虛擬仿真施工技術(shù)

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，虛擬技術(shù)與仿真技術(shù)的有效整合，并成功應(yīng)用于設(shè)計、施工中，大大改變了傳統(tǒng)的設(shè)計、施工模式。那么，究竟什么是虛擬仿真技術(shù)呢？它在建筑施工中是如何應(yīng)用的呢？虛擬仿真技術(shù)概概述從傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿仿真技術(shù)來看看，幾乎很少少涉及到仿真真人的感知模模型。也就是是，無法模擬擬人對外界的的感知情況。隨隨著計算機技技術(shù)、多媒體體技術(shù)、仿真真技術(shù)和傳感感技術(shù)的發(fā)展展,人們開始了了人對外界環(huán)環(huán)境感知模型型的研究。虛虛擬仿真技術(shù)術(shù)的完美結(jié)合合，利用虛擬擬現(xiàn)實技術(shù)進進行仿真模型型的建立和試試驗的模擬,,使仿真的過過程和結(jié)果可可以實現(xiàn)圖像像化、可視化化,使仿真的系系統(tǒng)具有三維維、實時交互互、屬性提取取等特征,極大地促進進了仿真技術(shù)術(shù)的發(fā)展,同時也使虛虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)更加具有生生命力。虛擬擬仿真技術(shù)是是通過建立研研究系統(tǒng)的模模型,結(jié)合環(huán)境(實際或模擬擬)條件進行研研究、分析和和實驗的方法法。虛擬現(xiàn)實實(VR)是在在仿真技術(shù)的的基礎(chǔ)上發(fā)展展起來的,是仿真的高高級階段;仿真器系統(tǒng)統(tǒng)正在向虛擬擬環(huán)境系統(tǒng)演演變。虛擬現(xiàn)現(xiàn)實促進了仿仿真技術(shù)的發(fā)發(fā)展。兩者都都是對現(xiàn)實世世界的模擬,,即都是基于于模型的活動動,而且都力圖圖通過計算機機及各類裝置置達到現(xiàn)實世世界盡可能精精確的再現(xiàn)。虛虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)和仿真技術(shù)術(shù)的結(jié)合形成成了虛似仿真真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)分分類（1）系統(tǒng)仿真真技術(shù)仿真(simuulatioon)屬于一一門基礎(chǔ)性學學科。仿真技技術(shù)是以控制制理論、相似似原理、數(shù)學學模型與計算算技術(shù)、信息息技術(shù)、系統(tǒng)統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)關(guān)專業(yè)技術(shù)為為基礎(chǔ),以計算機和和多種專用物物理效應(yīng)設(shè)備備為工具,借助系統(tǒng)模模型,對實際的或或設(shè)想的系統(tǒng)統(tǒng)進行動態(tài)試試驗研究的一一門新興綜合合性技術(shù)。它它屬于一種可可控制、無破破壞性、耗費費小、并允許許多次重復(fù)的的試驗手段。它它以其高效、優(yōu)優(yōu)質(zhì)、低廉體體現(xiàn)強大的生生命力和潛在在的能力。它它是迄今為止止最有效的經(jīng)經(jīng)濟的綜合集集成方法,是推動技術(shù)術(shù)進步的戰(zhàn)略略技術(shù)。仿真真就是建立系系統(tǒng)的模型((數(shù)學模型、物物理效應(yīng)模型型或數(shù)學-物理效應(yīng)模模型),并在模型型上進行試驗驗和研究一個個存在的或設(shè)設(shè)計中的系統(tǒng)統(tǒng)。