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第 1 页 共 18 页 在吊机施工斜拉桥在吊机施工斜拉桥中中交互式三维交互式三维 CADCADCADCAD 系统系统 的有效运行的有效运行 Taekwun Park1 Moon Kyum Kim2 Changyoon Kim3 and Hyoungkwan Kim4 摘要摘要摘要摘要 对现代民用基础设施审美和功能素质的高期望已经导致了大跨 度桥梁的需求持续增加 无论发达国家还是发展中国家 斜拉桥中的 大跨度桥梁和悬索桥等被认为是繁荣或文化的象征 与其他类型的桥 梁相比 这些大跨度桥梁需要更高层次的设计与施工技术 在某些情 况下 斜拉桥的施工操作涉及精密 复杂的施工设备 如起重吊机 然 而 在实际施工过程中 计划操作井架起重机不是一件容易事 意想 不到的空间限制 可能会阻碍井架起重机在建筑工地工作的顺利进行 从而导致了比预期要低的生产率和安全性 本研究将互动立体三维计 算机辅助设计应用到吊杆起重机运行中以识别潜在的问题 施工经理 有两种途径运用三维 CAD 系统交互测试他们的建设规划和方案 实例 研究表明 交互式三维 CAD 系统可显著提高斜拉桥索塔的施工能力 分类号分类号分类号分类号 10 1061 ASCE CO 1943 7862 0000101CE 数据库关键词数据库关键词数据库关键词数据库关键词 桥梁建设 斜拉桥桥梁 计算机辅助制图 建筑设备 起重机 介绍介绍介绍介绍 对现代民用基础设施高期望的审美和功能素质已经使得大跨度 桥梁的需求持续增加 斜拉桥如大跨度桥梁和悬索桥等被认为是地区 繁荣与文化的象征 尤其是 如今斜拉桥由于总跨度日臻完善 以及 足够的结构稳定性和经济得到越来越多的关注 对斜拉桥的上段之间安装吊架 通常有两种类型的施工方法 一 是使用临时排架 另一个是悬臂梁的方法 临时排架 显示在图 1a 是 第 2 页 共 18 页 施工过程中支持桥面板的结构 排架在所有锚索连接到桥面板各部分 后将被拆除 相比之下 悬臂方法利用图 1b 的起重机来逐步扩大了桥 面板 井架起重机是由吊杆和电线组成的一种简单类型的起重机 井 架起重机定位在一个地方 新的预装段为悬臂 这个过程将重复进行 直到所有环节都安装了 悬臂浇筑法比短暂弯曲的方法使用更广泛 因为它可以在任何地形条件下经济地使用 独特自然的土木工程项目施工方法往往需要为特定的项目定制 许多斜拉桥结构 采用悬臂法 都不例外 例如 构建一个斜拉桥内陆 一种特殊的迪瑞克起重机的设计应安装各种构件 然而 当这种独特 的设备中使用的独一无二的建筑工地 可施工性正处于危险之中 分 析了最好是事先进行相关识别空间约束运行的迪瑞克起重机 图 1 不同的桥面施工方法 文献回顾与研究目的 文献回顾与研究目的 各方面的努力 已使准确模型超出三维立体电脑辅助设计CAD 区 第 3 页 共 18 页 的建设进程的范围 当三维 CAD 是随着时间或其他信息相结合 四维 四维或 N 三维 CAD 的概念形成 在这里 因为四维或多维概念是一个 三维 CAD 的延伸 他们也包括在三维 CAD 的施工过程分析中的应用文 献 三维 CAD 技术大致可分为两类 活动水平和经营水平 活动水平 的三维 CAD 是代表结构或机械的困难与规划单位的活动 而经营水平 更详尽 足以说明实际施工操作包括设备和材料的运动部件 还有一 些代表在活动水平研究三维 CAD 2000 年辜振甫和 Fisher 创造了一 个商业建设项目评价的用处的 4D 万字的 CAD CAD 模型 StaubFrench 等 2008 年开发了一种准三维 CAD 与线性调度 为了提高施工安全 Akinci 等 2002 年提供了一个方法来自动估算三维工作空间的建筑 活动决定的要求 三维 CAD 的操作水平 需要更多的建造工程的深入了解 侯赛因 等人 2006 