虚拟仿真施工技术

随着现代科学技技术的发展展，虚拟技技术与仿真真技术的有有效整合，并并成功应用用于设计、施施工中，大大大改变了了传统的设设计、施工工模式。那那么，究竟竟什么是虚虚拟仿真技技术呢？它它在建筑施施工中是如如何应用的的呢？虚拟仿真技术概概概述从传统的系统仿仿仿真技术术来看看，几乎乎很少少涉及到到仿真真人的感感知模模型。也也就是是，无法法模拟拟人对外外界的的感知情情况。随随着计算算机技技术、多多媒体体技术、仿仿真真技术和和传感感技术的的发展展,人们开始始了了人对外外界环环境感知知模型型的研究究。虚虚拟仿真真技术术的完美美结合合，利用用虚拟拟现实技技术进进行仿真真模型型的建立立和试试验的模模拟,,使仿真的的过过程和结结果可可以实现现图像像化、可可视化化,使仿真的的系系统具有有三维维、实时时交互互、属性性提取取等特征,极大地促促进进了仿真真技术术的发展,同时也使使虚虚拟现实实技术术更加具具有生生命力。虚虚拟拟仿真技技术是是通过建建立研研究系统统的模模型,结合环境(实际或模模拟拟)条件进行行研研究、分分析和和实验的的方法法。虚拟拟现实实(VR)是在在仿真技技术的的基础上上发展展起来的,是仿真的的高高级阶段;仿真器系系统统正在向向虚拟拟环境系系统演演变。虚虚拟现现实促进进了仿仿真技术术的发发展。两两者都都是对现现实世世界的模模拟,,即都是基基于于模型的的活动动,而且都力力图图通过计计算机机及各类类装置置达到现现实世世界尽可可能精精确的再再现。虚虚拟现实实技术术和仿真真技术术的结合合形成成了虚似似仿真真技术。虚拟仿真技术分分分类（1）系统仿真真技技术仿真(simuulaatioon)属于一一门基础础性学学科。仿仿真技技术是以以控制制理论、相相似似原理、数数学学模型与与计算算技术、信信息息技术、系系统统技术及及其应应用领域域相关关专业技技术为为基础,以计算机机和和多种专专用物物理效应应设备备为工具,借助系统统模模型,对实际的的或或设想的的系统统进行动动态试试验研究究的一一门新兴兴综合合性技术术。它它属于一一种可可控制、无无破破坏性、耗耗费费小、并并允许许多次重重复的的试验手手段。它它以其高高效、优优质、低低廉体体现强大大的生生命力和和潜在在的能力力。它它是迄今今为止止最有效效的经经济的综综合集集成方法,是推动技技术术进步的的战略略技术。仿仿真真就是建建立系系统的模模型((数学模型型、物物理效应应模型型或数学-物理效应应模模型),并在模型型上进行行试验验和研究究一个个存在的的或设设计中的的系统统。包括括技术术系统,如土木、机机机械、电电子、水水力、声声学、热热学等，也也包括社会会会、经济济、生生态、生生物和和管理系系统等等非技术术系统统。现代代仿真真技术的的发展展与控制制工程程、系统统工程程及计算算机技技术的发发展密密切相关关。控控制工程程和系系统工程程的发发展促进进了仿仿真技术术的广广泛应用,而计算机机的的出现及及计算算技术的的迅猛猛发展,则为仿真真提提供了强强有力力的手段段和工工具。在在系统统运行前,利用仿真真模模型作为为预测测器,向用户提提供供系统运运行起起来后,可能产生生什什么现象象，以便用用户修修订计划划或决决策;利用仿真真模模型作为为训练练器,训练系统统操操纵人员员或管管理人员员。在在工程领领域,,仿真技术术可可以降低低系统统的研制制成本本,提高系统统试试验、调调试和和训练过过程的的安全。一般认为,建立立立模型是是仿真真的第一一步,,也是十分分重重要的一一步。