虚拟仿真施工技术

随着现代科学技术的发展，虚拟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，究竟什么是虚拟仿真技术呢？它在建筑施工中是如何应用的呢？虚拟仿真技术概概述从传统的系统仿仿真技术来看看，几乎很少少涉及到仿真真人的感知模模型。也就是是，无法模拟拟人对外界的的感知情况。随随着计算机技技术、多媒体体技术、仿真真技术和传感感技术的发展展,人们开始了了人对外界环环境感知模型型的研究。虚虚拟仿真技术术的完美结合合，利用虚拟拟现实技术进进行仿真模型型的建立和试试验的模拟,,使仿真的过过程和结果可可以实现图像像化、可视化化,使仿真的系系统具有三维维、实时交互互、属性提取取等特征,极大地促进进了仿真技术术的发展,同时也使虚虚拟现实技术术更加具有生生命力。虚拟拟仿真技术是是通过建立研研究系统的模模型,结合环境(实际或模拟拟)条件进行研研究、分析和和实验的方法法。虚拟现实实(VR)是在在仿真技术的的基础上发展展起来的,是仿真的高高级阶段;仿真器系统统正在向虚拟拟环境系统演演变。虚拟现现实促进了仿仿真技术的发发展。两者都都是对现实世世界的模拟,,即都是基于于模型的活动动,而且都力图图通过计算机机及各类装置置达到现实世世界尽可能精精确的再现。虚虚拟现实技术术和仿真技术术的结合形成成了虚似仿真真技术。虚拟仿真技术分分类（1）系统仿真真技术仿真(simuulatioon)属于一一门基础性学学科。仿真技技术是以控制制理论、相似似原理、数学学模型与计算算技术、信息息技术、系统统技术及其应应用领域相关关专业技术为为基础,以计算机和和多种专用物物理效应设备备为工具,借助系统模模型,对实际的或或设想的系统统进行动态试试验研究的一一门新兴综合合性技术。它它属于一种可可控制、无破破坏性、耗费费小、并允许许多次重复的的试验手段。它它以其高效、优优质、低廉体体现强大的生生命力和潜在在的能力。它它是迄今为止止最有效的经经济的综合集集成方法,是推动技术术进步的战略略技术。仿真真就是建立系系统的模型((数学模型、物物理效应模型型或数学-物理效应模模型),并在模型型上进行试验验和研究一个个存在的或设设计中的系统统。包括技术术系统,如土木、机机械、电子、水水力、声学、热热学等，也包括社会会、经济、生生态、生物和和管理系统等等非技术系统统。现代仿真真技术的发展展与控制工程程、系统工程程及计算机技技术的发展密密切相关。控控制工程和系系统工程的发发展促进了仿仿真技术的广广泛应用,而计算机的的出现及计算算技术的迅猛猛发展,则为仿真提提供了强有力力的手段和工工具。在系统统运行前,利用仿真模模型作为预测测器,向用户提供供系统运行起起来后,可能产生什什么现象，以便用户修修订计划或决决策;利用仿真模模型作为训练练器,训练系统操操纵人员或管管理人员。在在工程领域,,仿真技术可可以降低系统统的研制成本本,提高系统试试验、调试和和训练过程的的安全。一般认为,建立立模型是仿真真的第一步,,也是十分重重要的一步。传传统仿真技术术中,一个仿真系系统要首先建建立起系统的的数学模型————一次仿仿真模型,然后再改写写成适合计算算机处理的形形式———仿仿真模型。仿仿真模型可以以说是系统二二次近似模型型。建立起仿仿真模型后,,才能书写相应应的程序。仿真基本上是一一种通过试验验求解的技术术。通过仿真真试验要了解解系统中各变变量之间的关关系,观察系统模模型变量变化化的全过程,,此外,为了对仿真真模型进行深深入研究和结结果优化,必须进行多多次运行、系系统优化等工工作,因此,良好的人机机交互性是系系统仿真的一一个重要特性性。（2）虚拟现现实技术虚拟现实(viirtuallrealiity—VR),又称称灵境技术,,实际上是一一种采用计算算机技术制作作模拟仿真的的假想世界技技术。