虛擬仿真技術(shù)在大型實驗室鋼結(jié)構(gòu)施工中的應用研究

任振 余霞 樊怡辰 陳立華 王成程

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900)

0 引言

虛擬模型技術(shù)(virtual prototyping)是一種在虛擬環(huán)境中建模、模擬、分析產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)過程的數(shù)字化、可視化技術(shù)，其在制造業(yè)中得到了較好的應用［1］。隨著信息化技術(shù)在建筑業(yè)的應用，虛擬模型技術(shù)已經(jīng)在建筑施工領(lǐng)域開始應用［2-3］。以虛擬模型技術(shù)和交互式仿真技術(shù)為核心的虛擬仿真技術(shù)，能夠?qū)こ淌┕し桨傅慕M織和實施進行虛擬的驗證和優(yōu)化，降低了實際施工過程中的返工現(xiàn)象和重大安全事故的發(fā)生，節(jié)約了管理和安全成本。其研究與應用價值，逐漸引起了國內(nèi)外學者的重視。

國外對于虛擬仿真研究開展的比較早，目前其研究內(nèi)容主要包含基本理論研究、施工領(lǐng)域的可視化仿真以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑行業(yè)的應用等方面［4］。國內(nèi)相關(guān)研究主要包括虛擬現(xiàn)實視覺建模方法、多用戶協(xié)同虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)建等問題，這些研究主要集中在設(shè)計階段。在施工階段的虛擬仿真和軟件系統(tǒng)開發(fā)方面首次應用是2000年上海正大廣場鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工方案虛擬仿真系統(tǒng)［5-6］。Heng Li［7］等 人 研 究 了 集 成 虛 擬 現(xiàn) 實(VR)系統(tǒng)——VCL 在建設(shè)項目計劃管理中的應用;Hadikusumo［8］等人基于VR 技術(shù)設(shè)計一個名為DFSP (design-for-safety-process)的工具，用來識別施工過程中可能出現(xiàn)的，而實際上是設(shè)計產(chǎn)生的安全問題;上海海灣國家森林公園內(nèi)茶餐廳鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝均是虛擬仿真技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)施工上的一個嘗試［9］;深圳大學的李景茹使用C+ +語言結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)開發(fā)混凝土壩三維動態(tài)可視化仿真軟件［10］。

綜合起來看，目前的虛擬仿真系統(tǒng)只能對單套施工方案進行三維的預演或是針對施工過程仿真、進度控制或安全控制某一方面進行研究，對用戶的開放程度較小，缺乏良好的人機交互界面和與力學分析功能的集成，不能對施工方案進行綜合評估與優(yōu)化。針對上述問題，提出一種基于二維和三維的交互式數(shù)據(jù)仿真平臺，通過挖掘施工方案提供的數(shù)據(jù)來驅(qū)動虛擬施工的過程，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出虛擬仿真與力學仿真的接口，利用二維與三維之間的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對虛擬施工過程更為有效的控制。

1 交互式數(shù)據(jù)仿真平臺整體框架

交互式數(shù)據(jù)仿真平臺是指構(gòu)建二維和三維的數(shù)據(jù)交互體系，用戶通過良好的操作界面，實現(xiàn)對施工方案的數(shù)據(jù)存儲、讀取、分析和導出，進而對虛擬施工過程的實時演示和對施工方案安全性虛擬仿真驗證。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計是對平臺整體框架的設(shè)計，針對平臺需要實現(xiàn)的不同功能完成相應的子平臺設(shè)計。要實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工過程虛擬仿真的演示與控制，同時考慮到二維和三維各自的特點，提出了集成由計算機1 構(gòu)成的二維控制子平臺和計算機2 構(gòu)成的三維顯示子平臺的方案(圖1)。

圖1 平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，二維子平臺和三維子平臺相互獨立，但是通過一套高效的數(shù)據(jù)傳遞機制，將二者緊密地聯(lián)系在一起，從而達到高內(nèi)聚低耦合的目標，實現(xiàn)兩個獨立模塊之間的數(shù)據(jù)交互。另外，本平臺集成與力學仿真的接口，將虛擬施工過程中的安全性信息反饋給用戶。

1.2 平臺功能設(shè)計

為實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工過程的可視化，結(jié)合安全性分析的要求，在二維子平臺和三維子平臺的基礎(chǔ)之上完成了兩個方面的設(shè)計:

(1)吊裝過程的自主控制。既可以控制整體鋼結(jié)構(gòu)吊裝流程，也可以控制單片網(wǎng)架或桁架施工過程演示，滿足了用戶的需求。二維子平臺操作主界面主要包括:菜單欄、視圖欄、工具欄、主要顯示窗口、狀態(tài)欄五個主要組成部分，由這些部分共同操作，完成二維吊裝場景的構(gòu)建以及命令的發(fā)送。

(2)安全性驗證。通過對力學仿真所需數(shù)據(jù)的識別、提取和打包，轉(zhuǎn)換成ANSYS 可以識別的數(shù)據(jù)文件格式。在虛擬吊裝仿真過程中，如果用戶需要進行施工過程中桿件某個時刻的力學分析，可以在二維子平臺發(fā)出指令，三維子平臺接受信息后將當前狀態(tài)下構(gòu)件的自身屬性數(shù)據(jù)、空間坐標數(shù)據(jù)、約束條件數(shù)據(jù)通過與力學仿真軟件的接口導出以進行安全性分析。

1.3 消息傳輸機制設(shè)計

二維子平臺和三維子平臺之間信息的流暢有序傳遞，一方面，需要這兩個子平臺保持實時的同步關(guān)系。比如當二維子平臺完成二維吊裝平面場景加載后，需要等待三維場景加載完成，方可發(fā)送命令給三維客戶端，整個過程消息傳輸機制見圖2。另一方面，虛擬仿真與力學仿真的數(shù)據(jù)傳輸過程需要明確。

圖2 消息傳輸機制圖

上述兩臺主機通過局域網(wǎng)實現(xiàn)物理上的連接，考慮到二維子平臺和三維子平臺的高內(nèi)聚、低耦合的特性，可以采取一種基于socket 通信技術(shù)的分布式交互響應機制［11］。將二維子平臺作為服務器端，三維子平臺作為客戶端。二維服務器端與三維客戶端之間發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式為:由二維發(fā)往三維:標志位+數(shù)據(jù)包編號+數(shù)據(jù)包長度+命令+命令參數(shù);由三維發(fā)往二維:標志位+數(shù)據(jù)包編號+返回碼。

虛擬仿真與力學仿真之間的數(shù)據(jù)交互，能夠?qū)崿F(xiàn)在吊裝過程的任意時刻，進行當前狀態(tài)下構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性分析。其數(shù)據(jù)傳輸過程為:①用戶在二維子平臺發(fā)送受力分析指令;②三維子平臺導出進行受力分析的各項參數(shù)，形成一個數(shù)據(jù)文件;③力學仿真軟件ANSYS 讀取該文件并進行該狀態(tài)下構(gòu)件受力分析;④ANSYS將受力分析結(jié)果返回三維子平臺，用戶通過讀取返回的信息判定當前狀態(tài)是否安全。

分布式交互響應機制的實現(xiàn)，保證了平臺之間消息傳遞無滯后性，整個虛擬吊裝仿真過程能夠按照用戶的指令要求順利進行。

1.4 互響應技術(shù)功能設(shè)計與實現(xiàn)

對吊裝場景虛擬漫游、機械吊裝線路導航、軟件界面交互操作等互響應技術(shù)功能進行設(shè)計，可以更好地實現(xiàn)交互式數(shù)據(jù)仿真平臺的虛擬場景表現(xiàn)效果。

(1)視域同步。實現(xiàn)二維吊裝場景平面圖與三維吊裝場景的同步移動，即將二維與三維鏈接在一起，始終保持相同的視角。該功能主要是依靠在二維平面圖中改變觀察者位置時，發(fā)送一個坐標指令代碼 (double x，double y，double z)給三維場景來實現(xiàn)坐標設(shè)置的。

(2)交互漫游。二維和三維之間可以相互記錄對方在運動過程所經(jīng)過的坐標信息，通過本功能可以實現(xiàn)對吊裝機械的運動軌跡記錄和定位，也可以反過來根據(jù)指定的軌跡為吊裝機械在三維虛擬場景中的運動導航。

(3)吊裝過程交互仿真。通過點擊二維窗口的控件命令，三維窗口能夠動態(tài)顯示該相應操作的過程。實現(xiàn)思路是:將二維包含的構(gòu)件類別、運輸線路、安裝位置空間坐標、機械運動軌跡等信息發(fā)送給三維，三維依據(jù)這些信息進行虛擬吊裝模擬。