包括技術(shù)術(shù)系統(tǒng),如土木、機機械、電子、水水力、聲學、熱熱學等，也包括社會會、經(jīng)濟、生生態(tài)、生物和和管理系統(tǒng)等等非技術(shù)系統(tǒng)統(tǒng)?，F(xiàn)代仿真真技術(shù)的發(fā)展展與控制工程程、系統(tǒng)工程程及計算機技技術(shù)的發(fā)展密密切相關(guān)?？乜刂乒こ毯拖迪到y(tǒng)工程的發(fā)發(fā)展促進了仿仿真技術(shù)的廣廣泛應(yīng)用,而計算機的的出現(xiàn)及計算算技術(shù)的迅猛猛發(fā)展,則為仿真提提供了強有力力的手段和工工具。在系統(tǒng)統(tǒng)運行前,利用仿真模模型作為預(yù)測測器,向用戶提供供系統(tǒng)運行起起來后,可能產(chǎn)生什什么現(xiàn)象，以便用戶修修訂計劃或決決策;利用仿真模模型作為訓(xùn)練練器,訓(xùn)練系統(tǒng)操操縱人員或管管理人員。在在工程領(lǐng)域,,仿真技術(shù)可可以降低系統(tǒng)統(tǒng)的研制成本本,提高系統(tǒng)試試驗、調(diào)試和和訓(xùn)練過程的的安全。一般認為,建立立模型是仿真真的第一步,,也是十分重重要的一步。傳傳統(tǒng)仿真技術(shù)術(shù)中,一個仿真系系統(tǒng)要首先建建立起系統(tǒng)的的數(shù)學模型————一次仿仿真模型,然后再改寫寫成適合計算算機處理的形形式———仿仿真模型。仿仿真模型可以以說是系統(tǒng)二二次近似模型型。建立起仿仿真模型后,,才能書寫相應(yīng)應(yīng)的程序。仿真基本上是一一種通過試驗驗求解的技術(shù)術(shù)。通過仿真真試驗要了解解系統(tǒng)中各變變量之間的關(guān)關(guān)系,觀察系統(tǒng)模模型變量變化化的全過程,,此外,為了對仿真真模型進行深深入研究和結(jié)結(jié)果優(yōu)化,必須進行多多次運行、系系統(tǒng)優(yōu)化等工工作,因此,良好的人機機交互性是系系統(tǒng)仿真的一一個重要特性性。（2）虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實(viirtuallrealiity—VR),又稱稱靈境技術(shù),,實際上是一一種采用計算算機技術(shù)制作作模擬仿真的的假想世界技技術(shù)。它采用用計算機產(chǎn)生生一個被模擬擬仿真世界的的動態(tài)三維視視覺環(huán)境,使操作者產(chǎn)產(chǎn)生一種身臨臨其境的感覺覺,對探討大量量需要借助形形象思維的問問題頗有幫助助。采用此項項新技術(shù),參與者使用用硬件,如數(shù)據(jù)手套套、鼠標器、跟跟蹤球、操縱縱桿、頭盔式式顯示器、護護目鏡、耳機機及數(shù)據(jù)配合合獲得所需的的感知,來體驗計算算機世界境況況。VR環(huán)境系統(tǒng)統(tǒng)包括建模、控控制及媒體數(shù)數(shù)據(jù)源三大部部分。建模是是指利用物理理的或數(shù)字的的方法,對需要仿真真的實際系統(tǒng)統(tǒng)進行描述獲獲得近似的數(shù)數(shù)字模型。這這是進行數(shù)字字仿真或半實實物仿真必不不可少的步驟驟。建模是仿仿真的基礎(chǔ),,亦是仿真的的結(jié)果,研究新型建建模仿真方法法是其首要任任務(wù)。三維立立體顯示是其其一項必不可可少的關(guān)鍵技技術(shù),它是系統(tǒng)向向用戶輸出反反饋信息的主主要手段。