虚拟仿真技术在大型实验室钢结构施工中的应用研究

任振 余霞 樊怡辰 陈立华 王成程

(中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900)

0 引言

虚拟模型技术(virtual prototyping)是一种在虚拟环境中建模、模拟、分析产品设计与生产过程的数字化、可视化技术，其在制造业中得到了较好的应用［1］。随着信息化技术在建筑业的应用，虚拟模型技术已经在建筑施工领域开始应用［2-3］。以虚拟模型技术和交互式仿真技术为核心的虚拟仿真技术，能够对工程施工方案的组织和实施进行虚拟的验证和优化，降低了实际施工过程中的返工现象和重大安全事故的发生，节约了管理和安全成本。其研究与应用价值，逐渐引起了国内外学者的重视。

国外对于虚拟仿真研究开展的比较早，目前其研究内容主要包含基本理论研究、施工领域的可视化仿真以及虚拟现实技术在建筑行业的应用等方面［4］。国内相关研究主要包括虚拟现实视觉建模方法、多用户协同虚拟现实系统构建等问题，这些研究主要集中在设计阶段。在施工阶段的虚拟仿真和软件系统开发方面首次应用是2000年上海正大广场钢结构吊装施工方案虚拟仿真系统［5-6］。Heng Li［7］等 人 研 究 了 集 成 虚 拟 现 实(VR)系统——VCL 在建设项目计划管理中的应用;Hadikusumo［8］等人基于VR 技术设计一个名为DFSP (design-for-safety-process)的工具，用来识别施工过程中可能出现的，而实际上是设计产生的安全问题;上海海湾国家森林公园内茶餐厅钢结构设计及安装均是虚拟仿真技术在钢结构施工上的一个尝试［9］;深圳大学的李景茹使用C+ +语言结合地理信息系统(GIS)开发混凝土坝三维动态可视化仿真软件［10］。

综合起来看，目前的虚拟仿真系统只能对单套施工方案进行三维的预演或是针对施工过程仿真、进度控制或安全控制某一方面进行研究，对用户的开放程度较小，缺乏良好的人机交互界面和与力学分析功能的集成，不能对施工方案进行综合评估与优化。针对上述问题，提出一种基于二维和三维的交互式数据仿真平台，通过挖掘施工方案提供的数据来驱动虚拟施工的过程，在此基础上开发出虚拟仿真与力学仿真的接口，利用二维与三维之间的数据交互，实现对虚拟施工过程更为有效的控制。

1 交互式数据仿真平台整体框架

交互式数据仿真平台是指构建二维和三维的数据交互体系，用户通过良好的操作界面，实现对施工方案的数据存储、读取、分析和导出，进而对虚拟施工过程的实时演示和对施工方案安全性虚拟仿真验证。

1.1 整体结构设计

整体结构设计是对平台整体框架的设计，针对平台需要实现的不同功能完成相应的子平台设计。要实现对钢结构吊装施工过程虚拟仿真的演示与控制，同时考虑到二维和三维各自的特点，提出了集成由计算机1 构成的二维控制子平台和计算机2 构成的三维显示子平台的方案(图1)。

图1 平台整体结构设计

在平台整体结构设计中，二维子平台和三维子平台相互独立，但是通过一套高效的数据传递机制，将二者紧密地联系在一起，从而达到高内聚低耦合的目标，实现两个独立模块之间的数据交互。另外，本平台集成与力学仿真的接口，将虚拟施工过程中的安全性信息反馈给用户。

1.2 平台功能设计

为实现钢结构吊装施工过程的可视化，结合安全性分析的要求，在二维子平台和三维子平台的基础之上完成了两个方面的设计:

(1)吊装过程的自主控制。既可以控制整体钢结构吊装流程，也可以控制单片网架或桁架施工过程演示，满足了用户的需求。二维子平台操作主界面主要包括:菜单栏、视图栏、工具栏、主要显示窗口、状态栏五个主要组成部分，由这些部分共同操作，完成二维吊装场景的构建以及命令的发送。

(2)安全性验证。通过对力学仿真所需数据的识别、提取和打包，转换成ANSYS 可以识别的数据文件格式。在虚拟吊装仿真过程中，如果用户需要进行施工过程中杆件某个时刻的力学分析，可以在二维子平台发出指令，三维子平台接受信息后将当前状态下构件的自身属性数据、空间坐标数据、约束条件数据通过与力学仿真软件的接口导出以进行安全性分析。

1.3 消息传输机制设计

二维子平台和三维子平台之间信息的流畅有序传递，一方面，需要这两个子平台保持实时的同步关系。比如当二维子平台完成二维吊装平面场景加载后，需要等待三维场景加载完成，方可发送命令给三维客户端，整个过程消息传输机制见图2。另一方面，虚拟仿真与力学仿真的数据传输过程需要明确。

图2 消息传输机制图

上述两台主机通过局域网实现物理上的连接，考虑到二维子平台和三维子平台的高内聚、低耦合的特性，可以采取一种基于socket 通信技术的分布式交互响应机制［11］。将二维子平台作为服务器端，三维子平台作为客户端。二维服务器端与三维客户端之间发送的数据包格式为:由二维发往三维:标志位+数据包编号+数据包长度+命令+命令参数;由三维发往二维:标志位+数据包编号+返回码。

