大型博覽建筑鋼結構虛擬施工建模關鍵技術研究與應用

劉 松， 鄭亞文， 周 迎， 陳一平

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

隨著國民經濟的發展及國家基礎設施建設的推廣，大型博覽中心，展覽館，體育館的建設越來越多，規模也越來越大。諸如沈陽博覽中心、廣州白云機場、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構施工，其面積尺寸達到23250 m2，橫向桁架跨度達到114 m[1]，上海新博覽中心單榀桁架跨度達到72 m[2]，武漢國際博覽會展中心單榀桁架跨度也達到72 m，根據當前我國建筑業的實際情況，劉家武等人提出：跨度超過60 m的鋼結構為大跨度鋼結構[3]。以上實例均屬大跨度空間鋼結構施工范疇。大跨度鋼結構在國內相應進入了一個蓬勃發展的時期[4]。

同時大型鋼結構的發展在國外一直處于高速發展的趨勢，從1972年德國慕尼黑奧運會場館，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構建筑[5～8]。然而，鋼結構快速發展的同時也帶來新的挑戰。近年來，我國大型鋼結構施工過程中出現事故也時有發生。其中大型鋼結構吊裝過程事故率尤為突出。如廣州某體育館高空散裝時，因腳手架剛度不夠,發生坍塌;湖南某體育館部分桿件在施工期間彎曲發生坍塌[9]。目前大型鋼結構的吊裝施工過程主要面臨著如下挑戰：(1)在施工過程中因結構失去平衡、穩定而傾覆或倒塌；(2)大跨度鋼結構整體提升過程與周圍實體發生干涉與碰撞；(3)吊裝過程中局部構件或節點的強度不足而破壞整體結構性能[10]。面對這些挑戰，傳統的施工技術和手段有時很難達到要求，隨著計算機仿真技術的不斷發展，虛擬仿真技術日臻成熟，虛擬現實和虛擬建造技術已被成功引入建筑工程施工領域，通過對鋼結構吊裝過程進行虛擬吊裝預演，在虛擬過程中實時處理關鍵數據，如實現虛擬過程與碰撞檢測的結合，虛擬過程與力學分析的結合等等，一方面能有效解決現實吊裝過程中面臨的挑戰，同時也可以對原有的施工方案進行優化。而實現虛擬吊裝過程中關鍵數據的實時處理，模型的建立是關鍵。目前我國計算機建模領域的研究，存在一定的局限性，其中一部分原因是因為所選用的建模軟件的局限性導致，如BIM建模軟件能夠實現參數化建模但所建模型無法完成復雜動作的功能，3Dmax等建模軟件能夠實現模型的復雜動作的功能，但無法實現虛擬仿真與碰撞檢測以及力學分析相結合的功能。本文以大型博覽鋼結構施工為研究對象，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鍵建模技術和方法，有效解決了上面提到的難點問題，并實現了虛擬仿真過程中實時處理關鍵數據的功能，如圖1所示。

圖1 幾種典型建模思路的評價與比較

1 虛擬吊裝建模技術的研究

虛擬吊裝顧名思義是基于虛擬平臺，實現虛擬吊裝過程的研究。要實現虛擬吊裝的過程，首先是虛擬模型的建立，大型博覽建筑鋼結構形狀構件種類復雜，數量龐大，比如單獨一個展廳的鋼結構桿件就可能達到12000多根，通常的大型博覽建筑擁有多個甚至幾十個展廳。傳統的建模方式工作量極大，這里采用基于數據驅動的參數化建模技術，能夠快速精準完成對鋼結構模型的建模。

1.1 基于數據驅動的參數化建模方法

所謂基于數據驅動的參數化建模，實質是利用數據庫支持的尺寸驅動的原理，采用基于IFC標準的建筑模型的表達方法，使尺寸的改變能自動轉化為實體模型形狀的改變，并研究如何創建施工資源庫，研究數據驅動的虛擬施工過程仿真。

其中IFC(Industry Foundation Class)標準是指建筑對象的工業基礎類數據模型標準，由國際協同聯盟(IAI)在1995年提出的標準，該標準是為了促成建筑業中不同專業，以及同一專業中的不同軟件可以共享同一數據源，從而達到數據的共享及交互。基本建模原理：基礎模型庫——復合物體建模——標準件特征參數庫——模型數據化驅動[11]。其中標準特征參數庫最核心最重要的是如何解決鏈接問題。采用參數化建模技術的基本流程圖，如圖2所示：

圖2 參數化建模技術的基本流程

采用數據化驅動進行參數化建模時，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，盡可能對模型進行優化。分割模型就是按照建模實體的功能、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思想。對模型的優化主要表現在處理模型任務時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、部件的調整優化等。鋼結構基礎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 基礎模型主要參數

