（机械电子工程专业论文）建筑物迁移可视化仿真技术研究.pdf

中文摘要 随着全国范围的城市规划和城市改造热潮的兴起，建筑物整体迁移技术在我 国取得了快速的发展，但是建筑物迁移工程技术存在着工程经验丰富，迁移理论 依据不足，相应的规范不健全的问题，因此，对建筑物迁移制定一套安全、可行 的迁移方案时，只能凭借经验，导致迁移过程安全性下降，经济效益上的优势不 能充分发挥。 应用计算机技术对建筑物迁移过程进行可视化仿真成为解决问题理想的途 径，通过逼真、直观展示建筑物迁移过程，指导建筑物迁移，使建筑物迁移方案 更具有科学性和预见性。论文的主要研究内容如下： 本文通过分析建筑物迁移原理、过程和建筑物迁移的关键步骤，提出以 v c + + 和o p e n g l 作为开发工具，对建筑物迁移的可视化仿真系统进行设计。 分析建筑物迁移仿真系统中梁单元、板壳单元和液压缸在仿真系统中的结构 特点，针对梁单元和板壳单元在仿真过程需要根据其受力情况而发生应变和应力 变化的特点，提出应用o p e n g l 提供的几何建模方法直接建立模型。因为液压缸 并不发生局部变形，故采用s o l i d w o r k s 建模并导入o p e n g l 的方法建立模型。 采用m i c r o s o f ta c c e s s 数据库作为可视化仿真系统和结构分析系统的数据交 换纽带，可视化仿真系统读取数据库中各个结构的节点数据，并应用相应算法对 数据处理后，与几何模型相融合，在显示窗口显示出各结构的变形，并以云图的 形式显示各结构的应力。 建筑物迁移可视化仿真系统的运行效果表明，系统能较好的仿真建筑物的迁 移过程，直观地显示建筑物在迁移过程的应力和应变变化情况。应用本系统对建 筑物迁移进行仿真分析，对科学制定建筑物迁移方案有重要的指导意义，使其更 大程度地提高经济效益。 关键词：建筑物迁移，o p e n g l ，v c + + ，可视化，几何建模 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fb u i l d i n gm o v i n gh a sa c h i e v e du n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n t ， a l o n gw i t han a t i o n w i d eu p s u r g eo fu 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 ，a n dh a s o b t a i n e dr i c he x p e r i e n c e ，b u tt h et h e o r yi sl a c ka n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t a n d a r di s i m p e r f e c t s oi tc o u l dd e p e n do nt h ee n g i n e e r se x p e r i e n c et od e s i g n as a f ea n d f e a s i b l es c h e m ef o rb u i l d i n gm o v i n g ，w h i c hl e a d st ol o ws a f e t ya n dl o we c o n o m i c b e n e f i t sf o rb u i l d i n gm o v i n g i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h ev i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e mo fb u i l d i n gm o v i n gi s t h ei d e a lm e t h o d i tc a nd i s p l a yt h ep r o c e s so fb u i l d i n gm o v i n gw i t ht h ea n i m a t i o n , a n di tc a ng u i d et od e s i g nt h es c h e m eo fb u i l d i n gm o v i n gm o r es c i e n t i f i c a l l ya n d p r e d i c t a b l y t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w ： i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ep r i n c i p l ea n dp r o c e s so fb u i l d i n gm o v i n gi sd i s c u s s e da n d t h e ne s t a b l i s ham e t h o do fd e s i g n i n gt h ev