（3）系統(tǒng)仿真真技術(shù)與虛擬擬現(xiàn)實技術(shù)的的結(jié)合傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真真技術(shù)很少研研究人的感知知模型的仿真真,因而無法模模擬人對外界界環(huán)境的感知知(聽覺、視覺覺、觸覺)。隨著多媒媒體技術(shù)、計計算機動畫、傳傳感技術(shù)的發(fā)發(fā)展,計算機模擬擬外界環(huán)境對對人的感官刺刺激開始成為為可能。事實實證明,人類對于圖圖像、聲音等等感官信息的的理解能力遠遠遠大于數(shù)字字和文字等抽抽象信息的理理解能力。將將仿真技術(shù)與與虛擬現(xiàn)實技技術(shù)相結(jié)合,,利用虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)進行行仿真模型的的建立和試驗驗的模擬,使仿真的過過程和結(jié)果可可以實現(xiàn)圖像像化、可視化化,使仿真的系系統(tǒng)具有三維維、實時交互互、屬性提取取等特征,極大地促進進了仿真技術(shù)術(shù)的發(fā)展,同時也使虛虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)更加具有生生命力。2虛擬仿真技技術(shù)在建筑施施工中的應(yīng)用用2.1虛擬建建造技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用建筑工程施工是是一項將設(shè)計計圖建成實物物的復(fù)雜工作作。其施工方方法和組織程程序都存在多多樣性、多變變性的特點。目目前,對施工方法法和施工組織織的優(yōu)化主要要建立在施工工經(jīng)驗基礎(chǔ)上上。依靠施工工經(jīng)驗對施工工進行控制和和優(yōu)化,具有一定的的局限性。特特別是在全新新結(jié)構(gòu)或復(fù)雜雜條件下的施施工,依靠經(jīng)驗對對工程施工的的可行性、控控制優(yōu)化、事事故預(yù)測和生生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化化等各方面的的分析和預(yù)測測,可能會由于于思維慣性而而忽略重要結(jié)結(jié)果或由于力力不從心只能能分析局部和和少量結(jié)果,,更無法開展展定量分析。建建筑虛擬施工工技術(shù)是將以以虛擬現(xiàn)實為為基礎(chǔ)的仿真真技術(shù)應(yīng)用于于建筑施工領(lǐng)領(lǐng)域,利用虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)建立立建筑物的幾幾何模型和施施工過程模型型,對施工方案案進行實時、交交互、逼真的的模擬,驗證對比和和優(yōu)化,進而采用數(shù)數(shù)字化手段制制定和修改施施工方案,并逐步代替替?zhèn)鹘y(tǒng)的施工工方案編制方方法。其實施施過程如圖所所示。虛擬建造技術(shù)應(yīng)應(yīng)用流程2.1.1工工程概況正大廣場位于于上海浦東陸陸家嘴東方明明珠電視塔下下。平面基本本呈矩形,地下3層,地上10層,長約260mm,寬約100mm,總高度50mm,總建筑面面積達24..3萬m2,是集商商業(yè)、餐飲、娛娛樂為一體的的綜合性建筑筑。由于建筑筑規(guī)模、設(shè)計計造型要求,,本建筑采用用了大量鋼結(jié)結(jié)構(gòu),構(gòu)件數(shù)量規(guī)規(guī)格繁多,各種不同類類型的構(gòu)件約約30000余件、共5600t,,而結(jié)構(gòu)吊裝裝工期僅855d,且鋼結(jié)結(jié)構(gòu)主要集中中在8層以上,重、大型構(gòu)構(gòu)件又集中在在建筑物腹地地。單件超大大超長,安裝高度各各異,大多數(shù)構(gòu)件件只能用桅桿桿式起重機安安裝,吊裝有較大大難度。