高层建筑施工过程仿真及可视化分析.pdf

2007 年第 3 期 建 筑 管 理 现 代 化 总第 94 期 Construction Management Modernization 13 收稿日期2007-03-24 作者简介李景茹 1977-,女,辽宁鞍山人,副教授,博士,主要从事建筑工程系统仿真方面研究。 * 基金项目深圳市科技计划项目（200437） 高层建筑施工过程仿真及可视化分析 * 李景茹 （深圳大学 土木工程学院，广东 深圳 518060） 摘 要高层建筑施工过程是一个复杂的受到许多随机因素影响的过程，难以准确地用数学模型来描述。 循环网络仿真技术被用于对复杂高层建筑施工过程进行仿真， 通过对仿真获得的数量指标分析来优化施工 系统，并采用 3DS Max 可视化地分析施工过程。实践证明，该方法为施工方案选择和施工过程管理提供 了有效的辅助决策工具。 关键词施工管理；高层建筑施工；循环网络仿真；可视化；3DS Max 中图分类号TP391.9 文献标识码A 文章编号1001-019X（2007）03-0013-04 Simulation and Visual Analysis of High-rise Building Construction Process LI Jing-ru College of Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China Abstract High-rise building construction is a complex process influenced by many stochastic factors, and therefore is difficult to be described by mathematical ulas. In this paper the tool named CYCLONE Cyclic Operation Network is utilized to simulate the high-rise building construction process. Optimization of the construction system is pered based on the quantitative inds result from simulation. The construction process is further analyzed visually by 3Ds Max. The simulation has proven to be a helpful tool for construction scheme selection and construction process management. Key Words construction management; high-rise building construction, CYCLONE, visual; 3Ds Max 0 前言 随着技术和经济的发展，高层建筑成为城市中常见的建筑形式。高层建筑施工工艺和技术相对复杂， 而且由于场地限制等原因，施工过程中受到的干扰较多，这些都给高层建筑施工组织和管理带来困难。 针对工程施工的高度不确定性，国外从 20 世纪 70 年代就开始了施工过程仿真研究，至今已发展形成了 包括CyclONe、Scrapesin、Resque、Cipros、Stroboscope、Simphony等一系列仿真软件，广泛地应用在如 高层建筑施工、土石方工程施工等工程领域[1]。20 世纪 90 年代以来，可视化技术越来越广泛地应用到仿 真过程，由于可视化技术能充分地挖掘人类视觉获取信息的潜能，为仿真提供更为自然的、易于理解的 表达形式，因此，可视化技术在仿真中的应用大大提高了工程仿真的效率和效果。 本文根据高层建筑施工的特点，采用循环网络技术仿真高层建筑结构施工工程，同时利用 3DS Max 软件建立高层建筑的三维模型，实现施工过程的可视化分析，为施工方案分析和施工过程管理提供辅助 决策工具。 1 高层建筑施工仿真 1.1 高层建筑的施工程序 高层建筑施工主要分为基础工程施工、主体结构施工和装饰工程施工。主体结构施工大多为钢筋混 凝土工程，每一层以放线为开始到完成整个楼层的楼板混凝土浇筑为这一层结束的标志。以框剪结构施 工为例，其标准层的施工工艺流程为完成放线 → 把钢筋吊到施工层上 → 钢筋工绑扎钢筋 → 木工 和安装工配合塔吊进行电梯间的大模板吊装和校正 → 柱、墙的模板安装 → 全部模板完成后，即可浇 筑电梯间、柱和剪力墙混凝土 → 进行养护 → 开始支立梁和楼板的模板 → 绑扎钢筋 → 浇筑混凝土 → 养护。如此不断循环，直到全部楼层施工结束为止。 14 建 筑 管 理 现 代 化 2007 年第 3 期 如图 1 所示。 