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分別為鋼管環形截面的內外半徑以及管的高度。

大型博覽建筑鋼結構虛擬吊裝施工過程的參數化建模主要分為兩大類：一類是鋼構件的參數化建模，另一類是施工過程中機械設備的參數化建模。

1.2 大型博覽建筑虛擬吊裝施工鋼構件建模

鋼構件參數化建模，主要工作包括設置模型的基本幾何屬性參數，如桿件的截面屬性，模型工程性能參數，如材料屬性等以及實現虛擬仿真過程的技術參數，如自由度節點的坐標參數、自由運動屬性限制參數等等。這些參數屬性在建模過程中都可以在特定環境下指定的屬性欄設置。比如在建立單根鋼管柱的模型時，在指定的屬性欄中通過設置鋼管的半徑，高，材質等參數信息來完成鋼管的初期模型的建立。如圖3所示。另外，標準化模型還應包括對面向工程對象的特定參數描述，使最終形成的模型庫中的每一個模型都是具有智能化屬性和建筑元素特征和的建筑構件，如圖4所示。

(右邊為參數化控制界面(未添材料屬性))圖3 鋼管柱參數化建模效果

(已加金屬材質屬性和技術參數屬性)圖4 鋼管柱參數化建模效果

1.3 大型博覽建筑虛擬吊裝施工機械設備模型及復雜動作實現建模

大型博覽建筑鋼結構吊裝施工中主要使用到的機械設備包括汽車吊，履帶吊，塔吊，叉車等等，這些機械模型實現，參數的控制最關鍵，不同機械設備其控制參數各有差異。比如履帶吊的主要技術控制參數為起重量、起重高度和起重半徑。考慮到系統對履帶吊動作仿真的需要，將履帶吊分成以下幾個部分：履帶部分、機身部分、駕駛室及機身回轉部分、機身吊臂連接部分、吊臂部分和吊鉤部分，各部分的控制參數見表2。

表2 履帶吊建模控制參數

汽車吊建模控制參數與履帶吊有相似之處，主要增加了位置坐標、車身水平轉角、整體轉角、吊臂豎直平面轉角等控制參數。塔吊主要技術參數有：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、爬升機構頂升速度和附著間距等[12]。這里不作詳細講述，本文主要研究上述各種機械設備在虛擬吊裝施工中實現各種復雜動作的關鍵建模方法。

吊裝施工中大多數機械設備的基本動作主要包括以下四類：起升、變幅、回轉和行走。由于部件與部件、部件與整體之間結構及功能存在約束關系，因此其運動軌跡有一定的關聯度。如起重機具除自身在裝卸貨物時作垂直方向運動外，還和汽車吊一起作水平運動，同時在重力、風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合運動。為了真實反映其運動過程(前期基本模型已經完成)，建立精準、合理的層次坐標系是后期建模工作的關鍵所在，為簡化其運動模型，至少需建立4個層次的坐標系，讓處于不同坐標系下的模型實體能夠獨立完成當前坐標系下的軌跡運動，如圖5所示。

圖5 汽車吊建模層次坐標系

在機構運動過程中吊具的運動只需計算相對于汽車吊的位置變化即可。由于汽車吊的運動會通過鋼絲繩滑輪組帶動吊具一起運動，建模時將吊具作為起重機的下一級節點，吊具既可繼承上一級節點的運動，又可獨立于上一級節點運動，起吊貨物等。圖6為基于參數化建模技術下的汽車吊模型，履帶吊模型。

圖6 汽車吊、履帶吊及其底盤模型

在機械建模過程中層次坐標系的建立DOF(Degree of Freedom)技術非常重要。DOF技術可以實現模型局部的旋轉，位移等動作，通過設置相關參數的最大最小值，還能控制局部運動的變化范圍。它包含了與旋轉、伸縮和位移相關聯的6個自由度參數變量。其相應的約束參數信息均以. flt文件格式保存于OpenFlight模型數據庫中。在裝載過程間，為DOF節點創建一個DCS 坐標(動態坐標系，Dynamic Coordinate System)，這樣Vega在加載.flt模型的時候會讀入相應的約束條件供應用程序調用。從底層看，DOF 節點被Vega加載后就會有一個對應的動態坐標系節點。通俗的說，模型對象一旦是動態坐標系了，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了。

