吊裝的鋼結(jié)構(gòu)主梁的空間位置，算出吊裝的轉(zhuǎn)角和小車的運動行程。塔吊及桅桿式起重機單機起吊吊裝動作則首先通過手動操縱塔吊或桅桿起重機運動，在不斷試驗中尋找將構(gòu)件吊裝到位并能避開障礙的最佳運動軌跡，并記錄此軌跡上的每一個轉(zhuǎn)折點，以及在此點上的塔吊和起重機的運動參數(shù)。然后用GSL語言實現(xiàn)吊裝動作。

　　在吊裝試驗過程中，為解決依靠視覺判斷是否存在構(gòu)件干涉，無法克服三維模型顯示在二維屏幕上存在的視覺誤差問題，系統(tǒng)中加入了構(gòu)件的實時碰撞檢測功能。當構(gòu)件之間出現(xiàn)碰撞干涉時，相應(yīng)的構(gòu)件顏色將產(chǎn)生變化以提醒用戶。

　　2.3 第三部分：應(yīng)力和變形分析

　　包括兩部分內(nèi)容。

　　(1)桅桿起重機主副臂、基座、纜鳳繩和吊裝屋架的應(yīng)力分析

　　通過設(shè)計分析軟件，成功地對桅桿起重機吊裝的動態(tài)過程中各種條件下主臂、副臂、格構(gòu)柱、纜鳳繩和混凝土基座的受力狀況的有關(guān)參數(shù)進行計算，并對吊裝屋架的應(yīng)力進行對比分析。

　　(2)對典型厚板的焊接過程分析

　　選擇典型的箱形截面焊接過程進行三維有限元數(shù)值模擬。截面有限元數(shù)的網(wǎng)格劃分了八節(jié)點塊體單元，同時考慮了溫度使彈性模量發(fā)生的變化及鋼材從彈性體→塑性體 →彈性體的變化過程，力學(xué)模型采用了非線性的熱彈塑性模型。經(jīng)過連續(xù)計算，獲得了箱形截面的一次焊接和多層焊接的溫度場、應(yīng)力場和應(yīng)變場的變化規(guī)律。

　　3. 主要應(yīng)用成效

　　正大商業(yè)廣場的施工虛擬仿真系統(tǒng)是國內(nèi)首次嘗試仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑工程，它對施工全過程進行模擬，在施工前了解各種構(gòu)件在實際結(jié)構(gòu)中的相對位置及相互關(guān)系，試驗多種施工方法，計算相應(yīng)工況應(yīng)力，對吊裝方法、順序和吊裝線路進行優(yōu)化。通過正大商業(yè)廣場的施工實踐，取得了良好的應(yīng)用成效，主要體現(xiàn)如下。

　　(1) 通過試驗多種施工方案，可以在施工前發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化方案，有助于縮短工期，保障施工安全和工程質(zhì)量。通過實施施工虛擬仿真系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了原有施工方案中存在的若干不合理設(shè)想和安全隱患，并提供了可靠的解決施工方案。對原方案中桅桿起重機的纜鳳繩布置進行了優(yōu)化，減少了吊裝過程中安、拆纜鳳繩的次數(shù)。

　　(2)實現(xiàn)了施工過程的實時視覺仿真，有利于進行施工前的操作和安全交底。

　　(3)利用多點決策優(yōu)化理論優(yōu)化裝配吊裝方案，提高施工工效。

　　(4)開發(fā)桅桿起重機內(nèi)力分析程序，提供了起重機的安全運行控制要求，保障桅桿起重機的安全運行及屋架的安全吊裝。

　　(5)采用三維有限元法，獲得了數(shù)值模擬箱形截面焊接過程的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變場等數(shù)據(jù)和結(jié)論，可有效的指導(dǎo)施工現(xiàn)場對焊接變形進行控制。

　　(6)對建筑物外觀效果的仿真，有助于提高建筑造型的合理性和設(shè)計進程，為施工提供直觀指導(dǎo)。

　　4. 展望

　　上海正大商業(yè)廣場施工虛擬仿真系統(tǒng)的建成，標志著我國建筑行業(yè)跨入了應(yīng)用現(xiàn)代虛擬技術(shù)的新階段。同時也為建筑業(yè)和項目管理者在評估和管理項目風(fēng)險方面提供了一個極有價值的新工具。但由于該系統(tǒng)是仿真技術(shù)首次在建筑施工中應(yīng)用，在以下方面還需要進一步完善：

　　(1)系統(tǒng)的通用性，普及性較差，目前只對單個工程有效，還不具備在建筑業(yè)廣泛推廣應(yīng)用的條件;

　　(2)將建筑業(yè)的二維設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)化為仿真系統(tǒng)所需要的三維模型用時較長，使系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可推廣性降低;

　　(3)外觀和吊裝仿真使用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)與內(nèi)力計算使用的數(shù)值模擬技術(shù)還不能形成一個完整的體系，增加了數(shù)據(jù)的重復(fù)處理，降低了系統(tǒng)運行的可靠度;

　　(4)系統(tǒng)運行的軟硬件條件要求較高，首次投入較大。

　　隨著仿真技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用，施工虛擬仿真系統(tǒng)將會不斷完善和發(fā)展，對建筑工程施工技術(shù)和計算機仿真技術(shù)的發(fā)展將會起到巨大的推動作用。

更多內(nèi)容訪問>> 注冊土木工程師(巖土)考試頻道   注冊土木工程師(巖土)考試論壇  巖土工程師課程試聽

·2010年注冊土木工程師（巖土）考試輔導(dǎo)招生簡章
·巖土工程師輔導(dǎo)現(xiàn)在報名任意專業(yè)知識贈送專業(yè)知識習(xí)題班
·老師輔導(dǎo)每天24小時不限時間隨時反復(fù)學(xué)習(xí)……