整体钢平台的模块化标准化分析

张晓婕，席兆凯

（1.宁波市工业建筑设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000；2.中水电（天津）建筑工程设计院有限公司，天津 301799）

0 引言

随着社会经济的快速发展和城市规模的持续扩大，超高层建筑作为城市地标的体现，也是经济快速发展的产物，如同雨后春笋般在各大城市中不断涌现，对应着超高层建筑的建造技术也在不断地创新和进步。随着超高层建筑越来越高，工程建造的难度也成倍地增加，对整体式爬升模架装备的体系提出了严峻的考验和挑战，因此，超高层施工技术的改革与创新势在必行。

建筑的发展和脚手模板工程技术的应用是相辅相成的。现阶段，超高层建筑中广泛采用的结构型式是框架—核心筒体系，而影响建筑结构工期、施工安全性的关键技术则是模架施工技术[1][2]。超高层建筑施工的模架装备具备如下特点：以垂向的模板为主、比较高的施工精度和施工效率。以上海中心大厦为例，大厦采用的整体钢平台爬升模板系统由钢梁组成一个一体式钢平台并与内外挂脚手架进行连接固定，形成了一个全封闭的施工操作环境，同时利用钢牛腿搁置在核心筒墙体上，利用油缸来带动整个钢平台。钢平台的爬升脚手模板体系主要包括钢结构平台、一体式支撑系统、内外挂的脚手架系统、液压动力及电气控制和一体式模板体系五部分组成[3]。该体系大大地提高了工作效率和施工安全，为我国超高层复杂体形工程的施工积累宝贵的经验。

本文基于三维数字信息技术，以达索系统CATIA作为模拟仿真平台，对上海中心整体提升钢平台进行快速三维数字建模以及模块化管理，同时利用CATIA的装配仿真模块（DMU Fitting Simulator）进行装配操作仿真，来模拟钢平台的整体运动路径，便于技术人员可以在产品的设计阶段来验证装配动作设计和实施的正确与否，可以及早地发现装配操作中存在的问题，并依据问题反馈找出解决办法，并对模型进行调试修改，最后利用自带可视化工具输出装配全过程动画，对后面的整体模块化标准化应用起到指导意义。

1 参数化建模

1.1 参数化设计

参数化设计一般包括两个部分，参数化的图元设计模块和参数化修改引擎模块。一般设计软件中的图元都是以三维构件的方式实现，这些构件的差异，通过后台对应参数的调整来体现出来，因为后台参数保留了图元单体作为三维数字化构件的所有信息。而参数化修改引擎模块需要提供的参数更改可以使其自动在它所关联的区域体现出来，利用三维构件、图像和符号，让构件都可以通过后台变更进行互相关联。模型的操作，例如移动、删除和尺寸的改动等会引起相关模型构件的参数产生相关联的一些变化，不管是在什么视图下所发生的改变都可以双向地、参数化地传播到所有的视图，从而可以保证所有图纸的一致性，不需要逐一修改所有视图，从而达到提高工作效率和工作质量的目的。

CATIA软件的参数化设计方法可以实现比较灵活地建立和修改产品模型，从而避免产生产品重新设计的问题，最后达到提高生产效率的目的。特别是针对一些结构体系相对比较成熟的工业产品，利用该设计方法可以更加方便地对产品进行参数化管理。

三维产品装配体的参数化设计需要以零部件的参数化尺寸为基础[4]。利用参数化驱动可以快速准确地建立三维数字模型。上海中心大厦整体提升钢平台模型构件复杂，包含大量的标准件以及非标产品，为了更好地实现后续构件库模块化管理，以便构件管理、调用，现遵循参数化建模原则，对模型构件进行分类，具体分类见图1。CATIA参数化设计的前提要对每类构件进行参数说明，这里以其中一类钢梁为例，具体参数化设计见图2，其中参数同步设计Excel表格，通过修改对应参数可以快速对构件进行调整，缩短设计工期，快速提高工作效率，达到智能建模的目的。

图1 钢平台钢梁构件分类

图2 零件参数化设计

1.2 模块化管理

CATIA的库文件（Catalog）是一个类似于指针性的管理文件，界面层次比较清楚，能够快速地寻找并且调用到所设计的参数化文件。现对其中一类钢梁CC1库文件调用见图3、图4，通过关键字和预览可以清楚地查看每类钢梁的详细参数和形状，并且还可以给构件添加文档描述。CATIA提供的过滤器智能定义功能也可以方便用户通过自定义查询条件查找所需要的零件。

图3 CC1钢梁库界面

图4 CC1钢梁库预览界面

各构件的独立实体仍然需要通过库文件获得。CATIA库文件解析命令可以批量实例化各型号零部件，生成产品装配所需的所有零件。现以CC1库文件解析为例，解析过程见图5，通过参数化设计并且批量化生成的部件可以更加精确高效地指导生产。

