基于Midas/Gen的超高建造爬升模架設備建模方法及工程應用

(上海建工集團股份有限公司，上海 200080)

1 引言

以液壓爬模和整體鋼平臺為代表的爬升模架設備為超高層建筑的綠色、高效、安全建造發揮著關鍵作用，例如廣州珠江城(309.6m)[1]、沈陽茂業(311m)[2]等超高層采用了液壓爬升模架進行施工，而中國第一高樓上海中心大廈(632m)[3](圖1)工程的九宮格核心筒采用筒架與筒架交替支撐式模架裝備進行施工，上海浦西第一高樓白玉蘭廣場超高層(320m)[4](圖2)采用了筒架鋼柱交替支撐模架裝備進行施工。

圖1 上海中心大廈工程整體鋼平臺模架

圖2 白玉蘭廣場工程整體鋼平臺模架

對爬升模架設備在施工狀態下的力學性能進行分析是超高建造中的重要環節。由于易于操作、前后處理功能完善、具備強大的計算分析和模擬能力等優點，Midas/Gen被廣泛地應用于爬升模架設備的設計、施工過程及復雜工況下的性能模擬。例如文獻[5]和文獻[6]分別采用Midas/Gen對具體工程中液壓爬模外爬架和整體鋼平臺施工過程的力學狀態進行了模擬分析。借助通用有限元軟件進行計算分析時，較為突出的問題是前處理建模耗用了大量時間，文獻[7]指出建模時間占整個計算分析時間的70%。因而已有文獻開始關注面向計算分析對象的建模技術，例如文獻[8]研究了基于ABAQUS的高層鋼筋混凝土結構的參數化建模方法、文獻[9]研究基于Midas/Civil的連續橋梁建模技術，文獻[10]對六邊形蜂窩夾層板的參數化有限元建模方法進行了研究，但目前鮮有文獻關注超高爬升模架設備有限元分析的建模方法。

與橋梁、高層等建筑結構等不同，爬升模架施工設備依附于超高層建筑的核心筒結構之上，因此建筑方案發生變更后，爬升模架設備的布置和構型等也相應發生改變，對爬升模架設備進行施工過程的安全驗算往往需要反復地建立計算模型，往往耗用了大量的計算時間。本文首先對目前爬升模架設備計算分析中常用的規建模方法進行了介紹。其次介紹了基于mgt命令和mgt文件的交互式建模方法，重點對mgt命令建模的框架和格式進行了分析。最后結合實際的超高層工程的應用，給出了基于Midas/Gen的mgt文件建模方法，工程應用表明該方法能夠大幅度提升建模效率且能應用于精細化計算分析，文中給出的思路和建模方法可供實際工程參考。

2 常規方法

從結構構成看，爬升模架設備均為典型的三維空間鋼框架結構。目前常規的建模思路有兩種，第一種是直接在Midas/Gen中通過新建節點、單元、材料、截面的順序并借助Midas的復制、鏡像及修改等功能建立結構模型，即通過連接節點形成單元，賦予單元材料和截面屬性來完成構件的建立。第二種方式是導入法，常用的做法是在CAD中建立爬升模架設備的三維線框架模型并保存為dxf文件，在Midas/Gen中導入dxf文件并賦予模型中各線單元材料和截面屬性即可完成模型的建立。由于簡單且易于操作，目前這兩種建模方法在實際工程中應用較廣，但也存在一定的不足，主要表現為：

(1)人工手動建模(或翻模)工作量大，建模過程需要人工借助Midas/Gen或CAD軟件的GUI界面進行操作，建模精度和效率取決于對軟件熟練運用程度。

(2)建模過程不可逆，當超高層建筑或結構方案發生變化后，爬升模架設備的設計方案也要相應地修改，則需要重復模型構建。

3 Midas交互式建模

(1)mgt交互建模

與ANSYS、ABAQUS等通用有限單元計算分析軟件類似，Midas/Gen提供了gmt(midas gen text的縮寫)命令窗口或mgt文件的交互式建模方法(見圖3和圖4)，即通過mgt命令或命令文本文件的形式建立結構的幾何、材料、截面、邊界條件及荷載等眾多信息。這種建模方法的優勢表現為：

(1)結構的各類信息通過mgt命令或mgt文本文件存儲，建模過程可以通過命令窗口或文本文件追溯、查閱及修改;