年开发建设的方法来可视化仿真结果 塔式起重机操作 的动画来帮助项目经理更好地了解详细的施工作业水平 曼里克等 2007 年提出了一个方法 从而建立起一个复杂的住宅倾斜式面板 动画的操作水平是与规划建设过程中进行实验 以减少对尽可能多的 站点的错误 另一种形式的混合增强现实三维 CAD 应用范畴 通过结合三维计 算机与施工现场的实际图像图形模式 用户可以有一个什么样应设计 或建造更好的了解 邓斯顿 王提出混合现实为基础的建设 Kamat 和 El 泰维勒计算机接口应用增强的现实 而地震造成的建筑破坏 快速评估 Behzadan 和 Kamat 研究如何准确地配合三维 CAD 对象的 虚拟现实世界的对象 有效建立增强现实 这些以前的研究认为 率先建设活动或操作进行建模和分析方 法 然而 这些研究工作已经太多或者建筑施工的重点工程或植物 虽然 Behzadan 和 Kamat 使用的桥梁施工情况 他们主要关心如何登 记在增强现实系统中虚拟物体的建设问题 公务员如工程施工斜拉 桥 由于其复杂的结构 值得的 彻底的分析 如空间的限制 任何 潜在的空间问题 可以很容易地发现和纠正 在这项研究中 一个交互式的三维 CAD 系统 提出预测斜拉桥结 第 4 页 共 18 页 构的潜在问题 该系统是基于面向对象的概念 每个组件可以代表分 辨三维几何性质 以及材料和其他财产 有了该系统 用户可以通过 交互方式测试了一系列建设计划和方案 因为他们出现 例如 在哪 里卸建筑材料或所处的位置的施工设备的问题都可以轻松解决 通过 可视化的三维 CAD 系统的想法 结构件之间的碰撞也很容易检查 该 系统应用到实际工程项目一斜拉桥施工 对吊机操作为重点 在个案 研究的基础上 提出能力和系统的限制 面向对象的交互式三维面向对象的交互式三维 CADCAD 为交互式 3D constructionplan 考试最重要的先决条件是有必要 提前准备的三维零件模型 3D 模型的发展开始与现有的二维 2D 图 纸和规格仔细审查 Revit Architecture 2008 的 由 Autodesk 公 司生产的 被用来作为平台 建立三维模型 在功能 位置和详细所 需的管理水平的基础上 每个三维对象是首次定义和建模 首先 集 体模板三维形状类似真正的组件选择和修改的模板是相匹配的真正 的组件的精确形状一步一步来 两个或多个对象可以加入 一个 void 一定形状可以创建对象的内部 可以围绕一个二维轮廓来创建三维对 象 在一建筑装饰工程结构的情况下 许多预定义的模板 如墙壁和 地板存在 但是 在诸如在这项研究中一土木结构 几乎所有需要的 三维模型的网站创建组件必须从这样的基本形状 例如 复杂的建筑 构件 如边梁 桁条 地板梁 结合基本形状是由矩形框和 cylinders Once 创建生成 3D 对象是存储在系统库可以重复使用的 任何地方类似形状的新组件需要进行建模 例如 一个参数化建模的 概念是用来产生关于这项研究的原始模板预制混凝土板 创建的三维对象给予他们适当的名称 材料信息等 他们的面向 对象特性的感谢 如上所述 从他们的存储和重用 而不是线或地区 对象的创建 独立的 3D 对象的使用 此功能使用户能够描绘出更加 清晰 特别是工地在施工情景分析的情况下 例如 当建筑工程师要 检查是否有足够的空间 边梁将在地方卸载旁边的吊机 建筑工程师 可以简单地选择对象 并把边梁对他们的虚拟对象旁边的起重机测 试 如果建筑工程师这次希望把旁边的地板梁梁的边缘 他们可以尝 试 所以在 3D 环境中了 这种互动过程中是允许 因为真正的结构 第 5 页 共 18 页 构件和设备为蓝本的基础上真正的面向对象的概念 施工设备和临时 机构 如吊机 拖车 人笼 工作平台 分别是模拟后 再进口的桥 梁施工方案的主要平台 他们中的任何位置放置交互式 CAD 系统无异 于一个建设计划 在现实中是很难被测试的混合实验 个案研究个案研究 