虚拟仿真施工技术

1、随着现代科学技术的发展，虚假技术与仿真技术的有效整合，并成功应用于设计、施工中，大大改变了传统的设计、施工模式。那么，终归什么是虚假仿真技术呢？它在建筑施工中是如何应用的呢？虚假仿真技术归纳从传统的系统仿真技术来看，几乎很少涉及到仿真人的感知模型。也就是，无法模拟人对外界的感知情况。随着计算机技术、多媒体技术、仿真技术和传感技术的发展,人们开始了人对外界环境感知模型的研究。虚假仿真技术的圆满结合，利用虚假现实技术进行仿真模型的建立和试验的模拟,使仿真的过程和结果可以实现图像化、可视化,使仿真的系统拥有三维、实时交互、属性提取等特点,极大地促进了仿真技术的发展,同时也使虚假现实技术更加拥有生命力

2、。虚假仿真技术是经过建立研究系统的模型,结合环境(实质或模拟)条件进行研究、解析和实验的方法。虚拟现实(VR)是在仿真技术的基础上发展起来的,是仿真的高级阶段;仿真器系统正在向虚假环境系统演变。虚假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,而且都力求经过计算机及各种装置达到现实世界尽可能精确的再现。虚假现实技术和仿真技术的结合形成了虚似仿真技术。虚假仿真技术分类（1）系统仿真技术仿真(simulation)属于一门基础性学科。仿真技术是以控制理论、相似原理、数学模型与计算技术、信息技术、系统技术及其应用领域有关专业技术为基础,以计算机和多种专用物理效应设备为工具

3、,借助系统模型,对实质的或设想的系统进行动向试验研究的一门新兴综合性技术。它属于一种可控制、无破坏性、耗费小、并允好多次重复的试验手段。它以其高效、优异、廉价表现富强的生命力和潜藏的能力。它是迄今为止最有效的经济的综合集成方法,是推动技术进步的战略技术。仿真就是建立系统的模型(数学模型、物理效应模型或数学-物理效应模型),并在模型进步行试验和研究一个存在的或设计中的系统。包括技术系统,如土木、机械、电子、水力、声学、热学等，也包括社会、经济、生态、生物和管理系统等非技术系统。现代仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机技术的发展亲近有关。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用,而计

4、算机的出现及计算技术的迅猛发展,则为仿真供应了强有力的手段和工具。在系统运行前,利用仿真模型作为展望器,向用户供应系统运行起来后,可能产生什么现象，以便用户校正计划或决策;利用仿真模型作为训练器,训练系统控制人员或管理人员。在工程领域,仿真技术可以降低系统的研制成本,提高系统试验、调试和训练过程的安全。一般认为,建立模型是仿真的第一步,也是十分重要的一步。传统仿真技术中,一个仿真系统要第一建立起系统的数学模型一次仿真模型,尔后再改写成适合计算机办理的形式仿真模型。仿真模型可以说是系统二次近似模型。建立起仿真模型后,才能书写相应的程序。仿真基本上是一种经过试验求解的技术。经过仿真试验要认识系统中

5、各变量之间的关系,观察系统模型变量变化的全过程,其他,为了对仿真模型进行深入研究和结果优化,必定进行多次运行、系统优化等工作,所以,优异的人机交互性是系统仿真的一个重要特点。（2）虚假现实技术虚假现实(virtualrealityVR),又称灵境技术,实际上是一种采用计算机技术制作模拟仿真的设想世界技术。它采用计算机产生一个被模拟仿真世界的动向三维视觉环境,使操作者产生一种身临其境的感觉,对商议大量需要借助形象思想的问题很有帮助。采用此项新技术,参加者使用硬件,如数据手套、鼠标器、追踪球、控制杆、头盔式显示器、护目镜、耳机及数据配合获取所需的感知,来体验计算机世界情况。VR环境系统包括建模、控

6、制及媒体数据源三大多数。建模是指利用物理的或数字的方法,对需要仿真的实质系统进行描述获取近似的数字模型。这是进行数字仿真或半实物仿真必不可以少的步骤。建模是仿真的基础,亦是仿真的结果,研究新式建模仿真方法是其首要任务。三维立体显示是其一项必不可以少的要点技术,它是系统向用户输出反响信息的主要手段。（3）系统仿真技术与虚假现实技术的结合传统的系统仿真技术很少研究人的感知模型的仿真,所以无法模拟人对外界环境的感知(听觉、视觉、触觉)。随着多媒体技术、计算灵巧画、传感技术的发展,计算机模拟外界环境对人的感官刺激开始成为可能。事实证明,人类对于图像、声音等感官信息的理解能力远远大于数字和文字等抽象信息

