基于建筑物移位工程的數(shù)字化和可視化模擬

洪 鷹，金海陸，高進(jìn)濤，楊瑞軍

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

建筑物整體平移技術(shù)由于其工期短、成本低、節(jié)約建材以及減少建筑垃圾等優(yōu)點(diǎn)，在城市改造過程中既有建筑保護(hù)領(lǐng)域日益受到重視[1-2]．多支點(diǎn)滑動平移是國內(nèi)短距離平移方式之一，其特點(diǎn)是托盤上吊裝的液壓缸下安裝滑撬，滑撬底面粘貼不銹鋼板，且不銹鋼板與滑道鋼板上鋪設(shè)的聚四氟乙烯形成滑動面[3-4]．該平移方式具有平移平穩(wěn)、易于調(diào)整、平移速度快和對下滑道的平整度要求相對較低等優(yōu)點(diǎn)，且隨著我國液壓同步控制系統(tǒng)的發(fā)展(如天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院開發(fā)的建筑物遷移動力系統(tǒng)可以保證位移同步誤差在±1.5,mm 以內(nèi)[5])，該平移方式將被廣泛應(yīng)用，而國內(nèi)缺少這方面的研究．現(xiàn)場觀測實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)都表明沉降差對遷移建筑物影響較大[6-7]．目前關(guān)于沉降對建筑物受力的研究多針對滾動遷移方式，其方法主要有以下 3種：①根據(jù)現(xiàn)場觀測，做實(shí)驗(yàn)來總結(jié)規(guī)律；②以現(xiàn)場施工得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對建筑物模型施加位移約束來分析；③構(gòu)建地基、軌道梁和建筑物模型來分析地基沉降對建筑物受力的影響[7-10]．第 1種方法缺少精確性和通用性．第 2種方法只能針對幾種情況進(jìn)行模擬，且該方法與液壓缸控制方式不符．第 3種方法計(jì)算復(fù)雜，地基情況不容易更改且不能考慮液壓缸反應(yīng)時(shí)間這個(gè)因素．針對以上問題，本文提出了數(shù)字化模擬方法，開發(fā)了數(shù)字路面軟件，用戶可任意定義路面上軌道沉降狀況，進(jìn)而對各種軌道沉降情況進(jìn)行模擬．本文又通過一系列的算法把路面變化轉(zhuǎn)化為頂升力的變化，從而模擬不同遷移路面對遷移建筑物受力的影響．

雖然國內(nèi)外對遷移建筑物進(jìn)行了許多虛擬仿真也取得了一定的成果，但這些成果是抽象的，不能直接用于指導(dǎo)實(shí)踐．而建筑物遷移的可視化不僅能用于指導(dǎo)實(shí)踐而且能對施工前各種工況進(jìn)行預(yù)判，從而使施工更加可靠和經(jīng)濟(jì)，但能直觀地顯示遷移建筑物受力變化的可視化軟件鮮見報(bào)道[11]．本文利用 VC++讀取ANSYS結(jié)果文件進(jìn)而驅(qū)動遷移建筑物在OpenGL中顯示受力變化，利用OpenGL強(qiáng)大的圖形操作功能實(shí)現(xiàn)對遷移建筑物受力狀況的實(shí)時(shí)、任意角度、分層的觀察．本文開發(fā)的建筑物遷移可視化系統(tǒng)為遷移建筑物仿真的成果用于指導(dǎo)實(shí)踐提供了良好的交互平臺．

1 數(shù)字化模擬介紹

1.1 數(shù)字化路面簡介

本文所述的數(shù)字化路面即指把遷移軌道的高低起伏數(shù)字化．工程上一般定義沉降差為軌道變形與平整度誤差之和．工程實(shí)踐表明，滾動遷移方式下，動載荷作用下產(chǎn)生1/1,000的沉降差不會引起上部結(jié)構(gòu)開裂，故在遷移前該數(shù)字化路面采用工程上的限值，進(jìn)行初步預(yù)測計(jì)算，在遷移過程中則采用實(shí)際監(jiān)測到的沉降差進(jìn)行有針對性的仿真模擬．本文所述的數(shù)字化路面本質(zhì)上是符合一定要求的一系列的隨機(jī)數(shù)．隨機(jī)路面的輸入界面如圖1所示．