吊裝裝過程中任何何失誤都可能能造成難以估估量的損失,,其施工組織織和施工技術(shù)術(shù)亟需應(yīng)用全全新的技術(shù)手手段進行驗證證。上海正大大廣場的虛擬擬施工技術(shù)以以滿足生產(chǎn)需需求為目標,,利用虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù),通過建立三三維模型,對施工全過過程進行三維維可視化模擬擬,在施工前了了解各種構(gòu)件件在實際結(jié)構(gòu)構(gòu)中的相對位位置和相互關(guān)關(guān)系,對多種施工工方案進行模模擬、驗證、對對比和優(yōu)化,,并提供相應(yīng)應(yīng)的施工和安安全控制參數(shù)數(shù)。2.1.2仿仿真系統(tǒng)的主主要內(nèi)容1)外景仿真在建筑物建成前前,虛擬建筑物物建成后的周周圍環(huán)境。將將正大廣場按按設(shè)計圖紙詳詳細建模渲染染,并將附近建建筑、場景、道道路、黃浦江江等建模渲染染。系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)了觀察者不不同的觀察角角度和漫游方方式。在場景景中加入海洋洋效果、聲音音仿真等特效效,使場景更顯顯真實并具有有動感,沉浸感更強強。在漫游中中實現(xiàn)碰撞檢檢測功能,使漫游場景景中的各種實實體能真實反反映現(xiàn)實生活活中的各種狀狀況。2)吊裝仿真這是系統(tǒng)的核心心部分。鋼結(jié)結(jié)構(gòu)施工前在在計算機上完完成各種構(gòu)件件配裝、吊裝裝的多種試驗驗和優(yōu)化工作作。同時利用用多點決策理理論,采用兩榀屋屋架同時裝配配方案,使裝配-吊裝過程連連續(xù)進行。正正大廣場鋼結(jié)結(jié)構(gòu)數(shù)量多、規(guī)規(guī)格雜、分布布散。施工方方案選用6臺塔式起重重機和5部桅桿式起起重機進行吊吊裝。按每個個構(gòu)件的具體體吊裝方法及及整個吊裝過過程的先后順順序,對每個吊裝裝過程進行吊吊裝虛擬。吊吊裝過程采用用GSL編程實實現(xiàn)。針對不不同的吊裝過過程采用不同同的計算方法法。對塔式起起重機雙機抬抬吊采用反運運動學算法。通過正在吊裝的的鋼結(jié)構(gòu)主梁梁的空間位置置,算出吊裝的的轉(zhuǎn)角和小車車的運動行程程。塔式起重重機及桅桿式式起重機單機機起吊吊裝動動作則首先通通過手動操作作塔式起重機機或桅桿起重重機運動,在不斷試驗驗中尋找將構(gòu)構(gòu)件吊裝到位位并能避開障障礙的最佳運運動軌跡,并記錄此軌軌跡上的每一一個轉(zhuǎn)折點,,以及在此點點上塔式起重重機和桅桿起起重機的運動動參數(shù)。然后后用GSL語言實實現(xiàn)吊裝動作作。在吊裝試試驗過程中,,為解決依靠靠視覺判斷是是否存在構(gòu)件件干涉,無法克服三三維模型顯示示在二維屏幕幕上存在的視視覺誤差問題題,系統(tǒng)中加入入了構(gòu)件的實實時碰撞檢測測功能。當構(gòu)構(gòu)件之間出現(xiàn)現(xiàn)碰撞干涉時時,相應(yīng)的構(gòu)件件顏色將產(chǎn)生生變化以提醒醒用戶。3)應(yīng)力和變形形分析包括兩方面內(nèi)容容:①桅桿起重重機主副臂、基基座、纜風繩繩和吊裝屋架架的應(yīng)力分析析通過設(shè)計計分析軟件,,成功地對桅桅桿起重機吊吊裝動態(tài)過程程中,各種條件下下主臂、副臂臂、格構(gòu)柱、纜纜風繩和混凝凝土基座的受受力狀況的有有關(guān)參數(shù)進行行計算,并對吊裝屋屋架的應(yīng)力進進行對比分析析。②對典型型厚板的焊接接過程分析選擇典型的的箱形截面焊焊接過程進行行三維有限元元數(shù)值模擬。