文章来源：邓逸川的学术笔记

    摘要

    滑模是利用一定动力使模板系统沿着混凝土表面滑动，从而使得现浇混凝土结构成型的施工方法。与传统模板相比，滑模具有着节省拆转模板程序、缩短施工时间、减小垂直偏差、一次爬程长等独特的优势，是土木施工技术的重要组成部分。为了能够形象生动的展现该项技术，提高土木工程专业的高校教学效果，本文结合当下土木工程前沿的BIM技术和VR技术，选取了滑模施工技术中典型的液压滑模来进行建模和模拟工作。首先在Revit软件中分别对滑模组装和爬升阶段进行建模，重命名各构件并定义其相互关系，并为系统各构件初步添加文档材质；接着在Navisworks软件中通过其AutodeskRendering功能对文档材质进一步优化，通过Timeliner功能及Animator功能进行液压滑模的施工动画制作，模拟滑模组装及爬升过程，并采用相机动画来实现动画播放过程中的视点切换；随后采用会声会影软件对导出的动画进行优化，包括添加解说及字幕、突出关键节点等；最后为了全方位展现滑模施工过程中的细节，进一步提升用户体验，本文结合了VR技术对滑模施工工艺进行处理，使得用户可以实际操作滑模系统的仿真装配过程。

    研究背景

    滑模是指利用一定动力来实现模板系统沿着混凝土表面滑动而成型的现浇混凝土结构的施工方法。滑模与传统模板相比较具有不可替代的优势，包括节省了拆转模板程序、缩短混凝土施工时间、减小垂直偏差、一次爬程长等。自引入我国以来就被广泛运用于筒仓、水塔、烟囱、高桥墩、路缘石等大型结构以及部分高层和超高层建筑。传统的液压滑模施工工艺流程一般包括了定位放线（内模板）、安装提升架、安装围圈、绑扎钢筋、安装模板、安装操作平台系统、安装拉杆、铺设操作平台、安放防护栏杆、安装液压系统、初步滑升、安装吊脚手架、正常滑升、拆除等。

    滑模施工工艺发展至今衍生出了一系列相关的施工技术，为了将不同滑模施工工艺表现出来，本文引入了BIM技术对其进行建模。使用BIM技术建模能够形象生动的模拟滑模施工技术，方便进行现场技术交底工作。所建立的模型具有滑模系统的真实信息，可以对模型应用价值进一步挖掘。此外，使用BIM技术建立的模型便于修改，能够适应多种不同的滑模施工技术。因此将BIM技术运用于传统的滑模施工中能够很好的进行施工模拟、预防风险、技术交底等工作。

    将滑模施工工艺与BIM技术相结合能够形象表达其施工流程，但难以让用户进行实际操作，对于施工细节的把握不足。VR技术能够全方位的视角，用户可以近距离地观察施工过程的任何细节，获得更佳的用户体验。而且将建立的滑模模型与VR技术结合起来能让用户在三维空间里获得多种感官的模拟，加深对滑模施工技术的理解。因此本文将建立的滑模施工工艺模型与VR技术结合起来，通过后期的仿真装配处理使用户能够对滑模装配过程进行实际操作。

    研究意义

    滑模施工工艺在高层和超高层构筑物建造过程中，能够快速推动结构成型。运用BIM技术和VR技术对滑模施工工艺进行建模和模拟，其意义主要有以下几点：

    1.掌握滑模的发展历程和现状能够了解土木施工的前沿技术发展水平，在此基础上不断推陈出新。为了适应当代建筑物的建造水平，滑模施工工艺经过发展后衍生出了倒框滑模施工等相关技术，其施工机具也逐渐向精细化方向发展，因此对滑模施工工艺研究能够推动该项技术发展；

    2.BIM技术作为土木工程发展的新方向，将传统滑模施工工艺与其结合起来能够探索两者之间的磨合程度。当代土木工程施工朝自动化和精细化方向发展，与新兴技术的结合存在一定的摩擦，本文对两者之间的结合可能性进行一定探索；

    3.将滑模施工工艺与VR技术结合起来能够运用于高校教学工作中，提高课堂教学效果。传统的土木工程知识教学只停留在概念传授阶段，教学效果依赖于教师的教学水平，而引入VR技术能够让学生对相关施工技术进行实际操作，提高教学主动性；

    4.BIM技术与VR技术结合能够形象展示滑模施工工艺，方便对现场施工工人进行技术交底工作。

    滑模施工建模

    筒仓结构由于其结构高度较高，贮存量大，能够较好缓解土地资源紧张的局面；其结构封闭性环境能够避免对外界环境造成污染，属于环境友好型构筑物；其特殊的结构形式使得装卸材料更为方便，缩短了工作流程，消除繁重的装袋作业；其结构的自动化及机械化程度较高，大大节省了后期的运营维护费用。筒仓的结构形式较为多样，其截面形式有圆形、方形、矩形和多角形，其中圆形筒仓的受力情况较为合理，且贮存量与建材耗费量之比最高，因此应用案例较多。筒仓结构由于截面变化小且结构高度大，常采用滑模进行施工。因此本文选取了国合集团的实际工程案例，结合筒仓结构设计相关规范，将目标工程定义为内径为10m，高度为15m的筒仓结构，地理位置位于广州。下面将展示采用Revit进行建模的过程。

