張曉婕，席兆凱

（1.寧波市工業(yè)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2.中水電（天津）建筑工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 301799）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，超高層建筑作為城市地標(biāo)的體現(xiàn)，也是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的產(chǎn)物，如同雨后春筍般在各大城市中不斷涌現(xiàn)，對(duì)應(yīng)著超高層建筑的建造技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新和進(jìn)步。隨著超高層建筑越來(lái)越高，工程建造的難度也成倍地增加，對(duì)整體式爬升模架裝備的體系提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)，因此，超高層施工技術(shù)的改革與創(chuàng)新勢(shì)在必行。

建筑的發(fā)展和腳手模板工程技術(shù)的應(yīng)用是相輔相成的?，F(xiàn)階段，超高層建筑中廣泛采用的結(jié)構(gòu)型式是框架—核心筒體系，而影響建筑結(jié)構(gòu)工期、施工安全性的關(guān)鍵技術(shù)則是模架施工技術(shù)[1][2]。超高層建筑施工的模架裝備具備如下特點(diǎn)：以垂向的模板為主、比較高的施工精度和施工效率。以上海中心大廈為例，大廈采用的整體鋼平臺(tái)爬升模板系統(tǒng)由鋼梁組成一個(gè)一體式鋼平臺(tái)并與內(nèi)外掛腳手架進(jìn)行連接固定，形成了一個(gè)全封閉的施工操作環(huán)境，同時(shí)利用鋼牛腿擱置在核心筒墻體上，利用油缸來(lái)帶動(dòng)整個(gè)鋼平臺(tái)。鋼平臺(tái)的爬升腳手模板體系主要包括鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)、一體式支撐系統(tǒng)、內(nèi)外掛的腳手架系統(tǒng)、液壓動(dòng)力及電氣控制和一體式模板體系五部分組成[3]。該體系大大地提高了工作效率和施工安全，為我國(guó)超高層復(fù)雜體形工程的施工積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

本文基于三維數(shù)字信息技術(shù)，以達(dá)索系統(tǒng)CATIA作為模擬仿真平臺(tái)，對(duì)上海中心整體提升鋼平臺(tái)進(jìn)行快速三維數(shù)字建模以及模塊化管理，同時(shí)利用CATIA的裝配仿真模塊（DMU Fitting Simulator）進(jìn)行裝配操作仿真，來(lái)模擬鋼平臺(tái)的整體運(yùn)動(dòng)路徑，便于技術(shù)人員可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段來(lái)驗(yàn)證裝配動(dòng)作設(shè)計(jì)和實(shí)施的正確與否，可以及早地發(fā)現(xiàn)裝配操作中存在的問(wèn)題，并依據(jù)問(wèn)題反饋找出解決辦法，并對(duì)模型進(jìn)行調(diào)試修改，最后利用自帶可視化工具輸出裝配全過(guò)程動(dòng)畫，對(duì)后面的整體模塊化標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用起到指導(dǎo)意義。

1 參數(shù)化建模

1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)一般包括兩個(gè)部分，參數(shù)化的圖元設(shè)計(jì)模塊和參數(shù)化修改引擎模塊。一般設(shè)計(jì)軟件中的圖元都是以三維構(gòu)件的方式實(shí)現(xiàn)，這些構(gòu)件的差異，通過(guò)后臺(tái)對(duì)應(yīng)參數(shù)的調(diào)整來(lái)體現(xiàn)出來(lái)，因?yàn)楹笈_(tái)參數(shù)保留了圖元單體作為三維數(shù)字化構(gòu)件的所有信息。而參數(shù)化修改引擎模塊需要提供的參數(shù)更改可以使其自動(dòng)在它所關(guān)聯(lián)的區(qū)域體現(xiàn)出來(lái)，利用三維構(gòu)件、圖像和符號(hào)，讓構(gòu)件都可以通過(guò)后臺(tái)變更進(jìn)行互相關(guān)聯(lián)。模型的操作，例如移動(dòng)、刪除和尺寸的改動(dòng)等會(huì)引起相關(guān)模型構(gòu)件的參數(shù)產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)的一些變化，不管是在什么視圖下所發(fā)生的改變都可以雙向地、參數(shù)化地傳播到所有的視圖，從而可以保證所有圖紙的一致性，不需要逐一修改所有視圖，從而達(dá)到提高工作效率和工作質(zhì)量的目的。

CATIA軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)比較靈活地建立和修改產(chǎn)品模型，從而避免產(chǎn)生產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)的問(wèn)題，最后達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。特別是針對(duì)一些結(jié)構(gòu)體系相對(duì)比較成熟的工業(yè)產(chǎn)品，利用該設(shè)計(jì)方法可以更加方便地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)化管理。