圖1 數(shù)字化路面輸入界面Fig.1 Input interface of digital road surface

一組數(shù)字路面的生成原則為：①每組隨機(jī)數(shù)的個(gè)數(shù)與頂升液壓缸的個(gè)數(shù)保持一致性；②每條遷移軌道上的液壓缸所經(jīng)過的路面是同一路面；③輸入的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)決定生成隨機(jī)數(shù)的范圍；④最低點(diǎn)、最高點(diǎn)是相對于初始狀態(tài)時(shí)沉降而言的；⑤移動的距離要不大于路面的長度；⑥根據(jù)移動距離和隨機(jī)點(diǎn)長度確定隨機(jī)路面上斜坡的個(gè)數(shù)(如圖2中從A到B為一斜坡)；⑦根據(jù)隨機(jī)點(diǎn)長度和步距長度確定一斜坡路面上積分點(diǎn)數(shù)目(即液壓缸分幾步從A點(diǎn)滑動到B點(diǎn))．

1.2 數(shù)字化模擬實(shí)施步驟

數(shù)字化模擬有如下5個(gè)實(shí)施步驟．

圖2 軌道上隨機(jī)路面示意Fig.2 Schematic diagram of random road surface of an orbit

(1) 建立 ANSYS實(shí)體模型，在樓板上加載活載荷，把墻體重量轉(zhuǎn)化為面載荷加在梁上，施加重力加速度，約束托架上所有的頂升點(diǎn)，進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析．分析得到各頂升支點(diǎn)的支反力、建筑物重力以及建筑物該狀態(tài)時(shí)的受力情況．

(2) 提取靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果中的各個(gè)頂升液壓缸的頂升力和頂升力總和，并把頂升力總和賦值給代表建筑物總重量的參數(shù)G．

(3) 根據(jù) ANSYS建立的模型信息以及得到的結(jié)果，并設(shè)定實(shí)際需要測驗(yàn)的數(shù)據(jù)，填寫數(shù)字化路面參數(shù)，并運(yùn)行數(shù)字化路面程序，生成數(shù)字路面模擬數(shù)組，其中每一模擬數(shù)組中的每一點(diǎn)代表相應(yīng)頂升液壓缸相對于前一時(shí)刻的相對高度．

(4) 利用 ANSYS提供的 APDL語言讀入數(shù)字化路面輸出的數(shù)據(jù)．根據(jù)路面不平度與液壓缸頂升力的變化關(guān)系、液壓控制延遲時(shí)間、遷移速度以及液壓缸的安全裕量、建筑物重力、上一時(shí)刻液壓缸的頂升力這些相關(guān)參數(shù)化條件，對讀入的數(shù)字路面模擬數(shù)組進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚菏紫劝褦?shù)組中路面不平度轉(zhuǎn)化為頂升力的變化值，接著根據(jù)上一時(shí)刻液壓缸頂升力值和得到的頂升力變化值計(jì)算得到下一時(shí)刻頂升力的近似值，然后讓得到的頂升力與建筑物重力相比較，得到的差值平均分到每一個(gè)頂升缸上，最后計(jì)算得到下一時(shí)刻要施加的頂升力，然后調(diào)用修改后的數(shù)據(jù)，并一組組賦值給頂升點(diǎn)，設(shè)定適當(dāng)?shù)妮d荷步和子步數(shù)，進(jìn)行求解，該步驟具體舉例說明如下．

