基于數(shù)字孿生的裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)建造技術(shù)

張健新 ,翟越洋 ,趙茜婭

（河北工業(yè)大學(xué) a.土木與交通學(xué)院；b.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

隨著建筑行業(yè)不斷發(fā)展，中國出臺了一系列政策鼓勵傳統(tǒng)建筑行業(yè)向綠色、智慧、信息化發(fā)展。裝配式建筑由于其安裝過程簡單易行、現(xiàn)場工作量少、施工周期短、產(chǎn)生建筑垃圾少等優(yōu)點，成為了建筑行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。裝配式建筑的發(fā)展是中國建筑行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，符合新型工業(yè)化道路的發(fā)展方向，是中國大力支持的結(jié)構(gòu)形式之一。在此背景下，學(xué)者們提出了新型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)形式[1-3]，雖然認(rèn)識到了鋼連接裝配式節(jié)點性能優(yōu)越，并對其進行了大量的實驗研究和理論分析，但研究成果的工程應(yīng)用相對很少。同時，由于連接技術(shù)的改良，梁柱連接包括鋼連接段、混凝土連接段、鋼混連接段，造成該新型節(jié)點連接段剛度值不連續(xù)，會導(dǎo)致裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞可能出現(xiàn)在鋼連接段、混凝土連接段、鋼混連接交界處，造成結(jié)構(gòu)破壞位置的不確定性[4-5]。因此，在該新型結(jié)構(gòu)施工過程中，有必要采用信息技術(shù)手段對其進行監(jiān)測，及時獲取最新的信息，并確保信息的完整性和全面性[6]，為新型裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

在建筑結(jié)構(gòu)中預(yù)埋傳感器監(jiān)測建筑健康狀態(tài)，防止?jié)撛诘慕Y(jié)構(gòu)故障，是施工和維護階段監(jiān)測建筑的重要手段。Li 等[7]提出一種用于耙吸式挖泥船施工安全的數(shù)字雙驅(qū)動虛擬傳感器結(jié)構(gòu)，基于物理傳感器監(jiān)測施工狀態(tài)，克服了傳感器對難以直接測量或成本高昂的檢測目標(biāo)的限制。同時，通過分析物理傳感器和虛擬傳感器之間的殘差來診斷施工行為，能夠準(zhǔn)確地對故障情況進行預(yù)警。Linares 等[8]采用增強/虛擬現(xiàn)實的先進設(shè)備與傳感器相結(jié)合，在物理現(xiàn)場捕捉圖像或視頻以進行結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測、風(fēng)險預(yù)警和遠(yuǎn)程指導(dǎo)。上述研究雖然利用物理傳感器和虛擬傳感器相結(jié)合的方式來監(jiān)測工程狀況，但該模式尚未在實際工程中應(yīng)用。若對所有節(jié)點進行監(jiān)測，則需要相當(dāng)數(shù)量的傳感器，同時監(jiān)測數(shù)據(jù)的增加對程序、機器和人力的要求將進一步提高，進一步造成資源消耗。將傳感器網(wǎng)絡(luò)所得數(shù)據(jù)與虛擬模型相結(jié)合能夠最大限度地進行建筑施工過程全面監(jiān)測，并減少資源消耗。

