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。至今,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。而依靠仿真技术这一高效节省的试验方法,能够跟踪施工过程的各环节。对施工生产全过程进行试验,验证优化施工技术和施工组织。鉴于仿真技术的显着优越性,中建三局和华中科技大学合作,以上海正大商业广场项目为背景,对仿真技术应用于建筑工程施工进行了尝试。

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24.3万平方,是集商业、餐饮、娱乐为一体的综合性建筑。

本建筑由于建筑规模、设计造型要求,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3000余件、共5600T,而结构吊装工期仅85天,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。

2.仿真系统的主要内容

“上海正大商业广场施工虚拟仿真系统”以满足生产需求为目标,使用虚拟现实技术对施工过程进行模拟,主要包括三大部分内容。

2.1第一部分:外景仿真

在建筑物建成前,虚拟显现建筑物建成后周围的环境。

将正大广场按现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,使观察者如身临其境。系统实现了观察者不同的观察角度和漫游方式,使观察者能自由地在场景中漫游;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。在漫游中实现了碰撞检测功能,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。例如,运动物体遇到障碍物会停止运动,在高低不平的道路上,能够随地形起伏运动等。

2.2第二部分:吊装仿真

这是系统的核心部分。于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。

正大商业广场钢结构数量多、规格杂、分布散。施工方案选用6台塔吊和5部桅杆式起重机进行吊装。课题组成员能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了不同的计算方法。对塔吊双机抬吊采用了反运动学算法。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。塔吊及桅杆式起重机单机起吊吊装动作则首先通过手动操纵塔吊或桅杆起重机运动,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,以及在此点上的塔吊和起重机的运动参数。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。

2.3第三部分:应力和变形分析

包括两部分内容。

(1)桅杆起重机主副臂、基座、缆凤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的动态过程中各种条件下主臂、副臂、格构柱、缆凤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。截面有限元数的网格划分了八节点块体单元,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。

3、主要应用成效

正大商业广场的施工虚拟仿真系统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。通过正大商业广场的施工实践,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了原有施工方案中存在的若干不合理设想和安全隐患,并提供了可靠的解决施工方案。对原方案中桅杆起重机的缆凤绳布置进行了优化,减少了吊装过程中安、拆缆凤绳的次数。

(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,可有效的指导施工现场对焊接变形进行控制。

(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。

4、展望

上海正大商业广场施工虚拟仿真系统的建成,标志着我国建筑行业跨入了应用现代虚拟技术的新阶段。同时也为建筑业和项目管理者在评估和管理项目风险方面提供了一个极有价值的新工具。但由于该系统是仿真技术首次在建筑施工中应用,在以下方面还需要进一步完善:

(1）系统的通用性,普及性较差,目前只对单个工程有效,还不具备在建筑业广泛推广应用的条件;

(2)将建筑业的二维设计图纸转化为仿真系统所需要的三维模型用时较长,使系统的经济性和可推广性降低;

(3)外观和吊装仿真使用的虚拟现实技术与内力计算使用的数值模拟技术还不能形成一个完整的体系,增加了数据的重复处理,降低了系统运行的可靠度;

(4)系统运行的软硬件条件要求较高,首次投入较大。

随着仿真技术在建筑施工中的应用,施工虚拟仿真系统将会不断完善和发展,对建筑工程施工技术和计算机仿真技术的发展将会起到巨大的推动作用。