在一个典型的斜拉索大桥海上施工 桥面段预制和驳船运送到现 场 然后 桥面板上的桅杆起重机预装举起每一只新的段到适当水平 以安装为悬臂 这种方法是非常有效的预制在驳船可以有很好的访问 到站点 例如 海上施工 然而 内陆斜拉桥施工多数不允许进场 由于驳船访问和其他技术或经济困难 这是 Cheongpoong 大桥的情 况 因此 通过安装一个个构件 参与项目建设的工程师们决定组装 现场桥面板上的每个环节 最初的想法是使用同一个 100 吨作用于一般 T 型履带起重机然 而 工程师很快就发现 履带式起重机自己的体重太重了 因此 井 架只有 70 吨起重机 设计了一种专门为这个项目只是 如图 2 不 像其他的井架安装过程中使用的桥面板部分起重机 在此项目中吊机 的位置不是在中心 而是在一张从桥面板的运输方向角度的一面 这 是确保在另一边 通过它建筑材料范围可移动的空的空间足够的水 平 正如图 2 所示 起重机有长方形底座会比一个三角形状更机械稳 定 桅杆放置在基地的一角 可以旋转的繁荣对与不同的垂直角度桅 杆 图 2 Cheongpoong 大桥的桅杆起重机 该 Cheongpoong 桥中心跨桥面由 28 段 每边有 14 个分部 与上 述提到的功能是用于吊机安装的每一方 14 段 在方中心从一个最接 第 6 页 共 18 页 近的塔 并与在中心的一整理出发顺序 在每个方面 第一部分的安 装过程重复 14 次 完成桥面施工 因此 建筑工程师放在第一部分 的三维模型来预测潜在的最重要的建设问题 桥面板部分安装过程是 由下列任务 1 作为前提 在边跨混凝土桥面已完成 二钢接头连接到混凝土 桥面 铁轨是安装在桥面板边跨度 以轻松移动吊机 2 移动吊机转发到正确的位置和锚吊车的吊环是预装 如图 3 3 边梁的移动和安装 如图 4 4 安全行人笼的边缘梁螺栓的钢接头 如图 5 5 安全行人笼被移除 6 安装一个安全网 利用工人保护的两个边梁 7 地板横梁的移动和安装 如图 6 8 纵梁的移动和安装 如图 7 9 工作平台进行移动和放置 并利用平台 施工人员和部分应力 挂电缆斯威金姆等 如图 8 10 工作平台被移除 11 六是预制混凝土板 一个接一个挪动 并安装 如图 9 12 现浇混凝土的地方是用来连接彼此的预制混凝土板和钢在一 个桥面板部分结构构件的形成产生 如图10 13 经过三天的混凝土养护 电缆部分再次强调为向新成立的桥 面板部分调整 14 这条铁路的延伸 这条铁路是由两个部分组成 前部和后部 为了延长轨时 后面的部分是脱离桥面板并组成新的前部安装 原来 的前部变成了后面的部分 这样一来 铁路可以不断向前发展 15 步骤 2 至 14 个重复 直至完成桥面施工 第 7 页 共 18 页 图 3 吊机的设置 图 4 边梁安装 a 左侧 b 右侧 第 8 页 共 18 页 图 5 安全行人笼图 6 横梁的安装 图 7 纵梁安装 三纵梁桁结在一起 纵梁被螺栓固定 第 9 页 共 18 页 图 8 缆吊工作平台图 9 混凝土预制板的安装 图 10 现浇混凝土 结构构件的碰撞检查结构构件的碰撞检查 三维 CAD 的最重要的功能之一无疑是结构构件的碰撞检查 与传 统的二维图纸 很难想象该设施的完成状态兴建 这是唯一的真实 与不断增加的大小和民间工程基础设施的复杂性 然而 三维 CAD 允 许一个机会 确保这次撞机的问题是实际施工开始前解决 超过 100 页的二维图纸只存在了 Cheongpoong 桥梁上部结构 它 们可以被划分为以地点 材料 查看和详细程度许多类别 地点的例 子有上部 下部 边跨 跨度和中心 材料包括钢构件 钢筋和现浇 现浇混凝土 计划 边和横截面的意见也被用于不同的详细程度 以 准确反映特定结构的对象 用于建筑结构工程师了解 将建成多功能 的信息应该很好地结合起来 建立三维可视化 然而 这种合并成一 个三维对象的所有相关信息的任务是一个艰难的过程甚至有经验的 