大型博览建筑钢结构虚拟施工建模关键技术研究与应用.pdf

第 2 9卷第 2期 2 0 1 2年 6月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t V0 1 ． 2 9 N o ． 2 J u n ． 2 0 1 2 大型博 览建筑钢结构虚拟施 工建模 关键技术研究与应用 刘 松 ， 郑亚文 ， 周 迎’ ， 陈一平 1 ． 华 中科技 大学土木 工程 与力学学 院 ， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ．中国建筑第三工程局有限公司， 湖北武汉4 3 0 0 7 0 摘要 当前， 虚拟建造技术应用于大型博览建筑钢结构吊装施工已成为一种新的趋势。支持虚拟建造技术的 关键技术之一是建模技术。其中钢结构建模是虚拟吊装施工过程中一个非常重要 的环节。本文基于 V e g a 平 台和 C r e a t o r 建模软件结合的仿真平台， 探讨了虚拟吊装施工钢结构 包括钢构件和复杂机械设备 建模以及虚 拟吊装施工与碰撞检测 ， 力学分析结合建模技术， 并成功应用于武汉国际博览中心钢结构施工项目， 为解决 目 前大型博览建筑钢结构施工遇到的重难点问题 ， 提供了一条可借鉴的技术方案。 关键词 虚拟建造； 大型博览建筑； 钢结构； 虚拟吊装施工； 建模； 碰撞检测； 力学分析 中图分类号 T P 3 9 1 ． 9 ； T U 7 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 - 0 9 8 5 2 0 1 2 0 2 -0 0 2 6 -06 S t u dy o n Ke y M o de l i ng Te c h n i q ue Ap pl i e d i n Vi r t ua l Li f t i ng o f La r g e Ex p o S t e e l S t r uc t ur e Co ns t r u c t i o n L ／ U S o n g ，ZHENG Y a we n ，ZHOU Y i n g ，CHEN Y i - pi n g。 1 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d M e c h a n i c s ， Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4， C h i n a ； 2 ．C h i n a C o n s t r u c t i o n T h i r d E n g i n e e r i n g B u r e a u C o L t d ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i s a n e w t r e n d t o u s e v i r t u a l b u i l d i n g t e c h n o l o g y i n s t e e l s t ruc t u r e h o i s t i n g c o n s t ruc t i o n o f t h e l a r g e e x p o c o ns t r u c t i o n c u r r e n t l y ． On e o f t he k e y t e c h n o l o g i e s wh i c h s u pp o r t t h e v i rtu a l b u i l d i n g t e c h n o l o g y i s mo d e l i ng t e c h n o l o g y ． S t e e l s t ruc t u r e mo de l i n g i s a v e r y i mp o rta n t p r o c e s s f o r v i rtu a l ho i s t i ng c o n s t ru c t i o n． Ba s e d o