摘要： 仿真技術是以相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一門綜合技術。簡單的說，仿真技術是對系統模型的一種試驗技術。

　　關鍵詞： 仿真技術 廣場施工

　　仿真技術是以相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一門綜合技術。簡單的說，仿真技術是對系統模型的一種試驗技術。

　　建筑工程施工是一項將設計圖建成實物的復雜工作。其施工方法和組織程序都存在多樣性、多變性。至今，對施工方法和施工組織的優化主要建立在施工經驗基礎上。依靠施工經驗對施工進行控制和優化，具有一定的局限性。特別是在全新結構或復雜條件下的施工，依靠經驗對工程施工的可行性、控制優化、事故預測和生產調度優化等各方面的分析和預測，可能會由于思維慣性而忽略重要結果或由于力不從心只能分析局部和少量結果，更無法開展定量分析。而依靠仿真技術這一高效節省的試驗方法，能夠跟蹤施工過程的各環節。對施工生產全過程進行試驗，驗證優化施工技術和施工組織。鑒于仿真技術的顯著優越性，中建三局和華中科技大學合作，以上海正大商業廣場項目為背景，對仿真技術應用于建筑工程施工進行了嘗試。

　　1. 工程概況

　　正大廣場位于上海浦東陸家嘴東方明珠電視塔下。平面基本呈矩形，地下3層，地上10層，長約260m，寬約100m，總高度50m，總建筑面積達24.3萬平方，是集商業、餐飲、娛樂為一體的綜合性建筑。

　　本建筑由于建筑規模、設計造型要求，采用了大量鋼結構，構件數量規格繁多，各種不同類型的構件約3000 余件、共5600T，而結構吊裝工期僅85天，且鋼結構主要集中在8層以上，重、大型構件又集中在建筑物腹地。單件超大超長，安裝高度各異，大多數構件只能用桅桿式起重機安裝，吊裝有較大難度。吊裝過程中任何失誤都可能造成難以估量的損失，其施工組織和施工技術亟需應用全新的技術手段進行驗證。

　　2. 仿真系統的主要內容

　　“上海正大商業廣場施工虛擬仿真系統”以滿足生產需求為目標，使用虛擬現實技術對施工過程進行模擬，主要包括三大部分內容。

　　2.1 第一部分：外景仿真

　　在建筑物建成前，虛擬顯現建筑物建成后周圍的環境。

　　將正大廣場按現設計圖紙詳細建模渲染，并將附近建筑、場景、道路、黃浦江等建模渲染，使觀察者如身臨其境。系統實現了觀察者不同的觀察角度和漫游方式，使觀察者能自由地在場景中漫游;在場景中加入海洋效果、聲音仿真等特效，使場景更顯真實并具有動感，沉浸感更強。在漫游中實現了碰撞檢測功能，使漫游場景中的各種實體能真實反映現實生活中的各種狀況。例如，運動物體遇到障礙物會停止運動，在高低不平的道路上，能夠隨地形起伏運動等。

　　2.2 第二部分：吊裝仿真

　　這是系統的核心部分。于鋼結構施工前在計算機上完成各種構件配裝、吊裝的多種試驗和優化工作。同時利用多點決策理論，采用兩榀屋架同時裝配方案，使裝配-吊裝過程連續進行。

　　正大商業廣場鋼結構數量多、規格雜、分布散。施工方案選用6 臺塔吊和5部桅桿式起重機進行吊裝。課題組成員能按每個構件的具體吊裝方法及整個吊裝過程的先后順序，對每個吊裝過程進行吊裝虛擬。吊裝過程采用GSL編程實現。針對不同的吊裝過程采用了不同的計算方法。對塔吊雙機抬吊采用了反運動學算法。通過正在吊裝的鋼結構主梁的空間位置，算出吊裝的轉角和小車的運動行程。塔吊及桅桿式起重機單機起吊吊裝動作則首先通過手動操縱塔吊或桅桿起重機運動，在不斷試驗中尋找將構件吊裝到位并能避開障礙的最佳運動軌跡，并記錄此軌跡上的每一個轉折點，以及在此點上的塔吊和起重機的運動參數。然后用GSL語言實現吊裝動作。