传传统仿真真技术术中,一个仿真真系系统要首首先建建立起系系统的的数学模模型————一次仿仿真模型,然后再改改写写成适合合计算算机处理理的形形式———仿仿真模型型。仿仿真模型型可以以说是系系统二二次近似似模型型。建立立起仿仿真模型型后,,才能书写写相应应的程序序。仿真基本上是一一一种通过过试验验求解的的技术术。通过过仿真真试验要要了解解系统中中各变变量之间间的关关系,观察系统统模模型变量量变化化的全过过程,,此外,为了对仿仿真真模型进进行深深入研究究和结结果优化,必须进行行多多次运行行、系系统优化化等工工作,因此,良好的人人机机交互性性是系系统仿真真的一一个重要要特性性。（2）虚拟现现实实技术虚拟现实(viiirtuuallreaaliity—VR),又称称灵境技技术,,实际上是是一一种采用用计算算机技术术制作作模拟仿仿真的的假想世世界技技术。它它采用用计算机机产生生一个被被模拟拟仿真世世界的的动态三三维视视觉环境,使操作者者产产生一种种身临临其境的的感觉觉,对探讨大大量量需要借借助形形象思维维的问问题颇有有帮助助。采用用此项项新技术,参与者使使用用硬件,如数据手手套套、鼠标标器、跟跟踪球、操操纵纵杆、头头盔式式显示器器、护护目镜、耳耳机机及数据据配合合获得所所需的的感知,来体验计计算算机世界界境况况。VR环境系统统包括建建模、控控制及媒媒体数数据源三三大部部分。建建模是是指利用用物理理的或数数字的的方法,对需要仿仿真真的实际际系统统进行描描述获获得近似似的数数字模型型。这这是进行行数字字仿真或或半实实物仿真真必不不可少的的步骤骤。建模模是仿仿真的基基础,,亦是仿真真的的结果,研究新型型建建模仿真真方法法是其首首要任任务。三三维立立体显示示是其其一项必必不可可少的关关键技技术,它是系统统向向用户输输出反反馈信息息的主主要手段段。（3）系统仿真真技技术与虚拟拟拟现实技技术的的结合传统的系统仿真真真技术很很少研研究人的的感知知模型的的仿真真,因而无法法模模拟人对对外界界环境的的感知知(听觉、视视觉觉、触觉)。随着多多媒媒体技术术、计计算机动动画、传传感技术术的发发展,计算机模模拟拟外界环环境对对人的感感官刺刺激开始始成为为可能。事事实实证明,人类对于于图图像、声声音等等感官信信息的的理解能能力远远远大于于数字字和文字字等抽抽象信息息的理理解能力力。将将仿真技技术与与虚拟现现实技技术相结结合,,利用虚拟拟现现实技术术进行行仿真模模型的的建立和和试验验的模拟,使仿真的的过过程和结结果可可以实现现图像像化、可可视化化,使仿真的的系系统具有有三维维、实时时交互互、属性性提取取等特征,极大地促促进进了仿真真技术术的发展,同时也使使虚虚拟现实实技术术更加具具有生生命力。2虚拟仿真技技技术在建筑筑施施工中的的应用用2.1虚拟建建建造技术术的应应用建筑工程施工是是是一项将将设计计图建成成实物物的复杂杂工作作。其施施工方方法和组组织程程序都存存在多多样性、多多变变性的特特点。目目前,对施工方方法法和施工工组织织的优化化主要要建立在在施工工经验基基础上上。依靠靠施工工经验对对施工工进行控控制和和优化,具有一定定的的局限性性。特特别是在在全新新结构或或复杂杂条件下下的施施工,依靠经验验对对工程施施工的的可行性性、控控制优化化、事事故预测测和生生产调度度优化化等各方方面的的分析和和预测测,可能会由由于于思维惯惯性而而忽略重重要结结果或由由于力力不从心心只能能分析局局部和和少量结结果,,更无法开开展展定量分分析。