鋼結(jié)構(gòu)施工過程動(dòng)態(tài)可視化仿真軟件的開發(fā)與應(yīng)用

姜 華，仝 亮，高陽秋曄

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045;2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州450003)

大型鋼結(jié)構(gòu)工程施工中的數(shù)據(jù)監(jiān)控管理以及構(gòu)件的校核十分關(guān)鍵卻又非常繁鎖，它關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)能否按照?qǐng)D紙的設(shè)計(jì)安全、有效地投入使用.為處理此問題，需要設(shè)計(jì)友好的操作系統(tǒng)，從根本上改變以往對(duì)大量控制數(shù)據(jù)的管理方法，拋開圖紙和數(shù)據(jù)列表，令其更直觀地顯示在對(duì)話窗口內(nèi)，對(duì)計(jì)算結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，從而指導(dǎo)施工［1］.基于此，筆者以鋼桁梁橋?yàn)槔?，采用VB語言設(shè)計(jì)可視化仿真軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)可視化仿真三維模型的調(diào)用和控制，實(shí)現(xiàn)工程施工中對(duì)各類數(shù)據(jù)的快速檢索和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)施工管理數(shù)字化.

1 軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)、性能要求與架構(gòu)

1.1 軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)

該軟件系統(tǒng)的使用對(duì)象主要是鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程施工建設(shè)與設(shè)計(jì)單位相關(guān)的管理和設(shè)計(jì)人員.該軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是:①用戶可以直接在操作界面內(nèi)獲取橋梁鋼桁架任意桿件的截面尺寸、材料屬性，并結(jié)合動(dòng)態(tài)的可視化模型標(biāo)示出桿件所對(duì)應(yīng)的節(jié)段位置信息，以及在任一施工過程中查詢?nèi)我馐┕ざ慰刂泣c(diǎn)的位移坐標(biāo)值;②通過對(duì)復(fù)雜分部工程工藝編制施工動(dòng)畫和施工預(yù)演，形象直觀地進(jìn)行技術(shù)交底和施工人員技術(shù)培訓(xùn);③操作簡(jiǎn)單，使用方便;④硬件要求低，普通個(gè)人電腦即可滿足該系統(tǒng)的運(yùn)行要求.

1.2 性能要求

將有限元計(jì)算的大量復(fù)雜數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)可視化仿真模型進(jìn)行高度集成，使系統(tǒng)在性能上實(shí)現(xiàn):①友好的操作界面，采用導(dǎo)向式的目錄菜單，結(jié)合開闊的動(dòng)態(tài)可視化窗口，使用戶對(duì)系統(tǒng)的操作一目了然，系統(tǒng)具備點(diǎn)擊式查詢方式，用戶不必具有較多的專業(yè)知識(shí)就能進(jìn)行信息查詢;②支持多平臺(tái)性，在Windows 2000，ArcView 3.2平臺(tái)及以上系統(tǒng)支持下，與Microsoft Office辦公軟件相結(jié)合，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性.

1.3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

動(dòng)態(tài)可視化仿真軟件系統(tǒng)建立在共享數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，由數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、虛擬現(xiàn)實(shí)模塊、施工管理控制模塊3大模塊構(gòu)成，其軟件架構(gòu)如圖1所示.

1.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

該軟件的開發(fā)結(jié)合鋼懸索橋設(shè)計(jì)、施工管理，處理大量的設(shè)計(jì)參數(shù)和施工控制數(shù)據(jù).通過Treeview目錄樹的控制菜單涵蓋設(shè)計(jì)構(gòu)件信息、施工控制數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)信息就有15 571個(gè)單元組，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)組又有數(shù)十個(gè)子客體.因此數(shù)據(jù)量非常大，若不進(jìn)行科學(xué)的管理和保存，極易造成數(shù)據(jù)遺漏或丟失，因而結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和圖形圖像技術(shù)管理施工數(shù)據(jù)是大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工數(shù)據(jù)管理的必然選擇［2－4］.