工程师 尽管工程师也非常熟悉的建筑类型 它们往往没有考虑到所 第 10 页 共 18 页 有必要的条件时 在一个重要的信息是相当数量的网页分布 这也是 发生在 Cheongpoong 桥的情况下 图 11a 显示了桥面板上停留的主要钢筋一锚地相撞之一 这次 撞机的问题是建筑工程师检测 与三维模型的集成帮助 在长期 综 合 是相当有意义的了 传统的现有的 2D 图纸与此相关的特殊地点 如前面提到的 被划分成不同的 出现了两个不同的图画 一个用于 钢铁逗留锚地及钢筋对方 因为它们不是在同一页上划定 甚至专家 们的检测 比如图 11a 中所示的碰撞方面的困难 然而 当三维 CAD 系统集成使用 两种不同的材料被放置在同一个域中 事实上 在三 维 CAD 系统 只有一个信息单元的三维对象是用来表示结构的最终建 成 由于三维对象是所有的信息 包括一 例如中止和钢筋锚固 即 使外行人可以很容易地看到似乎是所有可行的 然而 建筑工程师想 成为更多的空间充分肯定 图 11 碰撞检测 a 衔接与钢筋锚固 b 螺栓与钢筋 重大建设工程中涉及的材料包括边梁 横梁 纵梁和预制混凝土 板 除了预制混凝土板 这是附近的一个工场制作 边梁钢材料 地 第 11 页 共 18 页 板横梁 纵梁均在位于约距工地 200 公里的地方 在实际桥面板开工 建筑安装工程计划在一两个边梁工作日 包括所有的螺栓扭矩检查 边梁的安装任务的时间安排很紧 工程师希望有一个良好的了解每一 道工序 包括如何边梁应在空地上 图 12a 提供了依据 将有两个 在桥面板上侧边缘梁足够的空间 值得一提的是清晰可见 该塔权支 柱是无形的呈现在图 12 同一类型的分析与梁进行了显示方面 如图 12b 到地面 据估 计需时一个工作天安装三个地板横梁和三个螺栓扭矩检查和特约 正 如梁边缘的情况下 工程师们想知道的可视化的方式 地板梁的空间 奠定了更好的工作 事实上 三层三桁梁 是在同一时间传送到网站 上的拖车基础上 刚刚在时间的方法 由于它被认为是容易把纵梁旁 边三层梁放在空间下降 甚至不考虑桁的空间分析 因而不会显示在 图 12b 不过 这一次的空间并不像以前那样丰富 建筑工程师们放 心 用的锯齿位形图案 地板横梁可以安全地在甲板右侧放置 以同 样的方式 预制混凝土板进行了图形化检查 一个特征 就是从其他 材料不同的是 面板安装后 就随手从拖车直接 这就是为什么图 12 c 显示的线索放在面板 第 12 页 共 18 页 图 12 空间分析 a 边梁 b 楼板梁 c 预制混凝土板 d T 梁 更重要的空间分析与下料相关想出了一个不同的施工方案 涉及 地板横梁和纵梁 关于甲板建设非常最初的想法是安装一个单独的所 有主要材料之一 这主要是为了降低最大负载之后 吊杆起重机携带 不过 也有人众所周知 任何应装配最好的比未完成的板梁 潜在的 危险甲板完成手头工作 该板梁悬臂从成品甲板 甚至有安全网 并 没有提供一个安全的工作环境 在任务安全风险也产生负面影响的潜 在生产力 因此 它决定每个横梁将首先得到了纵梁连接 形成成品 甲板上一个 T 梁 一个更加稳定和安全的工作环境 然后在 T 梁将被 取消 搬到由吊机进行安装 有人认为这件 T 梁为基础的方案将提供 比最初的想法非常高效率 因为该吊杆起重机吊臂只需动议三个 T 梁 的三倍 而不是六片板梁和三桁架 建筑工程师再次想肯定有这三个 T 梁有足够的空间 才解除了由 吊机进行安装 图 12d 显示了一个答案 应如何旁边的起重机上 关于地板上方的横梁和纵梁钉不容许的 T 形成员能够对彼此放在顶 部 因此 在图显示的内容 12 天被认为是最好的解决方案之一 该解决方案亦是互动式三维 CAD 系统的结果 用户能够自由地放置在 甲板的表面 T 梁在任何地点 只要是可用的空间 如果一个人没有工 作的想法 那么用户可以切换到其他的想法 直到他们满意的解决方 案 特别是 