隨著新一代信息技術(shù)和“工業(yè)4.0”的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在航空航天和制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[9-10]，并逐漸由復(fù)雜的飛行器領(lǐng)域向一般工業(yè)領(lǐng)域拓展，目前學(xué)者們已開始探索其在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用[11-13]。劉占省等[14]提出了一種智能建造框架，證明了數(shù)字孿生模型可以實現(xiàn)輪輻式索桁架的智能張拉提升。在土木工程行業(yè)，數(shù)字孿生可以通過形式化的語言為裝配式施工過程建立結(jié)構(gòu)性強、施工過程信息涵蓋全面的模型[15]。數(shù)字孿生技術(shù)中每個物理部分都能找到相應(yīng)的虛擬部分，同樣，每個虛擬部分都能找到相應(yīng)的物理部分，在項目中，環(huán)境、條件、需求、物理部件、虛擬部件、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)可以靈活地變化[16]。因此，在新型裝配式結(jié)構(gòu)建造工業(yè)化進程中，數(shù)字孿生技術(shù)是一種對裝配式建筑進行局部和整體分析的有效方法，與傳統(tǒng)的定期檢修相比，數(shù)字孿生技術(shù)能為結(jié)構(gòu)的故障監(jiān)測提供一種新的方法。上述成果證明了數(shù)字孿生技術(shù)的可行性，但該研究僅在模擬施工過程中進行試驗。對于新型裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，該技術(shù)對真實施工過程中時空參數(shù)的考慮不足，且缺乏基于實際工程的理論框架。

建筑信息模型（BIM）已被證明是一種智能和參數(shù)化的數(shù)字孿生建模方法，可支持建筑物全部活動，包括設(shè)施的設(shè)計、施工、運營和維護[6]，在建筑項目中有廣泛的應(yīng)用。已有研究表明，BIM 的使用可以顯著減少信息損失，提高日常管理效率。然而大多數(shù)現(xiàn)有建筑沒有完整的BIM 模型。近年來學(xué)者采用新的技術(shù)手段和方法能夠更高效地建立現(xiàn)有建筑構(gòu)件BIM 模型，劉金典等[17]采用BIM 和激光掃描手段提出了裝配式體系建造管理與質(zhì)量控制方法，并基于工程案例驗證了該方法的可行性與實用性。Boje 等[18]回顧了建筑信息模型(BIM)和數(shù)字孿生的發(fā)展，指出數(shù)字孿生比BIM 需要更多的細(xì)節(jié)以監(jiān)控和控制物理實體。利用BIM 軟件對新型裝配式建筑進行孿生建模，雖然一定程度上可以減少人力的投入，但由于其包含條件有限，結(jié)果缺乏精度，尤其是時空精度有待提高[19]。事實上，在對裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)建造進行監(jiān)測時，除需要考慮常規(guī)建筑包含的參數(shù)外，還應(yīng)關(guān)注梁柱節(jié)點不同梁段的應(yīng)力水平，以此來確保監(jiān)測結(jié)果的可靠性。同時，現(xiàn)有數(shù)字孿生技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用缺乏大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和合適的理論框架[20]。

學(xué)者們采用數(shù)字孿生技術(shù)研究了傳統(tǒng)建造過程中的難點，推動了建造業(yè)向智能化的轉(zhuǎn)變，但數(shù)字孿生技術(shù)在實際新型裝配式工程建造中的應(yīng)用尚有待進一步研究。利用傳感器實時監(jiān)測建造過程中的關(guān)鍵節(jié)點時，筆者搭建的技術(shù)框架引入了虛擬傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)，能對結(jié)構(gòu)建造過程進行更加精確和全面的監(jiān)測。同時，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)受力時，該框架將時空參數(shù)納入分析范圍，可以實現(xiàn)對危險節(jié)點的實時預(yù)警。筆者在新型裝配式鋼節(jié)點混凝土結(jié)構(gòu)試驗研究和理論分析的基礎(chǔ)上[21]，在裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用過程中，基于BIM、有限元和傳感器等技術(shù)搭建了基于數(shù)字孿生的新型裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)的智能建造框架，以期為該框架的廣泛應(yīng)用提供有效數(shù)據(jù)信息，并為裝配式建筑與智能建造融合發(fā)展提供參考。

