基于Midas/Gen的超高建造爬升模架設(shè)備建模方法及工程應(yīng)用

(上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080)

1 引言

以液壓爬模和整體鋼平臺(tái)為代表的爬升模架設(shè)備為超高層建筑的綠色、高效、安全建造發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如廣州珠江城(309.6m)[1]、沈陽(yáng)茂業(yè)(311m)[2]等超高層采用了液壓爬升模架進(jìn)行施工，而中國(guó)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(jìn)行施工，上海浦西第一高樓白玉蘭廣場(chǎng)超高層(320m)[4](圖2)采用了筒架鋼柱交替支撐模架裝備進(jìn)行施工。

圖1 上海中心大廈工程整體鋼平臺(tái)模架

圖2 白玉蘭廣場(chǎng)工程整體鋼平臺(tái)模架

對(duì)爬升模架設(shè)備在施工狀態(tài)下的力學(xué)性能進(jìn)行分析是超高建造中的重要環(huán)節(jié)。由于易于操作、前后處理功能完善、具備強(qiáng)大的計(jì)算分析和模擬能力等優(yōu)點(diǎn)，Midas/Gen被廣泛地應(yīng)用于爬升模架設(shè)備的設(shè)計(jì)、施工過程及復(fù)雜工況下的性能模擬。例如文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]分別采用Midas/Gen對(duì)具體工程中液壓爬模外爬架和整體鋼平臺(tái)施工過程的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析。借助通用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，較為突出的問題是前處理建模耗用了大量時(shí)間，文獻(xiàn)[7]指出建模時(shí)間占整個(gè)計(jì)算分析時(shí)間的70%。因而已有文獻(xiàn)開始關(guān)注面向計(jì)算分析對(duì)象的建模技術(shù)，例如文獻(xiàn)[8]研究了基于ABAQUS的高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模方法、文獻(xiàn)[9]研究基于Midas/Civil的連續(xù)橋梁建模技術(shù)，文獻(xiàn)[10]對(duì)六邊形蜂窩夾層板的參數(shù)化有限元建模方法進(jìn)行了研究，但目前鮮有文獻(xiàn)關(guān)注超高爬升模架設(shè)備有限元分析的建模方法。

與橋梁、高層等建筑結(jié)構(gòu)等不同，爬升模架施工設(shè)備依附于超高層建筑的核心筒結(jié)構(gòu)之上，因此建筑方案發(fā)生變更后，爬升模架設(shè)備的布置和構(gòu)型等也相應(yīng)發(fā)生改變，對(duì)爬升模架設(shè)備進(jìn)行施工過程的安全驗(yàn)算往往需要反復(fù)地建立計(jì)算模型，往往耗用了大量的計(jì)算時(shí)間。本文首先對(duì)目前爬升模架設(shè)備計(jì)算分析中常用的規(guī)建模方法進(jìn)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(diǎn)對(duì)mgt命令建模的框架和格式進(jìn)行了分析。最后結(jié)合實(shí)際的超高層工程的應(yīng)用，給出了基于Midas/Gen的mgt文件建模方法，工程應(yīng)用表明該方法能夠大幅度提升建模效率且能應(yīng)用于精細(xì)化計(jì)算分析，文中給出的思路和建模方法可供實(shí)際工程參考。

2 常規(guī)方法

從結(jié)構(gòu)構(gòu)成看，爬升模架設(shè)備均為典型的三維空間鋼框架結(jié)構(gòu)。目前常規(guī)的建模思路有兩種，第一種是直接在Midas/Gen中通過新建節(jié)點(diǎn)、單元、材料、截面的順序并借助Midas的復(fù)制、鏡像及修改等功能建立結(jié)構(gòu)模型，即通過連接節(jié)點(diǎn)形成單元，賦予單元材料和截面屬性來完成構(gòu)件的建立。第二種方式是導(dǎo)入法，常用的做法是在CAD中建立爬升模架設(shè)備的三維線框架模型并保存為dxf文件，在Midas/Gen中導(dǎo)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(jiǎn)單且易于操作，目前這兩種建模方法在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣，但也存在一定的不足，主要表現(xiàn)為：

(1)人工手動(dòng)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(jìn)行操作，建模精度和效率取決于對(duì)軟件熟練運(yùn)用程度。

(2)建模過程不可逆，當(dāng)超高層建筑或結(jié)構(gòu)方案發(fā)生變化后，爬升模架設(shè)備的設(shè)計(jì)方案也要相應(yīng)地修改，則需要重復(fù)模型構(gòu)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(jì)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(jié)構(gòu)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(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：