假設(shè)路面不平度為±Hmm，因沉降液壓缸每次調(diào)整壓力 Δ p =ΔHα，且要滿足p + Δp ＜液壓缸的安全許用壓力，其中ΔH為遷移時(shí)同一個(gè)支點(diǎn)前后2個(gè)狀態(tài)時(shí)的沉降差，α為相關(guān)系數(shù)，因?yàn)榘惭b后每個(gè)缸的剛度及所處位置的不同，α也會有差異，故本文取平均值，該值是要根據(jù)不同的工況進(jìn)行調(diào)整的，p為液壓缸某一狀態(tài)時(shí)的壓力．則當(dāng)建筑物的某一支點(diǎn)由 A平移到設(shè)定的距離 B時(shí)，該支點(diǎn)的液壓缸頂升力由 A狀態(tài)時(shí)該支點(diǎn)頂升力加上平移后由于路面沉降所造成的力的變化確定．例如假設(shè) A狀態(tài)該支點(diǎn)頂升力為F(N)，B狀態(tài)時(shí)該支點(diǎn)沉降差為ΔHmm，則B狀態(tài)時(shí)該支點(diǎn)頂升力為F+ΔHαS，其中S為缸徑面積．遷移時(shí)某一狀態(tài)的頂升力都是根據(jù)其前一狀態(tài)計(jì)算得到．此外該系統(tǒng)還可以根據(jù)平移速度、液壓缸控制延遲時(shí)間等參數(shù)之間關(guān)系來考慮控制延遲問題．

根據(jù)上述原理則可得出每一平移狀態(tài)時(shí)的液壓缸頂升力．由于每一狀態(tài)時(shí)生成的一組頂升力的總和并不一定等于建筑物重力G，故為了保證每個(gè)頂升力數(shù)組的總和與建筑物重力相等，設(shè) M 為每個(gè)數(shù)組內(nèi)的頂升力累加的總和，則在每次調(diào)用某數(shù)組之前，先比較 M 與 G的值是否相等，如果相等，則直接調(diào)用該數(shù)組；如果不等則將(G - M ) /K的值分別加到該數(shù)組的所有數(shù)，然后將得到的新的頂升力數(shù)組賦值給各頂升點(diǎn)，其中K為支點(diǎn)數(shù)目．由于液壓缸由一種狀態(tài)進(jìn)入下一種狀態(tài)不是突變的，即液壓缸的頂升力是漸變的，故設(shè)定子步條件時(shí)，設(shè)定頂升力呈線性變化，時(shí)間則根據(jù)遷移速度，計(jì)算步距及計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間綜合考慮．

(5) 求解輸出上述各子步節(jié)點(diǎn)的位移變化量、應(yīng)力變化云圖和彎矩圖等，即根據(jù)數(shù)字化模擬得到的建筑物遷移受力變化結(jié)果，可得到建筑物遷移過程的數(shù)字化模擬結(jié)果．

根據(jù)本文工程實(shí)踐所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，對某一 6層框架結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行數(shù)字化仿真模擬，得到平移時(shí)某一狀態(tài)受力如圖 3所示．從分析結(jié)果可以直觀看出遷移建筑物托盤受力變形較大，且液壓缸頂升處、推力液壓缸施力處和抱住梁與卸荷梁的結(jié)合處有明顯的應(yīng)力集中，卸荷梁起到了較好的卸荷作用．仿真得到的關(guān)鍵部位的受力狀況與實(shí)際遷移建筑物觀測到的情況較為相近，例如寧夏吳忠賓館平移采用了多支點(diǎn)滑動遷移方式，在平移過程中出現(xiàn)了如上所述的情形[4]．

圖3 數(shù)字化分析示意Fig.3 Schematic diagram of digital analysis

2 可視化模擬

本文實(shí)現(xiàn)建筑物遷移可視化有如下8個(gè)步驟．

步驟1用ANSYS對遷移建筑物進(jìn)行有限元分析，輸出需要的信息．信息包括節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、單元信息、節(jié)點(diǎn)變形、節(jié)點(diǎn)或單元等效應(yīng)力．

步驟2初始化OpenGL環(huán)境．

步驟 3通過 VC++讀入 ANSYS的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[12-13]和單元信息文件并進(jìn)行相應(yīng)的投影變換，使用OpenGL的畫面命令重現(xiàn)建筑物模型．