7、的理解能力。将仿真技术与虚假现实技术相结合,利用虚假现实技术进行仿真模型的建立和试验的模拟,使仿真的过程和结果可以实现图像化、可视化,使仿真的系统拥有三维、实时交互、属性提取等特点,极大地促进了仿真技术的发展,同时也使虚假现实技术更加拥有生命力。虚假仿真技术在建筑施工中的应用2.1虚建立筑技术的应用建筑工程施工是一项将设计图建成实物的复杂工作。其施工方法和组织程序都存在多样性、多变性的特点。目前,对施工方法和施工组织的优化主要建立在施工经验基础上。依靠施工经验对施工进行控制和优化,拥有必然的限制性。特别是在崭新结构或复杂条件下的施工,依靠经验对工程施工的可行性、控制优化、事故展望和生产调换优化

8、等各方面的解析和展望,可能会由于思想惯性而忽略重要结果或由于力所不及只能解析局部和少量结果,更无法睁开定量解析。建筑虚假施工技术是将以虚假现实为基础的仿真技术应用于建筑施工领域,利用虚假现实技术建立建筑物的几何模型和施工过程模型,对施工方案进行实时、交互、传神的模拟,考据比较和优化,进而采用数字化手段拟定和更正施工方案,并渐渐代替传统的施工方案编制方法。其推行过程以下列图。虚建立筑技术应用流程工程大要正大广场位于上海浦东陆家嘴东方明珠电视塔下。平面基本呈矩形,地下3层,地上10层,长约260m,宽约100m,总高度50m,总建筑面积达24.3万m2,是集商业、餐饮、娱乐为一体的综合性建筑。由于

9、建筑规模、设计造型要求,本建筑采用了大量钢结构,构件数量规格众多,各种不相同种类的构件约3000余件、共5600t,而结构吊装工期仅85d,且钢结构主要集中在8层以上,重、大型构件又集中在建筑物要地。单件超大超长,安装高度各异,大多数构件只能用桅杆式起重机安装,吊装有较大难度。吊装过程中任何失误都可能造成不可估量的损失,其施工组织和施工技术亟需应用崭新的技术手段进行考据。上海正大广场的虚假施工技术以满足生产需求为目标,利用虚假现实技术,经过建立三维模型,对施工全过程进行三维可视化模拟,在施工前认识各种构件在实质结构中的相对地址和互有关系,对多种施工方案进行模拟、考据、比较和优化,并供应相应的施

10、工和安全控制参数。仿真系统的主要内容外景仿真在建筑物建成前,虚建立筑物建成后的周围环境。将正大广场按设计图纸详细建模衬着,并将周边建筑、场景、道路、黄浦江等建模衬着。系统实现了观察者不同的观察角度和游览方式。在场景中加入海洋见效、声音仿真等特效,使场景更显真实并拥有动感,陶醉感更强。在游览中实现碰撞检测功能,使游览场景中的各种实体能真实反响现实生活中的各种情况。吊装仿真这是系统的核心部分。钢结构施工前在计算机上完成各种构件配装、吊装的多种试验和优化工作。同时利用多点决策理论,采用两榀屋架同时装置方案,使装置-吊装过程连续进行。正大广场钢结构数量多、规格杂、分布散。施工方案采用6台塔式起重机和5

11、部桅杆式起重机进行吊装。按每个构件的详细吊装方法及整个吊装过程的先后序次,对每个吊装过程进行吊装虚假。吊装过程采用GSL编程实现。针对不相同的吊装过程采用不相同的计算方法。对塔式起重机双机抬吊采用反运动学算法。经过正在吊装的钢结构主梁的空间地址,算出吊装的转角和小车的运动行程。塔式起重机及桅杆式起重机单机起吊吊装动作则第一经过手动操作塔式起重机或桅杆起重机运动,在不断试验中搜寻将构件吊装到位并能避开阻挡的最正确运动轨迹,并记录此轨迹上的每一个转折点,以及在此点上塔式起重机和桅杆起重机的运动参数。尔后用GSL语言实现吊装动作。在吊装试验过程中,为解决依靠视觉判断可否存在构件干涉,无法战胜三维模型

12、显示在二维屏幕上存在的视觉误差问题,系统中加入了构件的实时碰撞检测功能。当构件之间出现碰撞干涉时,相应的构件颜色将产生变化以提示用户。应力和变形解析包括两方面内容:桅杆起重机主副臂、基座、缆风绳和吊装屋架的应力解析经过设计解析软件,成功地对桅杆起重机吊装动向过程中,各种条件下主臂、副臂、格构柱、缆风绳和混凝土基座的受力情况的有关参数进行计算,并对吊装屋架的应力进行比较解析。对典型厚板的焊接过程解析选择典型的箱形截面焊接过程进行三维有限元数值模拟。截面有限元的网格划分了8节点块体单元,同时考虑了温度使弹性模量发生的变化及钢材从弹性体塑性体弹性体的变化过程,力学模型采用了非线性的热弹塑性模型。经过