虚拟仿真与力学仿真之间的数据交互，能够实现在吊装过程的任意时刻，进行当前状态下构件的强度、刚度和稳定性分析。其数据传输过程为:①用户在二维子平台发送受力分析指令;②三维子平台导出进行受力分析的各项参数，形成一个数据文件;③力学仿真软件ANSYS 读取该文件并进行该状态下构件受力分析;④ANSYS将受力分析结果返回三维子平台，用户通过读取返回的信息判定当前状态是否安全。

分布式交互响应机制的实现，保证了平台之间消息传递无滞后性，整个虚拟吊装仿真过程能够按照用户的指令要求顺利进行。

1.4 互响应技术功能设计与实现

对吊装场景虚拟漫游、机械吊装线路导航、软件界面交互操作等互响应技术功能进行设计，可以更好地实现交互式数据仿真平台的虚拟场景表现效果。

(1)视域同步。实现二维吊装场景平面图与三维吊装场景的同步移动，即将二维与三维链接在一起，始终保持相同的视角。该功能主要是依靠在二维平面图中改变观察者位置时，发送一个坐标指令代码 (double x，double y，double z)给三维场景来实现坐标设置的。

(2)交互漫游。二维和三维之间可以相互记录对方在运动过程所经过的坐标信息，通过本功能可以实现对吊装机械的运动轨迹记录和定位，也可以反过来根据指定的轨迹为吊装机械在三维虚拟场景中的运动导航。

(3)吊装过程交互仿真。通过点击二维窗口的控件命令，三维窗口能够动态显示该相应操作的过程。实现思路是:将二维包含的构件类别、运输线路、安装位置空间坐标、机械运动轨迹等信息发送给三维，三维依据这些信息进行虚拟吊装模拟。

互响应技术功能设计与实现使三维虚拟场景更加真实，提高虚拟吊装仿真的可视化效果和交互性程度，同时改善了平台的易用性和直观性。

2 工程应用

2.1 项目背景

为满足某国防科研项目试验的要求，需配套建造一个大型钢结构实验室，该实验室占地约1.6 万m2，分为上下两层，下层是7m 高混凝土框架结构;上层是约15.5m 高钢结构。本项目具有一般国防科研实验室建设的特点，主要表现在:

(1)工期要求紧。科研试验项目任务重，留给基础配套设施建设的时间更短，为了不影响试验进度的进行，必须对实验室建设的进度严格要求。

(2)质量要求高。科研试验对于实验室的质量有较高要求，一方面是对结构承受各种荷载的安全性要求;另一方面是对结构尺寸、变形、环境温度、湿度等精度的要求。

(3)变更风险较大。国防科研试验具有较强的不可预见性，在实验室建设过程中产生各种变更的可能性大，对施工方案、进度和概算均会产生影响。

由于以上特征，结合本项目交叉作业频繁，钢结构吊装难度大，任务重的特殊情况，钢结构施工部分成为本项目建设过程对进度影响最大的风险，因此必须就本项目涉及到的钢结构施工过程进行重点分析，采取有针对性的措施，确保项目顺利实施。

本项目中二维子平台主要是基于地理信息系统软件ArcGIS Engine 9.3，并使用VS2008 对其进行二次开发;三维显示子平台基于实时视景仿真软件Vega prime 2.0，并使用VS2003 对其进行二次开发。

2.2 吊装机械的仿真优化

利用二维与三维的数据交互，二维控制三维场景的演示，能够逼真地模拟出施工现场钢结构吊装全过程。以履带吊的运动控制为例:用户在二维子平台程序界面输入履带吊运行线路的起始点、中间点和终点坐标信息后，发出指令，三维子平台显示界面就可以实际模拟出履带吊在设定路径上运动过程(图3)。通过与力学仿真的接口，可以在ANSYS 软件中模拟计算履带吊在该线路上运动过程的力学信息(图4)。这样就实现了利用数据来驱动机械的运动，进行机械运动线路安全性检验和路线优化。

图3 履带吊的运动控制

图4 路线的安全性验证

2.3 力学仿真对施工方案的优化

在对原次桁架虚拟吊装过程模拟中，发现存在碰撞和机械利用率较低等问题，经过讨论研究可以采用双机整体抬吊的新方案进行吊装。由于对于新方案的安全性没有把握，需要利用力学仿真进行验证，主要思路是选取吊装最不利的一片桁架即次桁架第三片在最危险时点进行力学仿真分析，过程如图5 所示。通过对新吊装方案的虚拟模拟及安全性验证，满足可行性和安全性的要求。最终选择采用新的施工方案进行吊装，实现了对施工方案的优化，节约了成本和工期，为项目实施带来较大经济效益。

图5 对次桁架第3 片进行安全性验证的过程

3 结语

基于二维和三维的交互式数据仿真平台，支持了数据驱动的虚拟施工过程仿真的实现。通过提供良好的人机交互操作界面和力学仿真的接口，可以实现对多套施工方案进行综合评估和优化，节约返工成本，降低安全风险，保障施工进度，为实际工程项目带来较大的经济和社会效益。其原理具有通用性，对该平台的整体框架和功能进一步开发，适用领域不仅局限于大型钢结构施工，还可实现其他大型复杂工程的虚拟施工仿真模拟。

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