1 基于數(shù)字孿生的建筑結(jié)構(gòu)智能建造框架

數(shù)字孿生的建?？蚣芊譃槲锢砟Ｐ?、虛擬模型和模型交互的建立。物理模型是建立數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，它包括物理模型的搭建和數(shù)據(jù)的收集。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)確性十分依賴于數(shù)據(jù)源，所以在數(shù)據(jù)收集階段應(yīng)該基于實際的物理系統(tǒng)來提取、描述和驗證仿真需求。為了獲得更準(zhǔn)確的仿真需求，需要獲得盡可能多的信息。幾何信息通過CAD 圖紙和3D 激光掃描的方法獲得。物理傳感器是監(jiān)測施工狀態(tài)的有效方法，對于非幾何數(shù)據(jù)可以通過在構(gòu)件預(yù)埋傳感器的方式獲得。

虛擬模型是與物理模型——對應(yīng)的計算機模型，它是應(yīng)用數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，包括物理模型中每一個構(gòu)件，而虛擬模型中的每一個元模型都可以在物理模型中找到實體。BIM 通常作為建筑數(shù)字孿生的數(shù)字模型，使用BIM 工具創(chuàng)建的模型非常接近真實建筑物，它積累了施工中的規(guī)則、技術(shù)和方法，建立了一種操縱施工策略的技術(shù)。此外，它還以數(shù)字方式組織施工組件并加以記錄，以創(chuàng)建全面的時間表。

研究的技術(shù)手段路線如圖1 所示。以基于CAD 和3D 掃描的BIM 建模技術(shù)為輔助，對物理模型進行BIM 建模。將BIM 模型導(dǎo)入ABAQUS 軟件，建立有限元模型。ABAQUS 模擬數(shù)據(jù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際數(shù)據(jù)共同構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過對比同一節(jié)點處實際傳感器數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)，實現(xiàn)BIM 模型、ABAQUS 模型和傳感器網(wǎng)絡(luò)三者互相修正，從而對建筑結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測和指導(dǎo)。

圖1 研究技術(shù)手段路線圖Fig.1 Diagram of research technical methods

孿生模型框架如圖2 所示，模型框架主要包括真實空間的物理模型、數(shù)字空間的虛擬模型以及兩者之間的信息連接。模型框架建立的具體實施步驟如下：首先，利用項目CAD 圖紙的初始幾何數(shù)據(jù)實現(xiàn)BIM 建模，在此基礎(chǔ)上建立有限元分析模型，得到初始虛擬模型；隨物理模型同步建立虛擬模型后，利用3D 激光掃描獲得施工過程中實際建筑的關(guān)鍵幾何數(shù)據(jù)，基于此對虛擬模型進行改進，通過對收集的數(shù)據(jù)實時更新，對虛擬模型反復(fù)修正，得到趨近于物理模型的虛擬模型；最后，在物理實體建造過程中，將物理傳感器放置于建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點，以實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的應(yīng)變數(shù)據(jù)，進而對比分析實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元計算得到的理論數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)危險點預(yù)警，及時對物理模型進行修正，最終完成孿生模型的搭建。該模型框架包含正向和反向兩條信息連接方式，由物理實體到虛擬模型的映射建模過程為正向信息連接，由虛擬模型到物理實體的分析決策過程為反向信息連接。

圖2 孿生模型框架圖Fig.2 Framework of the twin model

2 基于數(shù)字孿生的建筑結(jié)構(gòu)智能建造實現(xiàn)方法

基于數(shù)字孿生的建筑結(jié)構(gòu)智能建造框架搭建方法如圖3 所示。首先，對物理模型進行數(shù)據(jù)采集，并以不同格式進行保存，通過第一次采集的初始數(shù)據(jù)建立虛擬模型。在初始BIM 模型和ABAQUS 模型建立后，對比分析軟件模型數(shù)據(jù)和采集物理數(shù)據(jù)，更新虛擬模型數(shù)據(jù)，建立完備的虛擬模型，然后分析反饋至物理模型并對其進行監(jiān)測指導(dǎo)。

圖3 基于數(shù)字孿生的建筑結(jié)構(gòu)智能建造框架搭建方法Fig.3 Frame building method for intelligent construction of building structure based on digital twin