n t h e s i mu l a t i o n p l a tfo r m c o mb i n i n g Ve g a p l a t f o r m wi t h Cr e a t o r mo d e l i n g s o f t wa r e， t h i s p a p e r d i s c u s s e d t h e k e y m o d e l i n g t e c h n i q u e s o f V i rt u a l h o i s t i n g c o n s t ruc t i o n s t e e l s t ruc t u r e i n c l u d i n g s t e e l c o m p o n e n t s a n d c o m p l e x me c h a n i c a l e q u i p m e n t a s w e l l a s t h e p r o c e s s c o m b i n g w i t h c o l l i s i o n d e t e c t i o n a n d me c ha n i c a l a n a l y s i s ．I t wa s s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o t he bi g p r o g r a m a bo u t s t e e l s t ruc t u r e c o n s t r uc t i o n o f W u ha n i n t e r n a t i o n a l e x h i b i t i o n c e n t e r ，wh i c h p r o v i d e s a f e a s i bl e s c h e me t o o v e r c o me t h e d i ffic u l t i e s a b o ut t h e l a r g e c o mp l e x s t e e l s t r u c t u r e s i n v i r t u a l a s s e mb l y pr o c e s s n o w． Ke y wo r d sv i rtua l b u i l d i n g；l a r g e e x p o b u i l d i n g；s t e e l s t r uc t u r e；v i rtu a l h o i s t i n g c o ns t ru c t i o n；mo d e l i n g； c o l l i s i o n d e t e c t i o nme c h a n i c a l a n a l y s i s 随着国民经济的发展及国家基础设施建设的 推广 ， 大型博览中心， 展览馆 ， 体育馆 的建设越来 越多 ， 规模也越来越大。诸如沈阳博览 中心、 广州 白云机场 、 上海新博览中心 、 上海南站 、 南京奥体 中心等。其中沈阳博览中心钢结构施工， 其面积 尺寸达到 2 3 2 5 0 m ， 横 向桁架跨度达到 1 1 4 m[ 1 1 ， 上海新博览 中心单榀桁架跨度达到 7 2 m 2 ] ， 武汉 国际博览会展中心单榀桁架跨度也达到 7 2 m， 根 据当前我国建筑业的实际情况 ， 刘家武等人提出 跨度超过 6 0 m的钢结构为大跨度钢结构 』 。以 上实例均属大跨度空问钢结构施工范畴。大跨度 钢 结构 在 国 内相 应进 入 了一 个蓬 勃 发 展 的时 期 。 同时大型钢结构 的发展在 国外一直处于高速 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 1 5 修 回日期 2 0 1 1 ． 