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？虚拟仿真技术概述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。虚拟仿真技术的完美结合，利用虚拟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,使仿真的系统具有三维、实时交互、属性提取等特征,极大地促进了仿真技术的发展,同时也使虚拟现实技术更加具有生命力。虚拟仿真技术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。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拟环境系统演变。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。虚拟现实技术和仿真技术的结合形成了虚似仿真技术。虚拟仿真技术分类系统仿真技术仿真(simulation)属于一门基础性学科。仿真技术是以控制理论、相似原理、,以,对实际的或设想的系统进行是推动技术进步的战略技术。仿-),并在模型,如土木、机械、电,而计算机的出现及计算技术,,利用仿真模型作,可能产生什么现象，以便用户修订计划或决策;,,仿真技术,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,一个仿真系统要首先建立起系统的数学模型———一次仿真模型,然后再改写成适合计算机处理的形式———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。仿真基本上是一种通过试验求解的技术。通过仿真试验要了解系统中各变量之间的关系,观察系统模型变量变化的全过程,此外,为了对仿真模型进行深入研究和结果优化,必须进行多次运行、系统优化等工作,因此,良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。虚拟现实技术虚拟现实(virtualreality—VR),,实际上是一种采用计算机技术制作模拟仿真的假想世界技术。它采用计算机产生一个被模拟仿真世界的动态三维视觉环境,,对探讨大量需要借助形象思维的问题颇有,如数据手套、鼠标器、跟踪球、操纵杆、头盔式显示器、护目镜、耳机及数据配合获得所需的感知,VR环境系统包括建模、控制及媒体数据源三大部分。建模是指利用物理的或数字的方法,对需要仿真的实际系统进行描述获得近似的数字模型。这是进行数字仿真或半实物仿真必不可少的步骤。建模是仿真的基础,亦是仿真的结果,研究新型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少的关键技术,它是系统向用户输出反馈信息的主要手段。系统仿真技术与虚拟现实技术的结合,因而无法模拟人对外界环境的感知)计,人类对于图像、声音,使仿真使仿真的系统具有三维、实时交互、属性提取等特征,极大地促进了仿真技术的发展,同时也使虚拟现实技术更加具有生命力。虚拟仿真技术在建筑施工中的应用虚拟建造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,具有一定的局限性。特别是在全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、事故预测和生产调度优化等各方面的分析和预测,可能会由于思维惯性而忽略重要结果或由于力不从心只能分析局部和少量结果,更无法开展定量分析。建筑虚拟施工技术是将以虚拟现实为基础的仿真技术应用于建筑施工领域,利用虚拟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、逼真的模拟,验证对比和优化,进而采用数字化手段制定和修改施工方案,并逐步代替传统的施工方案编制方法。其实施过程如图所示。虚拟建造技术应用流程工程概况,地下3层,10层260m,100m,50m,24.3是集商,本建筑采用,30005600t,而85d,8,重、大型构件又集中在建筑物,,吊装有较其施工组织和施工技术为目标,,,对多种施工方案进行,并提供相应的施工和安全控制参数。仿真系统的主要内容外景仿真在建筑物建成前,虚拟建筑物建成后的周围环境。将正大广场按设计图纸详细建模渲染,并将附近建筑、场景、道路、黄浦江等建模渲染。系统实现了观察者不同的观察角度和漫游方式。在场景中加入海洋效果、声音仿真等特效,使场景更显真实并具有动感,沉浸感更强。在漫游中实现碰撞检测功能,使漫游场景中的各种实体能真实反映现实生活中的各种状况。