i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e mf o rb u i l d i n gm o v i n g w i t hv c + + a n do p e n g la st o o l s a n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e a me l e m e n t ，s h e l le l e m e n ta n dh y d r a u l i c c y l i n d e r si nt h ev i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e m ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h es t r e s sa n d s t r a i n o fb e a ma n ds h e l le l e m e n tw i l lc h a n g e ，s ot h em e t h o dt h a td i r e c tg e o m e t r i cm o d e li n t h eo p e n g li su s e d ，a n dt h es t r e s sa n ds t r a i no fh y d r a u l i cc y l i n d e r si sn o tc o n s i d e r e d s ot h em e t h o dt h a tm o d e l i n gi nt h es o f t w a r eo fs o l i dw o r k sa n dt h e ne x p o r t i n gi n t o o p e n g l i su s e d t h em i c r o s o f ta c c e s sd a t a b a s ei su s e da st h ed a t ae x c h a n g et i e so ft h ev i s u a l s i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h es t r u c t u r ea n a l y s i ss y s t e m t h ev i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e m r e a d st h ed a t af r o mt h ed a t a b a s ew h i c hi sw r i t t e nb yt h es t r u c t u r ea n a l y s i ss y s t e ma n d p r o c e s st h ed a t aw i t ht h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h ma n dt h e nc o m b i n i n gw i t ht h e g e o m e t r ym o d e l ，d i s p l a yt h es h a p ec h a n g ea n d s t r e s se n v e l o p e t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h i sv i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e mo fb u i l d i n gm o v i n gc a n d i s p l a yt h ep r o c e s so fb u i l d i n gm o v i n gw e l l ，a n dt h ec h a n g eo f s t r e s sa n ds t r a i nc a nb e d i s p l a y e di n t u i t i v e l yi nt h ew i n d o wo ft h ev i s u a l s i m u l a t i o ns y s t e m t h er e s e a r c h r e s u l to ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss i g n i f i c a n tf o rs c i e n t i f i cd e s i g n i n go fs c h e m ef o rb u i l d i n g m o v i n g k e yw o r d s ：b u i l d i n gm o v i n g ，o p e n g l ，v c + + ，v i s u a l i z a t i o n ，g e o m e t r i cm o d e l i n g n 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，也不包含为获得叁鲞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：弓。