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建筑物迁移虚拟仿真技术研究 r e s e a r c ho nv i r t u a ls i m u l a t i n gs y s t e mo f b u i l d i n gm o v i n g 学科专业：机械电子工程 研究生：齐金永 指导教师：洪鹰副教授 天津大学机械工程学院 二零零八年五月 摘要 建筑物迁移技术是在城市建设和改造进程中提出并兴起的一项新兴工程技 术。该技术的出现，不但解决了市政规划与现有尚具使用和保留价值的建筑物布 局之间的矛盾，同时也能节约大量的人力、财力及时间，带来巨大的经济、社会 和环境效益。在我国城市建设高速发展的今天，建筑物迁移技术得到了非常广泛 的应用。 高新技术的应用，推动着建筑物迁移技术的发展，但也存在着许多尚待研究 和解决的问题。本文就建筑物迁移工程中的建筑物所受到的多支点作用及其效应 的特点和规律进行了系统的研究，建立了建筑物迁移工程数学仿真模型；其中选 择v c 作为迁移建筑物仿真系统的开发平台，利用有限元a n s y s 的参数化语言 a p d l 编写建筑物建模算法，给出了建筑物模型需要的简化单元；通过研究迁移 过程中多液压缸同步控制系统的力、位移的变化特点，给出了有限元模型边界位 移条件的加载方法；针对迁移工程的要求研究了有限元模型分析的求解算法，并 给出了仿真系统为控制系统提供的主要分析数据。 本文还通过对v c 与a n s y s 软件接口的研究，编制出了相应的接口程序；建 立了仿真系统与控制系统共享数据库；提供了分析数据可视化的虚拟仿真方法， 可给出分析模型的数据及图形显示。所开发的基于a n s y s 的a p d l 有限元和面 向对象v c 的建筑物迁移工程仿真设计系统，为制定安全、经济的建筑物迁移工 程方案提供了有力理论依据和辅助工具。 关键词：建筑物迁移；参数化；有限元分析；a p d l ；v c ；可视化 a b s t r a c t b u i l d i n gm o v i n g i san e w e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yw h i c hw a sb r o u g h to u td u r i n g t h ep r o c e e d i n go ft h eu r b a nc o n s t r u c t i o na n dr e c o n s t r u c t i o n t h i st e c h n o l o g yn o to n l y s o l v e dt h ec o n f l i c to fc i t yp l a n n i n gw i t ht h ee x i s t i n gb u i l d i n g sw h i c ha r es t i l lu s e f u l ， b u ta l s os a v e dm u c hm o n e y , t i m ea n dm a n p o w e r s ot h eb u i l d i n gm o v i n gt e c h n o l o g y w i l lh a v ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e t h eh i 曲t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o np r o m o t e st h eb u i l d i n gm o v i n g ，b u tt h e r ea r e m a n yp r o b l e m sw h i c hn e e dt ob es o l v e d t h i sp a p e rs y s t e m i c a l l ys t u d i e st h ee f f e c t s c a u s e db yt h eb o u n d a r yc o n d i t i o nc h a n g e sd u r i n gt h em o v i n gp r o c e s s t h em e t h o d so f s i m u l a t i n gb u i l d i n gm o v i n ge n g i n e e r i n ga r eg i v e n t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h e c o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e mo fb u i l d i n gm o v i n ge n g i n e e r i n gb a s e do nv ca n dt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp a r a m e