吊装仿真,使装配-吊装过程连续进行。正大广场钢结构数量多、规格杂、分布散。施工方案选用6台塔式起重机和5GSL编程实现。针对算出吊装的转角和小车的运动行程。,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。然后用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是否存在构件干涉,无法克服三维模型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醒用户。应力和变形分析包括两方面内:①桅杆起重机主副臂、基座、缆风绳和吊装屋架的应力分析通过设计分析软,成功地对桅杆起重机吊装动态过程各种条件下主臂、副臂、格构柱、缆风绳和混凝土基座的受力状况的有关参数进行计,并对吊装屋架的应力进行对比分析。②对典型厚板的焊接过程分析 选择典型的箱形截面焊接过程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,力学模型采用了非线性的热弹塑性模型。经过连续计,获得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成效正大广场的施工虚拟仿真是国内首次尝试仿真技术应用于建筑工程,它对施工全过程进行模拟,在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置及相互关系,试验多种施工方法,计算相应工况应力,对吊装方法、顺序和吊装线路进行优化。通过正大广场的施工实践,取得了良好的应用成效,主要体现如下。,,,,并提供可靠的解决施工方案。对原方案中桅杆起重机减少吊装过程中安、拆缆风绳的次数。,有利于进行施工前的操作和安全交底。,提高施工工效。,起重机的安全运行及屋架的安全吊装。,,可有效地指导施工现场对焊接变形的控制。,提供直观指导。复杂空间钢结构施工虚拟仿真分析不同施工阶边界条件和荷载条件也在变化。在某一阶段安装完成后,,由于变形协调和内,,两者协同变形达到新的平衡状,不同的施工方法和施工过程对结构最终成型时的结构形态和受,使得对空间结,结构最危险阶段不一定出,而往往正是结构未成型时的临时状态。大量的工程事故都发生,或没有对施工过程中复杂及突发情况进行应有的受力分析而引起的占有相当比例。因此,考虑施工过程对结构最终成型的影响,对空间结构进行施工全过程跟踪仿真分析,找到施工过程中的最危险阶段并采取措施进行控制,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具有十分重要的意义。工程概况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,其几何形状均由圆锥体在对称轴两侧160m×110m,10m,设有环向主檩条,4道径向水平交叉钢索支撑。辐射,钢索在各种荷载作用下均保,Q345辐射桁架16Mn钢,,外包白色高密度聚乙烯膜,15.2mm,18mm,1700MPa836根,636200构件几何尺寸细长、刚度,25～40kN预应力,,15～40kN同时同一榀桁架的25kN,,在114,导致相互,且张拉后还要经历主场馆拆除支撑对拉索的影响。因此如何确定拉索施,如何确保拉索最终拉力精度是施工中的技术难题。仿真分析的主要内容仿真分析的主要内容有:①主桁架临时钢支撑方案及设计;②主桁架吊装验算;③辐射桁架安装过程主桁架挠度变化动态跟踪验算;④辐射桁架吊装验算;⑤辐射桁架吊装过程;⑥预应力拉索张拉对相邻桁架交叉索力的影响范围;⑦拆撑前后索预应力损失规律计算;⑧拆除支撑后屋盖中点挠度计算及施工方案控制值;⑨拆除支撑顺序动态跟踪验算。此工程完工后,经过应力、应变及变形测量,各项数据均与结构仿真结果相符。三维动画技术利用三维动画模拟演示工程施工的关键流程和技术要点,以形象直观的视觉效果让业主和专家在最短的时间内了解技术方案的核心,既展示企业的技术优势,又能为工程中标增加砝码。该技术是计算机仿真技术应用中相对难度较低,投入较少,容易大范围推广的技术,已在上海环球金融中心、中央电视台新址、广州珠江新城西塔等项目的投标中成功应用,取得了良好的效果。建筑施工方案动画包含二维动画和三维动画两部分,而三维动画主要包括建筑漫游动画和施工工艺流程动画两部分,建筑漫游动画通常出现在作品的前部和后部,用来表现建筑主体完成后的真实场景,包括建筑主体及周边环境。这阶段的三维动画要求制作者能把握三维制作软件的建模,材质处理、灯光渲染、动画等各项要素,使用富有穿透力的镜头语言和动画特效体现特定的动画气氛,