钢结构施工过程动态可视化仿真软件的开发与应用

姜 华，仝 亮，高阳秋晔

(1.华北水利水电学院，河南郑州450045;2.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450003)

大型钢结构工程施工中的数据监控管理以及构件的校核十分关键却又非常繁锁，它关系到整个结构能否按照图纸的设计安全、有效地投入使用.为处理此问题，需要设计友好的操作系统，从根本上改变以往对大量控制数据的管理方法，抛开图纸和数据列表，令其更直观地显示在对话窗口内，对计算结果和观测结果进行比较，从而指导施工［1］.基于此，笔者以钢桁梁桥为例，采用VB语言设计可视化仿真软件，实现数据库数据对动态可视化仿真三维模型的调用和控制，实现工程施工中对各类数据的快速检索和调用，实现施工管理数字化.

1 软件设计目标、性能要求与架构

1.1 软件设计目标

该软件系统的使用对象主要是钢结构桥梁工程施工建设与设计单位相关的管理和设计人员.该软件系统的设计目标是:①用户可以直接在操作界面内获取桥梁钢桁架任意杆件的截面尺寸、材料属性，并结合动态的可视化模型标示出杆件所对应的节段位置信息，以及在任一施工过程中查询任意施工段控制点的位移坐标值;②通过对复杂分部工程工艺编制施工动画和施工预演，形象直观地进行技术交底和施工人员技术培训;③操作简单，使用方便;④硬件要求低，普通个人电脑即可满足该系统的运行要求.

1.2 性能要求

将有限元计算的大量复杂数据和动态可视化仿真模型进行高度集成，使系统在性能上实现:①友好的操作界面，采用导向式的目录菜单，结合开阔的动态可视化窗口，使用户对系统的操作一目了然，系统具备点击式查询方式，用户不必具有较多的专业知识就能进行信息查询;②支持多平台性，在Windows 2000，ArcView 3.2平台及以上系统支持下，与Microsoft Office办公软件相结合，具有较好的稳定性和可靠性.

1.3 软件系统架构

动态可视化仿真软件系统建立在共享数据库的基础上，由数据库模块、虚拟现实模块、施工管理控制模块3大模块构成，其软件架构如图1所示.

1.3.1 数据库模块

该软件的开发结合钢悬索桥设计、施工管理，处理大量的设计参数和施工控制数据.通过Treeview目录树的控制菜单涵盖设计构件信息、施工控制数据的节点信息就有15 571个单元组，而且每个节点所对应的数据组又有数十个子客体.因此数据量非常大，若不进行科学的管理和保存，极易造成数据遗漏或丢失，因而结合数据库技术和图形图像技术管理施工数据是大型结构进行施工数据管理的必然选择［2－4］.

图1 动态可视化仿真软件架构

SQL Server是基于服务器端的中型数据库，适合大容量数据的应用，在后台开发、处理海量数据，以及可扩展性等方面具有强大的功能.根据桥梁结构施工管理信息特征，选取Microsoft SQL Server作为数据库管理系统.

1.3.2 虚拟现实模块

该系统将虚拟现实技术和可视化仿真理论应用到钢结构工程领域，根据建立的三维数据模型和数据库以及工程动画建立虚拟现实模块.该模块可互动、实时、动态地展现架设过程，可实现工程场景及周围环境的可视化管理，允许系统的操作者在虚拟的桥梁架设工程中漫游.该模块具有以下特点.

1)信息模型数据的快速更新.仿真分析数据的输入、输出量巨大，对这些数据的检查、分析、比较、判断需要强大的2D和3D图形功能的支持，而且仿真分析的过程需要反复地计算调整才能得到方案的合理优化结果.因此，在仿真模拟过程中，需要采用可视化的3D图形，以实现对计算结果与数据传递的实时性.以VRP为平台实现信息模型数据的快速更新，具有高效、通用化的特点［5－10］.

2)关键技术、重大事件的仿真.实现对工程中重大事件、特殊事件、工艺、工法创新的描述、记录与再现，对工程关键技术进行可视化的仿真预演.对现场杆件拼装、吊车调装运输、桥面铺设、循序渐进的施工过程进行仿真预演.可以多维度呈现仅靠单纯平面图纸、表格无法观察到的施工现象和问题，通过调整预演，深入观察整个施工过程可能出现的问题，通过全桥的全过程仿真预演，提前准备好对策预案和施工处理措施，将施工问题和损失降低到最小范围.另外，通过对复杂工艺的仿真建模，结合传统的技术交底方式，可进行可视化施工培训和技术交底.