f ，淬蟊 签字日期： 国年上月多d 日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞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步 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：云t ? 、洋匆 签字日期： 。7 年土月；c ) 日 导师签名： 发惑 签字日期： 。( 7 年6 月f 日 第一章绪论 1 1 建筑物迁移技术研究 第一章绪论 随着我国经济建设的高速发展，作为基础配套的市政工程量剧增，这些市政 工程在实施过程中经常会遇到一些问题，如工程规划和原有建筑物发生冲突，按 般传统做法就是拆除重建，然而无论是拆除还是重建都会产生很大的财务支 出，不仅如此，这些建筑物中有些是古迹，或是有一定象征意义的人文景观，因 此建筑物迁移技术自然就成为解决这些问题行之有效的方法。 1 1 1建筑物迁移技术研究的背景和意义 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，包括建筑物所在位置和姿态的任何变动。建筑物的迁移往往由于旧城区 改造、道路拓宽、历史性建筑保护等原因而进行的。 在城市改造过程中，现有建筑物( 构筑物) 和城市整体规划之间的矛盾是不可 避免的，许多建筑物因规划原因不得不拆除。这其中包括一些建造时间不长，还 有很大的实用价值建筑物和一些属于保护文物的古建筑，对其拆除必然造成重大 的损失。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，甚至产 生新的问题。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 的经济损失有上亿元之巨【2 。3 j 。 建筑物整体迁移( 顶升、平移) 技术的出现，很好地解决了这一难题。因此， 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。 建筑物采用整体迁移和拆除重建相比有以下优点【4 】： ( 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，整体迁移效益越明显。 ( 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 “个月，拆除重建则至少需要l 2 年。 ( 4 ) 保护环境，节省资源。减少建筑垃圾处理，有利于保护环境。 第一章绪论 ( 5 ) 保护重点文物，由于其特殊的地位，对其拆除或重建，就会破坏文物的 特殊价值，这时，将其整体迁移是解决问题的有效方法。 ( 6 ) 城市规划将更加灵活。 建筑物迁移作为一种新兴技术，随着城市改造的加快，得到越来越广泛的应 用。由于建筑物整体迁移技术具有工程造价低、工期短、对人们的生活和工作影 响小、同时能够减少建筑垃圾对环境的污染等优点，因此在国内外得到了迅猛发 展【6 。j 。然而，近年来城市建设速度不断加快，使得大型建筑物迁移工程也在不 断增多，因此建筑物迁移工程的进一步研究确远远落后，而大大降低了工程实施 的科学性、合理性。为了提高建筑物迁移的安全性，针对建筑物迁移过程进行可 视化仿真成为一个很好的途径，通过可视化仿真，分析出建筑物易被破坏部位并 做出合理的补救措施，从而对建筑物迁移方案进行科学的决策，提高迁移建筑物 的安全性，产生更好的经济效益。因此，研究建筑物迁移的虚拟仿真就成为建筑 物迁移的发展方向。 1 1 2 建筑物迁移技术研究的国内外动态 建筑物迁移技术在国外最早发端于2 0 世纪初期1 8 ，在欧美国家应用较多， 出于对有文物价值的建筑物的珍爱，不惜重金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，西方发达国家的环境意识较高，而将建筑物 拆除，会产生粉尘、噪音以及大量不可再生的建筑垃圾，因此，建筑物整体迁移 技术随后在发达国家得到广泛应用。 世界上最早的建筑物整体迁移技术出现在新西兰【8 1 ，工程技术人员采用蒸汽 机车作为牵引装置，将新普利茅斯市一座一层民宅移到新址。 2 0 世纪8 0 年代以来，在欧美出现了一批具有代表性的建筑物迁移工程。1 9 8 2 年，位于英国伯明翰的一所会计事务所，由于超市扩建，将其移至8 0 5 0 米外的 地方【l2 | 。1 9 9 8 年，美国的一座豪华别墅，建筑面积约1 1 0 0 平方米，从波卡罗顿 长途跋涉1 0 0 多英里到皮斯城 5 7 剐。1 9 9 9 年6 月，位于美国卡罗莱纳州h a t t e r a s 角海岸的一座高6 1 米，重4 4 0 0 0 k n 的灯塔为避免海岸的不断侵蚀，将其移至1 6 0 0 英尺外的地方，由于地形原因，移动轨迹长达2 9 0 0 英尺，如图1 1 所示【8 9 1 。 2 0 0 4 年1 1 月1 6 日，美国伊利诺斯州一座高6 3 英尺，重2 2 5 吨的教堂进行 迁移，共使用6 辆平板拖车，其中2 辆液压驱动，如图1 2 所耐1 0 】。 