施工动画模拟的施工过程的真实感仿真-「意河动画」

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施工动画模拟的施工过程的真实感仿真

文章出处:责任编辑::人气:-发表时间:2019-05-12 12:10:41【
文章简介:结合结构施工过程的真实感动画仿真研究,设计并实现了一个施工过程的真实感仿真系统。该系统有-一个高度真实感的虚拟环境,对施工过程进行逼真的动态模拟,生成施工机械并能整合于施工方案的演示动画中,允许用户在施工过程中对场景进行全景漫游,实时的查询施工各阶段的构件相对位置、位移内力变化、弹性变形等信息。为结构施工过程提供交互方便、动态逼真的可视化分析控制工具,在系统的实现过程中,本文主要做了以下的研究工作:
 
(1)建立了一个具有高度真实感的虚拟施工环境,允许用户添加定制的三维模型,对虚拟物体进行碰撞检测,以增强环境的沉浸感,提供对虚拟施工场景的任意漫游观察。
(2)建立施工机械三维模型库,并对机械的行为进行仿真,使施工过程的仿真更具真实感。
(3)提供通用结构分析软件3D3S的数据接口,并在此基础上制定了施工动画的数据文件格式,用来保存施工动画中的关键帧数据,以便回放施工动画。
(4)采用新的机制实现施工过程的关键帧动画,在动画过程中分批载入结构的关键帧数据,解决一次性载入数据时 内存可能不足的问题。独创性的提出机械动画与结构动画的整合方法,从而形成完整的施工动画。
 
关键词:计算机仿真,施工仿真,施工过程动画,机械建模,力学信息表达科学技术尤其是信息技术的进步,日益成为21世纪经济社会发展的主导力量,信息技术的发展衍生出一-批新兴高科技产业,也为传统产业的升级改造注入活力,推动着社会结构、经济结构不断演进。在当今高新技术时代,土木工程作为最古老的传统技术行业,高新技术的信息化与集成环境的研究与技术竞争已初露端倪。把计算机最新技术引入土木工程,必将大大推动士木工程行业的发展。计算机辅助分析技术与真实感图形技术能够在计算机上逼真地模拟出现实世界的内在状态与外在形态,本课题旨在利用计算机新技术,为结构施工过程提供交互方便、动态逼真、力学状态可靠、专业性强的可视化分析控制工具,其在土木工程中的应用具有广泛的经济和社会效益。
 
随着建筑结构工程技术的发展,建筑结构体系不断向轻柔化、大型化、复杂化发展。近20年来,各类复杂结构尤其是空间结构在我国得到了快速发展,无论是结构形式、数量还是规模上都是空前的,空间网格结构几乎成为新建公共建筑的标准结构形式,诸如国家大剧院、上海南站、上海新博 览中心、上海卢浦大桥、南京奥体中心,各地的大型机场航站楼,市民中心,体育场馆等在建或已建的项目不胜枚举1。北京奥运会及上海世博会的成功申办,必定会促使结构形式的革新,会出现更多新颖,具有挑战性的结构体系,比如北京奥运会主场馆“鸟巢”。结构形式的复杂性不断增加,随之而来的是这些结构的施工的难度越来越大,施工的手段和方法也越来越复杂。
 
各类复杂结构形式新颖丰富,施工方式多样,施工安装过程中受力复杂,对施工技术的要求也达到-个新的高度,因此,合理的施工方案和科学的分析是保证复杂结构施工经济安全的重要手段。经过多年的理论研究和工程实践,目前关于结构使用阶段的分析和设计理论已相当成熟,而结构施工过程受力因素众多且关系错综复杂,缺乏相关的系统的理论,使得对施工过程的分析非常困难。另-方面,虽然计算机技术的应用已经把设计人员从繁重的设计工作中解放出来,而现行结构设计与计算软件大都只关心关注使用阶段的安全性,施工过程中的安全问题通常仅凭经验来处理,对于新型或复杂的结构,施工安装单位则缺少有效的手段和方法进行施工过程中的安全控制。通过计算机对复杂结构施工过程进行仿真模拟,以选择合理的施工方案和进行科学分析,保证施工安全,降低施工费用等应用则刚刚兴起2。而且整个施工领域也缺乏对施工方案进行高度真实感的实时动态的演示评估手段,如果能在大型复杂结构施工之前,真实地动态模拟整个施工过程,实验多种施工方法,显示各种构件的相对位置及关系,计算相应工况应力,控制施工机械的参与,并在施工过程中及工程完成后漫游观察。这对于施工方案的论证优化和展示、施工人员的虚拟培训、施工进度和质量的及时分析监控、施工过程中的安全措施制定、甚至施工工程量估算等方面都具有十分重要的意义,也将成为建筑企业提高技术含量与竞争力的重要途径。
 