1.4 虛擬吊裝與碰撞檢測、力學分析功能結合建模

虛擬吊裝過程中模型的逼真效果，尺寸，以及特定運動要求，影響著鋼結構虛擬吊裝過程實現的效果。大型博覽建筑鋼結構施工現場情況十分復雜，施工過程中，不僅要考慮比如支撐塔架設置、空間異型構件安裝、安裝精度控制等而且還要考慮主結構安裝完成后的支撐塔架卸載與拆除方案及安全措施設置方案。其中一個非常突出的施工難點就是施工過程中發生實體之間的碰撞。因此在虛擬仿真過程中進行碰撞檢測非常必要。

實現碰撞檢測的關鍵技術點在于建模時模型約束體的建立、仿真平臺的選擇以及操作技術。約束體的大小和形狀通過參數化建模技術來完成和控制，是虛擬現實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建模軟件實現[13]。

而虛擬吊裝與力學分析相結合是解決現實吊裝過程中因結構失去平衡、穩定而傾覆或倒塌，以及吊裝過程中局部構件或節點的強度不足而破壞整體結構性能等問題的有效手段。

要實現虛擬吊裝過程與力學分析結合，關鍵之處在于所建立的模型應該是準確清晰的包含每一根桿件的必要信息，能夠在鋼結構虛擬施工過程中的任一時點t，動態獲取模型中結構桿件的空間坐標、桿件屬性信息傳輸到ANSYS軟件進行力學強度、剛度和穩定性分析，以保證吊裝過程的安全性。要實現這個突破，建模時對模型進行處理是關鍵。大型博覽建筑的鋼結構構件的特點是每個構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，首先是從相關施工組織設計資料中獲取各個模型的原始數據資料，然后通過參數化建模技術，精確設置各根桿件的幾何參數，完成桿件的基本模型，接下來最重要的，也是實現和力學分析相結合最關鍵的，是將每根桿件兩端的幾何中心點設為自由度節點，同時分別為每個節點命名。只有通過先設置自由度節點，然后命名，這樣所建模型導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點的次桁架效果圖(如圖7)。圖中每個局部坐標系X、Y、Z都表示一個節點信息。

圖7 添加自由度節點的次桁架效果

2 案例應用

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，為內外兩環二層建筑結構。第一層高7 m，為現澆鋼筋混凝土框架結構；第二層高20.5 m，為鋼網架結構，鋼結構重約1.5萬噸。主展覽館單體展館的架空層面積為9072 m2，由31根鋼管柱支撐鋼結構屋蓋，屋蓋由2榀單跨126 m桁架、8榀單跨72 m桁架和四片網架組成，單榀桁架最大重量達350噸。

(1)技術分析

在武漢國博虛擬施工過程中，所有鋼結構構件的模型(包括徑向主桁架，環形次桁架，內外網架，胎架)均采用Creator來實現，對于復雜的機械設備模型有些是通過Creator建模，比如汽車吊，另外一些是先通過在3Dmax里面建模后，導出為3ds.*格式，然后再導入到Creator里面，如履帶吊的模型，需要注意的是，從外部導入到Creator里面的模型，在導入過程中會發生模型信息丟失，和模型失真的現象，此時還需要人工調整和修復。最后用Vega Prime進行數據處理，對已建立的虛擬模型進行交互控制。通過該軟件平臺實現模型的基本動作。

(2) 虛擬吊裝與力學分析、碰撞檢測功能結合應用

在內網架的吊裝過程中，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。這里對第二片進行力學分析。通過傳輸所需數據至ANSYS，分析得到結構最大位移為2.86 mm，最大等效應力為14.0 MPa，遠小于材料屈服應力235 MPa，穩定性分析得到屈曲載荷因子為107.11?1，結構處于安全狀態，結構屈曲模態如圖8所示。

圖8 內網架第二片吊裝結構穩定性分析結果

在吊裝過程中，我們可以根據需要，隨時對吊裝過程機械進行碰撞檢測，下圖是履帶吊進行網架吊裝過程中的某一時刻碰撞檢測示意，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 基于參數化建模的鋼結構建模效果(內網架)

圖11 7m承臺及虛擬吊裝整體模型效果型

圖12 某單區場館鋼結構模結構建模效果(內網架)

3 結 語

本文以大型復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構虛擬吊裝過程關鍵建模技術的研究與應用，通過采用這些關鍵的建模技術，實現了虛擬仿真與碰撞檢測、力學分析的實時動態結合，有助于解決目前大型復雜鋼結構施工過程中遇到的重難點問題。并成功申請了《大型復雜鋼結構虛擬施工仿真吊裝系統》軟件專著權。

另外，本文的研究由于個人經歷，水平以及資源有限，在實際操作中選取了虛擬吊裝施工過程中幾個關鍵的時間點來進行分析，尚未實現全過程任意時間點的實時數據交換。但是按照這種方法這種思路理論上是能夠實現實時動態分析，因此具有一定的指導意義。

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