圖1 動(dòng)態(tài)可視化仿真軟件架構(gòu)

SQL Server是基于服務(wù)器端的中型數(shù)據(jù)庫(kù)，適合大容量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，在后臺(tái)開發(fā)、處理海量數(shù)據(jù)，以及可擴(kuò)展性等方面具有強(qiáng)大的功能.根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)施工管理信息特征，選取Microsoft SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng).

1.3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)模塊

該系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和可視化仿真理論應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，根據(jù)建立的三維數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫(kù)以及工程動(dòng)畫建立虛擬現(xiàn)實(shí)模塊.該模塊可互動(dòng)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)架設(shè)過程，可實(shí)現(xiàn)工程場(chǎng)景及周圍環(huán)境的可視化管理，允許系統(tǒng)的操作者在虛擬的橋梁架設(shè)工程中漫游.該模塊具有以下特點(diǎn).

1)信息模型數(shù)據(jù)的快速更新.仿真分析數(shù)據(jù)的輸入、輸出量巨大，對(duì)這些數(shù)據(jù)的檢查、分析、比較、判斷需要強(qiáng)大的2D和3D圖形功能的支持，而且仿真分析的過程需要反復(fù)地計(jì)算調(diào)整才能得到方案的合理優(yōu)化結(jié)果.因此，在仿真模擬過程中，需要采用可視化的3D圖形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性.以VRP為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息模型數(shù)據(jù)的快速更新，具有高效、通用化的特點(diǎn)［5－10］.

2)關(guān)鍵技術(shù)、重大事件的仿真.實(shí)現(xiàn)對(duì)工程中重大事件、特殊事件、工藝、工法創(chuàng)新的描述、記錄與再現(xiàn)，對(duì)工程關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行可視化的仿真預(yù)演.對(duì)現(xiàn)場(chǎng)桿件拼裝、吊車調(diào)裝運(yùn)輸、橋面鋪設(shè)、循序漸進(jìn)的施工過程進(jìn)行仿真預(yù)演.可以多維度呈現(xiàn)僅靠單純平面圖紙、表格無法觀察到的施工現(xiàn)象和問題，通過調(diào)整預(yù)演，深入觀察整個(gè)施工過程可能出現(xiàn)的問題，通過全橋的全過程仿真預(yù)演，提前準(zhǔn)備好對(duì)策預(yù)案和施工處理措施，將施工問題和損失降低到最小范圍.另外，通過對(duì)復(fù)雜工藝的仿真建模，結(jié)合傳統(tǒng)的技術(shù)交底方式，可進(jìn)行可視化施工培訓(xùn)和技術(shù)交底.

3)施工過程的資源與進(jìn)度協(xié)調(diào)控制.可視化仿真模型可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目架設(shè)過程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理制定計(jì)劃、精確掌握施工進(jìn)程、合理使用施工資源和科學(xué)地進(jìn)行場(chǎng)地布置.實(shí)現(xiàn)資源的合理分配與利用，以縮短工期，降低成本，提高質(zhì)量，盡可能實(shí)現(xiàn)工程的節(jié)約和環(huán)保.

1.3.3 施工監(jiān)控模塊

大橋架設(shè)階段節(jié)點(diǎn)的位移、桿件應(yīng)力、應(yīng)變等計(jì)算結(jié)果貫穿整座橋施工架設(shè)的26個(gè)過程，數(shù)據(jù)繁多.基于此，編制了面向用戶的動(dòng)態(tài)可視化數(shù)據(jù)查詢演示系統(tǒng)，建立友好的人機(jī)交互界面，形成“圖形內(nèi)蘊(yùn)含數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中關(guān)聯(lián)圖形”的復(fù)合數(shù)據(jù)圖像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型、圖像的實(shí)時(shí)、交互控制，具有整個(gè)施工過程各構(gòu)件的截面尺寸、重量、長(zhǎng)度、材料屬性、控制坐標(biāo)、完成工作進(jìn)度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)索引功能，對(duì)復(fù)雜海量數(shù)據(jù)結(jié)合可視化模型進(jìn)行形象的結(jié)果輸出，并與現(xiàn)場(chǎng)施工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，從而指導(dǎo)施工.

