大型建筑鋼結(jié)構(gòu)虛擬施工建模關(guān)鍵技術(shù)研究

張 帥

（河北鑫煌建筑設(shè)備安裝有限公司，河北 石家莊 050090）

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)越來(lái)越多，建模逐漸擴(kuò)大。大跨度鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)在發(fā)展的過(guò)程中，也遇到了一些問(wèn)題，主要是大型鋼結(jié)構(gòu)的吊裝。因此，對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)的吊裝過(guò)程進(jìn)行預(yù)先的模擬顯得非常重要。計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬技術(shù)的應(yīng)用變得更加成熟。在對(duì)吊裝過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)，建立模型是比較重要的。

1 介紹參數(shù)化建模方法

虛擬技術(shù)主要指的是設(shè)立一個(gè)虛擬的平臺(tái)，對(duì)虛擬吊裝的過(guò)程進(jìn)行研究。要想完成虛擬吊裝，必須建立虛擬模型。大型建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件比較多，種類復(fù)雜，如果使用傳統(tǒng)的建模技術(shù)，會(huì)增加很多的工作量。在這種情況下，采用參數(shù)化建模技術(shù)比較實(shí)用，它是建立在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，這項(xiàng)技術(shù)在執(zhí)行起來(lái)效率較高，比較精準(zhǔn)。

參數(shù)化建模的原理是借助數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)，利用建筑模型的表達(dá)方式，在改變尺寸的同時(shí)，實(shí)體模型的形狀發(fā)生自動(dòng)改變，創(chuàng)建施工的資源庫(kù)，對(duì)施工的過(guò)程進(jìn)行仿真。

建筑模型采用的是IFC標(biāo)準(zhǔn)，它是在1995年由國(guó)際協(xié)同聯(lián)盟提出的，主要是使建筑中不同的專業(yè)或者是相同專業(yè)不同的軟件能夠?qū)ν瑯拥臄?shù)據(jù)源進(jìn)行共享，數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)出交互性以及共享性。建模技術(shù)的大致過(guò)程是：第一，對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行分類，對(duì)模型參數(shù)的信息資料進(jìn)行整理；第二，對(duì)單個(gè)基礎(chǔ)模型的參數(shù)屬性進(jìn)行定義；第三，對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行組合；第四，如果基礎(chǔ)模型的組合符合要求，就需要執(zhí)行下一步工作；如果基礎(chǔ)模型達(dá)不到要求，需要進(jìn)行模型的重組，建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型。第五，執(zhí)行平臺(tái)間的相互操作。

2 對(duì)虛擬吊裝鋼構(gòu)件進(jìn)行建模

對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化的建模時(shí)，主要工作包括三項(xiàng)：第一，對(duì)模型基礎(chǔ)幾何屬性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如桿件截面的屬性；第二，對(duì)模型工程的性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如材料的屬性；第三，設(shè)置仿真過(guò)程中用到的技術(shù)參數(shù)。在建立模型的過(guò)程中，可以在特定的屬性欄中進(jìn)行參數(shù)屬性的設(shè)置。例如，在對(duì)單個(gè)鋼管柱的模型建立時(shí)，在屬性欄中設(shè)置半徑等參數(shù)，這樣可以建立鋼管的初期模型。標(biāo)準(zhǔn)化的模型需要描述與工程相關(guān)的特定參數(shù)，這樣，建立的模型就具有智能化的特征。

3 建立機(jī)械設(shè)備、復(fù)雜動(dòng)作的模型

在大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中，需要用到的機(jī)械設(shè)備主要有以下幾項(xiàng)：（1）汽車吊，（2）履帶吊，（3）塔吊，（4）叉車。在建立機(jī)械模型的過(guò)程中，控制參數(shù)是比較重要的。機(jī)械設(shè)備不同，需要控制的參數(shù)也存在很大的不同。

在吊裝施工的過(guò)程中，機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作主要包括四種：第一，起升；第二，變幅；第三，回轉(zhuǎn)；第四，行走。這四類運(yùn)動(dòng)模式在運(yùn)動(dòng)軌跡特點(diǎn)上存在差異。在建模的過(guò)程中，主要是借組層次節(jié)點(diǎn)視圖技術(shù)，對(duì)于機(jī)械設(shè)備模型中局部、整體之間的關(guān)系進(jìn)行約束，并對(duì)它們之間的關(guān)系進(jìn)行妥善處理。由于約束的關(guān)系以及連接形式的實(shí)現(xiàn)方式存在差異，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡造成的影響也不同。