第一章绪论 图卜l 们塔平移 图卜2 平板拖车迁移教蕈 我国建筑物迁移技术直到在8 0 年代才出现，至今已有上百个建筑物迁移工 程成功实例，遍及十几个省市c 2 , t 3 j 4 】。国内最早的整体迁移技术出现在煤矿矿井 建设中，有关采矿文献曾介绍过小恒山矿排矸井井塔整体平移。最早提出建筑物 迁移概念的是上世纪8 0 年代上海铁路局科研所，针对江苏省某一楼房提出气浮 悬托方案，但仅停留在设想上。1 9 9 2 年9 月，福建省完成了国内第一个迁移工 程闽侯县交通局平移工程，水平旋转了6 2 度。1 9 9 3 年重庆市一栋办公楼 平移成功，被有关媒体称为华夏第一移。1 9 9 3 年1 1 月，建筑物迁移技术首次被 用在古建筑迁移方面，上海外濉“天文台”古建筑被整体迁移2 42 米”“。2 0 0 2 年8 月，重庆市梁平县南门粮站综合楼工程将底部框架结构整体搬迁【l ”。 2 0 0 2 年8 月，云南澄江县水利局大楼迁移工程创造了我国迁移工程建筑面 积最大的新记录。 2 0 0 3 年上海音乐厅的顶升与迁移，作为一个成功案例引起国内外建筑界的 普遍关注【i ，如图1 3 是上海音乐厅顶升平移图。 2 0 0 5 年，位于吴忠市裕民西街高约5 8 米、重约2 万吨的吴忠宾馆成功迁移 了8 2 5 米，如图1 _ 4 为宁夏吴忠宾馆平移图。 图】3 上海音乐厅顶升平移图卜4 宁夏昊忠宾馆平移 第一章绪论 1 1 3 我国建筑物迁移技术存在的问题 随着国内建筑物迁移工程的增多，近几年建筑物迁移水平有了很大提高，在 实际工程中也解决了不少难题，积累了一定的宝贵施工经验。目前的设计和施工 主要依赖于经验，缺乏系统的、科学的理论依据，许多问题有待深入研究。具体 表现在以下几个方面 2 , 1 3 , 1 8 - 2 0 】： ( 1 ) 既没有系统的迁移设计理论，也没有成熟的专门设计和施工规范 由于建筑物迁移技术是针对既有建筑，其方案受到许多因素的影响，如建筑 物形体、高度、长度、首层柱和墙体的竖向荷载、是否有三缝( 沉降缝、伸缩缝、 抗震缝) 、地基情况、新旧位置、移动距离、结构形式等，情况千差万别，很难 给出统一的设计理论和施工方法。编制规范尚需大量收集实际工程统计资料，开 展系统研究，进行现场试验和测试等。 ( 2 ) 迁移工程中的托换技术尚不成熟 现有的托换技术大多适用于建筑物基础加固工程，建筑物迁移工程出现后， 工程技术人员采用了多种托换方法，但都没有提出明确的设计方案。 ( 3 ) 平移轨道的可重复利用性差 建筑物迁移工程的下轨道梁和上托架梁一般都是临时性的，是除新基础外造 价最高的分项工程，当迁移距离很长时，所占费用比例过高，因此，研究可重复 利用和便于施工的临时性轨道和托架，可节省投资和缩短工期。 ( 4 ) 没有针对建筑物迁移工程虚拟仿真的专用软件 应用计算机技术进行工程的设计和仿真分析，已经是工程应用中较为普遍的 方法，应用计算机技术辅助工程设计，并对工程进行仿真分析，不仅提高了设计 效率，还可以将理论和经验相结合，对设计方案进行验证，优化方案的设计，从 而节省大量的人力物力。现在针对建筑物结构设计与分析软件也比较多，但针对 建筑物迁移系统的仿真软件尚未有相关的报道。 ( 5 ) 缺少对建筑物迁移过程中状态监测的研究 为确保建筑物的平稳移动与结构安全，迁移过程中建筑物状态的实时监测十 分重要。状态监测的内容主要有移动速度和位移同步的监测、各项推点力的监测、 上托架梁和下轨道梁中钢筋应力的监测以及下轨道梁沉降的监测等。在工程施工 中，这些检测点的布置由施工人员根据经验确定，应用建筑物迁移虚拟仿真技术 对建筑物迁移进行分析仿真，就可分析出待监测的关键部位，使监测数据更有代 表性和针对性。 ( 6 ) 缺少对建筑物迁移过程中轨道沉降的分析以及动力补偿研究 建筑物迁移过程中，轨道的差异沉降对上部结构易产生附加应力，将引起结 4 第一章绪论 构的开裂和破坏。因此，应研究平移轨道在不同荷载作用下的沉降值大小，同时 对产生的沉降差用建筑物迁移动力系统进行补偿，可使被迁移的建筑结构免受损 伤。 1 2 科学计算可视化技术 科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ，v i s c 1 ) 是指运用 计算机图形学和图象处理技术，将计算过程中的数据及计算结果的数据或物理数 据，转换为图形及图像，在屏幕上显示出来，然后进行交互处理的理论、方法和技 术。它将图形的生成技术、图形处理技术和人机交互技术结合在一起，其主要的 功能是将复杂的多维数据生成图形，以便分析和认识数据的分布特征及物理特 性。 1 2 1 科学计算可视化技术的发展 1 9 8 6 年，美国科学基金会( n s f ) 专门召开了一次研讨会，会上提出了科学计 算可视，第二年美国m e c 0 r m c k 等向美国国家科学基金会提交了“科学计算可视 化研究报告 以后，美国国家科学基金会正式把科学计算可视化列为重点资助项 目。这标志着科学计算可视化技术正式被提出。最早开展科学可视化工作的当属 美国的l i v e r m o r e 国家实验室。他们的工作始于2 0 世纪5 0 年代。所用的设备从 最初的打印机、打印绘图仪和笔式绘图仪到6 0 年代的图形交互设备和动画( 电影) 胶片制作设备，都是当时最先进的。