大型建筑钢结构虚拟施工建模关键技术研究

阚龙兴

（河南六建建筑集团有限公司，河南 洛阳 471000）

由于土地资源不可再生，我国建设部已经在几年前严禁使用粘土砖，而我国钢材产量近几年一直是供过于求的情况，这就使得钢材被更多的使用在建筑上，钢结构建筑是一种新型的建筑体系，建筑钢结构有很多优点，主要有：施工时间段，受温度影响较小，所建房屋使用空间大，施工产生的建筑垃圾少，不污染环境，房屋拆除后可重复利用，抗震性好，易于改造等。正是这各种各样的原因使得我国建筑钢结构不断的发展，但是我国在钢结构建筑上的相关技术人员并不完备，而钢结构建筑要求施工过程必须精确，特别是大型建筑钢结构，这就在一些单位的施工过程中常常发生一些事故，而钢结构由于本身体积较大，吊装过程受风力影响较大等因素，也使得大型建筑钢结构在吊装过程中事故频发。随着计算机技术的不断发展，越来越多的计算机技术被引入各行各业，建筑也不例外，现在，通过将虚拟的建筑技术应用与大型建筑钢结构的施工上已经成为了一种新的趋势。建造技术是大型建筑钢结构虚拟建造的主要技术之一。虚拟施工的过程中有一个很重要的环节就是钢的结构建模。

随着我国的经济建设，国民素质不断的提高，人们越来越重视精神文明建设，体育中心，展览馆，博览中心被越来越多的建设起来，其国模也越来越大。所以钢结构的大跨度施工在我国也进入了一个快速发展的阶段。在国外很早的时候就开始运用钢结构建筑了，在我国，由于起步较晚，所以钢结构建筑的难度也较大，近几年大型钢结构建筑在施工过程中的事故时有发生，其中钢结构的吊装过程难度较大，所以事故发生率也居高不下。例如在深圳一个体育馆建造时，施工吊装过程中使用的脚手架坍塌；湖北的一个体育馆在建设中由于在施工过程中分杆件弯曲，最终导致了坍塌。在我国，大型钢结构吊装在目前的施工过程中主要由以下几个问题：

（1）在施工中结构容易失去平衡而最终导致坍塌；

（2）在吊装过程中，个别部件的强度不足而破换了建筑结构整体的受力。

（3）吊装大跨度钢结构的时候容易与周围发生碰撞。

面对这些问题，传统的技术和工艺往往达不到要求，通过将计算机技术引入其中，对钢结构建筑进行虚拟吊装，同时加入实地参数，就可以有效的解决在现实中所遇到的吊装困难，同时优化原有的施工方案。

建模指的就是建立模型，是将诗句的数据与理论方法相结合而产生的模型，建模技术主要使用各种平台、软件，把实际环境所得到的数据和根据测试所得的结果进行拟合，这种方法就称为建模技术。建模技术可以仿真建筑施工过程，使建筑施工可以在虚拟技术里对其进行分析检测。

大型建筑钢结构虚拟施工建模技术可以总结为一下几点：

1 参数形式数据驱动建模

大型建筑钢结构的虚拟施工中，参数形式数据驱动建模主要分为两种，一是钢结构的参数形式建模即钢结构参数，二是施工过程中的机械设备参数建模即机械设备参数。参数形式数据驱动建模技术是使用一种IFC的表达方法来对建筑物的模型进行尺寸上的驱动，使用这种方法必须要求由数据库支持。参数驱动建模技术可利用大小的不同来自由的对模型虚拟成模型现实进行大小形状上的改变，还可以创建现场施工的资源库，通过这些来研究虚拟施工和仿真建筑施工。IFC是一种以建筑为对象的模型标准，IFC标准需要有基础工业方面的数据库，他的优点是不管是否专业相投，都可以共享同一软件、数据，IFC的作用是让整个业内都可以交换、共享所有数据。参数形式的数据驱动建模过程分4步。首先呦呦一个包括基础模型的分类，基础模型的收集，可以整理参数信息资料的基础模型库。其次是复合物体建模，即建立单个基础模型等。三是可以把利用模型重组而产生的复杂的模型进行基础模型组合的标准间特征库。最后进行模型数据化驱动。各个平台之间的相互操作、模型的建立、使用与控制都包含在内。在进行建模的时候要注意优化模型与分割模型，分割模型要参照该建筑所含部位与功能来进行分割，分成几个建模，也就是把一个整体拆开。优化模型要注意在处理模型时要减少建模，简化建模的工作。同时还要注意要合理的运用分割模型部件，分割顺序，适当调整优化等。

2 钢构件施工吊装建模技术

钢构件施工吊装建模技术包括了基本的几何模型参数、限制自由运动参数、工件横截面参数、节点坐标参数、工程模型性能参数、虚拟过程参数和材料特性参数等。在实际的施工操作中，若是有标准模型则还需要有特定的相关参数描述，使模型库能形成具有建筑元素、建筑工件、建筑特征等建模。在实际的操作中，要结合现场情况。在使用过程中要注意每个起重钢构件都是具有几何模型，这就需要使用到钢构件施工吊装建模技术中的基本几何模型参数，各个工件都具有不同的形状，钢构件一般为管状，所以其横截面要通过工件横截面参数表达出来，甚至每个工件都拥有它自己的力学性能，如何在其承受范围内进行相关吊装施工，就要考虑其各种性能参数，是要到了该技术中的工程模型性能参数。

3 起重设备建模技术及复杂动作建模技术。

起重设备建模技术主要指利用常见的塔吊、履带吊、叉车等设备进行的起重模型实现。起重设备最重要的是对相关参数的控制。因为在模拟过程中使用不同的起重设备就需要不同的控制参数。在进行起重施工时，其中设备主要动作有行走、起降、回转所组成，加上各部分之间的相互制约，所以起重是与运动路径存在一定的关系。每个运动看似都是简单的直线运动与圆周运动，但是在实际中却往往不止一个运动，而是各种运动相叠加组成的复杂运动，这就需要拥有良好的复杂动作建模技术。例如，汽车吊在工作当中是利用钢缆绳带动滑轮组一起运动，同时汽车吊的转塔也在转动，所以需要建模的时候建立独立的滑轮节点等，相对的不同的运动也要有不同的运动参数，最终的出一个完全仿真的建模。

在实际建筑施工中，如果使用虚拟施工建模技术，可以很大程度上避免一些事故的发生，在大型建筑钢结构吊装中，事故率最高，在施工前使用虚拟施工建模技术先对整个吊装过程进行仿真虚拟，通过对不同的工件使用相应的起重设备，输入不同的参数后，模拟吊装前的钢构件运输，吊装时注意各施工结构的力学性能是否适用，吊装大跨度钢构件时的安全隐患，是否会撞击到周围实体建筑，所用吊索强度是否足够，吊装后的高空作业是否会影响到整体性能等。

结语

通过虚拟施工建模技术对施工方案进行优化，提早发现施工过程中的问题并改善，找到相关的施工注意点等。采用大型建筑钢结构虚拟施工关键技术可大大降低施工作业中的故障率。

[1]张帅.大型建筑钢结构虚拟施工建模关键技术研究[J].中国建筑金属结构，2013（12）.