它采用用计算机产生生一个被模拟拟仿真世界的的动态三维视视觉环境,使操作者产产生一种身临临其境的感觉觉,对探讨大量量需要借助形形象思维的问问题颇有帮助助。采用此项项新技术,参与者使用用硬件,如数据手套套、鼠标器、跟跟踪球、操纵纵杆、头盔式式显示器、护护目镜、耳机机及数据配合合获得所需的的感知,来体验计算算机世界境况况。VR环境系统统包括建模、控控制及媒体数数据源三大部部分。建模是是指利用物理理的或数字的的方法,对需要仿真真的实际系统统进行描述获获得近似的数数字模型。这这是进行数字字仿真或半实实物仿真必不不可少的步骤骤。建模是仿仿真的基础,,亦是仿真的的结果,研究新型建建模仿真方法法是其首要任任务。三维立立体显示是其其一项必不可可少的关键技技术,它是系统向向用户输出反反馈信息的主主要手段。（3）系统仿真真技术与虚拟拟现实技术的的结合传统的系统仿真真技术很少研研究人的感知知模型的仿真真,因而无法模模拟人对外界界环境的感知知(听觉、视觉觉、触觉)。随着多媒媒体技术、计计算机动画、传传感技术的发发展,计算机模拟拟外界环境对对人的感官刺刺激开始成为为可能。事实实证明,人类对于图图像、声音等等感官信息的的理解能力远远远大于数字字和文字等抽抽象信息的理理解能力。将将仿真技术与与虚拟现实技技术相结合,,利用虚拟现现实技术进行行仿真模型的的建立和试验验的模拟,使仿真的过过程和结果可可以实现图像像化、可视化化,使仿真的系系统具有三维维、实时交互互、属性提取取等特征,极大地促进进了仿真技术术的发展,同时也使虚虚拟现实技术术更加具有生生命力。2虚拟仿真技技术在建筑施施工中的应用用2.1虚拟建建造技术的应应用建筑工程施工是是一项将设计计图建成实物物的复杂工作作。其施工方方法和组织程程序都存在多多样性、多变变性的特点。目目前,对施工方法法和施工组织织的优化主要要建立在施工工经验基础上上。依靠施工工经验对施工工进行控制和和优化,具有一定的的局限性。特特别是在全新新结构或复杂杂条件下的施施工,依靠经验对对工程施工的的可行性、控控制优化、事事故预测和生生产调度优化化等各方面的的分析和预测测,可能会由于于思维惯性而而忽略重要结结果或由于力力不从心只能能分析局部和和少量结果,,更无法开展展定量分析。建建筑虚拟施工工技术是将以以虚拟现实为为基础的仿真真技术应用于于建筑施工领领域,利用虚拟现现实技术建立立建筑物的几几何模型和施施工过程模型型,对施工方案案进行实时、交交互、逼真的的模拟,验证对比和和优化,进而采用数数字化手段制制定和修改施施工方案,并逐步代替替传统的施工工方案编制方方法。其实施施过程如图所所示。虚拟建造技术应应用流程2.1.1工工程概况正大广场位于于上海浦东陆陆家嘴东方明明珠电视塔下下。平面基本本呈矩形,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、餐饮、娱娱乐为一体的的综合性建筑筑。由于建筑筑规模、设计计造型要求,,本建筑采用用了大量钢结结构,构件数量规规格繁多,各种不同类类型的构件约约30000余件、共5600t,,而结构吊装装工期仅855d,且钢结结构主要集中中在8层以上,重、大型构构件又集中在在建筑物腹地地。单件超大大超长,安装高度各各异,大多数构件件只能用桅杆杆式起重机安安装,吊装有较大大难度。吊装装过程中任何何失误都可能能造成难以估估量的损失,,其施工组织织和施工技术术亟需应用全全新的技术手手段进行验证证。上海正大大广场的虚拟拟施工技术以以满足生产需需求为目标,,利用虚拟现现实技术,通过建立三三维模型,对施工全过过程进行三维维可视化模拟拟,在施工前了了解各种构件件在实际结构构中的相对位位置和相互关关系,对多种施工工方案进行模模拟、验证、对对比和优化,,并提供相应应的施工和安安全控制参数数。2.1.2仿仿真系统的主主要内容1)外景仿真在建筑物建成前前,虚拟建筑物物建成后的周周围环境。