近期国内的浙江大学、清华大学、同济大学以及一些建筑企业都对施工过程仿真表现出较大的关注,浙江大学申请了空间结构施工仿真的自然基金项目,正在进行理论和实践的探索尝试。同济大学虚拟建筑教研室已完成了施工吊装机械的建模及仿真研究间,大型钢结构施工全过程数值分析的三维可视化研究",本课题就是在这个背景下提出,试图完成其中部分内容,并构建-一个仿真系统,在施工的真实感仿真的研究方面做出有益的探索。
 
1.2施工仿真概述
 
目前,土木工程中计算机仿真技术的应用主要体现在:
(1) 设计阶段,运用计算机技术实现工程设计的理论与方法,使设计结果最优化、设计过程高效化和自动化。该方面应用已相当成熟,对于一般工程的设计,设计人员只需很少的干预,就可用此类设计软件完成整个设计过程,直至自动生成施工图和计算书。
(2) 施工阶段,对整个施工过程的仿真,分析及组织施工过程中的各种资源、信息,帮助工程管理人员更好地制定施工方案,控制施工过程。该阶段的主要应用在于施工过程的管理与控制,施工的真实感仿真的研究与应用则处于起步阶段。
(3) 工程试验,用于替代传统的实物模型进行试验研究。
(4)防灾减灾,用于模拟灾难发生的场景,分析事故发生时如何逃生及使损失最小化。
 
虚拟仿真技术的应用可以始终贯穿于工程施工的整个过程当中,虚拟仿真技术应用于施工,称为施工仿真,主要表现在以下几方面: (1) 施工设计阶段施工构件动力学分析:如应力分析、强度及位移分析。(2) 施工构件运动学仿真:如机构之间的连接与碰撞,施工过程全景漫游。(3)施工培训阶段,施工过程虚拟培训。(4) 施工实施阶段,施工过程虚拟仿真。
 
近年来,有研究者把施工中的计算机技术的应用表述为虚拟建造,该概念起源于制造业的虚拟制造。虚拟建造(Virtual Construction),是实际建造过程在计算机上的本质实现。它采用计算机仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,在计算机上群组协同工作,对建造活动中的人、物、信息及建造过程进行全面的虚拟仿真(对包括项目规划、建筑与结构设计、施工组织设计、建筑产品性能分析、质量检查等建造活动的本质过程的控制,以及对包括投资方、设计方、施工方、监理方,等不同企业的各级管理与控制过程),以发现建造中可能出现的问题,在实际投资、设计或施工活动之前就采取预防措施,从而达到项目一次性建造成功,降低成本、缩短开发周期,增强建筑产品竞争力的目的,同时增强对参与建造过程各企业的综合决策、优化与控制能力。
 
不难看出,虚拟建造技术是一种跨 学科的综合性技术,它包括产品数字化定义、仿真技术、可视化技术、虚拟现实技术、数据集成、优化技术等。当然,虚拟建造也可以对想象中的建造活动进行仿真。由于它不消耗现实资源和能量,所进行的过程是虚拟过程,所生产的产品也是虚拟的。
 
为了说明虚拟建造,我们再引入虚拟产品(Virtual Product)的概念。虚拟产品是虚拟建造的产品。--个真实的建筑产品从构想到生命期结束一般都要经历以下几个阶段:立项、可行性研究、概念设计、详细设计、工程施工、竣工验收、交付使用、后期维护保养,有的还包括销售及物业管理。虚拟建造是在计算机中模拟--个工程项目在整个生命周期内的各个阶段。虚拟产品是一-个数字化产品,它具有真实产品所必须具有的特征,并具有动态结构即决策、控制、调度、管理等四个机制。通过对产品实时性功能的仿真,工程师、设计人员或用户能够像使用真实产品一样“使用”虚拟产品,可以在产品生命周期内寻求其最优化设计,在计算机中对产品进行各种实时分析,如有限元分析、工效分析、干涉分析、施工工艺分析等,然后迅速地修改建筑物的外观、结构、材质、施工工艺等。这种功能为建造商提供了前所未有的技术,使他们更快、更全面地了解想象中的产品,这将提高他们的竞争力。虚拟产品将成为最为流行的信息交流方式,业主、设计者和施工者在策划、投资、设计和施工之前能够首先看到并了解产品的先进性。完全交互式的虚拟产品必将替代各种图纸会审和技术交底,成为工程师们通用的标准。
 


