CN108897943A - 一种基于bim模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法 - Google Patents

一种基于bim模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，在计算机中，获得车辐式索桁架结构的预应力成型态BIM模型即柔性拉索的理论模型；通过三维扫描技术，获得生产出的柔性拉索实体模型即柔性拉索的数字模型；修正步骤B中的柔性拉索实体模型；通过计算机对柔性拉索的理论模型和实体模型的拟合面的特征点进行坐标转换，进而实现数字模拟预拼装；通过有限元软件ANSYS对拟合面误差进行结构分析。本发明弥补了柔性构件的预拼装的空白，解决了实际工程中定尺定长拉索的生产核心问题：索长是否满足设计的质检要求，提出了一套完整的车辐式索桁架的数字模拟预拼装过程。

Description

一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法
技术领域
本发明涉及钢结构加工生产产品质量检测领域，尤其具体涉及一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法。
背景技术
钢结构加工厂对生产出的构件预拼装，已成为一道检验加工质量的必要工序。但是由于场地的局限性、时间和成本的限制，无法进行实际的实体预拼装，因此数字模拟预拼装技术，通过计算机仿真模拟复杂结构的预拼装过程，已成为目前亟待研究的问题。
车辐式索桁架屋盖结构具有结构轻盈、外观新颖、自重轻、刚度大的特点，工程应用愈加广泛。这些具有空间关联性的拉索制作、安装控制难度均比较大，位置精度要求较高。
车辐式索桁架屋盖结构施工方法大多采用整体提升同步张拉的方法，采用牵引工装，当径向索索头用销栓连接到刚性环梁上的耳板孔，方可算结构安装到位。又因为车辐式索桁架屋盖结构中拉索多为定尺定长下料，故索头与耳板孔的坐标偏差程度，是影响结构力学性能的关键因素之一。
与刚性构件的预拼装相比，由于拉索有预应力的存在，必然会导致拉索自身发生变形，故拉索的实测模型的局部坐标确定成为一个难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于为车辐式索桁架屋盖结构提供一种数字模拟预拼装方法。旨在解决车辐式索桁架无法进行实体预拼装的问题。
本发明是这样实现的，一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，该方法包括以下步骤：
步骤A：在计算机中，获得车辐式索桁架结构的预应力成型态BIM模型即柔性拉索的理论模型；
步骤B：通过三维扫描技术，获得生产出的柔性拉索实体模型即柔性拉索的数字模型；
步骤C：修正步骤B中的柔性拉索实体模型；
步骤D：通过计算机对柔性拉索的理论模型和实体模型的拟合面的特征点进行坐标转换，进而实现数字模拟预拼装；
步骤E：通过有限元软件ANSYS对拟合面误差进行结构分析。
所述的步骤A具体为：根据有限元软件ANSYS提取预应力成型态节点位移，得到预应力成型态节点三维坐标，导入BIM模型中，建立车辐式索桁架预应力成型态的BIM三维模型，即BIM三维理论模型。
所述的车辐式索桁架预应力成型态为车辐式索桁架屋盖结构在施工张拉成型后的施工目标型态。
所述的车辐式索桁架预应力成型态节点三维坐标为根据ANSYS提取预应力成型态节点位移值(Δx1,Δy1,Δz1)，与找力前的对应的节点三维坐标(x1’,y1’,z1’)进行计算(Δx1+x1’＝x1,Δy1+y1’＝y1,Δz1+z1’＝z1)得到的三维坐标(x1,y1,z1)。
所述的车辐式索桁架预应力成型态BIM三维模型为Revit、Bentley或Catia等BIM三维可视化建模软件，根据计算出的预应力成型态节点三维坐标，通过一定的建模技术手段，如Revit中建立基于线的公制常规族等，得到的BIM三维模型。
通过三维扫描设备，对加工好的的柔性拉索构件进行扫描。柔性拉索是自然状态下径直放置；或者是在生产索道上张拉到设计预应力值状态放置；或者是直接扫描下料时预应力张拉状态，再分别扫描两端索头等。
重复步骤A-E获取所有拉索的三维扫描模型，即拉索的实体模型(数字模型)。