1 2 4 9 6 作 者简介 刘松 1 9 8 7 一 ， 男 ， 湖北荆州人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为工程管理信息化 E ma i l 4 5 5 9 7 5 7 9 8 q q ． c o rn 基金项 目 国家“ 十一五” 科技 支撑计划 2 0 0 7 B A F 2 3 13 0 4 0 4 第 2期 刘 松等 大型博览建筑钢结构虚拟施工建模关键技术研究与应用 ．2 7． 发展的趋势 ， 从 1 9 7 2年德 国慕尼黑奥运会场馆 ， 到 1 9 9 3年福 冈体育馆亦称 福 冈穹 窿， 再 到 1 9 9 9 年悉尼奥体 中心体育场 ， 以及 2 0 0 6年美 国亚利桑 那州体育场 ， 都是国际上非常有代表性 的大型钢 结构建筑 娟 。然而 ， 钢结构快速发展 的同时也 带来新 的挑战。近年来 ， 我 国大型钢结构施工过 程 中出现事故也时有发生。其中大型钢结构 吊装 过程事故率尤为突出。如广州某体育馆高空散装 时 ， 因脚手架 刚度不够 ， 发生坍塌 ； 湖南某体育馆 部分杆件在施工 期 间弯 曲发 生坍塌E 9 3 。 目前 大 型钢结构 的吊装施工过程主要面临着如 下挑 战 1 在施工过程 中因结构失去平衡 、 稳定 而倾覆 或倒塌 ； 2 大跨度钢结构整体提 升过程与周 围 实体发生干涉与碰撞 ； 3 吊装过程 中局部构件 或节点 的强度不足而破坏整体结构性 能 。面 对这些挑战 ， 传统的施工 技术和手段有时很难达 到要求 ， 随着计算机仿真技术的不断发展 ， 虚拟仿 真技术 日臻成熟 ， 虚拟现实和虚拟建造技术 已被 成功引入建筑工程施工领域 ， 通过对钢结构 吊装 过程进行虚拟 吊装预演 ， 在虚拟过程 中实 时处理 关键数据 ， 如实现虚拟过程与碰撞检测 的结合 ， 虚 拟过程与力学分析 的结合等等 ， 一方 面能有效解 决现实吊装过程 中面临 的挑战 ， 同时也可 以对原 有的施工方案进行优化。而实现虚拟吊装过程 中 关键数据的实时处理 ， 模型的建立是关键 。 目前 我国计算机建模领域的研究 ， 存在一定的局限性 ， 其 中一部分原因是因为所选用的建模软件的局限 性导致 ， 如 B I M建模软件能够实现参数化建模但 所建模型无法完成复杂动作的功能 ， 3 O m a x等建 模软件能够实现模型 的复杂动作的功能 ， 但无法 实现虚拟仿真与碰撞检测 以及力学分析相结合 的 功能。本文 以大型博览钢结构施工为研究对象 ， 基于 C r e a t o r 建模软件 和 V e g a仿 真平 台， 提 出 了 一 种基于虚拟施工过程 的关键建模技术 和方法 ， 有效解决 了上 面提 到的难点 问题 ， 并实现 了虚拟 仿真过程中实时处理关键数据的功能， 如图 1 所示。 解 决方案 传 统CAD建模工 BI M等 软件能实现 3 Dma x 等建模 软件能 作 量大， 不适合 参 数化建模 ，但却 够实现模 型复杂动作 构件种 类复杂 的 所 建模型无法 完成 的功 能， 但无 法实现 钢 结构建模 复杂动 作的功 能 虚拟仿真 过程中碰撞 检 测 以 及 与 力 学 分 析相结合 的功能 I 基于数 据驱 实现所建模 型 实现虚拟仿真 与碰撞 动 的参 数 化 完 成 复 杂 动 作 检 测 、 力 学 分 析 功 建模方法 的建模 方法 能结合 的建模方法 ＼ 实 段 ／ 基于c r e a t o r 建模软件 和 VEB A仿真 平台的结合 图 1几种典 型建模 思路的评价与 比较 1 虚拟 吊装建模技术 的研究 虚拟吊装顾名思义是基 于虚拟平 台， 实现虚 拟 吊装过程 的研究。要实现虚拟吊装 的过程 ， 首 先是虚拟模型的建立 ， 大型博览 建筑钢结构形状 构件种类复杂 ， 数量庞大， 比如单独一个展厅 的钢 结构杆件就可能达到 1 2 0 0 0多根 ， 通常的大型博 览建筑拥有多个甚至几十个展厅。传统的建模方 式工作量极大 ， 这里采用基于数据驱动的参数化 建模技术 ， 能够快速精准完成对钢结构模型 的建 模 。 1 ． 1 基于数据驱动的参数化建模方法 所谓基于数据驱动 的参数化建模 ， 实质是利 用数据库支持的尺寸驱动的原理 ， 采用基 于 I F C 标准的建筑模型的表达方法 ， 使尺寸的改变能 自 动转化为实体模 型形状的改变 ， 并研究如何创建 施工资源库 ， 研究数据驱动的虚拟施工过程仿真。 