2.1 物理數(shù)據(jù)采集

物理數(shù)據(jù)來自物理實體，獲取方式包括實時傳感器監(jiān)控、手動檢查、施工活動和3D 激光掃描等。不同的數(shù)據(jù)在整合前通過不同的方式存儲，如利用數(shù)據(jù)庫、紙質(zhì)文檔、電子表格和圖片等，整合后將會統(tǒng)一存儲在孿生模型中。存在于建筑工程中的物理數(shù)據(jù)包括人員、機器、原料、方法、環(huán)境等。隨著項目施工進度的不斷推進，物理數(shù)據(jù)種類會不斷增加，而在項目竣工后，種類達到最大值。

2.2 虛擬模型建立

虛擬模型用來模擬項目實體的屬性、運行狀態(tài)和演化規(guī)律，從而反映項目實體在真實環(huán)境中的狀態(tài)。BIM 作為一種參數(shù)化的建模方法，該模型包含項目實體的物理幾何信息和屬性邏輯信息，可以減少從物理模型到虛擬模型中的數(shù)據(jù)損失，對新型建筑的應(yīng)用發(fā)揮指導(dǎo)作用。

常見BIM 模型的建立方法包括基于圖像建模、基于激光掃描建模、基于無線電標(biāo)簽建模、基于CAD 建模等。基于圖像建模是利用圖像重疊生成密集場景來進一步生成點云模型或利用圖像處理算法提取圖片中的幾何特征的方法來對物理模型進行還原，該建模方法可以有效構(gòu)建物理模型的幾何信息，但建筑的邏輯信息和拓?fù)湫畔o法被很好地表達?；诩す鈷呙杞Ｊ抢?D 激光掃描技術(shù)生成物理模型高精度點云的方法還原物理模型，該建模方法建立的虛擬模型精度很高，但容易缺少數(shù)據(jù)且費用昂貴?；跓o線電標(biāo)簽建模是利用對建筑物構(gòu)件安裝標(biāo)簽來定義信息，再使用射頻識別技術(shù)對構(gòu)件進行識別操作，同步構(gòu)建物理模型，該方法經(jīng)濟有效，且可以記錄建模過程，但使用過程復(fù)雜，大大增加了高技術(shù)人才的工作量。基于CAD建模是利用CAD 圖紙上的幾何信息和文本信息建立物理模型的獨立構(gòu)件信息，建立對應(yīng)的虛擬構(gòu)件模型，拼裝成為完整建筑的虛擬模型，該方法操作簡單，信息豐富，但建模精度不足的問題需要解決。此外，ABAQUS 可以建立建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模擬，它包含著項目不可視的力學(xué)數(shù)據(jù)。

為保證更全面地收集物理模型參數(shù)以建立虛擬模型，保證兩者實時同步，在物理模型中加入了收集內(nèi)部參數(shù)的傳感器，以獲得其內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變等實際不可視數(shù)據(jù)，并保證該數(shù)據(jù)可以實時更新，利用傳感器采集到的數(shù)據(jù)對虛擬模型進行修正。

2.3 模型信息交互

模型信息交互本質(zhì)上是以循環(huán)嵌套的方式實現(xiàn)對孿生模型的修正和對物理模型的監(jiān)測預(yù)警。該循環(huán)包括虛擬模型內(nèi)部小循環(huán)和虛擬模型與物理模型之間的大循環(huán)。在虛擬模型內(nèi)部小循環(huán)中，初始虛擬模型通過不斷地對物理模型數(shù)據(jù)進行分析對比，自循環(huán)改進，提升虛擬模型的精度。在虛擬模型與物理模型之間的大循環(huán)中，由物理模型為虛擬模型提供數(shù)據(jù)，對虛擬模型進行建立和修正。

