整體鋼平臺的模塊化標準化分析

張曉婕，席兆凱

（1.寧波市工業(yè)建筑設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2.中水電（天津）建筑工程設計院有限公司，天津 301799）

0 引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展和城市規(guī)模的持續(xù)擴大，超高層建筑作為城市地標的體現，也是經濟快速發(fā)展的產物，如同雨后春筍般在各大城市中不斷涌現，對應著超高層建筑的建造技術也在不斷地創(chuàng)新和進步。隨著超高層建筑越來越高，工程建造的難度也成倍地增加，對整體式爬升模架裝備的體系提出了嚴峻的考驗和挑戰(zhàn)，因此，超高層施工技術的改革與創(chuàng)新勢在必行。

建筑的發(fā)展和腳手模板工程技術的應用是相輔相成的。現階段，超高層建筑中廣泛采用的結構型式是框架—核心筒體系，而影響建筑結構工期、施工安全性的關鍵技術則是模架施工技術[1][2]。超高層建筑施工的模架裝備具備如下特點：以垂向的模板為主、比較高的施工精度和施工效率。以上海中心大廈為例，大廈采用的整體鋼平臺爬升模板系統(tǒng)由鋼梁組成一個一體式鋼平臺并與內外掛腳手架進行連接固定，形成了一個全封閉的施工操作環(huán)境，同時利用鋼牛腿擱置在核心筒墻體上，利用油缸來帶動整個鋼平臺。鋼平臺的爬升腳手模板體系主要包括鋼結構平臺、一體式支撐系統(tǒng)、內外掛的腳手架系統(tǒng)、液壓動力及電氣控制和一體式模板體系五部分組成[3]。該體系大大地提高了工作效率和施工安全，為我國超高層復雜體形工程的施工積累寶貴的經驗。

本文基于三維數字信息技術，以達索系統(tǒng)CATIA作為模擬仿真平臺，對上海中心整體提升鋼平臺進行快速三維數字建模以及模塊化管理，同時利用CATIA的裝配仿真模塊（DMU Fitting Simulator）進行裝配操作仿真，來模擬鋼平臺的整體運動路徑，便于技術人員可以在產品的設計階段來驗證裝配動作設計和實施的正確與否，可以及早地發(fā)現裝配操作中存在的問題，并依據問題反饋找出解決辦法，并對模型進行調試修改，最后利用自帶可視化工具輸出裝配全過程動畫，對后面的整體模塊化標準化應用起到指導意義。

1 參數化建模

1.1 參數化設計

參數化設計一般包括兩個部分，參數化的圖元設計模塊和參數化修改引擎模塊。一般設計軟件中的圖元都是以三維構件的方式實現，這些構件的差異，通過后臺對應參數的調整來體現出來，因為后臺參數保留了圖元單體作為三維數字化構件的所有信息。而參數化修改引擎模塊需要提供的參數更改可以使其自動在它所關聯的區(qū)域體現出來，利用三維構件、圖像和符號，讓構件都可以通過后臺變更進行互相關聯。模型的操作，例如移動、刪除和尺寸的改動等會引起相關模型構件的參數產生相關聯的一些變化，不管是在什么視圖下所發(fā)生的改變都可以雙向地、參數化地傳播到所有的視圖，從而可以保證所有圖紙的一致性，不需要逐一修改所有視圖，從而達到提高工作效率和工作質量的目的。

CATIA軟件的參數化設計方法可以實現比較靈活地建立和修改產品模型，從而避免產生產品重新設計的問題，最后達到提高生產效率的目的。特別是針對一些結構體系相對比較成熟的工業(yè)產品，利用該設計方法可以更加方便地對產品進行參數化管理。

三維產品裝配體的參數化設計需要以零部件的參數化尺寸為基礎[4]。利用參數化驅動可以快速準確地建立三維數字模型。上海中心大廈整體提升鋼平臺模型構件復雜，包含大量的標準件以及非標產品，為了更好地實現后續(xù)構件庫模塊化管理，以便構件管理、調用，現遵循參數化建模原則，對模型構件進行分類，具體分類見圖1。CATIA參數化設計的前提要對每類構件進行參數說明，這里以其中一類鋼梁為例，具體參數化設計見圖2，其中參數同步設計Excel表格，通過修改對應參數可以快速對構件進行調整，縮短設計工期，快速提高工作效率，達到智能建模的目的。

圖1 鋼平臺鋼梁構件分類

圖2 零件參數化設計

1.2 模塊化管理

CATIA的庫文件（Catalog）是一個類似于指針性的管理文件，界面層次比較清楚，能夠快速地尋找并且調用到所設計的參數化文件。現對其中一類鋼梁CC1庫文件調用見圖3、圖4，通過關鍵字和預覽可以清楚地查看每類鋼梁的詳細參數和形狀，并且還可以給構件添加文檔描述。CATIA提供的過濾器智能定義功能也可以方便用戶通過自定義查詢條件查找所需要的零件。

圖3 CC1鋼梁庫界面

圖4 CC1鋼梁庫預覽界面

各構件的獨立實體仍然需要通過庫文件獲得。CATIA庫文件解析命令可以批量實例化各型號零部件，生成產品裝配所需的所有零件?，F以CC1庫文件解析為例，解析過程見圖5，通過參數化設計并且批量化生成的部件可以更加精確高效地指導生產。