其 中 I F C I n d u s t r y F o u n d a t i o n C l a s s 标 准是 指建筑对象的工业基础类数据模型标准 ， 由国际 协同联盟 I A I 在 1 9 9 5年提出的标准 ， 该标准是 为了促成建筑业中不 同专业 ， 以及 同一专业 中的 不 同软件可以共享 同一数据源 ， 从而达到数据 的 共享及交互 。基本建模原理 基础模 型库复 合物体建模标准件特征参数库模型数据 化驱动 。其 中标准特征参数库最核心最重要 的是如何解决链接问题 。采用参数化建模技术的 基本流程 图， 如图 2所示 基础模 型分类． 收集整理 模 型参数信息资料 建立 单个标准基础模 型， 定 义该模型的参数 化的属性 平 台之间交互操作 、包括 模 型的创建、导入 与控制 鐾 蕴 l 鬓 糟 蓬 参 图 2 参数化建模技术 的基本 流程 采用数据化驱动进行参数化建模时 ， 主要完 成以下两方面的工作 其一 ， 尽量分割模型， 分别 建模 ； 其二 ， 尽可能对模型进行优化。分割模型就 是按照建模实体的功能 、 部位等原则来将该整体 模型分解为若干部分 ， 分别建模 ， 即按照整体拆为 局部 ， 然后局部合并成整体的指导思想 。对模型 的优化主要表现在处理模型任务时尽量做到减少 建模工作量， 减少冗余的多边面， 以及合理分割模 型 的顺序、 部件 的调整优化等。钢结构基础模型 归纳起来分为 以下几类 一般形式 ， 型钢 ， 钢板和 钢管 ， 如表 1所示 。 2 8 土木工程与管理学报 表 1 基础模型主要参数 其中 ， 、 、 H分别为截面长、 宽和柱高 ； 、 y 、 分别为钢板截面长 、 宽以及板厚。r 、 R、 日分别 为钢管环形截面的内外半径以及管的高度 。 大型博览建筑钢结构虚拟吊装施工过程的参 数化建模 主要分为两大类 一类是钢构件的参数 化建模 ， 另一类是施 工过程 中机械设备 的参数化 建模。 1 ． 2 大型博览建筑虚拟 吊装施工钢构件建模 钢构件参数化建模 ， 主要工作包括设置模型 的基本几何属性参数 ， 如杆件 的截面属性 ， 模型工 程性能参数 ， 如材料属性等以及实现虚拟仿真过 程 的技术参数 ， 如 自由度节点的坐标参数 、 自由运 动属性限制参数等等。这些参数属性在建模过程 中都可以在特定环境下指定的属性栏设置。比如 在建立单根钢管柱的模 型时 ， 在指定的属性栏 中 通过设置钢管的半径 ， 高 ， 材质等参数信息来完成 钢管的初期模 型的建立。如图 3所示 。另外 ， 标 准化模型还应包括对面向工程对象的特定参数描 述 ， 使最终形成的模型库 中的每一个模型都是具 有智能化属性和建筑元素特征和的建筑构件 ， 如 图 4所示 。 右边为参 数化控制界 面 未添材料属性 图 3 钢管柱参数化建模效果 1 ． 3 大型博览建筑虚拟 吊装施工机械设备模型 及复杂动作实现建模 大型博览建筑钢结构 吊装施工 中主要使用到 的机械设备包括汽车吊， 履带 吊， 塔 吊， 叉车等等 ， 这些机械模型实现 ， 参数的控制最关键 ， 不同机械 设备其控制参数各有差异。比如履带吊的主要技 已加金属材质属性和技术参数属性 图4 钢管柱参数化建模效果 术控制参数为起重量 、 起重高度和起重半径 。考 虑到系统对履带 吊动作仿真的需要 ， 将履带 吊分 成以下几个部分 履带部分 、 机身部分、 驾驶室及 机身回转部分 、 机身吊臂连接部分 、 吊臂部分和吊 钩部分 ， 各部分的控制参数见表 2 。 表 2 履带 吊建模控制参数 履 机 分 淼 履 带 宽 驾 驶 室 高 前 段 藿 大 起 升 速吊 臂 长吊 钩 半 径 蓑 高 黼 段 脯 潲 蒿 栅长 车 边 魈惹 大 起 升 角 半 径 度 支架顶 高 底部 一 仰 角变幅 一 汽车吊建模控制参数与履带 吊有相似之处 ， 主要增加了位置坐标、 车身水平转角、 整体转角、 吊臂竖直平面转角等控制参数。塔 吊主要技术参 数有 吊臂长度、 工作半径、 最大起重量、 附着式最 大起升高度 、 起升速度 、 爬升机构顶升速度和附着 间距等 。