互響應技術(shù)功能設(shè)計與實現(xiàn)使三維虛擬場景更加真實，提高虛擬吊裝仿真的可視化效果和交互性程度，同時改善了平臺的易用性和直觀性。

2 工程應用

2.1 項目背景

為滿足某國防科研項目試驗的要求，需配套建造一個大型鋼結(jié)構(gòu)實驗室，該實驗室占地約1.6 萬m2，分為上下兩層，下層是7m 高混凝土框架結(jié)構(gòu);上層是約15.5m 高鋼結(jié)構(gòu)。本項目具有一般國防科研實驗室建設(shè)的特點，主要表現(xiàn)在:

(1)工期要求緊?？蒲性囼烅椖咳蝿罩?，留給基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)的時間更短，為了不影響試驗進度的進行，必須對實驗室建設(shè)的進度嚴格要求。

(2)質(zhì)量要求高?？蒲性囼瀸τ趯嶒炇业馁|(zhì)量有較高要求，一方面是對結(jié)構(gòu)承受各種荷載的安全性要求;另一方面是對結(jié)構(gòu)尺寸、變形、環(huán)境溫度、濕度等精度的要求。

(3)變更風險較大。國防科研試驗具有較強的不可預見性，在實驗室建設(shè)過程中產(chǎn)生各種變更的可能性大，對施工方案、進度和概算均會產(chǎn)生影響。

由于以上特征，結(jié)合本項目交叉作業(yè)頻繁，鋼結(jié)構(gòu)吊裝難度大，任務重的特殊情況，鋼結(jié)構(gòu)施工部分成為本項目建設(shè)過程對進度影響最大的風險，因此必須就本項目涉及到的鋼結(jié)構(gòu)施工過程進行重點分析，采取有針對性的措施，確保項目順利實施。

本項目中二維子平臺主要是基于地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS Engine 9.3，并使用VS2008 對其進行二次開發(fā);三維顯示子平臺基于實時視景仿真軟件Vega prime 2.0，并使用VS2003 對其進行二次開發(fā)。

2.2 吊裝機械的仿真優(yōu)化

利用二維與三維的數(shù)據(jù)交互，二維控制三維場景的演示，能夠逼真地模擬出施工現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)吊裝全過程。以履帶吊的運動控制為例:用戶在二維子平臺程序界面輸入履帶吊運行線路的起始點、中間點和終點坐標信息后，發(fā)出指令，三維子平臺顯示界面就可以實際模擬出履帶吊在設(shè)定路徑上運動過程(圖3)。通過與力學仿真的接口，可以在ANSYS 軟件中模擬計算履帶吊在該線路上運動過程的力學信息(圖4)。這樣就實現(xiàn)了利用數(shù)據(jù)來驅(qū)動機械的運動，進行機械運動線路安全性檢驗和路線優(yōu)化。

圖3 履帶吊的運動控制

圖4 路線的安全性驗證

2.3 力學仿真對施工方案的優(yōu)化

在對原次桁架虛擬吊裝過程模擬中，發(fā)現(xiàn)存在碰撞和機械利用率較低等問題，經(jīng)過討論研究可以采用雙機整體抬吊的新方案進行吊裝。由于對于新方案的安全性沒有把握，需要利用力學仿真進行驗證，主要思路是選取吊裝最不利的一片桁架即次桁架第三片在最危險時點進行力學仿真分析，過程如圖5 所示。通過對新吊裝方案的虛擬模擬及安全性驗證，滿足可行性和安全性的要求。最終選擇采用新的施工方案進行吊裝，實現(xiàn)了對施工方案的優(yōu)化，節(jié)約了成本和工期，為項目實施帶來較大經(jīng)濟效益。

圖5 對次桁架第3 片進行安全性驗證的過程

3 結(jié)語

基于二維和三維的交互式數(shù)據(jù)仿真平臺，支持了數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬施工過程仿真的實現(xiàn)。通過提供良好的人機交互操作界面和力學仿真的接口，可以實現(xiàn)對多套施工方案進行綜合評估和優(yōu)化，節(jié)約返工成本，降低安全風險，保障施工進度，為實際工程項目帶來較大的經(jīng)濟和社會效益。其原理具有通用性，對該平臺的整體框架和功能進一步開發(fā)，適用領(lǐng)域不僅局限于大型鋼結(jié)構(gòu)施工，還可實現(xiàn)其他大型復雜工程的虛擬施工仿真模擬。

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