步驟 4利用 OpenGL貼圖和三維實(shí)體構(gòu)造函數(shù)來構(gòu)建遷移建筑物場景，利用 OpenGL的光照和材質(zhì)函數(shù)來渲染場景，利用其反走樣和融合圖像處理方法使仿真物更具真實(shí)感．

步驟5通過VC++讀入ANSYS分析出的建筑物節(jié)點(diǎn)x、y、z方向的變形量，并設(shè)定一定的夸大系數(shù)來驅(qū)動建筑物的變形．

步驟6通過VC++讀入ANSYS分析出的建筑物單元或節(jié)點(diǎn)前后2個(gè)狀態(tài)的應(yīng)力來通過顏色的深淺顯示建筑物遷移過程中應(yīng)力的變化情況．

步驟 7通過視圖變換實(shí)現(xiàn)對遷移建筑物放大、縮小及任意角度的觀察，通過建筑物節(jié)點(diǎn)高度方向的坐標(biāo)和設(shè)定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對遷移建筑物的分層觀察．

步驟 8利用 OpenGL的雙緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)遷移建筑物的動畫演示．

對于步驟 1，由于每次分析的都是一個(gè)模型，故只需輸出一次節(jié)點(diǎn)和單元信息．為方便數(shù)據(jù)的讀入，需要輸出的數(shù)據(jù)中間無間斷并統(tǒng)一格式，輸出數(shù)據(jù)后需要把輸出數(shù)據(jù)文件內(nèi)容中開頭部分介紹性的數(shù)據(jù)和最后列出的最大最小信息去除．

對于步驟 3，目前通過很多三維軟件建模之后通過一定的格式轉(zhuǎn)換和 VC++信息讀取也可重現(xiàn)圖形，但傳統(tǒng)的從AutoCAD、3,DMAX等文件中提取結(jié)構(gòu)物信息的方法，由于各自文件存儲格式的限制，需要花費(fèi)大量的精力和時(shí)間且其數(shù)據(jù)和有限元分析得到的數(shù)據(jù)很難對應(yīng)，無法實(shí)現(xiàn)對任意點(diǎn)的驅(qū)動[14]．模型坐標(biāo)和屏幕坐標(biāo)不對應(yīng)，故需先變換模型坐標(biāo)．再由于模型頂點(diǎn)的坐標(biāo)經(jīng)過變換后可能不在視口范圍內(nèi)，因此可能無法在屏幕上顯示，故需一定變換．首先計(jì)算模型的尺寸范圍和中心點(diǎn)坐標(biāo)，將模型的尺寸范圍與視口大小進(jìn)行比較獲取模型的放大倍數(shù)，根據(jù)獲得的結(jié)果對模型進(jìn)行放大或縮小到能在窗口中顯示，然后將模型中心位置移到視口中心位置處即可．

對于步驟 5，由于輸出的文件中不僅包含 x、y、z坐標(biāo)的位移變化量還包括每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移變化總量，為減少讀入的數(shù)據(jù)量，故編寫程序只讀取x、y、z坐標(biāo)的位移變化量．

對于步驟 6，由于遷移過程中并不一定是應(yīng)力大的部位是危險(xiǎn)部位，而應(yīng)力變化大的位置卻很有可能是危險(xiǎn)部位，故本文采取每次讀取 2個(gè)狀態(tài)的應(yīng)力值，通過比較它們的差值的絕對值來顯示危險(xiǎn)位置．

對于步驟 7，把視點(diǎn)的位置設(shè)為變量，設(shè)定鍵盤上6個(gè)按鍵與3個(gè)變量相關(guān)聯(lián)，通過按鍵實(shí)現(xiàn)對遷移建筑物放大、縮小及任意角度的觀察．