2 應(yīng)用實(shí)例

壩陵河大橋是滬瑞國(guó)道主干線在貴州境內(nèi)重要路段的關(guān)鍵工程，大橋全長(zhǎng)1 564 m，主跨長(zhǎng)為1 088 m的鋼桁加勁梁懸索結(jié)構(gòu)，主桁架高10 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長(zhǎng)度10.8 m，主桁架共98個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間.根據(jù)施工方案設(shè)計(jì)，鋼桁梁和橋面板采用橋面吊機(jī)的吊裝方式，除端部1個(gè)節(jié)間為1個(gè)架設(shè)單元，其他每2個(gè)節(jié)間為1個(gè)架設(shè)單元，從端部向跨中按26個(gè)架設(shè)過程進(jìn)行對(duì)稱施工.

應(yīng)用該可視化仿真系統(tǒng)軟件，建立壩陵河大橋工程的虛擬現(xiàn)實(shí)模型，對(duì)施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行預(yù)演與記錄、再現(xiàn)施工場(chǎng)景等.

2.1 桁架桿件屬性信息查詢

在建立的虛擬現(xiàn)實(shí)模型中，所呈現(xiàn)的信息包括桿件的位置信息、截面尺寸、長(zhǎng)度、數(shù)量以及重量和力學(xué)屬性信息等，可對(duì)這些信息進(jìn)行查詢和校核，如圖2所示.

圖2 桿件屬性查詢

2.2 施工控制位移查詢

結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)模型的圖像、平面位置和空間位置等信息對(duì)各施工過程的控制關(guān)鍵點(diǎn)位移信息進(jìn)行顯示和輸入，如圖3所示.對(duì)施工位移信息的預(yù)調(diào)量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，以便指導(dǎo)施工.

圖3 控制位移查詢

2.3 關(guān)鍵技術(shù)的動(dòng)畫模擬及預(yù)演

根據(jù)實(shí)際施工組織安排，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行動(dòng)畫模擬和復(fù)雜工藝的施工預(yù)演，并進(jìn)行施工回顧.輸入各分項(xiàng)工程的開工時(shí)間，真實(shí)地再現(xiàn)不同階段施工場(chǎng)景.可視化虛擬仿真的施工動(dòng)畫和復(fù)雜工藝的施工預(yù)演截圖如圖4所示.

圖4 項(xiàng)目施工過程關(guān)鍵技術(shù)的仿真

3 結(jié)語

1)以鋼桁梁橋?yàn)槔Y(jié)合項(xiàng)目的施工架設(shè)全過程，開發(fā)了可視化的仿真軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有使用方便、直觀易懂的操作優(yōu)點(diǎn).

2)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)模型和數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)分類數(shù)據(jù)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)模型的聯(lián)動(dòng)控制，將數(shù)據(jù)附著于虛擬現(xiàn)實(shí)模型，復(fù)雜數(shù)據(jù)通過虛擬現(xiàn)實(shí)模型形象地呈現(xiàn)出來.

3)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了施工過程中各類數(shù)據(jù)的查詢和校核，從而指導(dǎo)施工.具有對(duì)工程關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)演與記錄、大場(chǎng)景的施工再現(xiàn)等功能.實(shí)現(xiàn)了施工管理的信息化，在很大程度上提高了施工管理的效率.

4)該系統(tǒng)適用于各類鋼結(jié)構(gòu)工程，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化施工管理的精細(xì)化、自動(dòng)化.

［1］魏群，彭成山，姜華，等.鋼桁梁架設(shè)過程仿真技術(shù)研究［R］.鄭州:華北水利水電學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)與工程研究所，2008.

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