在進(jìn)行機(jī)械建模的過(guò)程中，層次坐標(biāo)系的建立比較重要。主要技術(shù)是DOF技術(shù)。DOF技術(shù)能夠讓模型局部執(zhí)行旋轉(zhuǎn)、位移等相關(guān)的動(dòng)作。對(duì)相應(yīng)參數(shù)設(shè)定最大值以及最小值，可以對(duì)部分運(yùn)動(dòng)變化的范圍進(jìn)行控制。DOF技術(shù)包括自由度的參數(shù)變量，主要是和旋轉(zhuǎn)、位移以及伸縮有關(guān)系。與參數(shù)變量相對(duì)應(yīng)的是約束參數(shù)信息，主要是以.flt的形式被保存在模型數(shù)據(jù)庫(kù)中。在模型建立的過(guò)程中，在模型特殊的位置需要先設(shè)定DOF節(jié)點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系的創(chuàng)建。在這種情況下，模型會(huì)具有新的約束條件，并且以.flt的形式保存起來(lái)。在Vega仿真平臺(tái)系統(tǒng)中，約束條件被載入進(jìn)去，結(jié)合用戶的需求，借助相關(guān)的代碼語(yǔ)言，當(dāng)前的應(yīng)用程序就可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)用。在虛擬吊裝的過(guò)程中，模型對(duì)象就可以對(duì)其動(dòng)作、運(yùn)動(dòng)軌跡以及姿態(tài)進(jìn)行任意的改變。

4 結(jié)合碰撞檢測(cè)和力學(xué)分析功能建立模型

在虛擬吊裝的過(guò)程中，模型的效果、尺寸、運(yùn)動(dòng)需求都會(huì)在一定程度上對(duì)虛擬吊裝過(guò)程的效果造成影響。大型建筑鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程比較復(fù)雜，需要進(jìn)行多方面因素的考慮。在這些因素之中，難點(diǎn)就是在實(shí)際施工的過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生碰撞的現(xiàn)象。所以，必須要進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

進(jìn)行碰撞檢測(cè)最重要的因素在三個(gè)方面：第一，建立模型約束體；第二，選擇仿真平臺(tái)；第三，采用操作技術(shù)。借助參數(shù)化建模技術(shù)就可以控制約束體，這對(duì)碰撞檢測(cè)的效果有很大的影響。在建立模型約束體時(shí)，可以借助MultiGen Creator建模軟件。用戶可以結(jié)合實(shí)際的情況，把約束體放置在模型的相應(yīng)位置。在對(duì)約束體進(jìn)行定制時(shí)，如果約束體靠近模型比較近，并且約束體比較小，碰撞檢測(cè)的效果會(huì)更精確。把虛擬吊裝技術(shù)與力學(xué)分析功能相結(jié)合，可以解決結(jié)構(gòu)失衡、結(jié)構(gòu)性能遭到破壞的相關(guān)問(wèn)題。要想實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能，最重要的是模型需要對(duì)桿件的信息進(jìn)行準(zhǔn)確的反應(yīng)，模擬施工時(shí)點(diǎn)，獲取屬性信息以及空間坐標(biāo)等，通過(guò)軟件的分析，使吊裝過(guò)程的安全性得到保證。

5 結(jié)語(yǔ)

在大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中，為了保證施工的有效性，解決施工中遇到的問(wèn)題，需要借助虛擬建模關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程進(jìn)行仿真，分析虛擬施工中存在的相關(guān)問(wèn)題，以便為實(shí)際的施工過(guò)程提供指導(dǎo)。

[1]劉松，鄭亞文，周迎，陳一平.大型博覽建筑鋼結(jié)構(gòu)虛擬施工建模關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)，2012 （2）.

[2]張忠，張運(yùn)楊.虛擬施工平臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)主控式施工方案設(shè)計(jì)模式的淺析[J].科技風(fēng)，2011（4）.

[3]郝亞文.中國(guó)建筑虛擬施工技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)建設(shè)信息，2009（24）.