l i v e r m o r e 实验室在可视化方面的工作开展 的也比较早，他们在7 0 年代就用上了t m d s ( t e l e v i s i o nm o n i t o rd i s p l a ys y s t e m ) 电视监视显示系统。这种系统可以以图形显示计算结果，交互地进行网格构造， 并在计算过程中重新划分网格。 我国的科学可视化工作，在2 0 世纪6 0 年代以前以打印纸然后查数据手工描 图为主，工作效率非常低。随着计算机软硬件技术的迅速发展，计算速度提高， 存储空间增大，到了7 0 年代，绘图手段由手工描图逐渐发展到用磁带记录计算 结果，然后脱机到x - y 绘图仪上绘制曲线图、网格图和等值线图。8 0 年代以 后，绘图软件发展迅速，出现了使用图形中断联机显示多种图形的先进方式，且 制作科学计算中的动画录像也变得比较普遍了。 2 0 世纪8 0 年代，科学计算可视化的重要趋向是由科学家独立编写程序向直 接利用软件包方向发展。2 0 世纪9 0 年代初，国外已陆续推出了一些较为成熟的 可视化软件系统。我国的浙江大学c a d & c g 国家重点实验室也开发出了拥有独 立知识产权的通用交互式可视化环境的软件g i v e ( g e n e r a li n t e r a c t i v e 第一章绪论 v i s u a l i z a t i o ne n v i r o n m e n t ) 。这些软件的出现为可视化研究者提供了极大的方便。 1 2 2 科学计算可视化技术与有限元 ( 1 ) 有限元分析中可视化处理的内容 可视化技术在有限元法的工程应用及提高可靠性和精确度的研究方向上均 着起非常重要的作用。始于6 0 年代末的实体造型技术建立在对一些简单体素的 布尔操作上，实体造型与有限元网格划分和后置处理结合在一起则是8 0 年代中 期发展起来的技术。至今尚未开展将实体造型与层次结构的有限元空间设计的最 新思想结合在一起的研究工作，一些重大的实际问题只能通过实体造型，优化网 格划分和人工智能相结合的方法来解决。实体造型，对二维有限元网格设计的基 本原理的理解是在8 0 年代中期，结合扩展的网格设计使其收敛率接近优化的指 数率。然而，三维对象的优化网格设计还知之甚少。有限元法与实体造型相结合 要求对网格设计过程进一步进行研究，搞清楚有限元模块中应采用何种曲面映射 技术等问题。 ( 2 ) 科学计算可视化技术在有限元中的应用大体可以划分为三个阶段【2 u ： 起步阶段。限于软硬件的技术因素，人们做了一些基础性的处理，包括数 据场建模、消隐、等值线、彩色云图，通过这些方法对数据场表面物理量的分布 有大致了解。 发展阶段。2 0 世纪8 0 年代中期，随着硬件及图形学算法的发展，研究了 光照模型，三维数据场的剖切技术和等值面图形，能够对剖切后的数据场内部物 理量进行研究。 第三阶段的标志是体绘制技术的成熟。 上述的等值面及剖切均属于面绘制，而体绘制方法是直接利用体光照模型， 通过对原始数据的重采样直接生成图像，相对面绘制技术，体绘制可以显示数据 场中细微和难以定义的特征，深入观察用通常方法不可视的物体内部结构，全面 反映数据场的整体面貌，结果的保真性也提高。目前可视化技术在有限元应用中 最活跃的研究方向有三维实体造型、非线性现象处理( 特别是动态性和稳定性问 题) 、分析网格的自适应选择等。其中适应模型选择即可视化技术将有限元解转 换为适合的可视表示形式，让用户能方便地利用分析过程中生成的信息，对有限 元计算结果做出评价。这是计算机辅助设计技术中极其重要的核心技术。 1 2 3 可视化软件的功能要求 可视化技术广泛地应用于各个领域的数据模拟过程与计算结果分析中，从而 6 第一章绪论 产生了适用于该领域需要的可视化软件。综合起来，这些可视化软件一般应具备 以下几个方面的功能要求： 1 通过可选的投影方式显示数据场，包括数据场的实体图形、外部轮廓图形、 及在平行投影和透视投影下的图形，对投影后的图形分别进行整体及局部的平 移、旋转、缩放。 2 具有消隐功能，能看到消隐后的数据场图形。 3 用恰当的图形显示数据场中各类物理量的分布情况，可采用等值线和彩色 云图两种方式，物理量有应力，位移，加速度，温度，应变等。 4 绘制数据场的变形图，并动态显示变形图。 5 具有可扩充性、可移植性、健壮性、可维护性和良好的用户交互性。 1 3 建筑物迁移可视化技术的研究前景 建筑迁移工程的出现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 相当风险性的原因之一。为了使建筑物迁移技术真正科学化，减少工程的风险性， 有必要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。 然而对于建筑物迁移的各种影响因素的研究也只能就某个或某些方面进行 实验，不可能就整个迁移过程进行实验，而且每项工程各有特点，差异性大，进 行实验研究缺乏现实性，甚至有些建筑物根本不可能进行实验，如受保护的文物 建筑迁移技术研究，而且对其进行实验研究不仅耗费大量的人力、物力，还会延 长工期。因此，利用仿真技术对建筑物迁移进行虚拟仿真技术研究成为一种切实 可行的方法。