對于步驟8，采用OpenGL進(jìn)行三維建模并實(shí)時(shí)顯示對計(jì)算機(jī)的要求較高[15]，且實(shí)體建筑物模型的節(jié)點(diǎn)達(dá)幾十萬之多，故本文采取逐步讀入和區(qū)別對待的方式．本文每一幀只讀取 1個(gè)狀態(tài)的位移變化量文件和2個(gè)狀態(tài)的應(yīng)力文件，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元信息文件只讀入1次，其他讀入的文件內(nèi)容顯示后立即刪除其占用的內(nèi)存空間．同時(shí)也可以通過一定的方式把節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、位移和應(yīng)力文件合為 1個(gè)文件，從而大大減少讀入的數(shù)據(jù)量．

圖4 建筑物遷移位移變化模擬示意Fig.4 Simulated diagram of displacement changes in building moving

可視化仿真結(jié)果如圖4和圖5所示，圖4中顏色和變形都表示位移變化，其中圖 4(a)中是未施加推力和摩擦力時(shí)建筑物位移變化云圖，圖 4(b)平移過程中某一時(shí)刻的位移變化云圖，顏色深表示絕對位移大．圖 5中變形做了一定的夸大，顏色深淺表示應(yīng)力變化量的大小，從圖中可直觀地看到應(yīng)力變化最大處和最小處的位置．圖 4是通過讀取某一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)位移來實(shí)現(xiàn)的，圖5是讀取某一時(shí)刻單元位移和前后2個(gè)時(shí)刻的單元應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)的．從圖中可以看出如果利用節(jié)點(diǎn)驅(qū)動變形和應(yīng)力變化，可視化中圖形的結(jié)構(gòu)受力變化會更平滑的顯示，這是OpenGL中提供了利用一個(gè)平面圖形中各點(diǎn)顏色的深淺來平滑地填充整個(gè)圖形的顏色漸變模式．施工人員從圖中可以直觀地看出液壓缸布置是否合理和遷移建筑物的危險(xiǎn)點(diǎn)位置，從而為施工決策提供依據(jù)．

建筑物遷移可視化仿真系統(tǒng)可以發(fā)展成為建筑物的位姿變化監(jiān)控系統(tǒng)的一部分．平移安全監(jiān)測主要包括靜態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測和動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，工程中一般采用的方法是設(shè)定監(jiān)測的對象和位置，得到數(shù)據(jù)后跟控制指標(biāo)限制做比較，進(jìn)而對平移穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行判定并作出相應(yīng)的調(diào)整[3,16]．該方法具有不直觀、不精確等缺點(diǎn)．如果將該可視化系統(tǒng)應(yīng)用于遷移工程可解決以上問題．例如通過本系統(tǒng)可事先研究出各頂升液壓缸及各推力缸之間的力耦合關(guān)系，作出相關(guān)的擬合曲線，進(jìn)而制定相應(yīng)的控制策略．在實(shí)際遷移過程中將檢測到的各液壓缸的頂升力和推力實(shí)時(shí)反饋給該系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過子模型等相關(guān)技術(shù)對重點(diǎn)部位進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，進(jìn)而可直觀實(shí)時(shí)顯示各時(shí)刻遷移建筑的受力狀況特別是危險(xiǎn)部位的受力變化情況，點(diǎn)擊各部位則可顯示該部位的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值．針對遷移建筑物的受力狀況和液壓缸頂升力、推力的變化，結(jié)合各液壓缸的耦合關(guān)系和制定的控制策略，進(jìn)而對各液壓缸進(jìn)行有針對性的控制，保證遷移安全進(jìn)行．

圖5 建筑物遷移位移和應(yīng)力變化模擬示意Fig.5 Simulated diagram of displacement and stress changes in building moving

3 結(jié) 語

本文通過多種軟件的聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)了不同路面狀況下遷移建筑物受力變化的數(shù)字化模擬，并實(shí)現(xiàn)了模擬遷移過程的可視化，本文的研究成果可為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)并能對遷移工程的可靠性進(jìn)行預(yù)判．同時(shí)本文開發(fā)的可視化仿真系統(tǒng)可以發(fā)展成為建筑物的位姿變化監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，進(jìn)而保證遷移工程的順利進(jìn)行．

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