對物理系統(tǒng)建立的孿生模型為從物理模型中收集到的數(shù)據(jù)提供了可視化的存儲架構(gòu)。同時還可以了解物理模型的實時狀態(tài)、行為和組件關(guān)系。在建筑領(lǐng)域，經(jīng)過驗證的孿生模型提供了建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)、人員和施工方法的存儲架構(gòu)，使施工中的問題變得可追溯。得益于孿生模型的高度保真性，在虛擬模型中的結(jié)果可以代替物理實驗，通過這種方法，可以借助虛擬運行的結(jié)果來對物理模型進行優(yōu)化和預(yù)測。裝配式建筑施工時，在對物理構(gòu)件下一步搭建之前，可以先利用虛擬模型進行搭建，確定施工方案的可行性。在施工過程中，虛擬模型和物理模型所得的數(shù)據(jù)會被記錄，構(gòu)成實際傳感器為主、虛擬傳感器為輔的傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，對比兩者所獲信息的差異以及其中一個數(shù)據(jù)在時間維度上的特殊變化，對物理模型的使用情況進行評估，為建造過程提供一種實時有效的監(jiān)測方式。更進一步地說，物理系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)是同步的，數(shù)據(jù)是雙向的。利用這個特性，孿生模型可以與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，通過大量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)使計算機可以代替人工決策，提升施工效率。通過多個項目中3D 激光掃描、傳感器和其他設(shè)備收集的數(shù)據(jù)及對應(yīng)的項目狀態(tài)對機器學(xué)習(xí)模型進行訓(xùn)練，找到輸入輸出間的非線性關(guān)系。這個機器學(xué)習(xí)模型可以在虛擬模型獲得物理模型的實時數(shù)據(jù)后對其做出分析，識別問題來源，建議決策選項，并采取必要的修正措施。

3 裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)示范工程是某省的科研樓項目，該項目采用鋼節(jié)點連接預(yù)制混凝土梁柱裝配而成，工程的建造過程如圖4 所示。基于BIM、有限元和傳感器等技術(shù)采集數(shù)據(jù)，建立該實際工程的數(shù)字孿生模型。

圖4 裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)工程示范Fig.4 Engineering of prefabricated concrete frame structure with steel connectors

3.1 物理數(shù)據(jù)采集

結(jié)合已有研究[22]，采用應(yīng)變計進行施工過程中的應(yīng)力監(jiān)測。物理模型搭建期間，在鋼節(jié)點上安裝傳感器來收集相關(guān)數(shù)據(jù)。為保障所得數(shù)據(jù)的精確性和測量的長期性，選用靈敏度、監(jiān)測范圍、環(huán)境適用性和監(jiān)測壽命更具有優(yōu)勢的電阻式應(yīng)變計對應(yīng)變進行數(shù)據(jù)采集。其中，在梁柱構(gòu)件鋼節(jié)點表面焊接YBM 型工具式表面應(yīng)變傳感器，在梁柱構(gòu)件鋼筋籠上綁扎YNM 型混凝土內(nèi)埋式應(yīng)變傳感器。兩種應(yīng)變傳感器可以收集結(jié)構(gòu)內(nèi)部不可視的應(yīng)變數(shù)據(jù)，且其中均帶有溫度補償裝置，可通過橋路補償法消除外界環(huán)境溫度對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。傳感器通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，該工程使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要為WKD3813 多功能靜態(tài)應(yīng)變儀。因施工階段時間跨度相對很短，不考慮實際結(jié)構(gòu)的老化問題，虛擬模型能真實反映物理模型。

該裝配式結(jié)構(gòu)工程中選擇建筑內(nèi)相連的角柱、邊柱、中柱的代表性關(guān)鍵點替代建筑整體來布置測點，并選取框架結(jié)構(gòu)中節(jié)點受力最大的一層梁柱連接節(jié)點作為代表測點，對建筑結(jié)構(gòu)的整體和角柱、邊柱、中柱節(jié)點區(qū)域在施工過程中的工作狀態(tài)進行研究。傳感器位置如圖5 所示，工程監(jiān)測方案選取平面圖中A、B、1、2 四條軸線圍成的部分，監(jiān)測梁柱鋼連接節(jié)點數(shù)量為3，均在框架結(jié)構(gòu)一層，在圖中以圓圈標(biāo)識被監(jiān)測節(jié)點的位置。