t r i cp r o g r a ma p d li sd e v e l o p e d t h ee l e m e n t so ft h e b u i l d i n gm o v i n gm o d e l a r eg i v e n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i a t i o n a lb o u n d a r y c o n d i t i o n si nt h eb u i l d i n gm o v i n ge n g i n e e r i n ga r es t u d i e d , a n dt h eb o u n d a r y c o n d i t i o n sl o a d i n gm e t h o do ft h ef i n i t em o d e li sg i v e n t h ep r i m a r ya n a l y s i sd a t a w h i c ht h es i m u l a t i o ns y s t e ma f f o r d st ot h ec o n t r o ls y s t e ma r eg i v e n t h i sp a p e rs t u d i e st h ei n t e r f a c eo fv ca n da n s y s ，a n dt h ei n t e r f a c ep r o g r a mi s g i v e n t h ed a t ao fs i m u l a t i o ns y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e ma r es h a r e d t h em e t h o do f d a t av i s u a l i z a t i o ni sg i v e na n dt h i sp a p e ri sg i v e na ne x a m p l eo ft h ed a t av i s u a l i z a t i o n t h es i m u l a t i o nd e s i g ns y s t e mo fb u i l d i n gm o v i n gb a s e do nv ca n dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sp a r a m e t r i cp r o g r a ma p d l i sau s e f u lt o o lf o rd e s i g n i n gs a f ea n de c o n o m i c a l b u i l d i n gm o v i n ge n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：b u i l d i n gm o v i n g ；p a r a m e t r i c ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；a p d l ；v c ； v i s u a l i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：畚含夺签字日期：少扩年月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：寄孕永 导师签名： 己必彦 签字日期：肜2 年月6 日签字日期：沙彦年衫月印日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 建筑物迁移课题研究的背景及意义 建筑物迁移，是指在保持建筑物整体性和可用性不变的前提下，将其从原址 移至新址，其中包括建筑物所在高度和方位的任何变动【l j 。 在城市改造过程中，经常出现现有建筑物( 构筑物) 和规划之间存在矛盾的问 题，许多建筑物因规划原因不得不拆除。这其中有不少具有保留价值的建筑，如 建造时间不长，还具有很大的实用价值，或是古建筑，属于保护文物，损失就无 法估计。有时为减少损失，不得不修改规划，给城市建设造成永久缺憾。且因拆 迁而产生的社会不稳定因素和社会矛盾在国内非常突出。许多城市正在进行大规 模的旧城改造，在规划要求拆除的建筑物中有相当大的一部分是二十世纪八九十 年代以后建造的，仍具有较大的使用价值。拆除重建不仅会造成大量资源的浪费， 需要较长的工期，同时给环境带来很大的污染。我国共有6 0 0 多个大中型城市， 2 0 0 0 多个小型城市，每年因此造成上百亿元的经济损失拉j 。 建筑物迁移技术是随着城市建设和改造的需要而发展起来的一项新兴的工 程技术。建筑物迁移技术的出现，很好地解决了上述难题，对于城市建设和改造 具有重要的意义，其推广应用将产生巨大的经济效益和社会效益，采用该项技术， 可以将一部分仍具有较大使用价值且周围有迁移余地的建筑物通过整体迁移，将 其搬迁到规划允许位置，不但可以满足城市总体规划要求，还可以节省人力、物 力、建设资金和迁移安置费用，并能大幅度缩短工期，减少社会矛盾。