将将正大广场按按设计图纸详详细建模渲染染,并将附近建建筑、场景、道道路、黄浦江江等建模渲染染。系统实现现了观察者不不同的观察角角度和漫游方方式。在场景景中加入海洋洋效果、声音音仿真等特效效,使场景更显显真实并具有有动感,沉浸感更强强。在漫游中中实现碰撞检检测功能,使漫游场景景中的各种实实体能真实反反映现实生活活中的各种状状况。2)吊装仿真这是系统的核心心部分。钢结结构施工前在在计算机上完完成各种构件件配装、吊装装的多种试验验和优化工作作。同时利用用多点决策理理论,采用两榀屋屋架同时装配配方案,使装配-吊装过程连连续进行。正正大广场钢结结构数量多、规规格杂、分布布散。施工方方案选用6台塔式起重重机和5部桅杆式起起重机进行吊吊装。按每个个构件的具体体吊装方法及及整个吊装过过程的先后顺顺序,对每个吊装装过程进行吊吊装虚拟。吊吊装过程采用用GSL编程实实现。针对不不同的吊装过过程采用不同同的计算方法法。对塔式起起重机双机抬抬吊采用反运运动学算法。通过正在吊装的的钢结构主梁梁的空间位置置,算出吊装的的转角和小车车的运动行程程。塔式起重重机及桅杆式式起重机单机机起吊吊装动动作则首先通通过手动操作作塔式起重机机或桅杆起重重机运动,在不断试验验中寻找将构构件吊装到位位并能避开障障碍的最佳运运动轨迹,并记录此轨轨迹上的每一一个转折点,,以及在此点点上塔式起重重机和桅杆起起重机的运动动参数。然后后用GSL语言实实现吊装动作作。在吊装试试验过程中,,为解决依靠靠视觉判断是是否存在构件件干涉,无法克服三三维模型显示示在二维屏幕幕上存在的视视觉误差问题题,系统中加入入了构件的实实时碰撞检测测功能。当构构件之间出现现碰撞干涉时时,相应的构件件颜色将产生生变化以提醒醒用户。3)应力和变形形分析包括两方面内容容:①桅杆起重重机主副臂、基基座、缆风绳绳和吊装屋架架的应力分析析通过设计计分析软件,,成功地对桅桅杆起重机吊吊装动态过程程中,各种条件下下主臂、副臂臂、格构柱、缆缆风绳和混凝凝土基座的受受力状况的有有关参数进行行计算,并对吊装屋屋架的应力进进行对比分析析。②对典型型厚板的焊接接过程分析选择典型的的箱形截面焊焊接过程进行行三维有限元元数值模拟。截截面有限元的的网格划分了了8节点块体单单元,同时考虑了了温度使弹性性模量发生的的变化及钢材材从弹性体※※塑性体※弹弹性体的变化化过程,力学模型采采用了非线性性的热弹塑性性模型。经过过连续计算,,获得了箱形形截面的一次次焊接和多层层焊接的温度度场、应力场场和应变场的的变化规律。土钉墙施工场景景灌注桩施工场景景土层锚杆施工场场景2.1.3应应用成效正大广场的施工工虚拟仿真是是国内首次尝尝试仿真技术术应用于建筑筑工程,它对施工全全过程进行模模拟,在施工前了了解各种构件件在实际结构构中的相对位位置及相互关关系,试验多种施施工方法,计算相应工工况应力,对吊装方法法、顺序和吊吊装线路进行行优化。通过过正大广场的的施工实践,,取得了良好好的应用成效效,主要体现如如下。1)通过试验多多种施工方案案,可以在施工工前发现问题题,优化方案,有助于缩短短工期,保障施工安安全和工程质质量。通过实实施施工虚拟拟仿真系统发发现原有施工工方案中存在在的若干不合合理设想和安安全隐患,并提供可靠靠的解决施工工方案。对原原方案中桅杆杆起重机的缆缆风绳布置进进行优化,减少吊装过过程中安、拆拆缆风绳的次次数。2)实现了施工工过程的实时时视觉仿真,,有利于进行行施工前的操操作和安全交交底。3)利用多点决决策优化理论论优化装配吊吊装方案,提高施工工工效。4)开发桅杆起起重机内力分分析程序,提供了起重重机的安全运运行控制要求求,保障桅杆起起重机的安全全运行及屋架架的安全吊装装。5)采用三维有有限元法,获得了数值值模拟箱形截截面焊接过程程的温度、应应力和应变场场等数据和结结论,可有效地指指导施工现场场对焊接变形形的控制。