13、连续计算,获取了箱形截面的一次焊接和多层焊接的温度场、应力场和应变场的变化规律。土钉墙施工场景灌注桩施工场景土层锚杆施工场景应用见效正大广场的施工虚假仿真是国内首次试一试仿真技术应用于建筑工程,它对施工全过程进行模拟,在施工前认识各种构件在实质结构中的相对地址及互有关系,试验多种施工方法,计算相应工况应力,对吊装方法、序次和吊装线路进行优化。经过正大广场的施工实践,获取了优异的应用见效,主要表现以下。经过试验多种施工方案,可以在施工前发现问题,优化方案,有助于缩散工期,保障施工安全和工程质量。经过推行施工虚假仿真系统发现原有施工方案中存在的若干不合理设想和安全隐患,并供应可靠的解决施工方案。对

14、原方案中桅杆起重机的缆风绳部署进行优化,减少吊装过程中安、拆缆风绳的次数。实现了施工过程的实时视觉仿真,有利于进行施工前的操作和安全交底。利用多点决策优化理论优化妆配吊装方案,提高施工工效。开发桅杆起重机内力解析程序,供应了起重机的安全运行控制要求,保障桅杆起重机的安全运行及屋架的安全吊装。采用三维有限元法,获取了数值模拟箱形截面焊接过程的温度、应力和应变场等数据和结论,可有效地指导施工现场对焊接变形的控制。对建筑物外观见效的仿真,有助于提高建筑造型的合理性和设计进度,为施工供应直观指导。2.2复杂空间钢结构施工虚假仿真解析复杂空间钢结构的施工成型过程是一个从局部到整体的动向过程,不相同施工阶

15、段有不相同的结构形态和受力特点,界线条件和荷载条件也在变化。在某一阶段安装完成后,结构临时处于一个平衡状态,连续安装下一阶段的结构时,由于变形协调停内力重分配,新安装部分经常会对已安装结构产生影响,两者共同变形达到新的平衡状态。所以结构最后成型后的内力、位移是整个施工过程中各个阶段的施工内力、位移不断累积而成的,不相同的施工方法和施工过程对结构最后成型时的结构形态和受力状态有很大影响。安装过程影响结构受力的要素众多且互有关系,使得对空间结构施工全过程进行解析拥有相当的难度。工程实践表示,结构最危险阶段不用然出现在结构竣工今后,而经常正是结构未成型时的临时状态。大量的工程事故都发生在施工阶段,而

16、其中由于设计中没有考虑施工过程中的诸多要素,或没有对施工过程中复杂及突发情况进行应有的受力解析而引起的占有相当比率。所以,考虑施工过程对结构最后成型的影响,对空间结构进行施工全过程追踪仿真解析,找到施工过程中的最危险阶段并采用措施进行控制,无论在理论还是应用上,对工程设计、施工安全及工程质量都拥有十分重要的意义。工程大要广州体育馆由主场馆、训练馆、大众活动中心三部分组成,可容纳观众2万名。每个场馆钢屋盖均采用钢支座、钢环梁、主桁架、辐射桁架、檩条、拉索等组成大跨度空间桁架交织支撑拉索轻型钢结构系统,其几何形状均由圆锥体在对称轴两侧切去一部分再合并而成。主场馆跨度160m110m,屋盖上弦面间距

17、10m,设有环向主檩条,周边端开间设交织钢索支撑,上弦面还有4道径向水平交织钢索支撑。辐射桁架间在上弦主檩条地址加设环向垂直交织钢索支撑,钢索在各种荷载作用下均保持受拉状态,并保证辐射桁架下弦平面牢固。主檩条采用Q345低合金钢,辐射桁架下弦采用16Mn钢,拉索采用镀锌高强低废弛预应力钢绞线,外包白色高密度聚乙烯膜,裸索直径15.2mm,整体直径18mm,强度等级1700MPa。主场馆拉索共计836根,其中垂直索636根、水平索200根。本工程索数量多,构件几何尺寸修长、刚度小、牢固性差,索力精确度要求很高,设计要求所有交织钢索均施加2540kN预应力,屋盖施工完成后,垂直交织索应保持1540

18、kN以上的预应力,同时同一榀桁架的2根钢索垂直力差不得大于5kN。而预应力拉索在张拉过程中会相互影响,要精确地确定拉索张拉力十分复杂。一方面,结构是一个拥有大量单元的三维空间结构,在114个平面内每根拉索内力都不相同;另一方面,施加预应力是多次进行的,以致相互屡次影响,且张拉后还要经历主场馆拆掉支撑对拉索的影响。所以如何确定拉索施工序次和张拉力,可否存在索预应力损失规律,如何保证拉索最后拉力精度是施工中的技术难题。仿真解析的主要内容仿真解析的主要内容有:主桁架临时钢支撑方案及设计;主桁架吊装验算;辐射桁架安装过程主桁架挠度变化动向追踪验算;辐射桁架吊装验算;辐射桁架吊装过程;预应力拉索张拉对相邻桁架交织索力的影响范围;拆撑前后索预应力损失规律计算;拆掉支撑后屋盖中点挠度计算及施工方案