　　在吊裝試驗過程中，為解決依靠視覺判斷是否存在構件干涉，無法克服三維模型顯示在二維屏幕上存在的視覺誤差問題，系統中加入了構件的實時碰撞檢測功能。當構件之間出現碰撞干涉時，相應的構件顏色將產生變化以提醒用戶。

　　2.3 第三部分：應力和變形分析

　　包括兩部分內容。

　　(1)桅桿起重機主副臂、基座、纜鳳繩和吊裝屋架的應力分析

　　通過設計分析軟件，成功地對桅桿起重機吊裝的動態過程中各種條件下主臂、副臂、格構柱、纜鳳繩和混凝土基座的受力狀況的有關參數進行計算，并對吊裝屋架的應力進行對比分析。

　　(2)對典型厚板的焊接過程分析

　　選擇典型的箱形截面焊接過程進行三維有限元數值模擬。截面有限元數的網格劃分了八節點塊體單元，同時考慮了溫度使彈性模量發生的變化及鋼材從彈性體→塑性體 →彈性體的變化過程，力學模型采用了非線性的熱彈塑性模型。經過連續計算，獲得了箱形截面的一次焊接和多層焊接的溫度場、應力場和應變場的變化規律。

　　3. 主要應用成效

　　正大商業廣場的施工虛擬仿真系統是國內首次嘗試仿真技術應用于建筑工程，它對施工全過程進行模擬，在施工前了解各種構件在實際結構中的相對位置及相互關系，試驗多種施工方法，計算相應工況應力，對吊裝方法、順序和吊裝線路進行優化。通過正大商業廣場的施工實踐，取得了良好的應用成效，主要體現如下。

　　(1) 通過試驗多種施工方案，可以在施工前發現問題，優化方案，有助于縮短工期，保障施工安全和工程質量。通過實施施工虛擬仿真系統發現了原有施工方案中存在的若干不合理設想和安全隱患，并提供了可靠的解決施工方案。對原方案中桅桿起重機的纜鳳繩布置進行了優化，減少了吊裝過程中安、拆纜鳳繩的次數。

　　(2)實現了施工過程的實時視覺仿真，有利于進行施工前的操作和安全交底。

　　(3)利用多點決策優化理論優化裝配吊裝方案，提高施工工效。

　　(4)開發桅桿起重機內力分析程序，提供了起重機的安全運行控制要求，保障桅桿起重機的安全運行及屋架的安全吊裝。

　　(5)采用三維有限元法，獲得了數值模擬箱形截面焊接過程的溫度、應力和應變場等數據和結論，可有效的指導施工現場對焊接變形進行控制。

　　(6)對建筑物外觀效果的仿真，有助于提高建筑造型的合理性和設計進程，為施工提供直觀指導。

　　4. 展望

　　上海正大商業廣場施工虛擬仿真系統的建成，標志著我國建筑行業跨入了應用現代虛擬技術的新階段。同時也為建筑業和項目管理者在評估和管理項目風險方面提供了一個極有價值的新工具。但由于該系統是仿真技術首次在建筑施工中應用，在以下方面還需要進一步完善：

　　(1)系統的通用性，普及性較差，目前只對單個工程有效，還不具備在建筑業廣泛推廣應用的條件;

　　(2)將建筑業的二維設計圖紙轉化為仿真系統所需要的三維模型用時較長，使系統的經濟性和可推廣性降低;

　　(3)外觀和吊裝仿真使用的虛擬現實技術與內力計算使用的數值模擬技術還不能形成一個完整的體系，增加了數據的重復處理，降低了系統運行的可靠度;

　　(4)系統運行的軟硬件條件要求較高，首次投入較大。

　　隨著仿真技術在建筑施工中的應用，施工虛擬仿真系統將會不斷完善和發展，對建筑工程施工技術和計算機仿真技術的發展將會起到巨大的推動作用。

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