巖土工程師輔導(dǎo)：仿真在正大廣場(chǎng)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(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合技術(shù)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，仿真技術(shù)是對(duì)系統(tǒng)模型的一種試驗(yàn)技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞： 仿真技術(shù) 廣場(chǎng)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(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合技術(shù)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，仿真技術(shù)是對(duì)系統(tǒng)模型的一種試驗(yàn)技術(shù)。

　　建筑工程施工是一項(xiàng)將設(shè)計(jì)圖建成實(shí)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(duì)施工方法和施工組織的優(yōu)化主要建立在施工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。依靠施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)施工進(jìn)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(yàn)對(duì)工程施工的可行性、控制優(yōu)化、事故預(yù)測(cè)和生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化等各方面的分析和預(yù)測(cè)，可能會(huì)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(wú)法開(kāi)展定量分析。而依靠仿真技術(shù)這一高效節(jié)省的試驗(yàn)方法，能夠跟蹤施工過(guò)程的各環(huán)節(jié)。對(duì)施工生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)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(chǎng)項(xiàng)目為背景，對(duì)仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑工程施工進(jìn)行了嘗試。

　　1. 工程概況

　　正大廣場(chǎng)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(zhǎng)約260m，寬約100m，總高度50m，總建筑面積達(dá)24.3萬(wàn)平方，是集商業(yè)、餐飲、娛樂(lè)為一體的綜合性建筑。

　　本建筑由于建筑規(guī)模、設(shè)計(jì)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(zhǎng)，安裝高度各異，大多數(shù)構(gòu)件只能用桅桿式起重機(jī)安裝，吊裝有較大難度。吊裝過(guò)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(jìn)行驗(yàn)證。

　　2. 仿真系統(tǒng)的主要內(nèi)容

　　“上海正大商業(yè)廣場(chǎng)施工虛擬仿真系統(tǒng)”以滿足生產(chǎn)需求為目標(biāo)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)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(chǎng)按現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)敿?xì)建模渲染，并將附近建筑、場(chǎng)景、道路、黃浦江等建模渲染，使觀察者如身臨其境。系統(tǒng)實(shí)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(chǎng)景中漫游;在場(chǎng)景中加入海洋效果、聲音仿真等特效，使場(chǎng)景更顯真實(shí)并具有動(dòng)感，沉浸感更強(qiáng)。在漫游中實(shí)現(xiàn)了碰撞檢測(cè)功能，使漫游場(chǎng)景中的各種實(shí)體能真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)生活中的各種狀況。例如，運(yùn)動(dòng)物體遇到障礙物會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，在高低不平的道路上，能夠隨地形起伏運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)上完成各種構(gòu)件配裝、吊裝的多種試驗(yàn)和優(yōu)化工作。同時(shí)利用多點(diǎn)決策理論，采用兩榀屋架同時(shí)裝配方案，使裝配-吊裝過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。

　　正大商業(yè)廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量多、規(guī)格雜、分布散。施工方案選用6 臺(tái)塔吊和5部桅桿式起重機(jī)進(jìn)行吊裝。課題組成員能按每個(gè)構(gòu)件的具體吊裝方法及整個(gè)吊裝過(guò)程的先后順序，對(duì)每個(gè)吊裝過(guò)程進(jìn)行吊裝虛擬。吊裝過(guò)程采用GSL編程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)不同的吊裝過(guò)程采用了不同的計(jì)算方法。對(duì)塔吊雙機(jī)抬吊采用了反運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。通過(guò)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(yùn)動(dòng)行程。塔吊及桅桿式起重機(jī)單機(jī)起吊吊裝動(dòng)作則首先通過(guò)手動(dòng)操縱塔吊或桅桿起重機(jī)運(yùn)動(dòng)，在不斷試驗(yàn)中尋找將構(gòu)件吊裝到位并能避開(kāi)障礙的最佳運(yùn)動(dòng)軌跡，并記錄此軌跡上的每一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以及在此點(diǎn)上的塔吊和起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。然后用GSL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)吊裝動(dòng)作。

　　在吊裝試驗(yàn)過(guò)程中，為解決依靠視覺(jué)判斷是否存在構(gòu)件干涉，無(wú)法克服三維模型顯示在二維屏幕上存在的視覺(jué)誤差問(wèn)題，系統(tǒng)中加入了構(gòu)件的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)功能。當(dāng)構(gòu)件之間出現(xiàn)碰撞干涉時(shí)，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(jī)主副臂、基座、纜鳳繩和吊裝屋架的應(yīng)力分析

　　通過(guò)設(shè)計(jì)分析軟件，成功地對(duì)桅桿起重機(jī)吊裝的動(dòng)態(tài)過(guò)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(jìn)行計(jì)算，并對(duì)吊裝屋架的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。

　　(2)對(duì)典型厚板的焊接過(guò)程分析

　　選擇典型的箱形截面焊接過(guò)程進(jìn)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(diǎn)塊體單元，同時(shí)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(guò)程，力學(xué)模型采用了非線性的熱彈塑性模型。經(jīng)過(guò)連續(xù)計(jì)算，獲得了箱形截面的一次焊接和多層焊接的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的變化規(guī)律。

　　3. 主要應(yīng)用成效

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

　　(1) 通過(guò)試驗(yàn)多種施工方案，可以在施工前發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(guò)實(shí)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(duì)原方案中桅桿起重機(jī)的纜鳳繩布置進(jìn)行了優(yōu)化，減少了吊裝過(guò)程中安、拆纜鳳繩的次數(shù)。

　　(2)實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程的實(shí)時(shí)視覺(jué)仿真，有利于進(jìn)行施工前的操作和安全交底。

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

　　(4)開(kāi)發(fā)桅桿起重機(jī)內(nèi)力分析程序，提供了起重機(jī)的安全運(yùn)行控制要求，保障桅桿起重機(jī)的安全運(yùn)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(guò)程的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)等數(shù)據(jù)和結(jié)論，可有效的指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊接變形進(jìn)行控制。

　　(6)對(duì)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(jì)進(jìn)程，為施工提供直觀指導(dǎo)。

　　4. 展望

　　上海正大商業(yè)廣場(chǎng)施工虛擬仿真系統(tǒng)的建成，標(biāo)志著我國(guó)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(shí)也為建筑業(yè)和項(xiàng)目管理者在評(píng)估和管理項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)方面提供了一個(gè)極有價(jià)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(jìn)一步完善：

　　(1)系統(tǒng)的通用性，普及性較差，目前只對(duì)單個(gè)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(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為仿真系統(tǒng)所需要的三維模型用時(shí)較長(zhǎng)，使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可推廣性降低;

　　(3)外觀和吊裝仿真使用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與內(nèi)力計(jì)算使用的數(shù)值模擬技術(shù)還不能形成一個(gè)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(yùn)行的可靠度;

　　(4)系統(tǒng)運(yùn)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(huì)不斷完善和發(fā)展，對(duì)建筑工程施工技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展將會(huì)起到巨大的推動(dòng)作用。

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