修正柔性拉索实体模型首先根据材料力学，柔性拉索为理想柔性，不承受压力和弯矩；线弹性材料，符合胡克定律；计算得到柔性拉索的径向伸长量，通过BIM软件修正拉索实测模型成型态长度值。考虑平面内理论模型单根拉索变形角度，通过BIM软件修整拉索实测模型成型态平面内单根拉索角度的变形。
所述的平面内理论模型单根拉索变形角度，有带索夹与无索夹两种情况。
选取拟合面为径向索索头与环梁耳板的接口处，特征拟合点选取每孔上下左右共八处，通过计算机对拟合面特征点坐标转换实现数字模拟预拼装。
通过有限元软件ANSYS，以改变柔性拉索长度的方式，模拟柔性拉索索头与耳板孔的坐标误差，从而通过数字模拟预拼装准确判断生产的柔性拉索对结构力学性能和结构整体变形的影响程度。
所述的通过有限元软件ANSYS模拟索头与耳板孔的坐标误差的方式，是利用已有的坐标误差，通过有限元软件ANSYS等软件，对径向索升温，强制节点位移等，来改变索长的方式。
本发明弥补了柔性构件的预拼装的空白，解决了实际工程中定尺定长拉索的生产核心问题：索长是否满足设计的质检要求，提出了一套完整的车辐式索桁架的数字模拟预拼装过程。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法流程图。
图2是本发明实施例车辐式索桁架预应力成型态BIM三维模型。
图3是本发明实施例车辐式索桁架自然状态径直的拉索三维扫描。
图4是本发明实施例车辐式索桁架拉索实体模型修正流程图。
图5是本发明实施例车辐式索桁架修正完成的拉索点云模型。
具体实施方式
为了是本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释，并不限定本发明。
具有柔性构件的车辐式索桁架结构实际上是无法在工厂进行实体预拼装的，因为结构刚度是通过对拉索施加预应力建立的，预应力的施加过程结构几何非线性显著；刚性构件的预拼装是不考虑本身等形变和内力的，仅是构件间在三维空间的位置移动，因此，传统的刚性构件预拼装方法已无法适用。故本发明弥补了针对柔性构件的预拼装的空白，解决了实际工程中定尺定长拉索的生产核心问题：索长是否满足设计的质检要求，提出了一套完整的车辐式索桁架的数字模拟预拼装过程。
如图1所示，一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，括以下步骤：步骤A：获得车辐式索桁架结构的预应力成型态BIM模型(即理论模型)；步骤B：通过三维扫描技术，获得生产出的柔性拉索实体模型(即数字模型)；步骤C：修正柔性拉索实体模型；步骤D：通过计算机对拟合面特征点坐标转换实现数字模拟预拼装；步骤E：通过有限元软件对拟合面误差进行结构分析。
本技术在工程中具体应用方式如下:
1)三维理论模型设计:利用ANSYS软件建立有限元模型，根据ANSYS提取成型态节点位移，得到成型态节点三维坐标，导入revit软件中，利用基于线的公制常规模型建立构件族，建立BIM三维模型，从而得到结构成型态的三维理论模型。如图2所示。
2)拉索的实体三维扫描：在环境良好的条件下，在拉索生产厂中，采用三维扫描仪器A，在扫描平台上对自然状态径直的拉索扫描，得到拉索点云模型A；在钢结构加工厂，采用三维扫描仪器B，在扫描平台上对耳板进行三维扫描，得到耳板点云模型B。如图3所示。
3)修正单根拉索实测模型：主要考虑拉索径向伸长变形和平面内变形两种影响因素，如图4修正流程所示。成型态单根拉索径向伸长变形量，其实是确定无应力拉索原长度的问题。根据材料力学，索为理想柔性，不承受压力和弯矩；线弹性材料，符合胡克定律；计算得到索的径向伸长量，通过BIM软件直接修正拉索实测模型成型态长度值。考虑平面内理论模型单根拉索变形角度，通过BIM软件直接修整拉索实测模型成型态平面内单根拉索角度的变形。修正完成的拉索点云模型如图5所示。
4)拉索的数字模拟预拼装：选择拉索索头索孔和耳板孔为拟合面，特征拟合点选取每孔上下左右共8处，在局部坐标系中提取特征拟合点三维坐标，在整体坐标系中拟合特征拟合点三维坐标，得出特征拟合点三维坐标差值。