圖5 傳感器位置圖Fig.5 Diagram of sensor position

以中柱的梁柱鋼連接節(jié)點為例，節(jié)點中鋼連接件關(guān)鍵測點傳感器布置如圖6 和圖7 所示。為保證傳感器收集數(shù)據(jù)的條理性和可靠性，以不同施工進度進行工況劃分，見表1，在每個工況下都進行多次監(jiān)測。

表1 施工工況劃分表Table 1 Construction working condition division table

圖6 傳感器布置圖Fig.6 Layout of strain sensor

圖7 關(guān)鍵點傳感器位置布置圖Fig.7 Layout of sensor position in key points

3.2 虛擬模型搭建及數(shù)據(jù)計算

3.2.1 BIM 模型建立

采用BIM 軟件，把BIM 技術(shù)與裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑相結(jié)合，以施工圖紙參數(shù)為基礎(chǔ)提出裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件參數(shù)化建模程序，將規(guī)范要求、設(shè)計流程及配筋構(gòu)造以函數(shù)的形式嵌入程序節(jié)點中和程序邏輯中，以定位點為紐帶，對組成預(yù)制構(gòu)件的各個子圖元進行了參數(shù)化關(guān)聯(lián)?；贐IM的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計方法，將工程圖紙包含的參數(shù)與Dynamo 程序開發(fā)相結(jié)合，實現(xiàn)了基于參數(shù)數(shù)據(jù)驅(qū)動的裝配式預(yù)制構(gòu)件模型一鍵生成，使得在參數(shù)準(zhǔn)確的前提下，可以高效地完成精細(xì)化建模及相應(yīng)構(gòu)件的工程量統(tǒng)計。

以帶鋼連接的預(yù)制柱建模為例，介紹BIM 模型的建立方法。首先，在預(yù)制柱定位點數(shù)據(jù)中讀取X、Y、Z軸坐標(biāo)值，清除空集后以橫向原則進行分組，以柱族名稱為關(guān)鍵詞進行分類，與輸入點口相聯(lián)結(jié)，產(chǎn)生Dynamo 能夠讀取的點，生成定位點和定位曲線，基于此建立預(yù)制柱的混凝土模型。然后，將鋼連接參數(shù)化族導(dǎo)入Revit 中，以柱橫截面中心為原點建立三維坐標(biāo)系，通過將常規(guī)模型拼接的方式對鋼連接件進行建模，將定位點之間的幾何約束關(guān)系轉(zhuǎn)換為Dynamo 代碼塊中的函數(shù)關(guān)系。最后，鋼筋以縱筋中的角筋為例，將4 個角筋的定位點分別與預(yù)制柱橫截面A、B、C、D4 個角點相對應(yīng)，將角點與角筋的定位點坐標(biāo)進行參數(shù)化關(guān)聯(lián)，通過兩點生成定位曲線，將錨固長度轉(zhuǎn)化為與X坐標(biāo)值相關(guān)的參數(shù)，將錨固區(qū)鋼筋統(tǒng)一表示為X軸正向的曲線，將兩曲線融合生成角筋模型。最終建立的裝配式科研樓建筑信息模型如圖8 所示。

圖8 裝配式混凝土框架科研樓建筑信息模型圖Fig.8 Building information model of prefabricated concrete frame building

