大型建筑钢结构虚拟施工建模关键技术研究

张 帅

（河北鑫煌建筑设备安装有限公司，河北 石家庄 050090）

我国经济发展迅速，国家基础设施的建设越来越多，建模逐渐扩大。大跨度钢结构在我国建筑中得到了广泛的应用。钢结构在发展的过程中，也遇到了一些问题，主要是大型钢结构的吊装。因此，对大型钢结构的吊装过程进行预先的模拟显得非常重要。计算机技术的不断发展，虚拟技术的应用变得更加成熟。在对吊装过程进行模拟时，建立模型是比较重要的。

1 介绍参数化建模方法

虚拟技术主要指的是设立一个虚拟的平台，对虚拟吊装的过程进行研究。要想完成虚拟吊装，必须建立虚拟模型。大型建筑钢结构构件比较多，种类复杂，如果使用传统的建模技术，会增加很多的工作量。在这种情况下，采用参数化建模技术比较实用，它是建立在数据驱动的基础上，这项技术在执行起来效率较高，比较精准。

参数化建模的原理是借助数据库的支持，进行尺寸驱动，利用建筑模型的表达方式，在改变尺寸的同时，实体模型的形状发生自动改变，创建施工的资源库，对施工的过程进行仿真。

建筑模型采用的是IFC标准，它是在1995年由国际协同联盟提出的，主要是使建筑中不同的专业或者是相同专业不同的软件能够对同样的数据源进行共享，数据能够体现出交互性以及共享性。建模技术的大致过程是：第一，对基础模型进行分类，对模型参数的信息资料进行整理；第二，对单个基础模型的参数属性进行定义；第三，对基础模型进行组合；第四，如果基础模型的组合符合要求，就需要执行下一步工作；如果基础模型达不到要求，需要进行模型的重组，建立结构复杂的模型。第五，执行平台间的相互操作。

2 对虚拟吊装钢构件进行建模

对钢构件进行参数化的建模时，主要工作包括三项：第一，对模型基础几何属性参数进行设置，如杆件截面的属性；第二，对模型工程的性能参数进行设定，如材料的属性；第三，设置仿真过程中用到的技术参数。在建立模型的过程中，可以在特定的属性栏中进行参数属性的设置。例如，在对单个钢管柱的模型建立时，在属性栏中设置半径等参数，这样可以建立钢管的初期模型。标准化的模型需要描述与工程相关的特定参数，这样，建立的模型就具有智能化的特征。

3 建立机械设备、复杂动作的模型

在大型建筑钢结构的施工过程中，需要用到的机械设备主要有以下几项：（1）汽车吊，（2）履带吊，（3）塔吊，（4）叉车。在建立机械模型的过程中，控制参数是比较重要的。机械设备不同，需要控制的参数也存在很大的不同。

在吊装施工的过程中，机械设备的动作主要包括四种：第一，起升；第二，变幅；第三，回转；第四，行走。这四类运动模式在运动轨迹特点上存在差异。在建模的过程中，主要是借组层次节点视图技术，对于机械设备模型中局部、整体之间的关系进行约束，并对它们之间的关系进行妥善处理。由于约束的关系以及连接形式的实现方式存在差异，对运动轨迹造成的影响也不同。

在进行机械建模的过程中，层次坐标系的建立比较重要。主要技术是DOF技术。DOF技术能够让模型局部执行旋转、位移等相关的动作。对相应参数设定最大值以及最小值，可以对部分运动变化的范围进行控制。DOF技术包括自由度的参数变量，主要是和旋转、位移以及伸缩有关系。与参数变量相对应的是约束参数信息，主要是以.flt的形式被保存在模型数据库中。在模型建立的过程中，在模型特殊的位置需要先设定DOF节点，对节点进行动态坐标系的创建。在这种情况下，模型会具有新的约束条件，并且以.flt的形式保存起来。在Vega仿真平台系统中，约束条件被载入进去，结合用户的需求，借助相关的代码语言，当前的应用程序就可以对其进行调用。在虚拟吊装的过程中，模型对象就可以对其动作、运动轨迹以及姿态进行任意的改变。

4 结合碰撞检测和力学分析功能建立模型

在虚拟吊装的过程中，模型的效果、尺寸、运动需求都会在一定程度上对虚拟吊装过程的效果造成影响。大型建筑钢结构施工过程比较复杂，需要进行多方面因素的考虑。在这些因素之中，难点就是在实际施工的过程中经常发生碰撞的现象。所以，必须要进行碰撞检测。

进行碰撞检测最重要的因素在三个方面：第一，建立模型约束体；第二，选择仿真平台；第三，采用操作技术。借助参数化建模技术就可以控制约束体，这对碰撞检测的效果有很大的影响。在建立模型约束体时，可以借助MultiGen Creator建模软件。用户可以结合实际的情况，把约束体放置在模型的相应位置。在对约束体进行定制时，如果约束体靠近模型比较近，并且约束体比较小，碰撞检测的效果会更精确。把虚拟吊装技术与力学分析功能相结合，可以解决结构失衡、结构性能遭到破坏的相关问题。要想实现这项功能，最重要的是模型需要对杆件的信息进行准确的反应，模拟施工时点，获取属性信息以及空间坐标等，通过软件的分析，使吊装过程的安全性得到保证。

5 结语

在大型建筑钢结构的施工过程中，为了保证施工的有效性，解决施工中遇到的问题，需要借助虚拟建模关键技术。对大型建筑钢结构的施工过程进行仿真，分析虚拟施工中存在的相关问题，以便为实际的施工过程提供指导。

[1]刘松，郑亚文，周迎，陈一平.大型博览建筑钢结构虚拟施工建模关键技术研究与应用[J].土木工程与管理学报，2012 （2）.

[2]张忠，张运杨.虚拟施工平台的钢结构主控式施工方案设计模式的浅析[J].科技风，2011（4）.

[3]郝亚文.中国建筑虚拟施工技术的研究与应用[J].中国建设信息，2009（24）.