5)数字模拟预拼装结果分析：特征拟合点三维坐标差值所反映的误差实质上指的是索长误差，分析方法可根据相关规范，也可以利用有限元软件，以改变拉索长度和强制节点位移的方式，对车辐式索桁架结构内力仿真分析。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何更改、修改、同等替换和改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤A：在计算机中，获得车辐式索桁架结构的预应力成型态BIM模型即柔性拉索的理论模型；
步骤B：通过三维扫描技术，获得生产出的柔性拉索实体模型即柔性拉索的数字模型；
步骤C：修正步骤B中的柔性拉索实体模型；
步骤D：通过计算机对柔性拉索的理论模型和实体模型的拟合面的特征点进行坐标转换，进而实现数字模拟预拼装；
步骤E：通过有限元软件ANSYS对拟合面误差进行结构分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，其特征在于：所述的步骤A具体为：根据有限元软件ANSYS提取预应力成型态节点位移，得到预应力成型态节点三维坐标，导入BIM模型中，建立车辐式索桁架预应力成型态的BIM三维模型，即BIM三维理论模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，其特征在于：所述的车辐式索桁架预应力成型态为车辐式索桁架屋盖结构在施工张拉成型后的施工目标型态。
4.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，其特征在于：所述的车辐式索桁架预应力成型态节点三维坐标为根据ANSYS提取预应力成型态节点位移值(Δx1,Δy1,Δz1)，与找力前的对应的节点三维坐标(x1’,y1’,z1’)进行计算(Δx1+x1’＝x1,Δy1+y1’＝y1,Δz1+z1’＝z1)得到的三维坐标(x1,y1,z1)。
5.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，其特征在于：所述的车辐式索桁架预应力成型态BIM三维模型为Revit、Bentley或Catia等BIM三维可视化建模软件，根据计算出的预应力成型态节点三维坐标，通过一定的建模技术手段，如Revit中建立基于线的公制常规族等，得到的BIM三维模型。
6.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，其特征在于：通过三维扫描设备，对加工好的的柔性拉索构件进行扫描；柔性拉索是自然状态下径直放置；或者是在生产索道上张拉到设计预应力值状态放置；或者是直接扫描下料时预应力张拉状态，再分别扫描两端索头等；
重复步骤A-E获取所有拉索的三维扫描模型，即拉索的实体模型。
7.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，其特征在于：修正柔性拉索实体模型首先根据材料力学，柔性拉索为理想柔性，不承受压力和弯矩；线弹性材料，符合胡克定律；计算得到柔性拉索的径向伸长量，通过BIM软件修正拉索实测模型成型态长度值；考虑平面内理论模型单根拉索变形角度，通过BIM软件修整拉索实测模型成型态平面内单根拉索角度的变形。
8.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，其特征在于：所述的平面内理论模型单根拉索变形角度，有带索夹与无索夹两种情况。
9.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，其特征在于：选取拟合面为径向索索头与环梁耳板的接口处，特征拟合点选取每孔上下左右共八处，通过计算机对拟合面特征点坐标转换实现数字模拟预拼装。
10.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的车辐式索桁架结构数字模拟预拼装方法，其特征在于：通过有限元软件ANSYS，以改变柔性拉索长度的方式，模拟柔性拉索索头与耳板孔的坐标误差，从而通过数字模拟预拼装准确判断生产的柔性拉索对结构力学性能和结构整体变形的影响程度；
所述的通过有限元软件ANSYS模拟索头与耳板孔的坐标误差的方式，是利用已有的坐标误差，通过有限元软件ANSYS等软件，对径向索升温，强制节点位移等，来改变索长的方式。
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