它具有经济、安全及可重复性的特点，从建筑物迁移工程的客观情 况来看，也非常需要一套虚拟仿真系统，从计算机的应用情况来看，无论软件还 是硬件都可以满足建筑物虚拟仿真系统开发的需要。 使用可视化虚拟仿真技术对建筑物迁移过程进行模拟，充分考虑各种工程情 况，在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置及相互关系，模拟出多种施 工方案，计算相应工况应变、应力，利用其颜色、密度、透明度、文字等技术将 庞大的数据生成直观的三维图像，直观的展现出结构各部位的变形，用不同颜色 表示不同的应力，既可任意变换角度、从任何点去观察，还可以利用其交互性能，修 改各个数据，这样使研究人员能够迅速、直观地观察到计算模拟的结果，从而便于 及时、准确地分析和解决问题以便对各种方案及结果进行比较，对施工方案进行 第一章绪论 优化，从而减少或降低实际工程中可能出现的一些不必要的失误所造成的损失， 而且可根据利用虚拟环境所得到的结果进行预测和决策分析。 建筑物迁移可视化仿真系统可以发展成为建筑物的位姿变化监控系统的一 部分，即在建筑物迁移过程中实时分析建筑物的应力和应变，通过可视化的界面 显示相应的变化，操作人员可对界面操作，从而调节控制系统，使应力应变控制 在允许范围之内。 1 4 本文主要研究内容 建筑物迁移可视化仿真技术将实现：建立迁移建筑物的各结构的几何模型， 并与建筑物结构分析得出的数据相结合，在虚拟环境下展现建筑物的迁移过程， 并显示建筑物应力和应变随各影响因素的变化情况，为用户提供直观的分析结 果，为工程决策人员制定方案提供依据，并能对工程可靠性和经济性进行估算和 优化。 全文的主要研究内容如下： l 、通过分析建筑物的迁移原理、步骤以及迁移过程中结构托换、结构分离、 移动系统、同步迁移、就位连接等关键环节，提出以v c + + 和o p e n g l 为开发平 台，设计建筑物迁移可视化仿真系统。 2 、分析建筑物迁移可视化仿真系统中，梁单元、板壳单元和液压缸的结构 特点，根据各自的特点提出不同的建模方法，使各个模型既形象、逼真，又易与 建筑物结构分析系统的分析结果相结合。 3 、应用m i c r o s o f ta c c e s s 数据库作为建筑物可视化仿真系统和建筑物结构分 系统数据交换的枢纽，针对梁单元和板壳单元两种不同的结构模型提出不同的结 构变形显现实现方法和应力云图的绘制方法。 4 、在建筑物结构分析和模型处理的基础上，针对建筑物迁移仿真系统提出 模块化的设计，该系统主要包括几何建模模块、模型的应力和应变处理模块、人 机交互界面模块、材质与光照渲染模块、运动仿真显示模块等，使可视化仿真系 统整体结构清晰，易于操作和功能的扩充。 第二章建筑物迁移过程及可视化仿真平台 2 1引言 第二章建筑物迁移过程及可视化仿真平台 本章首先介绍建筑物迁移的原理和步骤，然后对建筑物迁移过程中的结构托 换、结构分离、移动系统、同步迁移、就位连接关键环节进行详细介绍，最后针 对迁移过程对仿真技术的要求，提出了以v c 和o p e n g l 为开发平台，编写建筑 物迁移仿真系统，并具体介绍了系统的开发环境。 2 2 建筑物迁移过程 2 2 1 建筑物迁移的原理 建筑物迁移是根据原建筑物的形状、整体刚度、地理位置、现场施工条件、 经济投资比较等多种因素综合选定方案，其基本原理是对现有结构物体进行必要 的安全加固，根据托换理论改变其传力系统，从而在基础的适当位置使迁移部分 与原结构部分脱离开，分成原有基础部分与迁移部分，使迁移部分形成独立的可 移动单元体，然后通过顶升、滑道推拉等技术手段，使迁移物到达新的预定位置。 如图2 1 所示，建筑物的迁移有平移、旋转、抬升、下降等1 2 2 】。 才；国 面雾园面 ( d ) 盖疑平移t( e ) 水平麓转平移一 c f 孙 l 囿 ， | 母；，i 图2 ，1 建筑物整体迁移示意图 9 第二章建筑物迁移过程及可视化仿真平台 2 2 2 建筑物迁移步骤 建筑物整体迁移工程的实施过程包括三个阶段：前期准备阶段、设计阶段和 施工阶段，平移工程实施的主要步骤参见图2 2 所示【2 3 1 。 图2 2 建筑物整体迁移工程施工图 ( 1 ) 前期准备阶段的主要工作是通过资料收集、现场勘查、结构监测和结 构内力分析进行整体迁移可行性论证。 ( 2 ) 设计阶段的主要工作是进行新基础、托换结构、迁移轨道、移动系统 和就位连接等关键环节的方案设计和施工图设计。 ( 3 ) 施工阶段主要工作的具体步骤如下： 第二章建筑物迁移过程及可视化仿真平台 迁移轨道制作：在原址和新址之间制作上、下轨道梁及连梁，并铺设钢 板。 结构托换：制作钢筋混凝土托换底盘，将内外承重墙或柱进行结构托换。 结构分离：将建筑物与基础分离，并置于钢筋混凝土托换底盘上，通过 滚轴或液压缸将载荷传给下轨道梁及地基。 同步顶升平移：设置反力支座，通过多液压缸施加顶推力和顶升力，将 建筑物沿轨道迁移至新址。 就位连接：将建筑物的墙或柱与新基础的对应墙或柱进行就位连接，拆 除轨道，进行加固处理，完成迁移工作。 2 2 - 3 建筑物迁移的关键环节 ( 1 ) 结构托换 托换技术是建筑物迁移的关键环节之一，托换体系包括上部结构加固托架和 墙柱的托换构造。