图5 CC1钢梁库解析界面

三维标准件库概念已经广泛地应用于新型结构体系以及既有结构改进改型的设计工作中。在实际应用过程中，设计人员可以实时方便地得到所需要的三维标准件图形，从而极大地避免设计过程中重复绘制标准件图形，快速实现对标准产品各零件的管理与协调。建立三维标准件库这一操作，便于行业内部实现网络化、标准化、数字化的信息交流，为产品的高效设计并投产提供了实用有效的工具。

2 产品装配

CATIA建立的产品模型是一个能够代表不同装配单元层次、信息、参数及约束，并支持产品从起初的概念阶段到实施阶段的一体式产品模型[5]。第一步工作就是产品装配模型的建立，在产品的概念设计阶段，就能实时仿真模拟零部件装配全过程，并检查各个零部件之间是否按照既定的约束关系来组装，这样一来，可以解决所涉及的装配单元在过往设计阶段难以发现的一些错误或问题。

完成前期构件快速建模后，根据钢平台实际拼装工艺进行标准构件虚拟预拼装，并且建立整体提升钢平台各模块间的约束关系，包括固定、平移、旋转、滑动、同心扭转等，一旦点击“更新构件”按钮，构件将根据既定约束关系，完成预拼装。图6是钢平台钢梁装配示意图，整体钢平台拼装结果见图7。从图中可以看出，三维模型相对于传统的二维模型能够更好地表达产品，有助于更加直观地研究产品装配方案并且对其进行优化。

图6 钢平台装配示意图

图7 钢平台整体装配图

3 仿真模拟

为了实现钢平台完整的爬升仿真过程还需建立对应核心筒结构，最终装配模型见图8。模拟仿真概念指的是基于三维模型的运动，利用三维模型的模拟来替代真实空间中的系统进行实验和研究。仿真实现的重点在于产品模型的精确度，因为是对真实系统的模仿，就会产生模仿得像不像的问题，这也就是产品模型各方面精确度的问题。为此，在建立模型以后，其中一个重要步骤就是对模型进行可信度的检验。这里涉及的检验主要是对模型中零部件的定位、尺寸参数和相互约束关系进行检查，检验完成之后进行模拟。

图8 装配整体模型

CATIA平台实现仿真模拟主要是通过虚拟样机DMU（Digital Mock Up）模块。它的原理是利用三维设计模块建造出三维物理模型，同时分析和评价产品性能，最后用来指导改进产品缺点的一种前沿方法[6]。与之前传统的物理样机技术相比，它可以与计算机进行紧密结合，缩短产品周期，有效减少浪费，进一步降低研发费用，并能在多个研发人员之间实现同步并行操作，从而可以得到较广泛的使用。

结合CATIA软件特点，将前期已建好装配模型载入CATIA仿真模块（DMU），并对钢平台爬升体系施加运动副，完成一个完整爬升动作见图9。在运动过仿真程中进行干涉监控，一旦发生一些碰撞运动会立刻停止并且高亮显示，这样有助于发现其中所存在的问题并且进行纠正，见图10。最后通过CATIA平台自带的动画制作功能把全部的装配过程记录保存下来，方便后续工程人员反复进行查看，作为装配工艺的参考，可以有效指导现场工人进行实操装配，从而大大地提高了装配的效率。

图9 钢平台爬升运动副

图10 运动仿真干涉检查

4 结论

针对超高层结构爬架技术的分析，解决了在超高层结构垂直施工过程中遇到的各种技术难关，具有非常大的意义，主要研究方向集中在整体爬架装备的安全性指标和经济性指标两个方面。安全性指标主要包括结构体系自身承载能力、整体爬架在使用中的稳定性、对于风和雪等可变荷载的承载能力以及在施工过程中对工人的安全防护性能等。而经济性指标则主要包括原材料的投入量、垂直施工速度、工人操作钢平台的困难程度以及钢平台的可重复周转效率等。

本文基于三维数字仿真技术，通过CATIA软件的参数化设计和模块化管理来建立超高层整体提升钢平台的三维模型，同时进行整体钢平台全尺寸预装配模拟，实现了在产品装备工业化设计阶段提前发现零部件尺寸及相互约束关系是否存在错误，达到降低整体造价和提高效率的目的。最后通过完成整体式钢平台虚拟样机（DMU），并根据整体式钢平台预先设计的实际工作状态设置运行轨迹函数，实现对整体式钢平台提升部件的运动预仿真模拟，通过三维可视化仿真报告验证产品装备的运行机理并分析运动特征，为以后类似产品装置的优化和标准化量产提供有效参考。