大型建筑鋼結(jié)構(gòu)虛擬施工建模關(guān)鍵技術(shù)研究

闞龍興

（河南六建建筑集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471000）

由于土地資源不可再生，我國建設(shè)部已經(jīng)在幾年前嚴(yán)禁使用粘土磚，而我國鋼材產(chǎn)量近幾年一直是供過于求的情況，這就使得鋼材被更多的使用在建筑上，鋼結(jié)構(gòu)建筑是一種新型的建筑體系，建筑鋼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點，主要有：施工時間段，受溫度影響較小，所建房屋使用空間大，施工產(chǎn)生的建筑垃圾少，不污染環(huán)境，房屋拆除后可重復(fù)利用，抗震性好，易于改造等。正是這各種各樣的原因使得我國建筑鋼結(jié)構(gòu)不斷的發(fā)展，但是我國在鋼結(jié)構(gòu)建筑上的相關(guān)技術(shù)人員并不完備，而鋼結(jié)構(gòu)建筑要求施工過程必須精確，特別是大型建筑鋼結(jié)構(gòu)，這就在一些單位的施工過程中常常發(fā)生一些事故，而鋼結(jié)構(gòu)由于本身體積較大，吊裝過程受風(fēng)力影響較大等因素，也使得大型建筑鋼結(jié)構(gòu)在吊裝過程中事故頻發(fā)。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的計算機(jī)技術(shù)被引入各行各業(yè)，建筑也不例外，現(xiàn)在，通過將虛擬的建筑技術(shù)應(yīng)用與大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的施工上已經(jīng)成為了一種新的趨勢。建造技術(shù)是大型建筑鋼結(jié)構(gòu)虛擬建造的主要技術(shù)之一。虛擬施工的過程中有一個很重要的環(huán)節(jié)就是鋼的結(jié)構(gòu)建模。

隨著我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，國民素質(zhì)不斷的提高，人們越來越重視精神文明建設(shè)，體育中心，展覽館，博覽中心被越來越多的建設(shè)起來，其國模也越來越大。所以鋼結(jié)構(gòu)的大跨度施工在我國也進(jìn)入了一個快速發(fā)展的階段。在國外很早的時候就開始運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)建筑了，在我國，由于起步較晚，所以鋼結(jié)構(gòu)建筑的難度也較大，近幾年大型鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工過程中的事故時有發(fā)生，其中鋼結(jié)構(gòu)的吊裝過程難度較大，所以事故發(fā)生率也居高不下。例如在深圳一個體育館建造時，施工吊裝過程中使用的腳手架坍塌；湖北的一個體育館在建設(shè)中由于在施工過程中分桿件彎曲，最終導(dǎo)致了坍塌。在我國，大型鋼結(jié)構(gòu)吊裝在目前的施工過程中主要由以下幾個問題：

（1）在施工中結(jié)構(gòu)容易失去平衡而最終導(dǎo)致坍塌；

（2）在吊裝過程中，個別部件的強(qiáng)度不足而破換了建筑結(jié)構(gòu)整體的受力。

（3）吊裝大跨度鋼結(jié)構(gòu)的時候容易與周圍發(fā)生碰撞。

面對這些問題，傳統(tǒng)的技術(shù)和工藝往往達(dá)不到要求，通過將計算機(jī)技術(shù)引入其中，對鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行虛擬吊裝，同時加入實地參數(shù)，就可以有效的解決在現(xiàn)實中所遇到的吊裝困難，同時優(yōu)化原有的施工方案。

建模指的就是建立模型，是將詩句的數(shù)據(jù)與理論方法相結(jié)合而產(chǎn)生的模型，建模技術(shù)主要使用各種平臺、軟件，把實際環(huán)境所得到的數(shù)據(jù)和根據(jù)測試所得的結(jié)果進(jìn)行擬合，這種方法就稱為建模技術(shù)。建模技術(shù)可以仿真建筑施工過程，使建筑施工可以在虛擬技術(shù)里對其進(jìn)行分析檢測。