3.2.2 ABAQUS 模型建立

采用ABAQUS 對物理模型進行有限元分析，建模過程包括使用材性數(shù)據(jù)對各構(gòu)件進行屬性賦予、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件和荷載施加等過程。部分屬性選取如下：混凝土為C30，選用塑性損傷本構(gòu)模型，鋼構(gòu)件為Q345，鋼筋為HRB400，鋼連接件和鋼筋考慮選用強化的雙折線本構(gòu)，混凝土和鋼連接件采用八節(jié)點減縮積分實體單元C3D8R 模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2 模擬。在荷載模塊下對模型的柱底位置創(chuàng)建固定約束，梁端H 型鋼上下翼緣與柱方鋼管連接采用Tie 約束指令定義，以模擬現(xiàn)實中的焊縫連接。梁端H 型鋼腹板與柱外伸連接板之間的約束設(shè)置為螺栓荷載和鋼板之間的面與面接觸的罰摩擦，而面與面接觸的法向作用定義為硬接觸，用于模擬建筑物實際的邊界條件。對于荷載施加過程，采用與實際施工工序相符的分段施工荷載施加的方法，而不采用一次性將全部施工荷載施加到模型中去，這是由于施工模擬不是模型受力線性疊加的簡單問題，需要綜合考慮不同工況下模型的變形，這些都會對后續(xù)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生影響。部分工況ABAQUS 模型和應(yīng)力云圖分別如圖9 和10所示。

圖9 工況4 和工況8 下的模型圖Fig.9 Modeling in conditions 4 and 8

圖10 工況4 和工況8 下的應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud map in conditions 4 and 8

3.3 模型應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析

基于裝配式科研樓項目，在施工過程中應(yīng)用數(shù)字孿生模型技術(shù)，應(yīng)用框架如圖11 所示。

圖11 應(yīng)用框架圖Fig.11 Framework diagram of the application

裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)科研樓的節(jié)點是整個建筑的易損部位，需要重點監(jiān)控，但由于存在多個連接節(jié)點，若全部安裝傳感器對節(jié)點進行監(jiān)控，耗資巨大。同時傳感器還存在故障的風(fēng)險，可能導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或失去測量數(shù)據(jù)，造成安全隱患?；谏鲜鰡栴}，考慮對裝配式鋼節(jié)點混凝土框架科研樓建立數(shù)字孿生模型，對其關(guān)鍵節(jié)點進行監(jiān)測，實現(xiàn)對節(jié)點真實狀態(tài)的監(jiān)測、診斷、預(yù)警分析。

在裝配式科研樓的部分鋼節(jié)點上安裝應(yīng)力傳感器，傳感器通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，將傳感器采集的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。根據(jù)裝配式科研樓的圖紙數(shù)據(jù)建立BIM 模型，生成施工圖并進行碰撞檢測以確保模型的準(zhǔn)確性，建立的模型可直接導(dǎo)入ABAQUS 軟件，進行結(jié)構(gòu)計算和設(shè)計。通過計算機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)楸砀窈蛨D像進行數(shù)據(jù)分析，通過同一位置實際傳感器與有限元的虛擬傳感器的差值進行分析，改進有限元模型。在所有安裝傳感器的節(jié)點數(shù)值校正完畢后得到完備的孿生虛擬模型。

通過選擇性安裝實際傳感器對鋼節(jié)點數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的虛擬模型可以對未安裝實際傳感器的鋼節(jié)點進行應(yīng)力檢測和監(jiān)控。虛擬模型監(jiān)測數(shù)據(jù)和實際傳感器測試數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了整個裝配式鋼節(jié)點混凝土框架科研樓的節(jié)點應(yīng)力數(shù)據(jù)網(wǎng)。當(dāng)節(jié)點應(yīng)力數(shù)據(jù)網(wǎng)中因?qū)嶋H傳感器損壞造成數(shù)據(jù)缺失時，可用虛擬模型中的應(yīng)力數(shù)據(jù)替換。