(2)建模過程具有良好的交互性，熟悉了mgt建模規則后用戶可以方便、高效地進行有限元模型構建，減少了重復建模工作，提高了建模效率。

圖3 爬升模架dxf模型

圖4 整體鋼平臺模架dxf模型

圖5 mgt命令窗口 圖6 mgt文本編輯器

*VERSION; 版本命令8.6.0; 版本號為8.6.0*UNIT; 單位命令KN,m,KJ,C; 力單位為KN,長度單位為m,能量單位為KJ,溫度單位為攝氏度*MATERIAL; 材料命令1,STEEL,Q345, 0, 0,,C,NO, 0.02, 1,GB12(S),,Q345,NO, 21.0062; 材料設置命令流,材料1為Q345鋼材*SECTION; 截面命令1,DBUSER,HN400x200x8/13,CC, 0, 0, 0, 0, 0, 0,YES,NO,H, 1,GB-YB05,HN400x200x8/13; 截面設置命令流,梁截面為HN400x200x8x13*NODE; 截面命令; 節點號,X坐標,Y坐標,Z坐標1, 0, 0, 02, 1, 0, 0*ELEMENT; 單元命令1,BEAM, 1, 1, 1, 2, 0, 0; 1號單元,梁單元,材料1,截面1,首節點號,尾節點號*ENDDATA; 文件結尾圖7 單梁mgt建模命令流

(a)導入mgt文件 (b)成功導入mgt文件圖8 單梁mgt建模命令流

(2)mgt命令及格式

利用Midas/Gen的mgt命令窗口或文本文件建模，需要掌握Midas/Gen缺省的命令及命令數據格式。Midas/Gen的mgt中前面帶“*”的為某種命令，例如*VERSION、*UNIT和*MATERIAL分別為版本命令、單位命令和材料命令。“；”為注釋符號，一般緊接命令之后，為對某個命令的注釋或命令流數據的格式要求。圖5為長度1m、H型截面HN400x200x8x13、Q345鋼材的單梁有限元模型的mgt命令流，為便于理解圖5對該單梁模型的每個命令和命令流都給予了中文注釋，圖6為在Midas/Gen中導入mgt文件后顯示結果。如果導入mgt文件出現錯誤，信息窗口中會提示mgt文件的錯誤位置和原因，用戶可根據提示修改和調試。表1給出了Midas中較為常用的幾種mgt命令、命令的數據格式及關鍵參數的注釋。總體而言，mgt命令有較強的可讀性、規律性，一方面用戶可以通過查閱Midas/Gen的用戶手冊后附錄中關于mgt命令的說明，另一方面也可通過將已有的Midas/Gen模型轉化為mgt文件，通過對照模型和mgt文件深入了解mgt命令的數據格式和使用規律。熟練使用mgt命令后能夠大大提高有限元建模的效率和準確性。

表1 常用mgt命令、格式及注釋

項目命令命令數據格式關鍵參數注釋版本*VERSION版本號/單位*UNIT; FORCE,LENGTH,HEAT,TEMPERFORCE:力單位LENGTH:長度單位HEAT:能量單位TEMPER:溫度單位材料*MATERIAL; iMAT,TYPE,MNAME; STEEL,CONC,USERiMAT:材料號TYPE:材料種類=STEEL:鋼材=CONC:混凝土=USER:用戶定義材料MNAME:材料名稱截面*SECTION; iSEC,TYPE,SNAME,[OFFSET],,,SHAPE,[DA-TA1]iSEC:截面號TYPE:截面類型SNAME:截面類型[OFFSET]:截面偏心設置SHAPE:截面形狀[DATA1]:截面數據設置節點*NODE; iNO,X,Y,ZiNO:節點編號,X:全局坐標系下X坐標Y:全局坐標系下Y坐標Z:全局坐標系下Z坐標單元*ELEMENT; iEL,TYPE,iMAT,iPRO,iN1,iN2,AN-GLE,iSUB,EXVAL,iOPT(EXVAL2)iEL:單元號TYPE:單元種類=TRUSS:桁架單元=BEAM:梁單元=TENSTR:只受拉單元=COMPTR:只受壓單元iMAT:材料編號iPRO:截面編號iN1:第一個節點編號iN2:第二個節點編號ANGLE:β角iSUB:Sub TypeEXVAL:對單元需另行輸入的數據EXVAL2:對單元需另行輸入的數據單元組*GROUP; NAME,NODE_LIST,ELEM_LIST,PLANE_TYPENAME:組名稱NODE_LIST:節點組編號ELEM_LIST:單元組編號PLANE_TYPE:面類型文件結尾*ENDDATA/文件結尾命令

4 工程應用

4.1 工程概況

南京金鷹天地廣場超高層項目由T1、T2、T3塔樓組成的超高層建筑，其中T1塔樓地上79層，建筑高度365.5m，T2塔樓地上69層，建筑高度322.3m，T3塔樓地上62層，建筑高度292.1m。三棟塔樓均采用“核心筒+外框架”形式，核心筒為鋼筋混凝土結構，筒體剪力墻外墻部分設有H 型鋼柱和剪力鋼板，核心筒外圍由鋼骨柱、鋼梁形成框架，采用鋼筋桁架樓承板組合樓蓋體系。T1塔樓筒體外圍尺寸為29.6m×25.4m，整體呈“九宮格型”。T2、T3塔樓筒體外圍尺寸分別為25.4m×20.2m和26.2m×17.5m，整體呈“四宮格型”。T1塔樓應用了上海建工集團自主研發的新型筒架交替支撐式新型液壓爬升模架體系進行施工，T2和T3塔樓應用了鋼柱筒架交替支撐式新型液壓爬升模架體系進行施工。