    根据定义各构件的尺寸及其位置关系，在Revit中对各部分构件进行建模。筒仓下部结构施工完成后，清理基层，先按施工图纸，绑扎初始1.5m高度内的仓壁钢筋及安设预埋件等。由于Revit中钢筋须设置于有效主体中，筒仓结构的水平钢筋和纵向钢筋难以通过“钢筋”命令添加。为了能够表示绑扎钢筋的过程，本文在软件中采用小直径钢管梁及钢管柱来代替结构中的钢筋。砌置提升架立柱支墩，用仪器抄平，然后安装开字架，开字架由立柱、横梁及牛腿组成，三者之间的连接方式采用焊接连接。在建模过程中，立柱采用矩形钢管柱来表示，横梁和牛腿分别采用槽钢和角钢来表示，其中下横梁的标高与千斤顶的位置相适应，上牛腿和下牛腿的标高分别与上围圈和下围圈的位置相适应，其尺寸根据其余构件位置而定。

    安装围圈，随后安装模板。模板采用组合钢模板，一般按照先内后外的顺序安装，并进行围圈和模板之间的焊接。在建模过程中，围圈采用槽钢梁进行表示，模板采用槽钢立柱进行表示，内模板由一定数量的槽钢立柱拼装而成。内模板固定后，进行内操作平台的组装，其中内操作平台由钢桁架和木板铺装而成。钢桁架支承在围圈上，与开字架及围圈连成整体。在建模过程中，钢桁架采用软件自带的“桁架”命令进行创建，并通过修改上下弦杆使得桁架与围圈连成整体，随后使用“阵列”命令完成全部内平台桁架的编辑；操作平台使用“楼板”命令进行创建，其宽度设置为800mm，其材质设置为木板。

    安装千斤顶，并插入支撑杆。在建模过程中，千斤顶采用不同直径钢圆柱组合的方式进行创建，并在千斤顶的顶部设置了限位卡，以模拟爬升过程中千斤顶的工作过程。支撑杆采用“钢柱”命令进行编辑，并与千斤顶的型号相适应。随后使用“阵列”命令完成全部千斤顶和支撑杆的编辑。

    安装外平台安全栏杆，以保证施工人员安全。在建模过程中，安全栏杆采用圆钢柱及圆钢梁的方式进行设置。由于Revit缺乏创建安全网的命令，本文采用“建筑墙”命令进行创建曲面，并在后期制作动画时重新定义材质为粗麻，以此来表示外操作平台栏杆悬挂的安全网。

    滑模系统组转完成后，准备好现场施工机械及材料，组织施工人员进行混凝土浇筑工作。每隔两小时浇筑一层，高度为30cm，共浇筑5层达到滑模高度。约8小时后，浇筑的第一层混凝土达到出模强度，操作提升系统使滑模向上滑升30cm。继续绑扎钢筋，浇筑混凝土，约2小时后继续滑升30cm，以此类推，每隔两小时滑升一层，直至滑升至设计顶标高为止。在建模过程中，分层采用“建筑墙”命令来模拟混凝土浇筑过程，每层“墙”的高度设置为30cm。

    滑模爬升动画制作

    滑模调试通过后，组织施工人员进行混凝土浇筑，每隔2小时浇筑一层，高度为30cm。浇筑5层之后刚好达到模板高度，此时底层的混凝土达到出模强度，滑模向上爬升30cm，继续绑扎钢筋，浇筑混凝土，2小时后继续爬升30cm，以此类推。当滑模由起始位置爬升至2.0m时，安装内外吊脚手架，挂布内外安全网，以供施工人员进行混凝土表面压光和修补工作。定义集合完成后，同样需要进行构件的材质定义，不同之处在于筒仓壁的材质定义为“带有石料的混凝土”，以模拟所浇筑的混凝土。

    为了表达滑模爬升的过程，本文使用了Navisworks中的“平移动画”功能。激活Navisworks中的Animator，在弹出的对话框中创建场景，在集合窗口中选中滑模系统向上爬升部分，右键场景选择“从当前选择添加动画集”，软件自动创建一个基于选中构件的动画集，并可以对该动画集进行编辑。调整时间轴到爬升开始时间，捕捉关键帧，记录开始时间滑模系统的相应状态。随后将时间轴调整到爬升结束时间，使用“平移动画集”功能，将滑模系统向上爬升部分沿着Z轴向上平移30cm，捕捉关键帧，记录结束时间滑模系统的相应状态。这样软件就会生成一个滑模完成一次向上爬升的动画。激活Navisworks的Timeliner功能，选择手动添加任务，将滑模系统组装、混凝土浇筑、滑模爬升分别创建不同任务，其工期均按照动画显示效果而定，任务类型统一设置为“构造”，动画行为设置为“缩放”。将定义好的平移动画附着在在“滑模爬升”任务中，当工期进行到该任务时，所附着的集合将执行定义好的平移动画，因此将附着的集合设置为滑模爬升部分。同理，该部分滑模爬升动画需要定义相机动画，以在动画播放过程中切换不同的视点。由于该部分动画时长较短，且主要视点在于滑模剖面视角，因此本文仅定义了两个视点，在Animator中创建了相应的相机动画，并链接到Timeliner模拟设置过程中。