充分利用 建筑物迁移技术，还能做到不影响民众的生活和工作秩序。通过总结，可以看出 建筑物采用整体迁移和拆除重建相比有以下优点1 3 ，4 j ： ( 1 ) 节省资金。大量的建筑物整体迁移工程调查表明，整体迁移费用与拆除重 建费用的比例在1 6 - - - 1 2 。建筑物装修越豪华，节省费用越多。 ( 2 ) 对楼房的使用人员的生活影响小，采用整体迁移施工期间，二楼以上仍可 正常使用。 ( 3 ) 节省工期。建筑物整体迁移工期一般3 - 6 个月，拆除重建则至少需要1 2 年。 第一章绪论 ( 4 ) 保护环境，节省资源。减少建筑垃圾处理，有利于保护环境。 ( 5 ) 减少了搬迁费用，还可以减少商业建筑停业期间、用户搬迁等间接损失。 ( 6 ) 城市规划将更加灵活。 综上可见，不管是从经济效益方面还是从社会效益方面，建筑物整体迁移技 术为城市建设和l e t 城改造开辟了一条新路。 目前，建筑物迁移工程中存在针对迁移工程结构受力特点进行分析的理论和 相应的辅助设计工具的问题，为了提高建筑物迁移工程的计算机辅助设计水平， 保证制定工程方案的科学性和经济性，本文针对建筑物迁移过程中影响结构受力 的因素及其规律进行了深入的研究，解决了目前依赖经验和估算进行工程方案制 定的现状，并对结构受力进行可视化以及结构受力分析系统与控制系统数据共享 的研究，为实现建筑物自动化智能迁移提供必要的基础。 1 2 国内外建筑物迁移工程实例及现状 建筑物迁移技术在国外应用较早，已有1 0 0 多年的历史，在我国也有十几年 的实践经验，国内外有不少成功的工程实例，每个案例各有特点，为建筑物整体 迁移技术的成熟积累了丰富的经验和资料。 1 2 1 国外建筑物迁移工程实例及现状 建筑物迁移工程欧美国家应用较多，他们对有继续使用价值或有文物价值的 建筑物都很珍爱，运用整体迁移技术将其转移到合适位置予以重新利用和保护。 同时，西方发达国家对环境保护要求较高，如果将建筑物拆除，将产生粉尘、噪 声以及大量不可再生的建筑垃圾，因此，建筑物整体迁移技术在发达国家已发展 到相当高的水平。 世界上最早的建筑物整体迁移技术出现在新西兰，工程技术人员采用蒸汽机 车牵引装置，将新普利茅斯市一座一层民宅移到新址【引。 现代建筑物整体迁移始于2 0 世纪初。1 9 0 1 年由于校园扩建，美国依阿华大 学三层高的科学馆进行了整体平移，在移动过程中，为了绕过另一栋楼，采用了 转向技术，将其旋转了4 5 度，工程采用的是圆木滚轴滚动装置，利用螺旋千斤 顶将建筑物顶起，并提供水平牵引力。这座楼至今仍在使用【5 j 。 进入2 0 世纪8 0 年代以来，在北美和欧洲出现了一批具有代表性的整体平移工 程。1 9 8 2 年英国伯明翰市一个会计事务所平移n 8 0 5 k r n 以# l - 的地方【6 】，其托换结 构为钢筋混凝土底板，通过千斤项将房屋顶起后装入滚动装置，进行移动。1 9 8 3 第一$ 绪 年英国兰开夏郡w a r r i n g t o n 市一座历史悠久的学校建筑进行了整体迁移，由于道 路拓宽不得不将这一具有历史纪念意义的建筑纵向平移1 5 m ，此工程中则采用水 平框架形式进行托换，柱根部使用了专用托换装置啊。在建筑物基础下建一个钢 筋混凝土水平框架( 上轨道梁) ，在该框架下建造另一个框架( 下轨道梁) 与片 筏基础连接为整体，并延伸至新位置，两个框架之间留有间隙放入落轴，并涂抹 润滑油，用卷扬机和钢丝绳做牵引装置。 随着整体迁移技术的发展，一些国家设计了自动力专用多轮平板拖车和专用 托换装置咧，参见图l 一1 、1 - 2 。平移工程施工中一般将专用托换装置安装到结构 底部，在托换装置巾放八纵横向钢粱或木粱，然后将上部结构项起托换。 图1 - 1 平板拖车 琵 图1 - 2 托换装置 1 9 9 8 年。美国的一所豪华别墅，建筑面积约1 】0 0 m 2 ，从波卡罗顿长途跋涉1 0 0 多英里到后到达皮斯城( 罔1 3c a ) ( t 0 1 ) 。该建筑物进行项升托换时用了6 4 个】5 0 k n 千斤顶。这项迁移工程的特殊之处在于这座别墅的迁移途中必须要经过一条运 河。在这一段路程上采用的是一艘特殊的船体作为运输t 具。施工中通过调节运 输船中的水量解决了房屋从陆地到船上和从船上到陆地上的平稳性难题。该建筑 物基础为混凝土桩基，桩基切断时钢筋留有足够的连接长度，以便移事新位置时 的连接。 建筑面积最大的平移工程要数丹麦哥本哈根飞机场候机厅平移工程【9 1 ( 图 i 一3 ( b ) t 1 0 1 ) ，因飞机场扩建需要从机场一端移到另一端。该建筑建于1 9 3 9 年，长 1 1 0 m ，宽3 4 m ，2 层，局部3 层，钢筋混凝土框架结构。加固采用水平和斜向钢结 构支撑，框架柱切割采用金剐石链条锯，移动用q 6 0 台自推动平板拖车。为了保 证移动的速度，采用了多种规格的自推动多轮平板拖车，在车上安装了自动化模 块和电脑设备，借此柬自动调节x 或y 方向的同步移动以及补偿z 方向不同路面之 间的沉降差，而且能够自动确定旋转巾心。