建建筑虚拟拟施工工技术是是将以以虚拟现现实为为基础的的仿真真技术应应用于于建筑施施工领领域,利用虚拟拟现现实技术术建立立建筑物物的几几何模型型和施施工过程程模型型,对施工方方案案进行实实时、交交互、逼逼真的的模拟,验证对比比和和优化,进而采用用数数字化手手段制制定和修修改施施工方案,并逐步代代替替传统的的施工工方案编编制方方法。其其实施施过程如如图所所示。虚拟建造技术应应应用流程程2.1.1工工工程概况况正大广场位于于于上海浦浦东陆陆家嘴东东方明明珠电视视塔下下。平面面基本本呈矩形,地下3层,地上10层,长约260mm,宽约100mm,总高度50mm,总建筑面面积达24..3万m2,是集商商业、餐餐饮、娱娱乐为一一体的的综合性性建筑筑。由于于建筑筑规模、设设计计造型要要求,,本建筑采采用用了大量量钢结结构,构件数量量规规格繁多,各种不同同类类型的构构件约约300000余件、共56000t,,而结构吊吊装装工期仅855d,且钢结结构主要要集中中在8层以上,重、大型型构构件又集集中在在建筑物物腹地地。单件件超大大超长,安装高度度各各异,大多数构构件件只能用用桅杆杆式起重重机安安装,吊装有较较大大难度。吊吊装装过程中中任何何失误都都可能能造成难难以估估量的损损失,,其施工组组织织和施工工技术术亟需应应用全全新的技技术手手段进行行验证证。上海海正大大广场的的虚拟拟施工技技术以以满足生生产需需求为目目标,,利用虚拟拟现现实技术,通过建立立三三维模型,对施工全全过过程进行行三维维可视化化模拟拟,在施工前前了了解各种种构件件在实际际结构构中的相相对位位置和相相互关关系,对多种施施工工方案进进行模模拟、验验证、对对比和优优化,,并提供相相应应的施工工和安安全控制制参数数。2.1.2仿仿仿真系统统的主主要内容容1)外景仿真在建筑物建成前前前,虚拟建筑筑物物建成后后的周周围环境境。将将正大广广场按按设计图图纸详详细建模模渲染染,并将附近近建建筑、场场景、道道路、黄黄浦江江等建模模渲染染。系统统实现现了观察察者不不同的观观察角角度和漫漫游方方式。在在场景景中加入入海洋洋效果、声声音音仿真等等特效效,使场景更更显显真实并并具有有动感,沉浸感更更强强。在漫漫游中中实现碰碰撞检检测功能,使漫游场场景景中的各各种实实体能真真实反反映现实实生活活中的各各种状状况。2)吊装仿真这是系统的核心心心部分。钢钢结结构施工工前在在计算机机上完完成各种种构件件配装、吊吊装装的多种种试验验和优化化工作作。同时时利用用多点决决策理理论,采用两榀榀屋屋架同时时装配配方案,使装配-吊装过程程连连续进行行。正正大广场场钢结结构数量量多、规规格杂、分分布布散。施施工方方案选用6台塔式起起重重机和5部桅杆式式起起重机进进行吊吊装。按按每个个构件的的具体体吊装方方法及及整个吊吊装过过程的先先后顺顺序,对每个吊吊装装过程进进行吊吊装虚拟拟。吊吊装过程程采用用GSL编程实实现。针针对不不同的吊吊装过过程采用用不同同的计算算方法法。对塔塔式起起重机双双机抬抬吊采用用反运运动学算算法。通过正在吊装的的的钢结构构主梁梁的空间间位置置,算出吊装装的的转角和和小车车的运动动行程程。塔式式起重重机及桅桅杆式式起重机机单机机起吊吊吊装动动作则首首先通通过手动动操作作塔式起起重机机或桅杆杆起重重机运动,在不断试试验验中寻找找将构构件吊装装到位位并能避避开障障碍的最最佳运运动轨迹,并记录此此轨轨迹上的的每一一个转折折点,,以及在此此点点上塔式式起重重机和桅桅杆起起重机的的运动动参数。然然后后用GSL语言实实现吊装装动作作。