放线， 吊运钢筋 安装楼板模板， 绑扎楼板钢筋， 拆墙柱模板 浇楼板混凝土养护 浇柱墙混凝土 混凝土养护， 吊楼板模板 绑扎钢筋，电 梯井柱、墙模板 安装 图 1 标准层结构施工流程图 高层建筑的基础工程和装饰工程施工 也是循环往返进行的，如装饰工程可分为 内檐与外檐装饰。内檐装饰在主体结构完 成了指定层数后开始，逐层进行。外檐装 饰是在主体结构全部完成后，从顶层开始 逐层向下进行施工的。本文仅以主体结构 施工为例，讨论循环网络技术在施工过程 仿真中的应用。 1.2 循环网络仿真 循环网络仿真（Cycle Operation Network，简称CyclONe）[2]是在工程建设中应用的最早也最广泛的 仿真技术，至今已是一种比较成熟和完善的方法。它通过将排队论和仿真技术应用到网络计划技术中， 对具有随机时间的循环施工过程进行仿真，计算出不同资源水平和施工组织情况下，循环施工过程的工 期和费用；通过灵敏度分析得到合理的机械设备配备数量和理想可行的工期成本施工方案，从而全面而 深入地反映循环施工的运行过程。 循环网络模型由流水单元、矢线和节点组成。流水单元（简称流元）是指在系统中不断进行的状态 交换和流动的实体，及进行作业所需的资源实体，如机械设备、材料、空间等。系统运行的全过程就是 流元的动态流动过程。矢线表示各流元的流动方向和活动的顺序逻辑关系，不消耗时间资源。节点分为 一般节点、复合节点、排队节点、职能节点和控制节点，分别表示工作各种状态和功能[3]。根据施工作 业逻辑关系，将它们用矢线连接起来，并加入控制机制，即可构造出CyclONe模型来表达实际施工过程。 1.3 CyclONe 模型 建模时，首先应确定施工循环过程中应包括的活动，以及它们之间的逻辑关系。然后，确定进行各 活动所需要的资源种类与数量。在每一层主体结构施工中，包括的活动和其间的逻辑关系如前所述。涉 及的主要资源有塔吊、各工种施工队及电梯、剪力墙大模板和楼板模板等。在这些主要资源中塔吊主要 与安装工配合进行有关的垂直运输工作，包括吊运钢筋、调运各种模板和辅助拆除模板；塔吊服务的优 先原则是节点编号小者优先。通过上述分析，建立 CyclONe 仿真模型如图 2 所示。 1.4 仿真原理 施工系统可以作为离散系统进行仿真。离散系统用仿真钟记录系统随时间变化的过程。仿真钟的推 进通常分为事件步长法和时间步长法，为提高仿真效率，节省计算时间，本文中采用事件步长法。按照 事件步长法仿真的基本思路[4]就是认为系统的仿真过程是一系列事件发生的过程，可以用事件表按顺序 记录各个事件发生的时间和类型，仿真钟每次推进到最早发生的事件，处理了当前事件后，将其从事件 表中去除，同时预测其后继事件的出现时间，并记录到事件表。仿真钟继续推进到下一最早发生的事件， 重复上述过程，直到到达仿真结束时间。 对上述循环网络模型，仿真首先从放线和吊钢筋开始，依次进行墙柱扎筋、支模、浇筑和楼板的支 模、扎筋、浇筑，其中复合节点需要满足所有需要的资源已经到位及有足够的空闲空间（即紧前的排队 节点都有流元）才能开始。 2 高层建筑施工三维可视化 可视化（Visualization）技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将数据换为图形或图像在屏 幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。利用可视化技术来反映仿真结果可以有效地增强 仿真工具的可操作性，充分利用人类强大的视觉能力和形象思维能力，促进对仿真数据更深一层的理解， 发现客观世界隐藏的现象和规律。 总第 94 期 李景茹高层建筑施工过程仿真及可视化分析 15 体的三维模型效率较低。3DS MAX 是目前世界上最常用的三维建模及动画制作软件，具 有强 计图纸画出基本的构件，然后通过复制和定位 组合 程中任意时刻的三维形象模型。3DS Max 提供了丰富的三 维建 楼 14 层，群楼 2 层，楼高 61.42m，建筑面积 7 022m2。首层层高为 6.0m，二三层层高 为 4. 工主要采用塔吊，负责模板、钢筋的垂直运输。 资源方案塔吊（台） 仿真时间（min） 国外一些 学者从 20 世 纪 90 年代初 开始施工过程 三维可视化研 究。 CAD[5-7]是 用来实现三维 可视化的常用 工具，例如， McKinney等 将 3D CAD与 施工进度计划 联接，按照指 定的时刻显示 施工的三维面 貌。申明亮等 应 用 OpenGL 进行混凝土坝 施工的三维动 态 图 形 仿 真 [8] 。虽然 AutoCAD和OpenGL的三维造型功能已有很大加强，但它们没有提供建立三维模型的高级命令， 建立复杂物 可用 楼板 浇混 凝土 空间 空闲 图 2 高层建筑施工 CyclONe 模型 大的可视化三维建模能力和丰富的造型工具。为此，本文采用 3DS Max 建立高层建筑的三维可视化 模型。