(1)結(jié)構(gòu)的各類信息通過mgt命令或mgt文本文件存儲(chǔ)，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(guī)則后用戶可以方便、高效地進(jìn)行有限元模型構(gòu)建，減少了重復(fù)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(tái)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(hào)為8.6.0*UNIT; 單位命令KN,m,KJ,C; 力單位為KN,長(zhǎng)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(shè)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(shè)置命令流,梁截面為HN400x200x8x13*NODE; 截面命令; 節(jié)點(diǎn)號(hào),X坐標(biāo),Y坐標(biāo),Z坐標(biāo)1, 0, 0, 02, 1, 0, 0*ELEMENT; 單元命令1,BEAM, 1, 1, 1, 2, 0, 0; 1號(hào)單元,梁?jiǎn)卧?材料1,截面1,首節(jié)點(diǎn)號(hào),尾節(jié)點(diǎn)號(hào)*ENDDATA; 文件結(jié)尾圖7 單梁mgt建模命令流

(a)導(dǎo)入mgt文件 (b)成功導(dǎo)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(shù)據(jù)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(hào)，一般緊接命令之后，為對(duì)某個(gè)命令的注釋或命令流數(shù)據(jù)的格式要求。圖5為長(zhǎng)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(duì)該單梁模型的每個(gè)命令和命令流都給予了中文注釋，圖6為在Midas/Gen中導(dǎo)入mgt文件后顯示結(jié)果。如果導(dǎo)入mgt文件出現(xiàn)錯(cuò)誤，信息窗口中會(huì)提示mgt文件的錯(cuò)誤位置和原因，用戶可根據(jù)提示修改和調(diào)試。表1給出了Midas中較為常用的幾種mgt命令、命令的數(shù)據(jù)格式及關(guān)鍵參數(shù)的注釋?？傮w而言，mgt命令有較強(qiáng)的可讀性、規(guī)律性，一方面用戶可以通過查閱Midas/Gen的用戶手冊(cè)后附錄中關(guān)于mgt命令的說明，另一方面也可通過將已有的Midas/Gen模型轉(zhuǎn)化為mgt文件，通過對(duì)照模型和mgt文件深入了解mgt命令的數(shù)據(jù)格式和使用規(guī)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(zhǔn)確性。

表1 常用mgt命令、格式及注釋

項(xiàng)目命令命令數(shù)據(jù)格式關(guān)鍵參數(shù)注釋版本*VERSION版本號(hào)/單位*UNIT; FORCE,LENGTH,HEAT,TEMPERFORCE:力單位LENGTH:長(zhǎng)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(hào)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(hào)TYPE:截面類型SNAME:截面類型[OFFSET]:截面偏心設(shè)置SHAPE:截面形狀[DATA1]:截面數(shù)據(jù)設(shè)置節(jié)點(diǎn)*NODE; iNO,X,Y,ZiNO:節(jié)點(diǎn)編號(hào),X:全局坐標(biāo)系下X坐標(biāo)Y:全局坐標(biāo)系下Y坐標(biāo)Z:全局坐標(biāo)系下Z坐標(biāo)單元*ELEMENT; iEL,TYPE,iMAT,iPRO,iN1,iN2,AN-GLE,iSUB,EXVAL,iOPT(EXVAL2)iEL:單元號(hào)TYPE:單元種類=TRUSS:桁架單元=BEAM:梁?jiǎn)卧?TENSTR:只受拉單元=COMPTR:只受壓?jiǎn)卧猧MAT:材料編號(hào)iPRO:截面編號(hào)iN1:第一個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)iN2:第二個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)ANGLE:β角iSUB:Sub TypeEXVAL:對(duì)單元需另行輸入的數(shù)據(jù)EXVAL2:對(duì)單元需另行輸入的數(shù)據(jù)單元組*GROUP; NAME,NODE_LIST,ELEM_LIST,PLANE_TYPENAME:組名稱NODE_LIST:節(jié)點(diǎn)組編號(hào)ELEM_LIST:單元組編號(hào)PLANE_TYPE:面類型文件結(jié)尾*ENDDATA/文件結(jié)尾命令

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

南京金鷹天地廣場(chǎng)超高層項(xiàng)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(jié)構(gòu)，筒體剪力墻外墻部分設(shè)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(yīng)用了上海建工集團(tuán)自主研發(fā)的新型筒架交替支撐式新型液壓爬升模架體系進(jìn)行施工，T2和T3塔樓應(yīng)用了鋼柱筒架交替支撐式新型液壓爬升模架體系進(jìn)行施工。