1.3施工动画仿真研究现状
1.3.1国外研究现状
国外研究者很早就对施工仿真展开了研究,在PC机问世之前的1977年,Halpin就开发了CYCLONE施工仿真工具,不过由于计算机远未普及,难以应用,只作为方法论存在。1994 年,Tommelein & Odeh开发了CIPROS,同年,Martinez & loannou开发了STROBOSCOPE:6'57.1B]。 1999 年,Jonathan JingshengShi基于以上三个工具提出了Activity- Based Construction (ABC)建模与仿真方法!,这个方法的目标是降低建模的复杂性,减少出错率,使施工操作建模更加简单,更利于实现。2002 年,Jonathan Jingsheng Shi基于ABC模型开发了施工仿真系统”。美国Albert大学的Simaan AbouRizk等人开发了施工综合管理系统一Simphony, 用于对土木工程施工的组织管理10。
 
以上这些仿真都是基于离散事件的仿真(Discrete Event System ,简称DES),这样的仿真通常只能提供数值的或统计分析的结果,不便于理解和交流,只能为专业人员提供施工管理决策依据,因此, DES在对施工作业的规划和分析中应用有限(Halpin &Martinez, 1999)川。
 
真实感的虚拟施工则刚刚兴起,在国外虚拟施工技术的一系列相关研究和试验正在进行。Glasgow Strathclyde大学信息科学和土木工程系进行的研究项目是研究--种方法来共享协同施工过程的可视化计划。此研究包括-个非沉浸虚拟显示接口,允许对模拟的进程进行可视监控并与其交互,允许用户以交互协同方式调查研究几种不同的施工顺序和现场组织,同时验证和精炼施工计划,动态的把施工过程与现场活动和设备集成起来12。Dundee 大学正在进行Naives项目,它允许用户可视化一个构件元素在任何方向的挠度或内力。
 
Naives用户可以提取仿真过程中的一个复杂段,用相对较短的时间产生一组沉浸输出。研究者们相信可以提供- -个结果可视化系统作为它的组成部分,可以允许设计者在结构中漫游,观察某种作用的表现,并模拟这种作用的执行,同时在这个过程中实时提供正在观察的信息[13]。Bartlestt 建筑学校和UniversityCollege London 计算机科学系的研究人员,研发了一种Pangea系统和-一个3D粗样软件包,用于测试建筑设计和城市设计的早期原型。CADcentre公司和Manchester大学探索利用虚拟现实技术去建立复杂流程工厂的CAD模型,并进一步研究它们的应用,为未来研究虚拟现实设计和应用奠定基础。1995 年,
 
日本清水建设公司利用三维CAD技术,使施工生产信息,如作业计划,能够在计算机屏幕上显示,其实质就是虚拟系统。1999 年,弗吉尼亚理工学院的K. M.NASSAR和Y. BELIVEAU提出了一个EASYBUILD原型系统,在施工过程的仿真中引入几何建模方法,允许用户预先定义- -个施工步骤序列,按照该序列安装预先建立好的构件模型(模型可以用AutoCAD建立)。2004 年,斯坦福大学的Ragip Akbas在其博士论文中研究了基于几何的建模与仿真系统的相关理论与实现,他提出了4D (3D+时间)模型对施工过程进行可视化4。
 
在施工机械的仿真方面,欧美学者也做了很多研究,研究成果主要应用于施工可视化仿真和机械驾驶培训两个方面。美国国家标准和技术学会建筑防火研究实验室(BFRL)的Vineet R. Kamat和Julio C. Martinez, 用离散时间仿真(DES)方法,对施工中的挖土机、塔式起重机和行进式起重机等施工机械进行了三维动态可视化仿真。他们所完成的仿真模型是基于施工机械的运动学特性的,可以根据用户输入的外部指令完成指定的施工作业。德国机器人研究学会(Institute of Robotics Research in Germany)的E. Freund, J. Rossmann和C.Schlette等人研发了基于最新虚拟现实技术的挖掘机等施工机械的仿真系统,他们将继续扩展此系统,以达到远程控制多台施工机械的目标16。
 