在吊吊装试试验过程程中,,为解决依依靠靠视觉判判断是是否存在在构件件干涉,无法克服服三三维模型型显示示在二维维屏幕幕上存在在的视视觉误差差问题题,系统中加加入入了构件件的实实时碰撞撞检测测功能。当当构构件之间间出现现碰撞干干涉时时,相应的构构件件颜色将将产生生变化以以提醒醒用户。3)应力和变形形分分析包括两方面内容容容:①桅杆起重重机主副副臂、基基座、缆缆风绳绳和吊装装屋架架的应力力分析析通过过设计计分析软软件,,成功地对对桅桅杆起重重机吊吊装动态态过程程中,各种条件件下下主臂、副副臂臂、格构构柱、缆缆风绳和和混凝凝土基座座的受受力状况况的有有关参数数进行行计算,并对吊装装屋屋架的应应力进进行对比比分析析。②对典型型厚板的的焊接接过程分分析选择典典型的的箱形截截面焊焊接过程程进行行三维有有限元元数值模模拟。截截面有限限元的的网格划划分了了8节点块体体单单元,同时考虑虑了了温度使使弹性性模量发发生的的变化及及钢材材从弹性性体※※塑性体※弹弹性体的的变化化过程,力学模型型采采用了非非线性性的热弹弹塑性性模型。经经过过连续计计算,,获得了箱箱形形截面的的一次次焊接和和多层层焊接的的温度度场、应应力场场和应变变场的的变化规规律。土钉墙施工场景景景灌注桩施工场景景景土层锚杆施工场场场景2.1.3应应应用成效效正大广场的施工工工虚拟仿仿真是是国内首首次尝尝试仿真真技术术应用于于建筑筑工程,它对施工工全全过程进进行模模拟,在施工前前了了解各种种构件件在实际际结构构中的相相对位位置及相相互关关系,试验多种种施施工方法,计算相应应工工况应力,对吊装方方法法、顺序序和吊吊装线路路进行行优化。通通过过正大广广场的的施工实实践,,取得了良良好好的应用用成效效,主要体现现如如下。1)通过试验多多种种施工方案案案,可以在施施工工前发现现问题题,优化方案,有助于缩缩短短工期,保障施工工安安全和工工程质质量。通通过实实施施工工虚拟拟仿真系系统发发现原有有施工工方案中中存在在的若干干不合合理设想想和安安全隐患,并提供可可靠靠的解决决施工工方案。对对原原方案中中桅杆杆起重机机的缆缆风绳布布置进进行优化,减少吊装装过过程中安安、拆拆缆风绳绳的次次数。2)实现了施工工过过程的实时时时视觉仿仿真,,有利于进进行行施工前前的操操作和安安全交交底。3)利用多点决决策策优化理论论论优化装装配吊吊装方案,提高施工工工工效。4)开发桅杆起起重重机内力分分分析程序,提供了起起重重机的安安全运运行控制制要求求,保障桅杆杆起起重机的的安全全运行及及屋架架的安全全吊装装。5)采用三维有有限限元法,获得了数数值值模拟箱箱形截截面焊接接过程程的温度度、应应力和应应变场场等数据据和结结论,可有效地地指指导施工工现场场对焊接接变形形的控制制。6)对建筑物外外观观效果的仿仿仿真,有助于提提高高建筑造造型的的合理性性和设设计进程,为施工提提供供直观指指导。2.2复杂空空空间钢结结构施施工虚拟拟仿真真分析复杂空间钢结构构构的施工工成型型过程是是一个个从局部部到整整体的动动态过过程,不同施工工阶阶段有不不同的的结构形形态和和受力特特性,,边界条件件和和荷载条条件也也在变化化。在在某一阶阶段安安装完成成后,,结构暂时时处处于一个个平衡衡状态,继续安装装下下一阶段段的结结构时,由于变形形协协调和内内力重重分配,新安装部部分分往往会会对已已安装结结构产产生影响,两者协同同变变形达到到新的的平衡状状态。