一组工程师可以做的空间分析起来 赋予不同的鼠标控 制与反馈一拿出最好的解决方法 T梁为基础的建设方案是在第一次被视为优于其他涉及三个单独 安装地板梁和三桁 然而 由于工程师开始考虑现实的施工条件 严 重者出现了不同意见 经过两个边梁安装 如图 5 所示 无论是三 层三桁梁和图 6 或三个 T 梁可以安装 根据施工方法选择 当一个 简单的横梁正在抽苔在双方都使用连接 施工人员首先要确定螺栓每 个楼层梁端只有一个洞 也就是说 在整理一端为所有的螺栓孔任务 开始在另一端的螺栓孔 只有一个螺栓孔两端各有首先使用 然后使 用其他漏洞 这是为了加大对与两个边梁梁对齐的级别 问题是 这 一调整工作是不容易的 即使是有两个连接件简单的横梁 而且它变 得更加有三个连接件的 T 梁困难 两个边梁和地板梁之一 经过一系 第 13 页 共 18 页 列的讨论 建筑工程师的结论是 受益于 T 梁不能超过获得与安装相 关联的成本 他们决定要分开的安装方法 起重机操作包络分析起重机操作包络分析 井架项目中使用的起重机是唯一最重要设备 其有效利用是该项 目成功的基石 他们处理各种建筑材料及临时建筑物 包括边梁 地 板横梁 纵梁 预制混凝土板 工作平台 人笼 这是不容易的空间 分析对象是否可以安全地由吊机安装 整个运动轨迹 对所有可能的 三维每阵地组成的第二个对象 可能需要确定 显然 这种做法将需 要相当数量的计算 因此 一个简单的方法是试图在短短的三项检查 一个用于吊装 安装一个 一个在两者之间 例如 在一个横梁情况 下 从悬挂的位置 它是可以识别 此外 该起重机吊臂顶部应能放 置在横梁上方 如图 13a 所示 同样 在哪个位置等光束可以识别 和能力的起重机吊臂直接上方位置需要进行检查 最后 另一个之间 的位置悬挂和摆放的位置被选中作为的热潮能力安全地移动横梁粗 糙 但相当准确的测量 不同于吊机运动的最初和最后的位置 中间 的一点是本身并不是一个问题 中间点是指通过该对象可以移动的路 径 换句话说 只要用户能看到清晰的路径 可以使用起重机沿着运 动方向的主要对象 是可以接受的 与地板梁 第三的位置 当然 不是所有的关切 因为两个支柱之间的空间提供了充足的路线 通过 它可以传递的对象图 13b 图 13 起重机操作分析 a 在运动中悬挂的位置 b 障碍检查 即使有三个位置的方法 是难以确定的吊机的空间限制为每个对 第 14 页 共 18 页 象进行安装 一种方法 使空间分析是建立更有效的起重机吊臂操作 信封 图 14a 显示了一个操作产生的深远的范围为基础 桅杆底部 的起源 垂直角度和旋转角度 并结合所有在一个半球上的可能的位 置 如图 14a 所示 意味着 该起重机吊臂顶端可以去任何位置 表 1 显示了一个结构分析的结果 最大半径和旋转角度 该吊机 就可以有边梁 横梁和纵梁 旋转角度为基准图 15 所示 如表 1 所 示 重量较重的要求较小的起重机吊臂的运作范围 图 14b d 显示 修改后的起重机操作考虑不同加载条件 在施工材料的不同来使用 用户可以选择相应的 并使用上述三个位置的方法 以确保没有存在 的空间约束起重机操作 建造工程师提供了这种空间分析方法 它大 大提高了起重机的起重行动的规划和沟通的过程 表 1 对于不同结构组件的吊机的最大容许范围 井架的最大容许 结构构件重量 吨 半径 米 旋转角度 边梁1713 53245 横梁14 516 1245 纵梁819250 第 15 页 共 18 页 图 14 不同加载条件起重机操作 a 空载 b 边梁 c 横梁 d 纵梁 图 15 吊臂的旋转基准线 桥梁建设项目的交互式三维桥梁建设项目的交互式三维 CADCAD 研究讨论研究讨论 互动式的本质 与面向对象的概念结合三维 CAD 系统 被证明是 在允许用户清楚地了解施工条件强大 从碰撞和卸载空间检查 以起 重机操作空间分析资料 用户可以讨论的建设计划和方案的范围 无 论问题或想法可能突然出现 