仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門(mén)綜合技術(shù)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，仿真技術(shù)是對(duì)系統(tǒng)模型的一種試驗(yàn)技術(shù)。
建筑工程施工是一項(xiàng)將設(shè)計(jì)圖建成實(shí)物的復(fù)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(duì)施工方法和施工組織的優(yōu)化主要建立在施工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。依靠施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)施工進(jìn)行控制和優(yōu)化，具有一定的局限性。特別是在全新結(jié)構(gòu)或復(fù)雜條件下的施工，依靠經(jīng)驗(yàn)對(duì)工程施工的可行性、控制優(yōu)化、事故預(yù)測(cè)和生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化等各方面的分析和預(yù)測(cè)，可能會(huì)由于思維慣性而忽略重要結(jié)果或由于力不從心只能分析局部和少量結(jié)果，更無(wú)法開(kāi)展定量分析。而依靠仿真技術(shù)這一高效節(jié)省的試驗(yàn)方法，能夠跟蹤施工過(guò)程的各環(huán)節(jié)。對(duì)施工生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化施工技術(shù)和施工組織。鑒于仿真技術(shù)的顯著優(yōu)越性，中建三局和華中科技大學(xué)合作，以上海正大商業(yè)廣場(chǎng)項(xiàng)目為背景，對(duì)仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑工程施工進(jìn)行了嘗試。
1、工程概況
正大廣場(chǎng)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(zhǎng)約260m，寬約100m，總高度50m，總建筑面積達(dá)24.3萬(wàn)平方，是集商業(yè)、餐飲、娛樂(lè)為一體的綜合性建筑。
本建筑由于建筑規(guī)模、設(shè)計(jì)造型要求，采用了大量鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)件數(shù)量規(guī)格繁多，各種不同類(lèi)型的構(gòu)件約3000 余件、共5600T，而結(jié)構(gòu)吊裝工期僅85天，且鋼結(jié)構(gòu)主要集中在8層以上，重、大型構(gòu)件又集中在建筑物腹地。單件超大超長(zhǎng)，安裝高度各異，大多數(shù)構(gòu)件只能用桅桿式起重機(jī)安裝，吊裝有較大難度。吊裝過(guò)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(shù)亟需應(yīng)用全新的技術(shù)手段進(jìn)行驗(yàn)證。
2、仿真系統(tǒng)的主要內(nèi)容
“上海正大商業(yè)廣場(chǎng)施工虛擬仿真系統(tǒng)”以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求為目標(biāo)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，主要包括三大部分內(nèi)容。
2.1 第一部分：外景仿真
在建筑物建成前，虛擬顯現(xiàn)建筑物建成后周?chē)沫h(huán)境。
將正大廣場(chǎng)按現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)敿?xì)建模渲染，并將附近建筑、場(chǎng)景、道路、黃浦江等建模渲染，使觀察者如身臨其境。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(chǎng)景中漫游；在場(chǎng)景中加入海洋效果、聲音仿真等特效，使場(chǎng)景更顯真實(shí)并具有動(dòng)感，沉浸感更強(qiáng)。在漫游中實(shí)現(xiàn)了碰撞檢測(cè)功能，使漫游場(chǎng)景中的各種實(shí)體能真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)生活中的各種狀況。例如，運(yùn)動(dòng)物體遇到障礙物會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，在高低不平的道路上，能夠隨地形起伏運(yùn)動(dòng)等。
2.2 第二部分：吊裝仿真
這是系統(tǒng)的核心部分。于鋼結(jié)構(gòu)施工前在計(jì)算機(jī)上完成各種構(gòu)件配裝、吊裝的多種試驗(yàn)和優(yōu)化工作。同時(shí)利用多點(diǎn)決策理論，采用兩榀屋架同時(shí)裝配方案，使裝配-吊裝過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。
正大商業(yè)廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量多、規(guī)格雜、分布散。施工方案選用6 臺(tái)塔吊和5部桅桿式起重機(jī)進(jìn)行吊裝。課題組成員能按每個(gè)構(gòu)件的具體吊裝方法及整個(gè)吊裝過(guò)程的先后順序，對(duì)每個(gè)吊裝過(guò)程進(jìn)行吊裝虛擬。吊裝過(guò)程采用GSL編程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)不同的吊裝過(guò)程采用了不同的計(jì)算方法。對(duì)塔吊雙機(jī)抬吊采用了反運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。通過(guò)正在吊裝的鋼結(jié)構(gòu)主梁的空間位置，算出吊裝的轉(zhuǎn)角和小車(chē)的運(yùn)動(dòng)行程。塔吊及桅桿式起重機(jī)單機(jī)起吊吊裝動(dòng)作則首先通過(guò)手動(dòng)操縱塔吊或桅桿起重機(jī)運(yùn)動(dòng)，在不斷試驗(yàn)中尋找將構(gòu)件吊裝到位并能避開(kāi)障礙的佳運(yùn)動(dòng)軌跡，并記錄此軌跡上的每一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以及在此點(diǎn)上的塔吊和起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。然后用GSL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)吊裝動(dòng)作。
在吊裝試驗(yàn)過(guò)程中，為解決依靠視覺(jué)判斷是否存在構(gòu)件干涉，無(wú)法克服三維模型顯示在二維屏幕上存在的視覺(jué)誤差問(wèn)題，系統(tǒng)中加入了構(gòu)件的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)功能。當(dāng)構(gòu)件之間出現(xiàn)碰撞干涉時(shí)，相應(yīng)的構(gòu)件顏色將產(chǎn)生變化以提醒用戶(hù)。