3)施工过程的资源与进度协调控制.可视化仿真模型可实现项目架设过程中的优化设计、合理制定计划、精确掌握施工进程、合理使用施工资源和科学地进行场地布置.实现资源的合理分配与利用，以缩短工期，降低成本，提高质量，尽可能实现工程的节约和环保.

1.3.3 施工监控模块

大桥架设阶段节点的位移、杆件应力、应变等计算结果贯穿整座桥施工架设的26个过程，数据繁多.基于此，编制了面向用户的动态可视化数据查询演示系统，建立友好的人机交互界面，形成“图形内蕴含数据，数据中关联图形”的复合数据图像系统，实现数据模型、图像的实时、交互控制，具有整个施工过程各构件的截面尺寸、重量、长度、材料属性、控制坐标、完成工作进度的实时数据索引功能，对复杂海量数据结合可视化模型进行形象的结果输出，并与现场施工观测数据进行实时比较，从而指导施工.

2 应用实例

坝陵河大桥是沪瑞国道主干线在贵州境内重要路段的关键工程，大桥全长1 564 m，主跨长为1 088 m的钢桁加劲梁悬索结构，主桁架高10 m，标准节间长度10.8 m，主桁架共98个标准节间.根据施工方案设计，钢桁梁和桥面板采用桥面吊机的吊装方式，除端部1个节间为1个架设单元，其他每2个节间为1个架设单元，从端部向跨中按26个架设过程进行对称施工.

应用该可视化仿真系统软件，建立坝陵河大桥工程的虚拟现实模型，对施工过程中的关键技术进行预演与记录、再现施工场景等.

2.1 桁架杆件属性信息查询

在建立的虚拟现实模型中，所呈现的信息包括杆件的位置信息、截面尺寸、长度、数量以及重量和力学属性信息等，可对这些信息进行查询和校核，如图2所示.

图2 杆件属性查询

2.2 施工控制位移查询

结合虚拟现实模型的图像、平面位置和空间位置等信息对各施工过程的控制关键点位移信息进行显示和输入，如图3所示.对施工位移信息的预调量进行实时计算，以便指导施工.

图3 控制位移查询

2.3 关键技术的动画模拟及预演

根据实际施工组织安排，对关键技术进行动画模拟和复杂工艺的施工预演，并进行施工回顾.输入各分项工程的开工时间，真实地再现不同阶段施工场景.可视化虚拟仿真的施工动画和复杂工艺的施工预演截图如图4所示.

图4 项目施工过程关键技术的仿真

3 结语

1)以钢桁梁桥为例，结合项目的施工架设全过程，开发了可视化的仿真软件系统，该系统具有使用方便、直观易懂的操作优点.

2)该系统实现了虚拟现实模型和数据库的动态关联，实现了数据库分类数据对虚拟现实模型的联动控制，将数据附着于虚拟现实模型，复杂数据通过虚拟现实模型形象地呈现出来.

3)该系统实现了施工过程中各类数据的查询和校核，从而指导施工.具有对工程关键技术的预演与记录、大场景的施工再现等功能.实现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)该系统适用于各类钢结构工程，实现了现代化施工管理的精细化、自动化.

［1］魏群，彭成山，姜华，等.钢桁梁架设过程仿真技术研究［R］.郑州:华北水利水电学院钢结构与工程研究所，2008.

［2］魏群.CIS/2钢结构数据库的建立方法和存取技术的研究［R］.多伦多:加拿大Auspic研发中心，2003.

［3］姜华，魏群，彭运动.坝陵河大型悬索桥钢桁加劲梁安装施工新技术［J］.华北水利水电学院学报，2010，31(1):37－40.

［4］马安青，单红仙，贾永刚，等.基于VB的山东省高速公路工程地质信息查询系统的建立［J］.遥感技术与应用，2005，20(6):620 －624.

［5］魏群，姜华，彭运动，等.大型钢桁架悬索桥节点刚度对成桥受力影响探讨［J］.公路，2009(3):29－33.

［6］魏鲁双.拱坝结构三维建模软件的关键技术研究［D］.成都:电子科技大学，2006.

［7］姜华，魏群，焦涛，等.梁腹板开圆孔钢框架的抗震性能分析［J］.河南理工大学学报，2008，27(1):333 －338.

［8］魏群.逻辑产品模型的研发和应用［C］//新世纪水利工程科技前沿.天津:天津大学出版社，2005.

［9］魏群.数字城市可视化仿真三维实体建模及虚拟现实软件系统的自主研发［C］//第二届中国国际数字城市建设会议论文集.苏州:知识产权出版社，2006.

［10］姜华.弱梁刚性连接钢框架的抗震性能研究［D］.西安:西安科技大学，2006.