并在施工之前可以实施 在虚拟三维世 界马上 用户几乎可以感受到他们将如何发挥与现有的资源和用户之 间 流畅的互动三维 CAD 也出现在项目中 有效的沟通 从承包商的 意见很容易来可视化和分包商共享 第 16 页 共 18 页 另一方面 经验有关的 T 梁提供了一个重要的教训值得汲取的 空间分析初步表明 T 梁利用率将提高生产力 因为起重机的操作的 数量可能会减少从六个桁梁和三对 T 梁 然而 结果并非如此 一个 彻底的施工性分析的结论是在对比的是空间分析 T 梁使用可能会降 低生产率 由于挂钩对准问题的难度 从这一案例中得出的教训是 奇特的 3D CAD 系统是唯一的好时 由经验丰富的专家陪同 三维 CAD 系统无疑是一个方便的工具进行空间分析 分析的东西超出了分类 如结构的可靠性和施工性 然而 专家的帮助将是必要的 正如前面提到的 三维 CAD 模型 基于现有的二维图纸和规格 大约 50 小时的人工分别为在本研究转换 尽管需要不可避免的创建 3D 从 2D 的信息环境 转换实际上是桥梁可以设计采用了面向对象的 三维 CAD 格式首先 要保存所有的时间和成本与转换过程有关 至于 现在 这个行业并不完全相信 三维 CAD 系统 要走的路桥梁建设 这正是进行这项研究 以找出是否交互式三维 CAD 是有用的 有益的 民用工程项目 为企业平稳过渡的做法 从二维到三维 CAD 桥梁建设 不仅有利于问题的三维 CAD 是如何 又是如何赔偿需要开发的三维模 型的问题 应该加倍努力 同时解决 结论结论 文章提出了一个案例 研究交互式 3D CAD 应用于斜拉大桥建设 本文的目的在于确认当前在桥梁建设中 应用面向对象 3D CAD 的功 能与限制 这项研究集中于在为两个桥塔之间桥面板建设的结构性组 件的空间分析碰撞 卸料空间 桅杆起重机操作 面向对象的 3D CAD 能融合各种不同基于材料的 2D 图纸 从而准确 高效地识别碰撞问 题 尤其是基于各种建设规划和方案 这种交互 3D CAD 考虑到了有效 地分析卸料和起重机操作空间的问题 建筑工程师们一致认为从空间 角度看 3D 交互系统是及时检测一系列施工条件不可或缺的工具 结合作者的最好的知识 这项研究 在探讨三维 CAD 在桥梁建造 中的适用性方面 是最全面的研究之一 虽然3D 4D CAD 目前已广 泛应用于建筑或工厂的建筑中 但是在桥梁建设工程领域仍没有一项 在时间和成本数量上那么周密的研究 该研究显示 在桥梁工程建设 施工方面 通过积极分析空间限制面向对象的 3D CAD 确实能够提高 第 17 页 共 18 页 生产力 通过预测最有可能的情况 三维 CAD 的使用可以避免不必要 的返工 另一方面 从 T shape 成员实例可以发现 这种奇特的三维 信息应附带一个可靠的工程判断 仅有 3D 模型可能误导工程师作出 错误的决策 这种限制表明 今后进一步研究的一个领域应该为 如 何将领域的专业知识 如将横梁对准边缘梁的方法 应用到 3D 模型 中 鸣谢鸣谢 作家感谢大林产业公司和韩国研究基金会 批准号 No KRF 2008 331 D00611 为他们的这项研究支资助 参考文献参考文献 Akinci B Fischer M and Kunz J Automated generation of work spaces required by construction activities J Constr Eng Manage 128 4 306 315 Al Hussein M Niazm M A Yu H and Kim H Integrating 3D visualization and simulation for tower crane operations on construction sites Autom Constr 15 554 562 Behzadan A H and Kamat