4.2 實(shí)例分析

以T2塔樓整體鋼平臺(tái)模架為例來說明其在Midas/Gen中的建模過程，由于整體鋼平臺(tái)模架的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化程度非常高，其建模過程體現(xiàn)了由“基本構(gòu)成單元—子系統(tǒng)—整體系統(tǒng)”的逐步聚集和遞進(jìn)的過程，具體包含如下步驟：

(1)基本構(gòu)成單元的建模

整體鋼平臺(tái)模架主要由底層鋼大梁?jiǎn)卧?GDL)、筒架柱單元(TJZ)、內(nèi)吊架單元(NDJ)、鋼平臺(tái)單元(GPT)等構(gòu)成，這些構(gòu)成單元實(shí)質(zhì)上都是由梁柱構(gòu)成的鋼框架，可以便捷地根據(jù)其幾何位置和拓?fù)潢P(guān)系利用mgt命令建立相應(yīng)的Midas/Gen有限元分析模型。

(2)各子系統(tǒng)的建模

在建立的各基本構(gòu)成單元的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用Midas/Gen中的復(fù)制、平移操作生成各子系統(tǒng)。例如：如圖9(b)和圖10(b)所示，T2塔樓鋼平臺(tái)每個(gè)宮格的4個(gè)角部均需布置筒架柱單元，則通過已經(jīng)建立好的1個(gè)筒架柱單元的復(fù)制平移可以方面地建立其余筒架柱。

(3)基本鋼平臺(tái)模架建模

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

圖9 整體鋼平臺(tái)基本構(gòu)成單元

圖10 單梁mgt建模命令流

圖11 本文方法計(jì)算的鋼平臺(tái)模架豎向變形云圖 圖12 本文方法計(jì)算的整體鋼平臺(tái)應(yīng)力云圖

(4)非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件建模

在交互式方法建立的基本模型的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步完成部分非標(biāo)構(gòu)件的模型建立，最終形成完整的整體鋼平臺(tái)模架裝備有限元模型。如圖10(f)所示，主要的非標(biāo)構(gòu)件集中在鋼平臺(tái)子系統(tǒng)上，為加強(qiáng)鋼平臺(tái)子系統(tǒng)布置材料、設(shè)備堆放區(qū)的強(qiáng)度，根據(jù)要求進(jìn)一步布置了部分非標(biāo)的聯(lián)系鋼梁。由于采用了mgt命令流建模，該工程中整體鋼平臺(tái)各基本構(gòu)成單元都是通過mgt命令流來定義，各子系統(tǒng)是基本構(gòu)成單元命令流的復(fù)制和局部修改編輯，而各子系統(tǒng)mgt命令流共同構(gòu)成了整體鋼平臺(tái)模型。

為驗(yàn)證采用本文方法進(jìn)行整體鋼平臺(tái)模架建模的正確性，在鋼筋堆載工況下分別對(duì)采用本方法建模和人工建模的整體鋼平臺(tái)模型進(jìn)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(jì)算得到了鋼平臺(tái)模架的豎向變形和設(shè)計(jì)應(yīng)力云圖，表2給出了兩種建模方法得到的整體鋼平臺(tái)的最大變形、最大應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)反力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以看出傳統(tǒng)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(dāng)建筑方案發(fā)生變更時(shí)，本文方法只需要修改局部的mgt文件，省去了重復(fù)建模的時(shí)間，大幅提升了模架裝備的計(jì)算分析效率。

表2 傳統(tǒng)建模方法與本文方法建模 的有限元分析結(jié)果對(duì)比

項(xiàng)目傳統(tǒng)建模方法本文方法最大豎向變形(mm)22.622.8最大應(yīng)力(MPa)0.860.86最大支反力(kN)425.9424.8

5 結(jié)論與建議

鑒于目前超高建造爬升模架設(shè)備建模采用人工方法工作量大、效率低的現(xiàn)狀，提出了基于Midas/Gen進(jìn)行自動(dòng)建模的方法，介紹了Midas mgt命令和mgt文件兩種建模方式及學(xué)習(xí)方法，結(jié)合一個(gè)超高層項(xiàng)目給出了該方法的有效性。主要結(jié)論如下：

(1)工程實(shí)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(jì)算分析的工作量、保障計(jì)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(zhì)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(jié)點(diǎn)、單元、材料、荷載等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行模型構(gòu)建。實(shí)際上Midas軟件的其他版塊及通用有限元計(jì)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(shí)參考。

(3)Midas/Gen的mgt結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件格式簡(jiǎn)單、易于讀寫，在本文介紹方法的基礎(chǔ)可進(jìn)一步探討借助Excel、Matlab、VB等程序化語(yǔ)言建模，能夠進(jìn)一步提高建模的效率和便捷性，這也是進(jìn)一步值得研究的方向。