建筑工程施工是一項(xiàng)將設(shè)計(jì)圖建成實(shí)物的復(fù)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(duì)施工方法和施工組織的優(yōu)化主要建立在施工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。依靠施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)施工進(jìn)行控制和優(yōu)化，具有一定的局限性。特別是在全新結(jié)構(gòu)或復(fù)雜條件下的施工，依靠經(jīng)驗(yàn)對(duì)工程施工的可行性、控制優(yōu)化、事故預(yù)測(cè)和生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化等各方面的分析和預(yù)測(cè)，可能會(huì)由于思維慣性而忽略重要結(jié)果或由于力不從心只能分析局部和少量結(jié)果，更無(wú)法開(kāi)展定量分析。而依靠仿真技術(shù)這一高效節(jié)省的試驗(yàn)方法，能夠跟蹤施工過(guò)程的各環(huán)節(jié)。對(duì)施工生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化施工技術(shù)和施工組織。鑒于仿真技術(shù)的顯著優(yōu)越性，中建三局和華中科技大學(xué)合作，以上海正大商業(yè)廣場(chǎng)項(xiàng)目為背景，對(duì)仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑工程施工進(jìn)行了嘗試。
1、工程概況
正大廣場(chǎng)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(zhǎng)約260m，寬約100m，總高度50m，總建筑面積達(dá)24.3萬(wàn)平方，是集商業(yè)、餐飲、娛樂(lè)為一體的綜合性建筑。
本建筑由于建筑規(guī)模、設(shè)計(jì)造型要求，采用了大量鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)件數(shù)量規(guī)格繁多，各種不同類(lèi)型的構(gòu)件約3000 余件、共5600T，而結(jié)構(gòu)吊裝工期僅85天，且鋼結(jié)構(gòu)主要集中在8層以上，重、大型構(gòu)件又集中在建筑物腹地。單件超大超長(zhǎng)，安裝高度各異，大多數(shù)構(gòu)件只能用桅桿式起重機(jī)安裝，吊裝有較大難度。吊裝過(guò)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(shù)亟需應(yīng)用全新的技術(shù)手段進(jìn)行驗(yàn)證。
2、仿真系統(tǒng)的主要內(nèi)容
“上海正大商業(yè)廣場(chǎng)施工虛擬仿真系統(tǒng)”以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求為目標(biāo)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，主要包括三大部分內(nèi)容。
2.1 第一部分：外景仿真
在建筑物建成前，虛擬顯現(xiàn)建筑物建成后周?chē)沫h(huán)境。
將正大廣場(chǎng)按現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)敿?xì)建模渲染，并將附近建筑、場(chǎng)景、道路、黃浦江等建模渲染，使觀察者如身臨其境。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(chǎng)景中漫游；在場(chǎng)景中加入海洋效果、聲音仿真等特效，使場(chǎng)景更顯真實(shí)并具有動(dòng)感，沉浸感更強(qiáng)。在漫游中實(shí)現(xiàn)了碰撞檢測(cè)功能，使漫游場(chǎng)景中的各種實(shí)體能真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)生活中的各種狀況。例如，運(yùn)動(dòng)物體遇到障礙物會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，在高低不平的道路上，能夠隨地形起伏運(yùn)動(dòng)等。
2.2 第二部分：吊裝仿真
這是系統(tǒng)的核心部分。于鋼結(jié)構(gòu)施工前在計(jì)算機(jī)上完成各種構(gòu)件配裝、吊裝的多種試驗(yàn)和優(yōu)化工作。同時(shí)利用多點(diǎn)決策理論，采用兩榀屋架同時(shí)裝配方案，使裝配-吊裝過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。
正大商業(yè)廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量多、規(guī)格雜、分布散。施工方案選用6 臺(tái)塔吊和5部桅桿式起重機(jī)進(jìn)行吊裝。課題組成員能按每個(gè)構(gòu)件的具體吊裝方法及整個(gè)吊裝過(guò)程的先后順序，對(duì)每個(gè)吊裝過(guò)程進(jìn)行吊裝虛擬。吊裝過(guò)程采用GSL編程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)不同的吊裝過(guò)程采用了不同的計(jì)算方法。對(duì)塔吊雙機(jī)抬吊采用了反運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。通過(guò)正在吊裝的鋼結(jié)構(gòu)主梁的空間位置，算出吊裝的轉(zhuǎn)角和小車(chē)的運(yùn)動(dòng)行程。塔吊及桅桿式起重機(jī)單機(jī)起吊吊裝動(dòng)作則首先通過(guò)手動(dòng)操縱塔吊或桅桿起重機(jī)運(yùn)動(dòng)，在不斷試驗(yàn)中尋找將構(gòu)件吊裝到位并能避開(kāi)障礙的佳運(yùn)動(dòng)軌跡，并記錄此軌跡上的每一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以及在此點(diǎn)上的塔吊和起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。然后用GSL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)吊裝動(dòng)作。
在吊裝試驗(yàn)過(guò)程中，為解決依靠視覺(jué)判斷是否存在構(gòu)件干涉，無(wú)法克服三維模型顯示在二維屏幕上存在的視覺(jué)誤差問(wèn)題，系統(tǒng)中加入了構(gòu)件的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)功能。當(dāng)構(gòu)件之間出現(xiàn)碰撞干涉時(shí)，相應(yīng)的構(gòu)件顏色將產(chǎn)生變化以提醒用戶(hù)。