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。建筑物迁移就位后，托换体系仍为主要受力结构时， 称为维持性托换；如果载荷完全转移到就位连接节点上，则称为临时性托换。墙 柱托换的作用是改变上部结构竖向载荷的传力途径，上部结构和基础分离后，载 荷首先传给托换节点，然后通过滚轴或顶升液压缸传给下轨道，最后传到地基上。 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。单梁式托换较双夹梁式托换节省材料， 但施工时间较长。 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，是一个需要研究的重要课题。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。 型钢对拉螺栓托换由包柱型钢、对拉螺栓、填充混凝土和上部围护结构组成， 如图2 3 所示。一般在柱的两侧设工字钢，另外两侧设槽钢，并焊接在一起。当 柱的载荷较大时，可在两个方向上穿螺栓。分荷托换结构【2 8 】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 4 所示。 斜柱底部将上轨道梁三等分，缩短了上轨道梁的跨度，有效减少了上轨道梁的内 力。 第二章建筑物迁移过程及可视化仿真平台 黑 图2 3型钢对拉螺栓托换图2 4 分荷托换 ( 2 ) 结构分离 建筑物迁移工程中，上部结构和基础的分离技术一般采用风镐和人工凿断， 工作条件较差。有些工程采用了国外的金刚石线切割设备，取得- j ： e 好的效果， 切割时无震动，速度快，但成本较高，如图2 - 5 所示。在施工空间允许的情况下， 也可采用混凝土取芯机和轮片切割机械。 图2 - 5 金刚石线切割示意图 ( 3 ) 移动系统 建筑物迁移的移动系统主要由平移轨道、顶升液压缸、顶推液压缸或滚轴组 成。在滚动迁移工程中，将连接新旧基础的用于支撑滚轴的结构称为下轨道，其 一般由下轨道梁和铺设的钢板组成。轨道梁主要起安全支撑作用，钢板则起减小 摩擦和防止滚轴受力不均引起下轨道梁局部破坏的作用。在滑动迁移方式工程 中，下轨道则根据地面情况，有所不同，在地面较松软时，需要采用在下轨道梁 上铺设钢板的方式，在地面有一定硬度时，可采用在地面上直接铺设钢板的方式。 ( 4 ) 同步迁移 同步迁移技术是建筑物能够安全、平稳迁移的关键技术保证。建筑物在迁移 过程中，如因不同步而造成结构错位或开裂，将会导致前功尽弃。对于被迁移的 建筑物，因其结构差异，建筑物各部分对轨道的竖向载荷也不相同，因而移动过 程中的摩擦力有所差异，从而导致执行机构液压缸施力随摩擦力有所改变。对于 需要被顶升的建筑物，因各顶升点的实际载荷不同，项升液压缸施力的差异显得 更为明显。建筑物要想顺利迁移，必须满足各顶推点( 或项升点) 在施力不均的情 1 2 第二章建筑物迁移过程及可视化仿真平台 况下同步移动。多液压缸载荷不均的同步升降、平移是建筑物迁移动力系统的一 大特点。为保证建筑物迁移动力系统能够满足这一特点，作为执行机构的每个液 压缸必须满足多缸协调力控和位控。为保证同步移动，现行工程中经常采取如下 措施： 移动前试顶推，准确测定移动动力值。平移前应进行多次加载训练，确定 各液压缸所需的力，为同步控制做好准备。 建筑物迁移中，根据理论计算得出各缸所需的动力，然后分级同比例加载， 在所有轴线上加上一级荷载后，开始加下级荷载。分级加载可以有效防止建筑 物移动过程中的偏移，并可以减小加载时的振动加速度。 对迁移过程实施严格监控，及时调整。现行的监控方式大都由人工来完成， 除了监控不精确外，还耗费大量人力。大大限制了控制水平的提高，降低了系统 的响应能力。 ( 5 ) 就位连接 就位连接是建筑物迁移工程的最后环节，要求除满足竖向载荷作用下承载力 要求外，还应不降低原结构的抗震性能。常用的连接方法是将新基础中的预埋钢 筋和柱中纵筋焊接，然后浇灌混凝土。这种方法存在四个难点：一是建筑物柱中 的纵筋均为同一截面切断，不利于抗震；二是焊接操作空间小，钢筋焊接困难； 三是混凝土的密实度较难控制；四是就位后柱中纵筋和新基础预埋钢筋不可能完 全对中。 2 2 4 建筑物迁移方式 根据建筑物迁移过程中采用的可动支撑的不同，建筑迁移工程通常可分为滚 动迁移和滑动迁移。 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 物移动过程中的全部竖向荷载，如图2 - 6 所示。 多支点滑动迁移：通常在建筑物上托梁下部按点布置支撑，如图2 7 所示。 滚动迁移方式的技术含量低，对下轨道梁要求高，适用于重量不大的建筑物 迁移。以滚轴作为移动介质，上部结构振动大，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，需要有工人在轨道两旁不断调整滚轴，对人身安 全不利。施工完后滚轴往往无法取出而被浇注到建筑物中，造成一定的浪费。而 多支点滑动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，即可用于顶升，纠偏，也可以在迁移过程中进行换向，旋转等。