由于迁移时不能影响到飞机起降，整 个工程在时间上进行了详细的计划，基本t 都是在晚上进行的。 a 1 船舶运输别墅 m ) 平板拖车迁移建筑物 圈1 - 3 国外建筑物迁移工程 1 9 9 9 年1 月2 5 日，美国明尼苏达州m 1 衄c a p o l l s 市的s h u b e f l 剧院由第五大街迁 移到第七大街时采用平板拖车 。其自身具有动力装置。为了增加其整体性，在 墙下浇注了混凝土墙对建筑物进行了加固。将剧院内斜地面开挖2 0 英尺深，然后 填砂至地面下5 英尺处，在此空问内设置主敬钢粱托换系统，置入移动平板拖车， 移至指定位置后，将托换钢粱耿出，建筑物落至新基础上。整个工程用了7 0 台移 动平板拖车，其中2 0 台为自带动力的。 综上所述，国外的整体迁移技术较为成熟，各国的迁移方法大同小异，基本 实现了机械化。尽管迁移硬件平台已经达到相当高的水平但受限于计算机计算 速度，缺少相应的实时虚拟仿真软件平台。虚拟仿真系统的研发影响着迁移工程 进一步向科学化和自动化的发展。 1 2 2 国内建筑物迁移工程实例及现状 自从2 0 世纪8 0 年代建筑物迁移技术在我国出现咀来，我国已有上百个建筑 物迁移工程成功实例，遍及十几个省市【_ “。这些工程中既包括了框架结构，也包 括砖混结构、甚至组合结构。迁移的建筑物有住宅、办公楼、酒店、纪念馆、文 物建筑，也有塔和桥梁。移动方向有纵向、横向、斜向和水平旋转迁移。从工程 角度来看，我国的建筑物迁移技术已经达到了较高的水平。 国内最早的迁移技术出现在煤矿矿井建设中，有关采矿文献中曾介绍过小恒 山矿排矸井井塔迁移【4 ”】。1 9 9 2 年8 月2 7 日成功将山西常村煤矿一高6 5 m ，3 脚支撑的巨型井塔迁移7 5 m ，迁移中使用了2 台1 唧牵引设备。 1 9 9 2 年，科技人员提出了将上部结构和基础分离的方法。由于改疗法适用 性广，迅速取代了原平移方法。1 9 9 2 年9 月，吉林省辽源矿务局高继良先生申 请了名为“建筑物平移的方法和装置”的专利，并于1 9 9 2 年底完成了重庆市一 第一章绪论 栋办公楼的整体平移，媒体和研究机构称此为华夏第一移，高继良先生也被称为 “中国平移第一人”。 1 9 9 3 年1 1 月3 0 日“浙江日报”报道，上海外滩有一建于1 9 0 7 年，高5 2 m ， 重4 0 0 t ，号称“天文台的古建筑，被搬迁到离原地2 4 2 m 的新位置，这是我国 首次文物建筑整体平移【l 引。 1 9 9 5 年，河南孟州市政府办公楼迁移工程集横向移动、纵向移动和旋转于 一身，在当时创造了建筑物搬迁总重量、旋转角度、移动距离和搬迁建筑面积四 项全国第一，由上海大世界吉尼斯总部颁发了证书【1 6 】。1 9 9 5 年整体搬迁成功的 许昌市公路段办公室，平面为不规则六边形，因马路拓宽改造需要沿横向迁移 1 0 4 m ，通过采用井字梁水平底盘解决部分房屋斜向迁移的问题。迁移中动力系 统采用了拉力系绀1 7 j 。 1 9 9 6 年，济南市一建筑群7 栋建筑进行了转向迁移，同时抬升。最长移动 轨迹1 9 6 m 。迁移中根据不同情况采用了以毛石、混凝土和粘土砖为材料的三种 下轨道形式【1 s 】。1 9 9 9 年1 2 月，临沂国家安全局大楼创造了我国框架结构双向平 移距离最长的记录，平移1 7 1 m t l 9 j 。 近几年，随着城市改造加快，整体迁移技术发展迅速，并解决了一些新的技 术难题。2 0 0 0 年1 1 月，北京物资局明光老干部活动中心工程首次完成了带地下 室的建筑物的迁移工程【2 0 】。 进入2 1 世纪，我国建筑物迁移技术已经达到了较高的水平，并且该技术也 被用于非建筑物领域。例如，城市绿化建设中借鉴建筑物整体迁移技术，采用大 范围根部包裹、底部设托换底板、轨道，用滚轴进行平移的方法，多棵古树被成 功迁移【2 。如表1 1 所示，进入2 l 世纪以后国内建筑物的整体迁移工程。 国内的很多迁移工程都是凭借经验和估算进行结构设计和施工设计，采用偏 安全的方式进行。但迁移工程的科学化以及优化设计还存在很大的问题，缺少相 应的建筑物结构内应力的预判仿真系统。 第章绪论 表1 1 国内建筑物整体迁移工程 2 2 - 2 8 】 迁移工程 层数结构 移动距离 面积施工 高度形式 形式角度重量时间 浙江三门千年故 1 5 m| 平移4 0 m | 2 0 0 1 樟树 上海刘长胜4 层砖木平移 7 9 5 m 8 0 0 m 2 2 0 0 2 故居转向两次1 2 0 0 t 爬坡0 4 5 m 江苏江都6 层框架平移3 l m2 2 0 0 m 22 0 0 2 供电大楼局部7 层砖混1 1 5 m 广西梧州 1 0 框架平移 3 0 2 7 6 聊1 3 0 0 0 t2 0 0 3 人事局 上海音乐厅 2 l m混合 顶升 3 3 8 m5 8 0 0 t2 0 0 3 结构平移 6 6 4 6 m 天津顶升 1 2 7 l m7 0 0 0 t2 0 0 3 狮子林桥 天津东农6 层 框架 平移 3 5 m1 0 3 4 6 t2 0 0 4 商业楼平移 广西梧州9 层框架平移3 5 6 2 m8 3 3 