因因此结构构最终终成型后后的内内力、位位移是是整个施施工过过程中各各个阶阶段的施施工内内力、位位移不不断累积积而成成的,不同的施施工工方法和和施工工过程对对结构构最终成成型时时的结构构形态态和受力力状态态有很大大影响响。安装装过程程影响结结构受受力的因因素众众多且相相互关关联,使得对空空间间结构施施工全全过程进进行分分析具有有相当当的难度度。工工程实践践表明明,结构最危危险险阶段不不一定定出现在在结构构竣工以以后,,而往往正正是是结构未未成型型时的临临时状状态。大大量的的工程事事故都都发生在在施工工阶段,而其中由由于于设计中中没有有考虑施施工过过程中的的诸多多因素,或没有对对施施工过程中复杂及突发发发情况进进行应应有的受受力分分析而引引起的的占有相相当比比例。因因此,,考虑施工工过过程对结结构最最终成型型的影影响,对空间结结构构进行施施工全全过程跟跟踪仿仿真分析,找到施工工过过程中的的最危危险阶段段并采采取措施施进行行控制,无论在理理论论还是应应用上上,对工程设设计计、施工工安全全及工程程质量量都具有有十分分重要的的意义义。2.2.1工工工程概况况广州体育馆由主主主场馆、训训练练馆、大大众活活动中心心三部部分组成,可容纳观观众众2万名。每每个个场馆钢钢屋盖盖均采用用钢支支座、钢钢环梁梁、主桁桁架、辐辐射桁架架、檩檩条、拉拉索等等组成大大跨度度空间桁桁架交交叉支撑撑拉索索轻型钢钢结构构体系,其几何形形状状均由圆圆锥体体在对称称轴两两侧切去去一部部分再合合并而而成。主主场馆馆跨度1600m×1110m,,,屋盖上弦弦面面间距10mm,设有环向向主檩条,周边端开开间间设交叉叉钢索索支撑,上弦面另另有有4道径向水水平平交叉钢钢索支支撑。辐辐射桁桁架间在在上弦弦主檩条条位置置加设环环向垂垂直交叉叉钢索索支撑,钢索在各各种种荷载作作用下下均保持持受拉拉状态,并确保辐辐射射桁架下下弦平平面稳定定。主主檩条采采用QQ345低合合金钢,辐射桁架架下下弦采用166Mn钢,拉索采用用镀镀锌高强强低松松弛预应应力钢钢绞线,外包白色色高高密度聚聚乙烯烯膜,裸索直径155.2mmm,,整体直径188mm,强度度等级17700MMPaa。主场馆馆拉拉索共计8336根,其中垂直直索索636根、水水平索2000根。本工工程程索数量量多,,构件几何何尺尺寸细长长、刚刚度小、稳稳定定性差,索力精确确度度要求很很高,,设计要求求所所有交叉叉钢索索均施加255～40kN预应应力,屋盖施工工完完成后,垂直交叉叉索索应保持155～40kN以上上的预应应力,,同时同一一榀榀桁架的2根钢索垂垂直直力差不不得大大于5kN。而预预应力拉拉索在在张拉过过程中中会相互互影响响,要精确地地确确定拉索索张拉拉力十分分复杂杂。一方方面,,结构是一一个个具有大大量单单元的三三维空空间结构,在114个平面面内每根根拉索索内力都都不相相同;另一方面,施加预应应力力是多次次进行行的,导致相互互反反复影响,且张拉后后还还要经历历主场场馆拆除除支撑撑对拉索索的影影响。因因此如如何确定定拉索索施工顺顺序和和张拉力,是否存在在索索预应力力损失失规律,如何确保保拉拉索最终终拉力力精度是是施工工中的技技术难难题。2.2.2仿仿仿真分析析的主主要内容容仿真分析的主要要要内容有:①主桁架临临时钢支支撑方方案及设设计;;②主桁架吊吊装验算;③辐射桁架架安装过过程主主桁架挠挠度变变化动态态跟踪踪验算;④辐射桁架架吊装验验算;;⑤辐射桁架架吊装过过程;;⑥预应力拉拉索张拉拉对相相邻桁架架交叉叉索力的的影响响范围;⑦拆撑前后后索预应应力损损失规律律计算算;⑧拆除支撑撑后屋盖盖中点点挠度计计算及及施工方