截截面有限元的的網(wǎng)格劃分了了8節(jié)點塊體單單元,同時考慮了了溫度使彈性性模量發(fā)生的的變化及鋼材材從彈性體※※塑性體※彈彈性體的變化化過程,力學模型采采用了非線性性的熱彈塑性性模型。經(jīng)過過連續(xù)計算,,獲得了箱形形截面的一次次焊接和多層層焊接的溫度度場、應(yīng)力場場和應(yīng)變場的的變化規(guī)律。土釘墻施工場景景灌注樁施工場景景土層錨桿施工場場景2.1.3應(yīng)應(yīng)用成效正大廣場的施工工虛擬仿真是是國內(nèi)首次嘗嘗試仿真技術(shù)術(shù)應(yīng)用于建筑筑工程,它對施工全全過程進行模模擬,在施工前了了解各種構(gòu)件件在實際結(jié)構(gòu)構(gòu)中的相對位位置及相互關(guān)關(guān)系,試驗多種施施工方法,計算相應(yīng)工工況應(yīng)力,對吊裝方法法、順序和吊吊裝線路進行行優(yōu)化。通過過正大廣場的的施工實踐,,取得了良好好的應(yīng)用成效效,主要體現(xiàn)如如下。1)通過試驗多多種施工方案案,可以在施工工前發(fā)現(xiàn)問題題,優(yōu)化方案,有助于縮短短工期,保障施工安安全和工程質(zhì)質(zhì)量。通過實實施施工虛擬擬仿真系統(tǒng)發(fā)發(fā)現(xiàn)原有施工工方案中存在在的若干不合合理設(shè)想和安安全隱患,并提供可靠靠的解決施工工方案。對原原方案中桅桿桿起重機的纜纜風繩布置進進行優(yōu)化,減少吊裝過過程中安、拆拆纜風繩的次次數(shù)。2)實現(xiàn)了施工工過程的實時時視覺仿真,,有利于進行行施工前的操操作和安全交交底。3)利用多點決決策優(yōu)化理論論優(yōu)化裝配吊吊裝方案,提高施工工工效。4)開發(fā)桅桿起起重機內(nèi)力分分析程序,提供了起重重機的安全運運行控制要求求,保障桅桿起起重機的安全全運行及屋架架的安全吊裝裝。5)采用三維有有限元法,獲得了數(shù)值值模擬箱形截截面焊接過程程的溫度、應(yīng)應(yīng)力和應(yīng)變場場等數(shù)據(jù)和結(jié)結(jié)論,可有效地指指導(dǎo)施工現(xiàn)場場對焊接變形形的控制。6)對建筑物外外觀效果的仿仿真,有助于提高高建筑造型的的合理性和設(shè)設(shè)計進程,為施工提供供直觀指導(dǎo)。2.2復(fù)雜空空間鋼結(jié)構(gòu)施施工虛擬仿真真分析復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)的施工成型型過程是一個個從局部到整整體的動態(tài)過過程,不同施工階階段有不同的的結(jié)構(gòu)形態(tài)和和受力特性,,邊界條件和和荷載條件也也在變化。在在某一階段安安裝完成后,,結(jié)構(gòu)暫時處處于一個平衡衡狀態(tài),繼續(xù)安裝下下一階段的結(jié)結(jié)構(gòu)時,由于變形協(xié)協(xié)調(diào)和內(nèi)力重重分配,新安裝部分分往往會對已已安裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)產(chǎn)生影響,兩者協(xié)同變變形達到新的的平衡狀態(tài)。因因此結(jié)構(gòu)最終終成型后的內(nèi)內(nèi)力、位移是是整個施工過過程中各個階階段的施工內(nèi)內(nèi)力、位移不不斷累積而成成的,不同的施工工方法和施工工過程對結(jié)構(gòu)構(gòu)最終成型時時的結(jié)構(gòu)形態(tài)態(tài)和受力狀態(tài)態(tài)有很大影響響。安裝過程程影響結(jié)構(gòu)受受力的因素眾眾多且相互關(guān)關(guān)聯(lián),使得對空間間結(jié)構(gòu)施工全全過程進行分分析具有相當當?shù)碾y度。