0 m 2 2 0 0 4 福港楼 3 4 m 旋转 2 8 01 4 8 0 0 t 吴淞大桥主桥顶 | 顶升 1 0 0 m m3 6 0 0 t2 0 0 4 升落梁落梁 3 0 0 m m 山东东营孤岛镇4 层框架旋转 2 0 04 8 11 4 9 m 22 0 0 5 永安商场 5 7 7 3 8 t 宁夏吴忠 5 3 7 m 框架平移 8 0 m2 0 0 0 0 t2 0 0 5 宾馆 天津临港 板梁调坡 5 0 0 m m5 1 眦 2 0 0 5 立交 天津滨水道立交箱梁顶升 1 5 m m2 2 0 0 t2 0 0 5 支座更新 6 第一章绪论 1 3 建筑物迁移工程亟待解决的问题 建筑迁移工程的出现虽然已有一百多年的历史，它涉及机械、电子、液压传 动、控制工程、计算机辅助设计、建筑力学、土力学、地基基础等众多学科专业， 由于该项技术的复杂性，许多未知因素的存在是本项技术在应用于实际当中还存 在相当风险的原因之一。为了使建筑物迁移技术真正科学化，减少工程的风险性， 必须就迁移工程中可能涉及到的各种因素及其影响规律进行广泛而深入的研究。 建筑物迁移工程中的各种施工方面的技术在原有建筑施工技术的基础上加以考 虑迁移工程本身的特点而进行相应改进，其应用研究已经取得了丰富的经验。但 对于迁移工程中结构的受力特点及其分析理论，以及为实现迁移工程结构受力优 化制定的相应智能化控制策略的研究至今未见文献报道一。缺少建筑物迁移工程 专用计算机辅助设计软件。这些都已经成为了该技术进一步科学化和走向成熟的 瓶颈。 随着国内大型建筑物迁移工程的增多，对于建筑物迁移工程的计算机辅助设 计技术和工程智能化控制技术的研究提上日程，这也是建筑物迁移技术进一步推 广和成熟的需要。尚未有适用的理论和方法来模拟建筑物在迁移过程中所受到的 作用。因而无法预知各种影响因素的影响规律及其程度，不能设计出最优的施工 方案。尽管迁移工程使用的迁移装备能够完成迁移工程，但均需根据具体的工程 做一些改造，而且只能是手动和半自动结合操作。由上可知计算机辅助设计技术 研发正是建筑物迁移工程亟需解决的问题。所以建筑物迁移工程计算机辅助设计 系统的研发成为需要。 目前，常用的建筑结构计算软件主要是针对待建建筑，采用现有设计规范而 开发的，未考虑迁移工程的特殊环境，因而不适用于建筑物迁移工程。所以建筑 物迁移工程的数学分析模型有待建立，基于该模型的计算机辅助设计软件有待开 发。决策者因为缺少必要的分析信息而只能借助经验和简单假设下的计算，由此 得出的结果是不可靠的。因此研究迁移工程中建筑结构的力学模型，建立适用的 分析理论并开发出相应的专用辅助设计软件系统是当务之急。务必对建筑物迁移 工程进行深入系统的研究，使之形成一套完整的设计体系和理论。建筑物迁移工 程辅助设计软件的任务就是：根据所建立的迁移工程数学模型，对将进行迁移的 建筑物进行迁移仿真分析，对迁移过程中的各种情况进行预测，确定各种可控因 素的临界值，为迁移同步控制系统提供基本控制参量及对其行为提出约束，得到 建筑物结构位移、结构内应力、托盘的结构参量及必要的补强方案。 第一章绪论 1 4 课题研究的内容 建筑物迁移工程因其巨大的经济、社会和环境效益，以及对历史文物的保护 等种种优点，决定了该技术在将来城市建设和旧城改造中有着很大的市场应用前 景。由1 3 节的论述可知，鉴于建筑物迁移工程是涉及多学科交叉的复杂工程， 建筑物迁移虚拟仿真技术的研究还处于起步阶段。 针对建筑物迁移技术存在缺少适用的结构分析方法以及没有相关适用的标 准可供参考的现状，为实现建筑物迁移工程迁移动力系统的自动化、智能化监测 控制以及计算机辅助设计为目的，前期工作已经实现了一种以“工控机+ 可编程 控制器+ 液压控制系统”为硬件平台，监控软件和建筑物结构分析软件为软件平 台的分布式监控系统。为了能够实现控制自动化以及数据的及时共享，进一步提 出了建筑物迁移虚拟仿真的可视化软件系统研究。 建筑物迁移虚拟仿真软件的开发将实现：通过对建筑物迁移工程数学模型的 分析及虚拟仿真，可以真切地观察和感受到建筑物内力随各影响因素的变化情 况，为用户提供直观的分析结果，为工程相关决策人制定方案提供依据，并能对 工程可靠性和经济性进行估算和优化。具体研究内容如下： ( 1 ) 简要介绍有限元理论以及在建筑物迁移工程中的应用，给出基于有限元的迁 移建筑物模型建立的数学基础，并简要分析迁移建筑物有限元模型常用单 元。 ( 2 ) 提出建筑物迁移工程辅助设计仿真系统建模的主要方法，利用a n s y s 提供 的参数化a p d l 语言建模的思想。对于a n s y s 有限元分析的过程进行论述， 针对有限元分析工程分别给出前处理、求解、后处理过程，针对建筑物的不 同结构分别进行针对性的分析。给出建筑物参数化的提取，建筑物承重框架 结构的建模算法，实体模型的有限元化；对迁移工程中的建筑物模型边界约 束条件的加载算法、建筑物迁移支点力载荷简化和加载算法，非承重建筑结 构简化进行论述；针对建筑物迁移所需的数据设计求解算法，并设计相应的 后处理算法。 ( 3 ) 提出建筑物迁移仿真数据可视化的方法，开发基于v c 的可视化总体设计系 统。