4.2 實例分析

以T2塔樓整體鋼平臺模架為例來說明其在Midas/Gen中的建模過程，由于整體鋼平臺模架的標準化、模塊化程度非常高，其建模過程體現了由“基本構成單元—子系統—整體系統”的逐步聚集和遞進的過程，具體包含如下步驟：

(1)基本構成單元的建模

整體鋼平臺模架主要由底層鋼大梁單元(GDL)、筒架柱單元(TJZ)、內吊架單元(NDJ)、鋼平臺單元(GPT)等構成，這些構成單元實質上都是由梁柱構成的鋼框架，可以便捷地根據其幾何位置和拓撲關系利用mgt命令建立相應的Midas/Gen有限元分析模型。

(2)各子系統的建模

在建立的各基本構成單元的基礎上，進一步利用Midas/Gen中的復制、平移操作生成各子系統。例如：如圖9(b)和圖10(b)所示，T2塔樓鋼平臺每個宮格的4個角部均需布置筒架柱單元，則通過已經建立好的1個筒架柱單元的復制平移可以方面地建立其余筒架柱。

(3)基本鋼平臺模架建模

完成各子系統的建模后，基本鋼平臺模架即為各子系統模型的疊加，即圖10(e)所示的基本鋼平臺模架模型為圖10(a)～圖10(d)所示各子系統模型的疊加。

圖9 整體鋼平臺基本構成單元

圖10 單梁mgt建模命令流

圖11 本文方法計算的鋼平臺模架豎向變形云圖 圖12 本文方法計算的整體鋼平臺應力云圖

(4)非標準構件建模

在交互式方法建立的基本模型的基礎上，再進一步完成部分非標構件的模型建立，最終形成完整的整體鋼平臺模架裝備有限元模型。如圖10(f)所示，主要的非標構件集中在鋼平臺子系統上，為加強鋼平臺子系統布置材料、設備堆放區的強度，根據要求進一步布置了部分非標的聯系鋼梁。由于采用了mgt命令流建模，該工程中整體鋼平臺各基本構成單元都是通過mgt命令流來定義，各子系統是基本構成單元命令流的復制和局部修改編輯，而各子系統mgt命令流共同構成了整體鋼平臺模型。

為驗證采用本文方法進行整體鋼平臺模架建模的正確性，在鋼筋堆載工況下分別對采用本方法建模和人工建模的整體鋼平臺模型進行有限單元分析，圖11和圖12給出了該工況下采用本文方法計算得到了鋼平臺模架的豎向變形和設計應力云圖，表2給出了兩種建模方法得到的整體鋼平臺的最大變形、最大應力、節點反力響應計算結果對比，可以看出傳統建模方法和本文方法高度一致，這說明通過本文方法建立的模架有限元模架有效。另外，當建筑方案發生變更時，本文方法只需要修改局部的mgt文件，省去了重復建模的時間，大幅提升了模架裝備的計算分析效率。

表2 傳統建模方法與本文方法建模 的有限元分析結果對比

項目傳統建模方法本文方法最大豎向變形(mm)22.622.8最大應力(MPa)0.860.86最大支反力(kN)425.9424.8

5 結論與建議

鑒于目前超高建造爬升模架設備建模采用人工方法工作量大、效率低的現狀，提出了基于Midas/Gen進行自動建模的方法，介紹了Midas mgt命令和mgt文件兩種建模方式及學習方法，結合一個超高層項目給出了該方法的有效性。主要結論如下：

(1)工程實踐表明，利用Midas/Gen提供的交互式建模的方法能夠大大提高建模的效率，減少計算分析的工作量、保障計算分析工作的可追溯性和精確性。

(2)本文基于Midas/Gen的交互式建模方法本質上為基于Midas/Gen的mgt文件(或命令)的一種建模方法，即按照Midas/Gen缺省的節點、單元、材料、荷載等結構數據格式進行模型構建。實際上Midas軟件的其他版塊及通用有限元計算分析軟件ANSYS及ABAQUS等都有類似的建模方法，例如Midas橋梁版Midas/Civil的mct文件、ANSYS的APDL建模采用的mac文件和ABAQUS的inp文件等。本文方法的思路和步驟也可供采用這些軟件建模時參考。

(3)Midas/Gen的mgt結構數據文件格式簡單、易于讀寫，在本文介紹方法的基礎可進一步探討借助Excel、Matlab、VB等程序化語言建模，能夠進一步提高建模的效率和便捷性，這也是進一步值得研究的方向。