6)对建筑物外外观效果的仿仿真,有助于提高高建筑造型的的合理性和设设计进程,为施工提供供直观指导。2.2复杂空空间钢结构施施工虚拟仿真真分析复杂空间钢结构构的施工成型型过程是一个个从局部到整整体的动态过过程,不同施工阶阶段有不同的的结构形态和和受力特性,,边界条件和和荷载条件也也在变化。在在某一阶段安安装完成后,,结构暂时处处于一个平衡衡状态,继续安装下下一阶段的结结构时,由于变形协协调和内力重重分配,新安装部分分往往会对已已安装结构产产生影响,两者协同变变形达到新的的平衡状态。因因此结构最终终成型后的内内力、位移是是整个施工过过程中各个阶阶段的施工内内力、位移不不断累积而成成的,不同的施工工方法和施工工过程对结构构最终成型时时的结构形态态和受力状态态有很大影响响。安装过程程影响结构受受力的因素众众多且相互关关联,使得对空间间结构施工全全过程进行分分析具有相当当的难度。工工程实践表明明,结构最危险险阶段不一定定出现在结构构竣工以后,,而往往正是是结构未成型型时的临时状状态。大量的的工程事故都都发生在施工工阶段,而其中由于于设计中没有有考虑施工过过程中的诸多多因素,或没有对施施工过程中复杂及突发发情况进行应应有的受力分分析而引起的的占有相当比比例。因此,,考虑施工过过程对结构最最终成型的影影响,对空间结构构进行施工全全过程跟踪仿仿真分析,找到施工过过程中的最危危险阶段并采采取措施进行行控制,无论在理论论还是应用上上,对工程设计计、施工安全全及工程质量量都具有十分分重要的意义义。2.2.1工工程概况广州体育馆由主主场馆、训练练馆、大众活活动中心三部部分组成,可容纳观众众2万名。每个个场馆钢屋盖盖均采用钢支支座、钢环梁梁、主桁架、辐辐射桁架、檩檩条、拉索等等组成大跨度度空间桁架交交叉支撑拉索索轻型钢结构构体系,其几何形状状均由圆锥体体在对称轴两两侧切去一部部分再合并而而成。主场馆馆跨度1600m×110m,,屋盖上弦面面间距10mm,设有环向向主檩条,周边端开间间设交叉钢索索支撑,上弦面另有有4道径向水平平交叉钢索支支撑。辐射桁桁架间在上弦弦主檩条位置置加设环向垂垂直交叉钢索索支撑,钢索在各种种荷载作用下下均保持受拉拉状态,并确保辐射射桁架下弦平平面稳定。主主檩条采用QQ345低合合金钢,辐射桁架下下弦采用166Mn钢,拉索采用镀镀锌高强低松松弛预应力钢钢绞线,外包白色高高密度聚乙烯烯膜,裸索直径155.2mm,,整体直径188mm,强度度等级17700MPaa。主场馆拉拉索共计8336根,其中垂直索索636根、水水平索2000根。本工程程索数量多,,构件几何尺尺寸细长、刚刚度小、稳定定性差,索力精确度度要求很高,,设计要求所所有交叉钢索索均施加255～40kN预应应力,屋盖施工完完成后,垂直交叉索索应保持155～40kN以上上的预应力,,同时同一榀榀桁架的2根钢索垂直直力差不得大大于5kN。而预预应力拉索在在张拉过程中中会相互影响响,要精确地确确定拉索张拉拉力十分复杂杂。一方面,,结构是一个个具有大量单单元的三维空空间结构,在114个平面面内每根拉索索内力都不相相同;另一方面,施加预应力力是多次进行行的,导致相互反反复影响,且张拉后还还要经历主场场馆拆除支撑撑对拉索的影影响。因此如如何确定拉索索施工顺序和和张拉力,是否存在索索预应力损失失规律,如何确保拉拉索最终拉力力精度是施工工中的技术难难题。2.2.2仿仿真分析的主主要内容仿真分析的主要要内容有:①主桁架临临时钢支撑方方案及设计;;②主桁架吊吊装验算;③辐射桁架架安装过程主主桁架挠度变变化动态跟踪踪验算;④辐射桁架架吊装验算;;⑤辐射桁架架吊装过程;;⑥预应力拉拉索张拉对相相邻桁架交叉叉索力的影响响范围;⑦拆撑前后后索预应力损损失规律计算算;⑧拆除支撑撑后屋盖中点点挠度计算及