虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用

图7
拉杆索力现场测量图
图8
挠度观测点布置模型图
⑵ 支撑体系的挠度值测量 挠度值采用水准仪测量，由于主体结构和中央环筒的距离较近，且计算的挠度值较小，为了提 高测量精度，选用精度较高的 DS1 型水准仪。 考虑到不均匀变形的影响， 在环筒的 8 根均 匀分布的竖杆上分别布置八个观测点，如图 8 所示， 在竖杆上贴上标尺， 并将测量基准点设置 在主体结构上。 在支撑体系安装完毕后， 每天同 一时间依次读数，并且在混凝土梁浇筑过程中， 增加读数次数，每小时读数一次。 ⑶ 效果分析 通过对施工全过程的监测，得出监测结果， 应力与变形的变化规律符合计算机模拟仿真特 征，并且其监测数值均小于模拟仿真值。 采用虚拟仿真技术事先模拟该悬索结构支 撑体系的施工全过程， 直观地显示施工过程的实
图1 -2楼层仰视模型图
图2
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体系模型图
如图 2 所示， 悬索结构支撑平台体系是一种 新型体系， 其突出的特点是充分利用空间钢结构 良好的受力特性， 最大限度地运用拉杆， 以拉杆 控制设计，自重轻，节省建筑材料，具有较高的 安全可靠度。 其构造节点充分采用装配式， 体现 了施工临时结构特色。 为了充分验证这种体系的技术优势， 为现场 施工提供合理的施工工艺方法， 使用了虚拟仿真 技术事前对施工全过程整体模拟分析， 并对过程 动态跟踪检测信息化施工， 考虑可能存在的工况 条件，分析相应工况应力、变形及其动力特性， 对施工方案进行优化。
图9 支撑体系现场效果图
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际情况，有利于管理人员及其操作工人全面了解工艺操作流程，提前发现施工管理中质量、安全等 方面存在的隐患，从而采取有效的预防和强化措施，优质安全地完成了施工任务，提高了工程施工 质量和施工现场管理效果。并且采用仿真分析技术对方案进行优化后，使得该悬索结构支撑体系的 用钢量约为 50kg/m²，最终成型效果如图 9 所示。 虚拟仿真及施工应用证明，所谓柔性结构与刚性结构是相对的。柔性结构在较少用钢量的条件 下，可取得刚性结构难以取得的较好刚度，柔性悬索空间支撑结构与一般刚性支撑结构相比，具有 极佳的空间安全稳定性能。 5 结语 虚拟仿真技术是一门新兴学科， 尚未形成体系。 国内外对理论的研究主要集中在三个方面:首先， 是对施工自身理论的研究，它奠定了虚拟仿真施工的理论基础；其次，是施工领域的可视化仿真、 精益建造、敏捷建造等相关研究工作，它们构成了虚拟仿真施工的技术支撑体系；第三，是虚拟现 实技术在建筑行业的应用，这主要涉及软件研制和系统开发。虚拟仿真技术在工程施工方面的研究 和开发，最终成果应是一个对运行硬件要求较低、面向一般建筑工程施工、具有良好通用性的软件 系统。 在建筑工程工程施工中采用虚拟仿真技术，能够有效的预知施工过程质量、安全控制的关键点， 及时发现薄弱环节，并予以纠正，从而相对降低了对操作人员的技能要求，并可实现临时施工结构 适宜操作的良好装配特性。但是，受人员、环境、机具、材料等的影响，计算机虚拟仿真并不能完 全真正模拟每一个细节，其结果是相对的。
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员全面了解操作流程， 优质安全地完成施工任务。 ⑸ 大型工程设计。施工虚拟仿真技术可以考察建筑设计是否合理，可以方便地对拟改进部位进 行修改，从而得到满意的设计结果，设计的仿真也有利于设计单位与业主、施工单位进行设计交底。 ⑹ 建筑市场管理。施工虚拟技术在招投标过程中能直观对比各方的施工方法和成效，增加评标 的透明度和公正性，有利于建筑市场的规范管理。 ⑺ 其它方面。开发施工虚拟仿真技术必然带动虚拟现实技术广泛地应用于建筑业其它方面，带 动以下几方面的进步:城市和市政规划的优化；投资者的投资意图及市场推销；建筑机械设计；仿真 和虚拟现实技术。 3 国内建筑工程施工中虚拟仿真技术应用现状 目前，我国部分施工技术人员已具备一定的软件研发能力和应用水平，整个施工学科领域应用 计算机辅助软件正逐步形成，一些高等院校和科研机构正积极开发各种工程施工中所需的计算机辅 助应用软件，进行计算机仿真研究。 从国内的应用实践看，相关工程实践尚且不多。上海正大商业广场施工是一次重要的尝试，其 虚拟仿真主要内容为：①上海正大商业广场建筑外观与城市场景虚拟漫游；②钢结构施工方案及其 优化；③桅杆起重机和钢构件内力及焊接变形分析。