當(dāng)裝配式鋼節(jié)點混凝土框架科研樓發(fā)生節(jié)點損壞時，可能會影響整個建筑的安全。因此，有必要對所有節(jié)點進行長期監(jiān)控并提出預(yù)警。在科研樓的建造過程中，記錄傳感器測量的應(yīng)力值Xij（i為空間標(biāo)號，j為時間標(biāo)號）與孿生虛擬模型計算值Yij（i為空間標(biāo)號，j為時間標(biāo)號），通過統(tǒng)計分析獲得數(shù)據(jù)的分布和殘差。對角標(biāo)一致的Xij和Yij進行對比，若兩者誤差超越殘差，可認(rèn)為該處應(yīng)力數(shù)據(jù)網(wǎng)出現(xiàn)漏洞，發(fā)生漏洞的節(jié)點被認(rèn)定為危險節(jié)點，對i角標(biāo)相同的Xi1、Xi2、Xi3…進行對比，若某兩相鄰值出現(xiàn)較大突變，可認(rèn)為該空間處節(jié)點出現(xiàn)危險。此時系統(tǒng)會發(fā)出危險預(yù)警，反饋給物理模型，以便對物理模型進行修正。

為驗證所建立孿生模型的仿真性能，對施工過程中所有節(jié)點的應(yīng)力真實值和校準(zhǔn)后的模擬值進行對比。某典型節(jié)點在不同工況下真實值與校準(zhǔn)后模擬值對比如圖12 所示。

圖12 不同工況下真實值與模擬值對比圖Fig.12 Comparison of actual value and numerical value under different conditions

對傳感器真實測量和有限元模擬得到的不同工況下應(yīng)力數(shù)據(jù)進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著施工的持續(xù)，節(jié)點的最大應(yīng)力不斷增加，最大值發(fā)生在建筑頂層保溫層鋪設(shè)完成時。這說明在施工過程中，建筑材料應(yīng)力值不斷增加，危險性也隨之增加。為最大限度保證建筑施工時的安全，有必要對建筑進行數(shù)字孿生模型的建立和分析。

通過對比不同工況下傳感器數(shù)據(jù)和有限元模擬數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，模擬值和真實值差值絕對值的最大值為3 MPa，且隨著施工的進行，模擬值和真實值之間的差距逐漸縮小至1 MPa，這說明該數(shù)字孿生模型對節(jié)點的真實環(huán)境和狀態(tài)有較好的表達。

4 結(jié)論

1）基于數(shù)字孿生提出了建筑結(jié)構(gòu)智能建造框架，并從物理數(shù)據(jù)采集、虛擬模型建立和模型信息交互3 個方面闡述了該數(shù)字孿生框架的具體實現(xiàn)過程，但受限于軟硬件開發(fā)程序的限制，該數(shù)字孿生模型僅在施工校準(zhǔn)和監(jiān)測預(yù)測方面可以發(fā)揮作用。

2）采用傳感器技術(shù)實現(xiàn)了新型裝配式框架結(jié)構(gòu)鋼連接節(jié)點物理模型的應(yīng)力數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，并將其與BIM 和有限元虛擬模型對節(jié)點處應(yīng)力狀態(tài)仿真數(shù)據(jù)進行比較，基于不斷更新的建造數(shù)據(jù)和積累的歷史數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r調(diào)控和反饋施工過程中的信息，通過新型裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)實際工程應(yīng)用驗證了基于數(shù)字孿生模型的實現(xiàn)方法。

3）以新型裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)實際工程為例，基于BIM、有限元和傳感器等采集數(shù)據(jù)，建立了該工程的數(shù)字孿生模型，結(jié)果表明該數(shù)字孿生模型能真實地反映建造過程中的實時受力狀態(tài)。但受限于參數(shù)聯(lián)合技術(shù)，使人員和機械等數(shù)據(jù)不能發(fā)揮全部作用，后續(xù)可以考慮通過物聯(lián)網(wǎng)調(diào)動更多的參數(shù)，實現(xiàn)全項目的智能化識別和管理。