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？1.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。

2.虚拟仿真技术分类（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相关专业技术为基础,以计算机和多种专用物理效应设备为工具,借助系统模型,对实际的或设想的系统进行动态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、并允许多次重复的试验手段。

它以其高效、优质、低廉体现强大的生命力和潜在的能力。

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),并在模型上进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密切相关。

控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用,而计算机的出现及计算技术的迅猛发展,则为仿真提供了强有力的手段和工具。

在系统运行前,利用仿真模型作为预测器,向用户提供系统运行起来后,可能产生什么现象，以便用户修订计划或决策;利用仿真模型作为训练器,训练系统操纵人员或管理人员。

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。

（2）虚拟现实技术虚拟现实(virtualreality—VR),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,使操作者产生一种身临其境的感觉,对探讨大量需要借助形象思维的问题颇有帮助。

采用此项新技术,参与者使用硬件,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,来体验计算机世界境况。

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。

（3）系统仿真技术与虚拟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,因而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、计算机动画、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的理解能力。

将仿真技术与虚拟现实技术相结合,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。

2虚拟仿真技术在建筑施工中的应用2.1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2.1.1工程概况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,构件数量规格繁多,各种不同类型的构件约3 000余件、共5 600t,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腹地。

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难以估量的损失,其施工组织和施工技术亟需应用全新的技术手段进行验证。

上海正大广场的虚拟施工技术以满足生产需求为目标,利用虚拟现实技术,通过建立三维模型,对施工全过程进行三维可视化模拟,在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置和相互关系,对多种施工方案进行模拟、验证、对比和优化,并提供相应的施工和安全控制参数。

2.1.2仿真系统的主要内容1)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。

2)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配方案,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5部桅杆式起重机进行吊装。

按每个构件的具体吊装方法及整个吊装过程的先后顺序,对每个吊装过程进行吊装虚拟。

吊装过程采用GSL编程实现。

针对不同的吊装过程采用不同的计算方法。

对塔式起重机双机抬吊采用反运动学算法。

通过正在吊装的钢结构主梁的空间位置,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首先通过手动操作塔式起重机或桅杆起重机运动,在不断试验中寻找将构件吊装到位并能避开障碍的最佳运动轨迹,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。

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。

3)应力和变形分析包括两方面内容: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件,成功地对桅杆起重机吊装动态过程中,各种条件下主臂、副臂、格构柱、缆风绳和混凝土基座的受力状况的有关参数进行计算,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。

经过连续计算,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2.1.3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。

1)通过试验多种施工方案,可以在施工前发现问题,优化方案,有助于缩短工期,保障施工安全和工程质量。

通过实施施工虚拟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,并提供可靠的解决施工方案。

对原方案中桅杆起重机的缆风绳布置进行优化,减少吊装过程中安、拆缆风绳的次数。

2)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。

3)利用多点决策优化理论优化装配吊装方案,提高施工工效。

4)开发桅杆起重机内力分析程序,提供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。

5)采用三维有限元法,获得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。

6)对建筑物外观效果的仿真,有助于提高建筑造型的合理性和设计进程,为施工提供直观指导。

2.2复杂空间钢结构施工虚拟仿真分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态过程,不同施工阶段有不同的结构形态和受力特性,边界条件和荷载条件也在变化。

在某一阶段安装完成后,结构暂时处于一个平衡状态,继续安装下一阶段的结构时,由于变形协调和内力重分配,新安装部分往往会对已安装结构产生影响,两者协同变形达到新的平衡状态。

因此结构最终成型后的内力、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力状态有很大影响。