开发建筑物迁移设计仿真系统，并对关键环节做具体介绍，v c 与a n s y s 的接口以及数据共享的问题进行阐述。利用本系统分析迁移建筑物模型实 例。 第二章建筑物迁移工程概述 第二章建筑物迁移工程概述 建筑物整体迁移工程是一项多学科交叉的综合性系统工程，涉及到机械、电 子、液压传动、控制工程、计算机辅助设计、建筑力学、土力学、地基基础和建 筑施工等多门学科的综合运用。要顺利完成迁移工程，需要各方的协调和配合， 尤其是需要计算机虚拟仿真系统提供可靠的实时数据。 本章首先介绍建筑物整体迁移的方式，主要包括滚轴滚动迁移和多支点滑动 迁移，针对多支点滑动迁移介绍了迁移的基本步骤，重点介绍了结构加固、结构 分离、同步迁移、和就位连接等。分析了建筑物虚拟仿真系统在迁移过程中应用 的范围和所需的功能。通过本章的研究，为建筑物迁移仿真系统的研究提出了技 术上的要求。 2 1 建筑物迁移的主要方式 建筑物迁移过程中，根据建筑物结构形式、地基情况、平移过程的载荷以及 采用的可动支撑的不同，建筑迁移工程采取的迁移方式也有所不同，对于上轨道 和下轨道之间的摩擦方式有滚动摩擦和滑动摩擦两种，故迁移方式通常分为滚动 迁移和滑动迁移两种方式。 2 1 1 滚轴滚动迁移方式 滚动迁移采用滚轴作为上部结构与下轨道梁之间的可动支承，它承受建筑物 迁移过程中的全部竖向荷载。滚动迁移方式的技术含量低，成本也较低，适用于 重量不大的建筑物迁移。图2 1 给出了滚轴迁移方式的示意图。 滚动迁移方式在迁移工程刚出现时大量使用，在1 2 1 节里面提到的美国依 阿华大学科学馆的迁移就是采用此方式，不过当时使用的是圆木作为滚轴。最近 几十年滚动迁移一般采用钢管里填充混凝土的方法制作滚轴。 以滚轴作为移动介质，上部结构振动大，容易出现个别滚轴被压扁，对结构 安全不利，滚动迁移容易产生迁移误差，迁移进度较慢，需要有工作人员在轨道 两旁不断调整滚轴，对人身安全不利。 9 第二章建筑物迁移工程概述 图2 - 1建筑物滚轴滚动迁移工程示意图 2 1 2 多支点滑动迁移方式 多支点滑动迁移是最近几年才出现的一种迁移方式，通常在建筑物上托梁下 部按点布置支撑，在需要项升的工程中安置顶升液压缸，不需要顶升的工程则可 采用滑块代替，在需要顶升平移的工程中可以安置顶升和平移液压缸。图2 2 给 出了多支点滑动迁移的示意图。 乇整沤匡堑 u 图2 2 建筑物多支点滑动迁移工程示意图 这种迁移方式具有适用面广，施工方便灵活的特点，且能适应多种工程需要， 既可用于项升，纠偏，也可以用于迁移中的换向，旋转等需要。尤其是在项升平 移建筑物工程中，可以通过建筑物迁移虚拟仿真软件提供的数据能自适应地形特 点，通过液压控制系统的控制功能实现自适应高度变化，以保持上部结构的水平 状态。 此迁移方式仅在某些位置布置支点，较之使用滚轴的滚动迁移，施工更加方 便、简洁和灵活。加上液压同步控制系统的自适应控制，更能有效地减少上部结 l o 第二章建筑物迁移工程概述 构的振动。移动时平稳、安全、精度高，易于调整，适合精确控制，且工期短。 实践证明，多支点滑动迁移特别适合文物保护建筑等要求更高的迁移工程。 多支点滑动迁移方式将是未来建筑物迁移发展的方向，目前国内最大的文物 保护建筑物整体迁移工程上海音乐厅平移修缮工程，就是采用多支点滑动迁 移方式实现项升平移的典型例子，音乐厅在原址顶升1 5 m ，然后向南偏东方向 平移6 6 4 m ，到位后再项升1 8 8 m 。 对于多支点滑动迁移工程，支点液压缸顶升力和支点位移需要及时的获取， 反馈给控制系统用于参量的调整。由于受限于计算机水平，建筑物迁移过程中不 能提供科学准确的实时数据，本文研究的建筑物迁移虚拟仿真系统能够为迁移过 程提供科学准确的数据。 2 2 建筑物整体迁移的基本步骤 建筑物整体迁移过程包括前期调查、施工阶段和后期整理。前期调查为建筑 物迁移的硬件平台和仿真软件建模提供信息；在施工阶段，包括加固和托换、结 构分离、同步迁移。施工阶段主要是针对建筑物迁移控制系统可能出现的各种可 能情况，利用仿真软件进行预判，保证迁移工程能够顺利完成。建筑物迁移仿真 软件可以为施工提供科学的数据，优化结构加固；后期处理主要有就位连接以及 建筑物的装修。下面分别介绍建筑物的迁移步骤。 2 2 1 迁移建筑物的前期调查 建筑物迁移工程中将要搬迁的建筑物为使用过一定时期的1 1 3 建筑或久经沧 桑的古建筑。由于环境的影响，必然使其结构受到不同程度的损伤，从而导致结 构的各项性能指标的降低，可靠性水平随着使用年限的增加而降低。因此有必要 对拟迁移建筑物的各项性能指标和剩余耐久年限进行评估。根据检测结果判断是 否能进行迁移或是否有迁移价值，以及是否有必要进行加固。迁移建筑物之前， 必须对原有建筑的结构形式、地基情况以及新基础的地质情况有清楚的了解【3 0 i 。 方案设计前，还应对原有结构的安全性和可靠性进行评估，安全度或变形不 符合要求的要按规范要求进行补强和刚度加固，保证结构的整体性和稳定性。 总之，在这段工作中要对结构参量、构造及功能状态全面定量化。前期调查 所得的数据为建筑物仿真模型的建立具有指导性的作用，为仿真模型的建立提供 必要的参数，例如建筑物的基本尺寸、墙柱的强度、密度以及混凝土的本构关系 等。 