圖5 CC1鋼梁庫解析界面

三維標準件庫概念已經廣泛地應用于新型結構體系以及既有結構改進改型的設計工作中。在實際應用過程中，設計人員可以實時方便地得到所需要的三維標準件圖形，從而極大地避免設計過程中重復繪制標準件圖形，快速實現對標準產品各零件的管理與協(xié)調。建立三維標準件庫這一操作，便于行業(yè)內部實現網絡化、標準化、數字化的信息交流，為產品的高效設計并投產提供了實用有效的工具。

2 產品裝配

CATIA建立的產品模型是一個能夠代表不同裝配單元層次、信息、參數及約束，并支持產品從起初的概念階段到實施階段的一體式產品模型[5]。第一步工作就是產品裝配模型的建立，在產品的概念設計階段，就能實時仿真模擬零部件裝配全過程，并檢查各個零部件之間是否按照既定的約束關系來組裝，這樣一來，可以解決所涉及的裝配單元在過往設計階段難以發(fā)現的一些錯誤或問題。

完成前期構件快速建模后，根據鋼平臺實際拼裝工藝進行標準構件虛擬預拼裝，并且建立整體提升鋼平臺各模塊間的約束關系，包括固定、平移、旋轉、滑動、同心扭轉等，一旦點擊“更新構件”按鈕，構件將根據既定約束關系，完成預拼裝。圖6是鋼平臺鋼梁裝配示意圖，整體鋼平臺拼裝結果見圖7。從圖中可以看出，三維模型相對于傳統(tǒng)的二維模型能夠更好地表達產品，有助于更加直觀地研究產品裝配方案并且對其進行優(yōu)化。

圖6 鋼平臺裝配示意圖

圖7 鋼平臺整體裝配圖

3 仿真模擬

為了實現鋼平臺完整的爬升仿真過程還需建立對應核心筒結構，最終裝配模型見圖8。模擬仿真概念指的是基于三維模型的運動，利用三維模型的模擬來替代真實空間中的系統(tǒng)進行實驗和研究。仿真實現的重點在于產品模型的精確度，因為是對真實系統(tǒng)的模仿，就會產生模仿得像不像的問題，這也就是產品模型各方面精確度的問題。為此，在建立模型以后，其中一個重要步驟就是對模型進行可信度的檢驗。這里涉及的檢驗主要是對模型中零部件的定位、尺寸參數和相互約束關系進行檢查，檢驗完成之后進行模擬。

圖8 裝配整體模型

CATIA平臺實現仿真模擬主要是通過虛擬樣機DMU（Digital Mock Up）模塊。它的原理是利用三維設計模塊建造出三維物理模型，同時分析和評價產品性能，最后用來指導改進產品缺點的一種前沿方法[6]。與之前傳統(tǒng)的物理樣機技術相比，它可以與計算機進行緊密結合，縮短產品周期，有效減少浪費，進一步降低研發(fā)費用，并能在多個研發(fā)人員之間實現同步并行操作，從而可以得到較廣泛的使用。

結合CATIA軟件特點，將前期已建好裝配模型載入CATIA仿真模塊（DMU），并對鋼平臺爬升體系施加運動副，完成一個完整爬升動作見圖9。在運動過仿真程中進行干涉監(jiān)控，一旦發(fā)生一些碰撞運動會立刻停止并且高亮顯示，這樣有助于發(fā)現其中所存在的問題并且進行糾正，見圖10。最后通過CATIA平臺自帶的動畫制作功能把全部的裝配過程記錄保存下來，方便后續(xù)工程人員反復進行查看，作為裝配工藝的參考，可以有效指導現場工人進行實操裝配，從而大大地提高了裝配的效率。

圖9 鋼平臺爬升運動副

圖10 運動仿真干涉檢查

4 結論

針對超高層結構爬架技術的分析，解決了在超高層結構垂直施工過程中遇到的各種技術難關，具有非常大的意義，主要研究方向集中在整體爬架裝備的安全性指標和經濟性指標兩個方面。安全性指標主要包括結構體系自身承載能力、整體爬架在使用中的穩(wěn)定性、對于風和雪等可變荷載的承載能力以及在施工過程中對工人的安全防護性能等。而經濟性指標則主要包括原材料的投入量、垂直施工速度、工人操作鋼平臺的困難程度以及鋼平臺的可重復周轉效率等。

本文基于三維數字仿真技術，通過CATIA軟件的參數化設計和模塊化管理來建立超高層整體提升鋼平臺的三維模型，同時進行整體鋼平臺全尺寸預裝配模擬，實現了在產品裝備工業(yè)化設計階段提前發(fā)現零部件尺寸及相互約束關系是否存在錯誤，達到降低整體造價和提高效率的目的。最后通過完成整體式鋼平臺虛擬樣機（DMU），并根據整體式鋼平臺預先設計的實際工作狀態(tài)設置運行軌跡函數，實現對整體式鋼平臺提升部件的運動預仿真模擬，通過三維可視化仿真報告驗證產品裝備的運行機理并分析運動特征，為以后類似產品裝置的優(yōu)化和標準化量產提供有效參考。