其中，钢结构和桅杆起重机的施工模拟是其虚 拟仿真的核心部分。该项目的开发研究为虚拟仿真技术在工程施工中的应用提供了重要的经验和尝 试。其他还有一些相关的虚拟仿真尝试，例如，南通开合顶体育场在钢结构投标阶段，施工单位采 用仿真技术对钢结构施工过程进行仿真，以图文、声音、动画等多媒体并茂的三维立体形式，直观 的展示施工过程的具体情况，最大限度地向建设单位传递投标内容的所有信息，从而使建设单位认 可了该投标解决方案的价值所在，增强了其投标竞争力。但是，虚拟仿真技术在工程施工中的应用 仍存在以下几个主要问题: (1) 虚拟仿真技术的应用对计算机软硬件的要求较高， 需要较快的运行速度和稳定的操作性能， 及其高质量的 VR 软件等。 (2) 虚拟仿真技术的应用需要较高专业水平的技术人员，而目前一些施工技术人员的专业技能 偏低，一定程度上约束了虚拟仿真技术在施工领域上的发展步伐。 (3) 虚拟仿真技术的应用会增加企业对人员及资金的投入，而目前大多数建筑企业对项目效益 的追求是以“短、平、快”为宗旨，因此对虚拟仿真技术在施工领域的发展产生了阻力。 4 虚拟仿真技术在悬索结构支撑体系中应用案例 4.1 案例背景 某工程建筑形状为八角形，内庭亦为八角形中空，内庭八角形中空内切圆直径约 18m（含悬挑 ，在中庭顶、设备层上 板，内切圆直径约 22m） 标高 95.3m 位置设计布置了 300×1000 的钢筋混 凝土井字梁结构，可见悬空 95.3m 结构的施工 将是本工程实施的重点与难点。综合考虑多方 因素后选用悬索结构支撑体系进行施工，如图 1 所示。 该体系由中心刚性环筒、承重拉索钢筋、 简易桁架兼作稳定杆件等主要三个部分组成， 中心刚性环筒下部采用 32 根 HRB400φ22 承重 索利用可卸式锚具斜拉固定在塔楼可靠的结构 上，稳定构件采用型钢制作的稳定简易桁架， 同时兼作上部结构模板支撑平台受力基座。
图5 断两根索后拉索拉力分布图
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4.4 施工过程监测与模拟仿真过程对比 ⑴ 拉杆索力测量 测量索力所用的主要仪器为： GML-2 型锚杆测力计 6 套， 钢弦 频率测定仪 1 台。 根据支撑体系的设计方案和有限元分析结构来安排锚杆测力 计的布设。将拉索分为三类：索长度最短的为拉索 1，长度居中的 为拉索 2，长度最长的为拉索 3。 测点布置方案如下：先选取具有代表性的正交的四根索布置， 然后再选取较长的索（即索力较小的索）和与其对称的索布置锚杆 测力计。锚杆测力计的具体位置如图 6 所示，短实线代表拉索 1， 虚线代表拉索 2，长实线代表拉索 3，填充矩形代表锚杆测力计的 图 6 锚杆测力计布置图 位置。 在支撑体系安装完毕后，每天同一时间依次读数，并且在混凝土梁浇筑过程中，增加读数次数， 每小时读数一次（见图 7） 。
虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用
王金锋 易兴中
(南通建工集团股份有限公司，江苏 南通 226006)
[摘 要] 使用虚拟仿真技术对施工过程进行模拟， 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，及可能存在的工况条件，分析相应工况应力、变形、动力特性及其失效特征，对施工 方案进行优化，提出符合现场条件的施工工艺方法，实现风险控制和保证工程质量的目的。 [关键词] 计算机仿真；虚拟现实；施工应用 1 前言 随着国民经济的发展，各种设计新颖、外形独特的建筑不断涌现，建筑工程施工的难度越来越 大。在工程施工中采用智能方法能够极大地促进了施工技术和管理水平的提高，从而推动着施工学 科的不断进步和发展。目前施工领域应用较成熟的软件系统有:CAD 辅助设计技术、智能管理系统、 各类结构分析软件等，这些计算机技术的应用改造了传统的施工方法和理论，带来了新的理念。通 过在工程施工中引入虚拟技术的工程实践证明，利用虚拟仿真技术研究工程施工，对工程施工进行 前期预演和论证，能够简化施工程序，提高劳动效率，并且能够预知施工过程中的关键控制点，采 取有效的强化措施，从而大大降低施工难度，保证了施工质量。 2 技术特点 计算机仿真（Computer Simulation）是通过建立研究系统的模型，结合环境(实际或模拟) 条件 进行研究、分析和实验的方法。仿真技术是对系统动态模型的一种实验手段，在安全性和经济性方 面有较大的优越性。虚拟现实(Virtual Reality，简称 VR) 是在仿真技术的基础上发展起来的，是仿 真的高级阶段。虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等 多种学科的优势，为人机交互对话提供了更直接和真实的三维界面。