大型建筑鋼結(jié)構(gòu)虛擬施工建模技術(shù)可以總結(jié)為一下幾點：

1 參數(shù)形式數(shù)據(jù)驅(qū)動建模

大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的虛擬施工中，參數(shù)形式數(shù)據(jù)驅(qū)動建模主要分為兩種，一是鋼結(jié)構(gòu)的參數(shù)形式建模即鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)，二是施工過程中的機(jī)械設(shè)備參數(shù)建模即機(jī)械設(shè)備參數(shù)。參數(shù)形式數(shù)據(jù)驅(qū)動建模技術(shù)是使用一種IFC的表達(dá)方法來對建筑物的模型進(jìn)行尺寸上的驅(qū)動，使用這種方法必須要求由數(shù)據(jù)庫支持。參數(shù)驅(qū)動建模技術(shù)可利用大小的不同來自由的對模型虛擬成模型現(xiàn)實進(jìn)行大小形狀上的改變，還可以創(chuàng)建現(xiàn)場施工的資源庫，通過這些來研究虛擬施工和仿真建筑施工。IFC是一種以建筑為對象的模型標(biāo)準(zhǔn)，IFC標(biāo)準(zhǔn)需要有基礎(chǔ)工業(yè)方面的數(shù)據(jù)庫，他的優(yōu)點是不管是否專業(yè)相投，都可以共享同一軟件、數(shù)據(jù)，IFC的作用是讓整個業(yè)內(nèi)都可以交換、共享所有數(shù)據(jù)。參數(shù)形式的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模過程分4步。首先呦呦一個包括基礎(chǔ)模型的分類，基礎(chǔ)模型的收集，可以整理參數(shù)信息資料的基礎(chǔ)模型庫。其次是復(fù)合物體建模，即建立單個基礎(chǔ)模型等。三是可以把利用模型重組而產(chǎn)生的復(fù)雜的模型進(jìn)行基礎(chǔ)模型組合的標(biāo)準(zhǔn)間特征庫。最后進(jìn)行模型數(shù)據(jù)化驅(qū)動。各個平臺之間的相互操作、模型的建立、使用與控制都包含在內(nèi)。在進(jìn)行建模的時候要注意優(yōu)化模型與分割模型，分割模型要參照該建筑所含部位與功能來進(jìn)行分割，分成幾個建模，也就是把一個整體拆開。優(yōu)化模型要注意在處理模型時要減少建模，簡化建模的工作。同時還要注意要合理的運(yùn)用分割模型部件，分割順序，適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化等。

2 鋼構(gòu)件施工吊裝建模技術(shù)

鋼構(gòu)件施工吊裝建模技術(shù)包括了基本的幾何模型參數(shù)、限制自由運(yùn)動參數(shù)、工件橫截面參數(shù)、節(jié)點坐標(biāo)參數(shù)、工程模型性能參數(shù)、虛擬過程參數(shù)和材料特性參數(shù)等。在實際的施工操作中，若是有標(biāo)準(zhǔn)模型則還需要有特定的相關(guān)參數(shù)描述，使模型庫能形成具有建筑元素、建筑工件、建筑特征等建模。在實際的操作中，要結(jié)合現(xiàn)場情況。在使用過程中要注意每個起重鋼構(gòu)件都是具有幾何模型，這就需要使用到鋼構(gòu)件施工吊裝建模技術(shù)中的基本幾何模型參數(shù)，各個工件都具有不同的形狀，鋼構(gòu)件一般為管狀，所以其橫截面要通過工件橫截面參數(shù)表達(dá)出來，甚至每個工件都擁有它自己的力學(xué)性能，如何在其承受范圍內(nèi)進(jìn)行相關(guān)吊裝施工，就要考慮其各種性能參數(shù)，是要到了該技術(shù)中的工程模型性能參數(shù)。

3 起重設(shè)備建模技術(shù)及復(fù)雜動作建模技術(shù)。

起重設(shè)備建模技術(shù)主要指利用常見的塔吊、履帶吊、叉車等設(shè)備進(jìn)行的起重模型實現(xiàn)。起重設(shè)備最重要的是對相關(guān)參數(shù)的控制。因為在模擬過程中使用不同的起重設(shè)備就需要不同的控制參數(shù)。在進(jìn)行起重施工時，其中設(shè)備主要動作有行走、起降、回轉(zhuǎn)所組成，加上各部分之間的相互制約，所以起重是與運(yùn)動路徑存在一定的關(guān)系。每個運(yùn)動看似都是簡單的直線運(yùn)動與圓周運(yùn)動，但是在實際中卻往往不止一個運(yùn)動，而是各種運(yùn)動相疊加組成的復(fù)雜運(yùn)動，這就需要擁有良好的復(fù)雜動作建模技術(shù)。例如，汽車吊在工作當(dāng)中是利用鋼纜繩帶動滑輪組一起運(yùn)動，同時汽車吊的轉(zhuǎn)塔也在轉(zhuǎn)動，所以需要建模的時候建立獨立的滑輪節(jié)點等，相對的不同的運(yùn)動也要有不同的運(yùn)動參數(shù)，最終的出一個完全仿真的建模。

在實際建筑施工中，如果使用虛擬施工建模技術(shù)，可以很大程度上避免一些事故的發(fā)生，在大型建筑鋼結(jié)構(gòu)吊裝中，事故率最高，在施工前使用虛擬施工建模技術(shù)先對整個吊裝過程進(jìn)行仿真虛擬，通過對不同的工件使用相應(yīng)的起重設(shè)備，輸入不同的參數(shù)后，模擬吊裝前的鋼構(gòu)件運(yùn)輸，吊裝時注意各施工結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能是否適用，吊裝大跨度鋼構(gòu)件時的安全隱患，是否會撞擊到周圍實體建筑，所用吊索強(qiáng)度是否足夠，吊裝后的高空作業(yè)是否會影響到整體性能等。

結(jié)語

通過虛擬施工建模技術(shù)對施工方案進(jìn)行優(yōu)化，提早發(fā)現(xiàn)施工過程中的問題并改善，找到相關(guān)的施工注意點等。采用大型建筑鋼結(jié)構(gòu)虛擬施工關(guān)鍵技術(shù)可大大降低施工作業(yè)中的故障率。

[1]張帥.大型建筑鋼結(jié)構(gòu)虛擬施工建模關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013（12）.