第二章建筑物迁移工程概述 2 2 2 迁移建筑物加固和托换 待迁建筑物由于使用损坏或者自然老化，为保证迁移过程中建筑物的安全， 必须对建筑物进行加固和托换。对待迁移建筑进行合理的维修加固，适当提高其 安全性不仅可以保证搬迁时的可靠度水平，还可以延长结构的使用寿命。在役结 构的加固是不同于结构设计的一个新领域，建筑物加固有如下特点【3 l 】： ( 1 ) 相对于新建结构的设计，它的自由度要小得多。 ( 2 ) 加固结构属于二次受力结构，新旧两部分存在着应变滞后和应力超前现象。 ( 3 ) 加固理论还必须立足于整个结构性能考虑，不能只因局部破坏就只加固局 部的处理方法。 ( 4 ) 加固后结构的可靠度和使用期限一般不能套用新建结构的标准方法要求， 应具体对象具体分析。混凝土结构加固的方法很多，广泛采用的有加大截面 法、外包钢法、预应力法、改变结构传力途径法等。随着新材料、新技术的 不断出现，今后会有更多的加固方法。 加固对有历史价值的文物性建筑这点很重要，大多文物建筑使用年限已相当 长久，且多为砖木结构，迁移前如不进行加固和整体性处理，则在迁移过程中可 能导致建筑物垮塌。 在既有建筑物基础加固和改造中，出现了建筑物的托换技术，托换体系包括 上部结构加固托架和墙柱的托换结构。根据所起作用不同，结构托换可分为临时 性托换、预防性托换、补救性托换和维持性托换。，迁移工程采用的托换体系属于 临时性托换。结构托换技术同时还具有恢复，甚至提高建筑物性能的作用。对于 建造年代久远的古建筑物，在材料和结构上都可能会达到濒危的状态，结构托换 技术可以将原有的荷载转换到新的受力体系上，结合其它加固措施，就可以阻止 破坏的加剧，下面分别介绍墙柱的托换结构。 墙的托换方式主要有两种，双夹梁式托换和单梁式托换，其中最常用的是双 夹梁式。双夹梁式墙体托换是在托换部位穿横向抬梁，同时墙体两侧制作夹梁， 托换完成后，抬梁和夹梁仍起传力作用，如图2 - 3 ( a ) 所示。 由于柱的载荷较大，而截面尺寸又较小，故托换要求很高。如何将柱传下来 的数百吨的力托换到上轨道上，目前仍是一个需要研究的课题。在工程实际中使 用的方式有植筋托换、型钢对拉螺栓托换和分荷托换等，主要根据具体情况进行 方式的选择。分荷托换结构【3 2 】是由柱前后对称设置的钢筋混凝土分荷斜柱和斜柱 上部的钢筋混凝土抱柱箍组成，并与柱及上轨道梁连成完整的一体，提高了分荷 结构的节点刚度和传力的可靠性，如图2 - 3 ( b ) 所示，将柱荷载经分荷斜粱结构传 至加固梁，然后通过底部项升装置传给下轨道梁上。 1 2 第二章建筑物迁移工程概述 轨道粱 抱柱箍 j 框架柱 】- ， 、 f 7 弋、斜梁 、 j 00 稚y 女 k 】= 睁r 1 时 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) k 】- 睁k 】( 3 7 ) ( 3 8 ) 口f = 一_ + x 女，b i = y ，一y i ，c f = x y 一x t y ( f ，足轮换) ( 3 9 ) 妒躬x i y y ，i 1 1 y 女 则矩阵b 】的逆矩阵为 时= 去 = 扣6 - a b k ) ( 3 - 1 0 ) c i 0c i b i 0 b j a l 0 a i 0 c i 0 0 a i 0 0 a f 0 将式( 3 8 ) 代入式( 3 4 ) 并加以整理得 2 0 0 靠0 0 b k 0 0 a 0 c ，0 c 女 b j 0 b k a j 0 a k ( 3 1 1 ) 嘶竹幻q加仰 第三章基于有限元理论的建筑物数学建模 怍阡埘 1 2 ) 【】= 髻爱名暑繁爱 c 3 一t 3 ， 式( 3 1 4 ) 为形函数矩阵，m 、 r ，、n k 为形函数，也称插值函数。 n 2 去( c ，+ 包x + q y ) ( f ，磁换) ( 3 - 1 4 ) 3 2 4 荷载向节点的移置 建筑物所受的实际载荷如同位移一样不能直接加载到有限元模型上，必须经 过移置将实体模型上的载荷加载到有限元模型上。 建筑物结构上的真实荷载可以是作用于结构上任意处的集中力，作用于面上 的分布力或作用于体内的体积力。在有限元法中所有这些荷载均需按静力等效原 则移置到节点上，称为等效节点荷载，从而简化结构受力状况，进而建立单元和 结构的节点位移和节点力的关系。 所谓静力等效原则是指作用于单元上的真实荷载和移置到节点的节点荷载， 两者在虚位移上所作的虚功相等。 如图3 - 3 所示受集中载荷 f 】作用于单元内一点m ( x ，y ) ，与其等效的节点载 荷为 用。 p r = k 巳如易厶厶r ( 3 - 1 5 ) 设节点的虚位移为k r ，则膨点的虚位移为 陟】= 丛r ( 3 1 6 ) 按静力等效原则 晗r ) r p 】8 ：f s 】r 【，】：l r 厂【r 旷】 ( 3 1 7 ) 由虚位移的任意性可得 旷r = 】7 旷】( 3 - 1 8 ) 类似的与弦边上作用的分布面力尻相应的等效节点力为 2 l = $ 基十有m i g 论的m 物数# # 【，r = 】7 网 0 - 1 9 ) 式( 3 1 9 ) 等号右边为沿肚边的线积分 与分布体力【厂】等效的节点力为 f f = i j i u 7 【，k x 咖 o 2 0 ) 根据有限元模型载荷向节点移黄的方法，建筑物主粱所受的载荷一般为楼板 简化后的集中载荷或者是墙体简化后的分布载荷，主梁所受集中载荷力从实体模 型到有限元模型简化的示意图如图3 - 4 所示。 