虚拟现实促进了仿真技术的发 展。两者都是对现实世界的模拟，即都是基于模型的活动，而且都力图通过计算机及各类装置达到 现实世界尽可能精确的再现。计算机仿真技术和虚拟现实技术的结合形成了虚拟仿真技术。 使用虚拟仿真技术对施工过程进行模拟，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，及可能存在的工况条件，分析相应工况应力、变形、动力特性及其失效特征，对施工方案 进行优化，提出符合现场条件的施工工艺方法，实现风险控制和保证工程质量的目的。这对以下几 方面将产生重大意义。 ⑴ 建筑工程施工方案的选择和优化。 建筑工程施工的施工方法及施工组织的选择和优化主要是 建立在施工经验的基础上，存在一定局限性，同时，现代建筑基本都具有鲜明的个性，建筑工程施 工成为不可完全重复的过程，使用施工虚拟仿真技术将可以直观、科学地展示不同施工方法和施工 组织措施的效果，可以定量地完成方案的对比，有助于施工方案的选择和优化，真正实现最优施工。 ⑵ 施工技术革新和新技术引入。 施工虚拟仿真技术一方面能使广大施工技术人员低成本地试验 施工新工艺和革新思路，有助于创造性的充分发挥，同时能真切展示新技术的成效，缩短建筑业新 技术的引入期和推广期，降低新技术、新工艺的实验风险。 ⑶ 施工管理。施工虚拟仿真技术能事先模拟施工全过程，能提前发现施工管理中质量、安全等 方面存在的隐患，因而可以采取有效的预防和强化措施，提高工程施工质量和施工现场管理效果。 ⑷ 安全生产培训。施工虚拟仿真技术能实时，直观地显示施工过程的实际情况，有助于操作人
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4.3 ANSYS 分析校核 采用有限元分析软件 ANSYS 对该悬索结构支撑体系进行仿真力学分析（见图 3） ，确定整个结 构体系的挠度是否对支模有影响，分析拉杆的应力比，环筒的应力等，校核设计方案可行性。
图3
ANSYS 分析模型示意图
在 ANSYS 中按照实际工况模拟该支撑体系，根据拉索的吊点位置可以将拉索分为三种，分析 结果得出长度最长的一种为两根，受力最小，长度最小的一种 16 根，受力最大。从变形协调方面考 虑，索越短，单位长度的索变形越大，受力越大。这和手工计算结果是一致的。撑杆的受力比较均 匀，较短的杆件受力比较大（分布于和八边形的八个边垂直的八个撑杆） ，其余杆件受力受到上部荷 载和拉杆的影响，受力有少许变化，但整体受力不大，强度可以得到保证。 为了充分确认该支撑体系的安全可靠度。在 ANSYS 中分别进行极限局部不对称荷载条件下的 工况分析和断索情况下的受力分析。 ⑴ 极限局部不对称荷载条件下的工况分析 不对称荷载的极限是在体系的一半工作平面上 施加满载，而另一半不施加任何荷载，在这种条件下 考虑不对称荷载的影响。 经过分析可以看出施加极限 局部荷载后，环筒自身的变形比较大（见图 4） ，引 起竖杆的弯矩和剪力比较大， 但没有超过竖杆的抗弯 刚度，其余受力如轴力等不均匀性增加，但受力整体 比满载条件下减少。 此工况在施工过程中几乎不会出 现，得出结论，在考虑极限局部不对称荷载条件下， 图 4 极限局部不对称荷载条件下的体系变形图 本支撑结构可以保证安全性。 ⑵ 断索情况下的受力分析 本工况是考虑由于索的质量问题或施工问题导 致索没有发生作用，出现连续断索后对结构的影响。 考虑两根断索，且失效的两根索在满荷载工况下受 力较大。经分析可见两根索的失效引起整个桁架的 变形变大，但整体变形不大。从图 5 中可以看出， 在相邻两索失效后，失效索附近的索拉力明显加大， 但结构仍可维持安全。 通过仿真，极限不对称荷载对结构的影响不大， 整个结构安全性良好，局部索失效后仍可维持安全。
4.2 虚拟仿真支撑体系安装与使用过程 该支撑体系的安装工艺流程主要划分为：利用支撑构件组装形成吊桥，并吊装吊桥吊装环筒 及安装索的安装承重索的安装简易桁架吊装侧向支撑、上钢圈内撑的安装。整个过程及其每 一步骤采用 SAP2000 进行结构特性分析和失效分析。
分析在各种荷载作用下 ◆ 模拟临时吊桥的安装， 的受力情况，确定吊桥拉索的安装角度和位置。
◆ 模拟中心环筒的吊装，根据现场工况分析 16 根安装索的受力情况， 校核安装承重索的可靠性。
◆ 模拟安装 32 根承重索，针对不同吊点位置的 拉索，验算索力，综合分析拉索与主体结构的受 力情况，确定保持环筒性状位置的索力要求。
◆ 模拟安装简易桁架、侧向支撑和上钢圈内撑， 结合上部结构与施工荷载工况变化综合分析该支 撑体系的静动力性能和空间稳定性,并予以优化。