北美起重机联合组(NACB)开发了一个用于起重机驾驶员培训的起重机仿真系统IES (Interactive Educational Systems), 该系统虚拟仿真了通用起重机、桥式起重机和进行液压式起重机,在每个培训站上,起重机和工作场景的仿真结果显示在大屏幕上,学员通过操纵杆控制屏幕中的起重机,有很强的沉浸感7。加拿大的学者Paul Freedman等人也开发类似的系统一Simlog, 用于培训起重机驾驶员[18。
 

1.3.2国内研究现状
国内的学者在施工仿真方面的研究起步相对较晚,发展和应用水平也相对落后。计算机虚拟仿真早期主要应用于水利水电工程、桥梁工程和大型钢结构建筑施工等方面,也取得了一定的研究成果。
 
在水利水电工程方面,由天津大学建工学院的钟登华等人利用基于GIS的三维动态可视化仿真技术,研究了复杂水电工程地下厂房施工系统的可视化仿真与优化、水电工程施工导截流三维动态可视化仿真、混凝土坝施工过程三维动态可视化仿真及优化、水电站施工总布置可视化仿真等问题,开发了相应的可视化仿真软件ESAS、CDMIS、DAMSIM、CLMIs[19。 在三峡工程中,由中国长江三峡工程开发总公司开发的计算机仿真系统对大坝混凝土施工过程、大江截流施工过程和明渠截流施工过程进行了计算机仿真,获得了很好应用价值(20。由武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室申明亮等人研究了基于OpenGL的混凝土坝施工三维动态图形仿真,并应用到了向家坝的施工中121)。
 
在桥梁工程施工方面,同济大学的王神、罗晓群等开发了施工数字仿真系统,该系统应用到了卢浦大桥的施工中,对整个施工过程进行了跟踪和仿真。此外,武汉理工大学的王长波、杨克俭开发了基于OpenGL 的桥梁视景仿真系统”;华中科技大学的李斌、常明等人研究开发了基于虚拟现实技术的公路桥梁施工场景的虚拟仿真系统。
 
在大型钢结构建筑施工方面,由中建三局的张希黔等人应用Deneb 公司的Envision仿真模块,研究和开发了上海正大广场钢结构吊装施工方案虚拟仿真系统24。另外,华中科技大学的李洪波、王晓鸣等人探讨了UG三维可视化仿真软件对建筑施工全程进行“预演仿真”和“反演仿真”的决策优化实现路径,研究了施工全程的三维可视化虚拟仿真。
 


以上的施工过程仿真研究中,要么没有涉及施工中起重机的仿真,要么就只是针对某个工程用到的某类起重机进行虚拟仿真,对起重机仿真的研究还不够系统和全面的。国内其它专业领域特别是机械相关的专业,对起重机仿真的研究相对较多,研究的成果主要应用于起重机设计、起重机驾驶员培训和起重机吊装管理等方面。
 
在起重机设计方面,东南大学的陈云飞、朱训德等人从力学数字仿真和工作过程图形仿真两个方面,研究了特大型全路面汽车起重机的仿真。武汉科技大学的刘习文基于OpenGL和Pro/E对起重机的起升机构进行了虚拟仿真,实现了减速器部分、转筒组部分、柔性件部分和吊钩等部分的仿真以及虚拟零件库漫游。
 
在起重机驾驶员培训方面,华中科技大学计算机科学与技术学院的龙玉国等人利用3DS MAX ,Visual C + +和OpenGL函数库等工具研发了龙门起重机操作培训仿真系统。交通部水运科学研究所的刘晋川、程新风等人开发了集机一电-液于一体的多功能港口起重机操作模拟器。该模拟器应用计算机实时仿真模拟技术,以三维动画模拟了岸边集装箱起重机和轮胎式门式起重机的工作过程和天气条件。
 
此外,在用于起重机的吊装管理控制方面,天津大学的吴芝亮采用面向对象的程序设计方法开发了计算机仿真软件TPCC,用计算机仿真和模拟了履带式起重机的吊装过程[30]。大连海事大学的林锦尧应用MultiGen Creator和场景管理软件OpenGVS4.5开发了集装箱起重机装卸仿真系统。
 
2006年,同济大学虚拟建筑教研室的陆敬轩对施工机械的建模进行了系统的研究问,并用VB和OpenGL开发了-一个施工机械建模系统,该系统包含了施工中常见的几种起重机械,包括履带式起重机、塔式起重机、轮胎式起重机等,对这些机械的关键几何特征进行了参数化,用户可通过键盘控制机械,模拟机械的真实动作,并对双机抬吊施工法进行了初步探讨。


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