高层建筑主要由柱、墙、梁、板等构建组成， 而且每个标准层的构件是相同的，因此可以首先按设 成标准层模型，再对整个标准层复制， 搭建起整体模型。同样也可以获得施工过 模功能，很容易实现上述过程。为了更真实地表现模型，还需要为模型设置材质、灯光，经过渲染 的可得到更为生动的效果图。 3 工程应用 3.1 工程概况 某办公大楼主 5m，411 层为标准层，层高 3.8m。该 工程为全现浇混凝土框架剪力墙结构， 剪力 墙设在楼梯间及电梯间， 楼板为现浇钢筋混 凝土结构。模板采用三种模板体系，即为组 合钢模板、木质整体筒模、七夹板槽钢大模 板。组合钢模板用于现浇框架梁、柱，筒模 用于电梯井，大模板用于剪力墙。主楼的施 表 1 不同资源方案下的仿真时间 柱墙模板（套）梁板模板（套） 1 1 1 1 51 025 2 1 2 1 50 514 3 1 1 2 50 258 16 建 筑 管 理 现 代 化 2007 年第 3 期 3.2 仿真计算结果 施工进度仿真系统由 Visual C开发，通过可视界面 将模型的逻辑关系和相关的参数输入， 既可运行系统进行 仿真。 本文主要考虑塔吊、 柱墙模板和梁板模板三种资源， 如表 1 所示，在采用不同的资源组合方案时，得到不同的 仿真完成时间。综合考虑场地布置和费用，本工程塔吊资 源只有 1 台。当柱墙模板由 1 套增加到 2 套时，仿真工期 略有缩短；当增加 1 套楼板模板则可以减少工期约 1.5， 也就是说增加模板对工期的影响较小，综合考虑成本因 素，本工程只需配 1 套立墙模板和 1 套楼板模板。 3.3 高层建筑施工可视化 根据高层建筑的设计图纸和施工工作的逻辑顺序关 系，用 3DS Max 绘制其三维实体模型，如图 3 所示。将 整个施工过程的大量三维图像用相应的软件制成 AVI 格 式的动画，即可动态地演示整个施工过程，为施工方案分 析和施工过程管理提供辅助决策工具。 4 结束语 高层建筑施工过程是一个复杂循环的过程并且带有 随机因素， 不可能准确地用解析方法计算的数学模型来描 述。系统仿真技术为建筑施工过程分析提供了有效的工 具。 本文运用循环网络仿真技术对复杂高层建筑施工过程 进行仿真，从而获得描述其特征的数量指标，并 3DS Max 可视化地分析施工过程，为施工方案分析和施 工过程管理提供了有效的辅助决策工具。 图 3 高层建筑施工三维可视化 参考文献 [1] 李景茹． 大型工程施工进度分析理论方法与应用[D]． 天津天津大学,2003． [2] 钟登华, 李景茹． 全过程动态仿真技术及其在大型工程施工管理中的应用[J]． 天津大学学报,20033347-352． [3] Halpin D W. CYCLONE- for modeling job site processes[J]. Journal of Construction Division，ASCE，1977,1033489-499． [4] 康凤举． 现代仿真技术与应用[M]． 北京国防工业出版社,2001． [5] McKinney K，Kim J，Fischer M，Howard C. Interactive 4D-CAD[A]. Proceedings， 3rd Congress on Computing in Civil Engineering[C]，ASCE，New York， 1996， 383-389． [6] AbouRizk S，Mather K. Simplifying simulation modeling through integration with 3D CAD[J]. Journal of Construction Engineering and Management， ASCE， 2000， 1266475-483． [7] Koo B， Fischer M. Feasibility study of 4D CAD in commercial construction[J]． Journal of Construction Engineering and Management， ASCE， 2000， 126 （4） 251-260． [8] 申明亮, 熊碧露, 肖 宜． 基于OpenGL 的混凝土坝施工三维动态图形仿真[J]． 中国农村水利水电,2005585-87． （上接第 12 页） 参考文献 [1] 李学栋． 管理业务流程设计方法研究[J]． 华东船舶工业学院学报, 16275-76． [2] 甘华鸣． 业务流程[M]． 北京中国国际广播出版社,2002． [3] avi Anupindi（美） ． 企业流程管理[M]． 北京清华大学出版社,2003． [4] 王玉荣． 流程管理（第1版）[M]． 北京机械工业出版社,2002． [5] 陈丽娟． 项目管理流程创新及其信息系统的研究[D]． 上海复旦大学,2001． [6] 王田苗, 胡耀光． 基于价值链的企业流程再造与信息集成[M]． 北京清华大学出版社,2002