芒，斟。2 a ) 实体模型受力情况 p o ) 肯限兀模型受力情l 兄 圈3 4 实体模型向有限元模型集中载荷移置目i 意图 3 2 5 单元节点位移和节点力关系确定 建筑物虚拟仿真能够进行建筑结构分析必须建立位移f 变形) 与受力之间的 关系，对于有限元模型必须建立单元节点位移和节点力之间的关系。 ( 1 ) 应变矩阵 由弹性力学知， h = k ，。】7 = 罢万0 v 考+ 砉 1 0 - 2 0 纠= 盹】： a i r l 0 - 2 2 ) 式中p 】为偏导符矩阵 第三章基于有限元理论的建筑物数学建模 将式( 3 1 2 ) f 弋) k 0 2 2 ) 雀4 j t p 】- a ，、 一u o x ，、 a u 加 aa 苏却 h = 0 i n i a 】。= b i a r 式中：陋】称为应变矩阵或几何矩阵 ( 2 ) 应力矩阵 由弹性力学 式中：【d 】为弹性矩阵 h = o i n i = p ，b ，b 。j b 】= b ，o y 】7 = 【d k 】 陆可e 1 唾 l 对称 式中：e 为弹性模量、为泊松比 p 】= 【d k 】= p i b i r = b i 】。 式中：陋】为单元应力矩阵 b 】_ p 1 8 】_ i s is ，s 。j ( 3 ) 单元刚度矩阵 设单元节点的虚位移为队r ，则单元虚应变为 由虚功原理 i 】= 陋蓝r ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) o 己丁 第三章基于有限元理论的建筑物数学建模 将式( 3 2 8 ) 和式( 3 3 0 ) 代入式得 ( 队r ) r 旷r ：施i r ) r p i 】。蛔：必r ) r 肛r 【d p k 咖【】。 ( 3 3 2 ) 由虚位移的任意性可得 【f 】8 = k r 【】。0 3 2 ) g 0 3 2 ) 即为单元节点力和单元节点位移的关系。 k r = 加r o l b d x a y , ( 3 - 3 3 ) a k l 。为单元刚度矩阵，一个对称矩阵。k 】。写成子块的形式 r k r = k 【k 蔚 k k uk j k l k k 呔1 3 2 6 整体节点位移和节点力关系确定 将虚功原理用于整个结构。此时外力虚功为嘭 0 3 4 ) 嘭：晗 丫p 】。：队】7 p 】 ( 3 3 5 ) 式中： 岔 为结构的整体虚位移列阵，p 】为结构整体节点力列矩阵。 内力虚功为彬 彬：一必r ) r 时【r ( 3 3 6 ) 在对所有单元求和时将单元刚度矩阵集合成整体刚度矩阵区】，将单元位移 列阵【】。集合成整体位移列阵【】，于是上式成为 形= 一 l 】7 k i 】( 3 3 7 ) 由虚功原理及虚位移的任意性可得 。 k i 】= 纠( 3 - 3 8 ) g 0 3 8 ) 即为整体位移列阵和荷载列阵之间的关系。 在由单元刚度矩阵合成整体刚度矩阵时应遵循下列原则： 第三章基于有限元理论的建筑物数学建模 ( 1 ) 凡与位移分量为零对应的单元刚度矩阵元素不迭加到整体刚度矩阵中去。 ( 2 ) 整体刚度矩阵中的元素等于各单元刚度矩阵中元素之和。 在整体刚度矩阵合成后，解联立方程组( 3 3 8 ) ，可得到整体节点位移列阵 【】，由此可得到各单元的单元位移列阵【】8 ，再由式( 3 2 4 ) 和式( 3 2 8 ) 可求得 各单元的应变和应力。 3 3 建筑物建模采用的单元模型 系统采用基于位移( 刚度法) 的有限元法。根据建筑物迁移特点和建筑结构 安全的考虑，建筑物结构分析需要得到的是支点反力和危险部位，并不要求得到 结构的破坏过程，因此适用以钢筋混凝土线弹性极限方法分析。 系统采用的模型单元为空间梁单元和膜板组合壳单元。非承重结构作为荷载 加入结构中。对于钢筋混凝土结构，提供了组合型钢筋混凝土空间梁单元和壳单 元。可以模拟钢筋混凝土框架、框剪结构的建筑。其数学模型为式( 3 3 3 ) 。 3 3 1 梁单元 钢筋混凝土结构建筑物的框架柱和梁采用两节点，每个节点有六个自由度的 梁单元模拟，这种单元适合于分析中等粗短的梁结构，单元如图3 5 所示f 3 7 】。此 单元非常适合线性、大角度转动和非线性大应变问题，并且单元类型的截面可以 是不同材料组成的组合截面，有利于模拟混凝土材料的属性。此单元可以自定义 截面尺寸，有利于模拟建筑物中各种不同梁柱的截面。 z 图3 - 5 梁( b e a m18 8 ) 单元分析 第三章基于有限元理论的建筑物数学建模 对于梁单元来说单元刚度矩阵为： 3 3 2 壳单元 i x 。= 等 1 2 6 ，4 2 2 对称 一1 26 ，1 2 6 ，2 ，26 ，4 2 2 ( 3 3 9 ) 对于建筑物中的外墙以及楼板的模拟采用薄壳单元模拟，薄壳既具有弯曲能 力又具有膜力，可以承受平面内荷载和法