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，但控制难度高。仅在某些位置布置支点，较之使用滚轴的滚动迁移， 第二章建筑物迁移过程及可视化仿真平台 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。 缸 图2 - 6 建筑物滚轴滚动迁移工程示意图图2 7 建筑物多支点滑动迁移工程示意图 2 3 建筑物迁移可视化仿真系统环境 8 0 年代以前，我国工程设计领域应用的c a d 系统主要从国外引进。8 0 年代 后我国工程设计行业开始大规模开发各自专业自主版权的c a d 系统，并取得很 大成绩。在建筑工程领域，我国建筑科学研究院组织开发结构设计软件p k p m 以及高层建筑结构分析软件t b s a 。这些软件能完成混凝土框、排架、高层建筑 结构的内力分析和构件计算等工作。各种计算机辅助设计软件对于提高我国工程 设计人员的设计水平和设计效率起到了很大的帮助。 但是，通用软件适合于各种常规模型的计算，对于特殊的问题则存在使用不 方便或者根本无法解决的问题。因此必须根据该领域开发针对该问题的专用软 件。建筑物迁移可视化仿真系统是针对待迁移建筑物结构进行三维建模分析，对 建筑物结构分析系统分析出的大量数据进行处理，将建筑物迁移过程中可能的变 化转化成直观的图形进行显示，明确得出各工况下支点反力变化情况；指导工程 设计人员对迁移支点布置方案进行优化，对建筑物迁移轨道和托换结构进行优化 设计，快速辅助设计人员制定出安全、经济的迁移工程方案，防止出现设计性失 误引起的工程事故。基于以上要求，本文提出了在v c 的编程环境下，应用 o p e n g l 编写建筑物迁移可视化软件系统，充分利用v c 的变成灵活性和o p e n g l 强大的图形处理功能，将建筑物结构有限元分析结果以可视化的图形连续显示， 形成对建筑物迁移工程过程的模拟。 1 4 第二章建筑物迁移过程及可视化仿真平台 2 3 1 软件开发环境 建筑物迁移系统的软件平台采用p c v r ( 基于p c 机的虚拟现实系统) 模式来 实现虚拟建筑迁移模拟。软件平台所采用的p c 操作系统以及所采用的虚拟环境 开发工具包等如下所述： p c 操作系统：w i n d o w sx p 操作系统。w i n d o w sx p 是目前p c 机上最流行 的个人操作系统，具有很强的设各无关性和友好的用户界面。 编程语言：c + + 。c + + 语言是一种面向对象的高级程序语言，适合于模块化 的建立数据结构，而且语法结构较为灵活，程序的运行速度较快。 工具包：o p e n g l 。o p e n g l 是美国s g i 公司推出的一套开放式的三维图形 软件接口，独立于操作系统和硬件环境，已经成为一种跨平台应用最广泛的三维 图形开发标准。 编译平台：v i s u a lc + + 。v i s u a lc + + 目前流行的版本是6 0 ，该编译器具有强 大的编译能力，支持a n s i 标准c + + 。 2 3 2 o p e n g l 介绍 o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 2 5 是美国s g i 公司推出的一套开放式的三维 图形软件接1 2 i ，适用于广泛的计算机环境。o p e n g l 独立于硬件环境和操作系统， 在各种操作系统的各种计算机上都可运行，并能在网络环境下以客户服务器模 式工作，是专业图形处理、科学计算等高端应用领域的标准图形库。 o p e n g l 是一种过程性的图形a p i ，它并不是描述性的。即程序员并不需要 描述场景的性质和外观，而是事先确定一些操作步骤。这些步骤正是实现一定的 外观或效果所需要的。这些步骤涉及到许多o p e n g l 命令的调用。这些命令可以 在三维空间中绘制各种图元。但o p e n g l 并不包含任何用于窗口管理、用户交互 或文件i o 的函数。因此，这里v c + + 作为宿主环境，提供一些函数，它们实现 了这些功能，并且负责实现一些方法，向o p e n g l 递交窗口绘图的控制。 o p e n g l 的核心库包括1 0 0 多个用于3 d 图形操作的函数，主要负责处理对 象外形描述、矩阵变换、灯光处理、着色、材质等和三维图形图像密切相关的事 情。o p e n g l 工具库所包含的辅助函数是o p e n g l 基本函数的补充。这些函数的 功能相对高级，可以用于处理坐标变换、错误处理、绘制球体、锥体、柱体、曲 线、曲面等图形实体。o p e n g l 图形显示过程如图2 8 所示。 i 建模h 设置视点h 计算光照i - - 4 光栅化h 屏幕l 广 厂 广 1r 广 l 。、一l j l ，一。、一j l 一j 图2 - 8o p e n g l 图形操作步骤 1 5 第二章建筑物迁移过程及可视化仿真平台 o p e n g l 作为一个性能优越的3 d 图形软件接口异军突起，它以高性能的交 互式三维图形建模能力和易于编程开发的操作性，得到了m i c r o s o f t ，i b m ，d e c ， s u n ，h p 等大公司的认同。因此，o p e n g