三維產(chǎn)品裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)需要以零部件的參數(shù)化尺寸為基礎(chǔ)[4]。利用參數(shù)化驅(qū)動(dòng)可以快速準(zhǔn)確地建立三維數(shù)字模型。上海中心大廈整體提升鋼平臺(tái)模型構(gòu)件復(fù)雜，包含大量的標(biāo)準(zhǔn)件以及非標(biāo)產(chǎn)品，為了更好地實(shí)現(xiàn)后續(xù)構(gòu)件庫(kù)模塊化管理，以便構(gòu)件管理、調(diào)用，現(xiàn)遵循參數(shù)化建模原則，對(duì)模型構(gòu)件進(jìn)行分類，具體分類見(jiàn)圖1。CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)的前提要對(duì)每類構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)說(shuō)明，這里以其中一類鋼梁為例，具體參數(shù)化設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，其中參數(shù)同步設(shè)計(jì)Excel表格，通過(guò)修改對(duì)應(yīng)參數(shù)可以快速對(duì)構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，縮短設(shè)計(jì)工期，快速提高工作效率，達(dá)到智能建模的目的。

圖1 鋼平臺(tái)鋼梁構(gòu)件分類

圖2 零件參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.2 模塊化管理

CATIA的庫(kù)文件（Catalog）是一個(gè)類似于指針性的管理文件，界面層次比較清楚，能夠快速地尋找并且調(diào)用到所設(shè)計(jì)的參數(shù)化文件?，F(xiàn)對(duì)其中一類鋼梁CC1庫(kù)文件調(diào)用見(jiàn)圖3、圖4，通過(guò)關(guān)鍵字和預(yù)覽可以清楚地查看每類鋼梁的詳細(xì)參數(shù)和形狀，并且還可以給構(gòu)件添加文檔描述。CATIA提供的過(guò)濾器智能定義功能也可以方便用戶通過(guò)自定義查詢條件查找所需要的零件。

圖3 CC1鋼梁庫(kù)界面

圖4 CC1鋼梁庫(kù)預(yù)覽界面

各構(gòu)件的獨(dú)立實(shí)體仍然需要通過(guò)庫(kù)文件獲得。CATIA庫(kù)文件解析命令可以批量實(shí)例化各型號(hào)零部件，生成產(chǎn)品裝配所需的所有零件。現(xiàn)以CC1庫(kù)文件解析為例，解析過(guò)程見(jiàn)圖5，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)并且批量化生成的部件可以更加精確高效地指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖5 CC1鋼梁庫(kù)解析界面

三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)概念已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于新型結(jié)構(gòu)體系以及既有結(jié)構(gòu)改進(jìn)改型的設(shè)計(jì)工作中。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)時(shí)方便地得到所需要的三維標(biāo)準(zhǔn)件圖形，從而極大地避免設(shè)計(jì)過(guò)程中重復(fù)繪制標(biāo)準(zhǔn)件圖形，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品各零件的管理與協(xié)調(diào)。建立三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)這一操作，便于行業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化的信息交流，為產(chǎn)品的高效設(shè)計(jì)并投產(chǎn)提供了實(shí)用有效的工具。

2 產(chǎn)品裝配

CATIA建立的產(chǎn)品模型是一個(gè)能夠代表不同裝配單元層次、信息、參數(shù)及約束，并支持產(chǎn)品從起初的概念階段到實(shí)施階段的一體式產(chǎn)品模型[5]。第一步工作就是產(chǎn)品裝配模型的建立，在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，就能實(shí)時(shí)仿真模擬零部件裝配全過(guò)程，并檢查各個(gè)零部件之間是否按照既定的約束關(guān)系來(lái)組裝，這樣一來(lái)，可以解決所涉及的裝配單元在過(guò)往設(shè)計(jì)階段難以發(fā)現(xiàn)的一些錯(cuò)誤或問(wèn)題。

完成前期構(gòu)件快速建模后，根據(jù)鋼平臺(tái)實(shí)際拼裝工藝進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件虛擬預(yù)拼裝，并且建立整體提升鋼平臺(tái)各模塊間的約束關(guān)系，包括固定、平移、旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)、同心扭轉(zhuǎn)等，一旦點(diǎn)擊“更新構(gòu)件”按鈕，構(gòu)件將根據(jù)既定約束關(guān)系，完成預(yù)拼裝。圖6是鋼平臺(tái)鋼梁裝配示意圖，整體鋼平臺(tái)拼裝結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖中可以看出，三維模型相對(duì)于傳統(tǒng)的二維模型能夠更好地表達(dá)產(chǎn)品，有助于更加直觀地研究產(chǎn)品裝配方案并且對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 鋼平臺(tái)裝配示意圖