这里不作详细讲述 ， 本文主要研究上 述各种机械设备在虚拟 吊装施工 中实现各种复杂 动作的关键建模方法。 吊装施工中大多数机械设备的基本动作主要 包括 以下 四类 起 升、 变幅、 回转 和行走。由于部 件与部件、 部件与整体之间结构及功能存在约束 关系 ， 因此其运动轨迹有一定 的关联 度。如起重 机具除 自身在装卸货物时作垂直方 向运动外 ， 还 和汽车吊一起作水平运动 ， 同时在重力 、 风力及惯 性力等作用下也会作水平偏 摆 ， 因而吊具及其 吊 载的货物均作复合运动。为了真实反映其运动过 程 前期基本模 型已经 完成 ， 建立精准 、 合理 的 层次坐标系是后期建模工作的关键所在 ， 为简化 其运动模型 ， 至少需建立 4个层次的坐标系 ， 让处 于不同坐标系下的模型实体能够独立完成当前坐 标系下的轨迹运动 ， 如图 5所示。 第 2期 刘 松等 大型博览建筑钢结构虚拟施工建模关键技术研究与应用 3 l 另外 ， 本文的研究 由于个人经历 ， 水平以及资 源有限 ， 在实际操作中选取 了虚拟 吊装施工过程 中几个关键的时 间点来进行分析 ， 尚未实现全过 程任意时间点的实时数据交换。但是按照这种方 法这种思路理论上是能够实 现实 时动态分析 ， 因 此具有一定 的指导意义。 参考文献 鲍广镒， 李国荣 ， 黄建川， 等． 沈阳博览 中心钢结构 施工技术[ J ] ． 施工技术 ， 2 0 0 1 ， 3 0 3 2 8 3 0 ． 刘子祥 ， 冯健 ， 郭正兴， 等． 上海新国际博览中心 钢结构安装技术 [ J ] ． 建筑钢结构进 展 ， 2 0 0 3 ， 5 1 2l 一 25． 刘家武． 大跨钢屋盖胎架整体滑移法施工技术[ J ] ． 安徽建筑 ， 2 0 0 7 ， 2 4 1 42 ． 苗丽丽．太原机场大跨复杂钢结构的设计与施工 技术研究[ D] ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 1 0 ． T r e i b M．S p o t s c a t h e d r a l 『 J ] ．P r o g r e s s i v e A r c h i t e c t u r e．1 9 8 5， 6 7 1 8 0 ． [ 6 ] B u c h a n a n P ．K a n a i i n t e r n a t i o n a l a i r p o r t [ J ] ．T h e A r c h i t e c t u r a l R e v i e w， 1 9 9 4， 1 1 3 2 3 6 ． [ 7 ] T o k e n a k a C o rpo r a t i o n ．F u k u o k a d o m e [ J ] ． P r o c e s s A r c h i t e c t u r e ， 1 9 9 5， 1 2 3 1 4 1 9 ． [ 8 ] 史洪泉． 大跨度空间钢结构施工全过程力学分析及 考虑施工影响的若干要素研究[ D] ． 南京 东南大 学 ， 2 0 0 5 ． [ 9 ] 郭正兴 ， 朱 张 峰 ， 牛 萌． 钢 结构 安装 坍塌 事故 案例 分析及警示 [ J ] ． 施工技术 ， 2 0 1 0 ， 3 9 7 3 5 3 9 ． [ 1 0 ]郭彦林， 崔晓强． 大跨度复杂钢结构施工过程中的 若干技术问题及探讨[ J ] ． 工业建筑， 2 0 0 4 ， 3 4 1 2 1 _ 5 [ 1 1 ]陈钢， 陈小安 ， 张高群， 等． 基于参数化特征建模 技术建立三维标准件库的方法研究[ J ] ．计算机辅 助设计与制造 ， 2 0 0 1 ， 6 4 7 _ 4 9 ． [ 1 2 ]孟晓梅， 刘文庆．Mu l t i G e n C r e a t o r 教程 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 1 3 ]陆敬轩． 土木工程施工中起重机械的虚拟仿真系统 研究[ D] ． 上海 同济大学， 2 0 0 6 ． ] J] J] 二_