工工程實踐表明明,結(jié)構(gòu)最危險險階段不一定定出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)構(gòu)竣工以后,,而往往正是是結(jié)構(gòu)未成型型時的臨時狀狀態(tài)。大量的的工程事故都都發(fā)生在施工工階段,而其中由于于設(shè)計中沒有有考慮施工過過程中的諸多多因素,或沒有對施施工過程中復(fù)雜及突發(fā)發(fā)情況進行應(yīng)應(yīng)有的受力分分析而引起的的占有相當比比例。因此,,考慮施工過過程對結(jié)構(gòu)最最終成型的影影響,對空間結(jié)構(gòu)構(gòu)進行施工全全過程跟蹤仿仿真分析,找到施工過過程中的最危危險階段并采采取措施進行行控制,無論在理論論還是應(yīng)用上上,對工程設(shè)計計、施工安全全及工程質(zhì)量量都具有十分分重要的意義義。2.2.1工工程概況廣州體育館由主主場館、訓(xùn)練練館、大眾活活動中心三部部分組成,可容納觀眾眾2萬名。每個個場館鋼屋蓋蓋均采用鋼支支座、鋼環(huán)梁梁、主桁架、輻輻射桁架、檁檁條、拉索等等組成大跨度度空間桁架交交叉支撐拉索索輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)體系,其幾何形狀狀均由圓錐體體在對稱軸兩兩側(cè)切去一部部分再合并而而成。主場館館跨度1600m×110m,,屋蓋上弦面面間距10mm,設(shè)有環(huán)向向主檁條,周邊端開間間設(shè)交叉鋼索索支撐,上弦面另有有4道徑向水平平交叉鋼索支支撐。輻射桁桁架間在上弦弦主檁條位置置加設(shè)環(huán)向垂垂直交叉鋼索索支撐,鋼索在各種種荷載作用下下均保持受拉拉狀態(tài),并確保輻射射桁架下弦平平面穩(wěn)定。主主檁條采用QQ345低合合金鋼,輻射桁架下下弦采用166Mn鋼,拉索采用鍍鍍鋅高強低松松弛預(yù)應(yīng)力鋼鋼絞線,外包白色高高密度聚乙烯烯膜,裸索直徑155.2mm,,整體直徑188mm,強度度等級17700MPaa。主場館拉拉索共計8336根,其中垂直索索636根、水水平索2000根。本工程程索數(shù)量多,,構(gòu)件幾何尺尺寸細長、剛剛度小、穩(wěn)定定性差,索力精確度度要求很高,,設(shè)計要求所所有交叉鋼索索均施加255～40kN預(yù)應(yīng)應(yīng)力,屋蓋施工完完成后,垂直交叉索索應(yīng)保持155～40kN以上上的預(yù)應(yīng)力,,同時同一榀榀桁架的2根鋼索垂直直力差不得大大于5kN。而預(yù)預(yù)應(yīng)力拉索在在張拉過程中中會相互影響響,要精確地確確定拉索張拉拉力十分復(fù)雜雜。一方面,,結(jié)構(gòu)是一個個具有大量單單元的三維空空間結(jié)構(gòu),在114個平面面內(nèi)每根拉索索內(nèi)力都不相相同;另一方面,施加預(yù)應(yīng)力力是多次進行行的,導(dǎo)致相互反反復(fù)影響,且張拉后還還要經(jīng)歷主場場館拆除支撐撐對拉索的影影響。因此如如何確定拉索索施工順序和和張拉力,是否存在索索預(yù)應(yīng)力損失失規(guī)律,如何確保拉拉索最終拉力力精度是施工工中的技術(shù)難難題。2.2.2仿仿真分析的主主要內(nèi)容仿真分析的主要要內(nèi)容有:①主桁架臨臨時鋼支撐方方案及設(shè)計;;②主桁架吊吊裝驗算;③輻射桁架架安裝過程主主桁架撓度變變化動態(tài)跟蹤蹤驗算;④輻射桁架架吊裝驗算;;⑤輻射桁架架吊裝過程;;⑥預(yù)應(yīng)力拉拉索張拉對相相鄰桁架交叉叉索力的影響響范圍;⑦拆撐前后后索預(yù)應(yīng)力損損失規(guī)律計算算;⑧拆除支撐撐后屋蓋中點點撓度計算及