圖7 鋼平臺(tái)整體裝配圖

3 仿真模擬

為了實(shí)現(xiàn)鋼平臺(tái)完整的爬升仿真過(guò)程還需建立對(duì)應(yīng)核心筒結(jié)構(gòu)，最終裝配模型見(jiàn)圖8。模擬仿真概念指的是基于三維模型的運(yùn)動(dòng)，利用三維模型的模擬來(lái)替代真實(shí)空間中的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。仿真實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于產(chǎn)品模型的精確度，因?yàn)槭菍?duì)真實(shí)系統(tǒng)的模仿，就會(huì)產(chǎn)生模仿得像不像的問(wèn)題，這也就是產(chǎn)品模型各方面精確度的問(wèn)題。為此，在建立模型以后，其中一個(gè)重要步驟就是對(duì)模型進(jìn)行可信度的檢驗(yàn)。這里涉及的檢驗(yàn)主要是對(duì)模型中零部件的定位、尺寸參數(shù)和相互約束關(guān)系進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)完成之后進(jìn)行模擬。

圖8 裝配整體模型

CATIA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)仿真模擬主要是通過(guò)虛擬樣機(jī)DMU（Digital Mock Up）模塊。它的原理是利用三維設(shè)計(jì)模塊建造出三維物理模型，同時(shí)分析和評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能，最后用來(lái)指導(dǎo)改進(jìn)產(chǎn)品缺點(diǎn)的一種前沿方法[6]。與之前傳統(tǒng)的物理樣機(jī)技術(shù)相比，它可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行緊密結(jié)合，縮短產(chǎn)品周期，有效減少浪費(fèi)，進(jìn)一步降低研發(fā)費(fèi)用，并能在多個(gè)研發(fā)人員之間實(shí)現(xiàn)同步并行操作，從而可以得到較廣泛的使用。

結(jié)合CATIA軟件特點(diǎn)，將前期已建好裝配模型載入CATIA仿真模塊（DMU），并對(duì)鋼平臺(tái)爬升體系施加運(yùn)動(dòng)副，完成一個(gè)完整爬升動(dòng)作見(jiàn)圖9。在運(yùn)動(dòng)過(guò)仿真程中進(jìn)行干涉監(jiān)控，一旦發(fā)生一些碰撞運(yùn)動(dòng)會(huì)立刻停止并且高亮顯示，這樣有助于發(fā)現(xiàn)其中所存在的問(wèn)題并且進(jìn)行糾正，見(jiàn)圖10。最后通過(guò)CATIA平臺(tái)自帶的動(dòng)畫制作功能把全部的裝配過(guò)程記錄保存下來(lái)，方便后續(xù)工程人員反復(fù)進(jìn)行查看，作為裝配工藝的參考，可以有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工人進(jìn)行實(shí)操裝配，從而大大地提高了裝配的效率。

圖9 鋼平臺(tái)爬升運(yùn)動(dòng)副

圖10 運(yùn)動(dòng)仿真干涉檢查

4 結(jié)論

針對(duì)超高層結(jié)構(gòu)爬架技術(shù)的分析，解決了在超高層結(jié)構(gòu)垂直施工過(guò)程中遇到的各種技術(shù)難關(guān)，具有非常大的意義，主要研究方向集中在整體爬架裝備的安全性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)兩個(gè)方面。安全性指標(biāo)主要包括結(jié)構(gòu)體系自身承載能力、整體爬架在使用中的穩(wěn)定性、對(duì)于風(fēng)和雪等可變荷載的承載能力以及在施工過(guò)程中對(duì)工人的安全防護(hù)性能等。而經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)則主要包括原材料的投入量、垂直施工速度、工人操作鋼平臺(tái)的困難程度以及鋼平臺(tái)的可重復(fù)周轉(zhuǎn)效率等。

本文基于三維數(shù)字仿真技術(shù)，通過(guò)CATIA軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)和模塊化管理來(lái)建立超高層整體提升鋼平臺(tái)的三維模型，同時(shí)進(jìn)行整體鋼平臺(tái)全尺寸預(yù)裝配模擬，實(shí)現(xiàn)了在產(chǎn)品裝備工業(yè)化設(shè)計(jì)階段提前發(fā)現(xiàn)零部件尺寸及相互約束關(guān)系是否存在錯(cuò)誤，達(dá)到降低整體造價(jià)和提高效率的目的。最后通過(guò)完成整體式鋼平臺(tái)虛擬樣機(jī)（DMU），并根據(jù)整體式鋼平臺(tái)預(yù)先設(shè)計(jì)的實(shí)際工作狀態(tài)設(shè)置運(yùn)行軌跡函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體式鋼平臺(tái)提升部件的運(yùn)動(dòng)預(yù)仿真模擬，通過(guò)三維可視化仿真報(bào)告驗(yàn)證產(chǎn)品裝備的運(yùn)行機(jī)理并分析運(yùn)動(dòng)特征，為以后類似產(chǎn)品裝置的優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)提供有效參考。