    滑模施工装配仿真

    本文采用曼恒数字公司研发的IdeaVR编辑软件进行滑模施工仿真模拟工作，该软件具备虚拟装配功能。在给定原材料的情况下，用户能利用该软件亲自对滑模系统进行组装，体验滑模施工工序流程，实现从概念阐述阶段过渡到实际操作阶段。但是该软件目前的版本较低，其部分功能尚处于开发中，导入软件中的模型需要符合软件要求。Revit模型中的族在导入软件后会被默认拆分成零件，且IdeaVR目前只能支持对零件级别的构件进行编辑，不支持对构件进行合并，因此需要在建模阶段先对模型中的构件进行合并处理。

    将模型导入3Dmax软件中，模型中的族默认被拆分成零件级别，且其名称为Revit软件默认名，其余构件名称以自定义重命名形式存在，故需要对模型构件进行筛选。为了对构件进行整体编辑，本文需将零件组合成为整体构件。以“开字架”构件为例，构件在3Dmax软件中以“矩形钢管柱开字架立柱”、“矩形钢管柱开字架横梁”和“矩形钢管柱开字架牛腿”形式存在，选中其中一个“矩形钢管柱开字架立柱”零件，将其转换为可编辑多边形，随后使用“附加”命令将横梁和牛腿附加到立柱上，以此类推，直至所有开字架零件组合成为一个物体。其余构件采用同样方法进行编辑。由于IdeaVR软件只支持.FBX格式文件导入，因此在3Dmax中将模型导出为.FBX格式，以免造成模型无法导入等情况。将模型导入IdeaVR会出现模型失真的情况，即模型的材质全部被替换成为软件默认材质，因此需要重新对模型赋予材质。模型的材质在不同背景下的显示不同，因此先对模型背景进行编辑。激活IdeaVR的“天气”功能，将模型所处时间设置为早上，将下雨、下雪、刮风场景设置为“无”，将光线设置为平行光，以模拟滑模组装过程的实际情况。对滑模系统中的构件赋予材质，其中内外操作平台铺板采用表面为黄色的木地板材质，内外模板采用表面上红色油漆的材质，内外操作平台桁架、开字架及内外围圈采用表面不光滑的合金材质，钢筋及支撑杆采用表面布光滑的钢材质，千斤顶采用表面为橙色的黄铜材质。赋予材质后的滑模系统。赋予材质后，对滑模系统进行交互编辑，以实现用户实际操作滑模施工流程的效果。激活IdeaVR的交互编辑器，并激活装配文件，这样在编辑界面创建的节点将为装配约束节点而不是自由节点。软件会识别场景树中的所有零件，若不先进行零件成组处理直接将模型导入IdeaVR软件中，场景树中的零件将以零散的形式出现，整个模型的零件多达千个，无法定义装配约束过程。本文由于在3Dmax中已经对零件进行附加处理，场景树中的零件以所定义的整体构件形式存在，简化了编辑过程。场景树中的每个零件代表一个节点，将场景树中的每个节点分别拖入交互编辑界面，软件自动生成装配约束节点。在交互编辑器中，一个节点代表一个需要装配的构件。此时需要定义节点的装配顺序，通过交互编辑器的“Connector”功能连线将待装配模型连接起来，“受限”为输入，“约束”为输出，输入方节点装配顺序优先，输出方节点装配顺序置后。同一输入方节点可连接多个输出方节点，形成多条支路，且只有当某一条支路的节点全部安装完成后，才会进行下一支路节点的安装，其安装顺序与传统网络计划图中施工顺序类似。本文共定义了16个不同施工节点，并按照滑模安装流程定义了三条支路。当且仅当图元的受限输入模型装配完成后，方可进行当前模型的装配操作。

    通过手柄菜单进入装配仿真，IdeaVR将根据当前交互编辑器打开的装配文件，进通过手柄菜单进入装配仿真，IdeaVR将根据当前交互编辑器打开的装配文件，进行装配功能初始化，包括解析装配模型、定义装配顺序、隐藏场景中待装配的构件等操作。按下手柄的功能键，呼出当前可装配的构件菜单，选择受限输入为空的构件。其中当前选中的候选装配构件为旋转状态，并带有黄色的标注，表明待装配构件的名称。由于滑模系统装配过程具有多个支路，选中其中某一支路后，只有装配完成当前支路才能切换至其他支路。按下确认键，待装配构件将出现在场景中，手柄的射线指向待装配构件，并按下确认键，此时移动手柄，将实时调整待装配模型的位置和状态，模拟滑模系统的装配效果。随着待装配构件的移动，当待装配模型足够接近目标位置时，待装配构件将红色高亮显示，此时松开手柄的确认键，将完成当前构件的装配。以此类推，将所有构件组装依次进行组装，完成滑模系统的仿真装配过程。

    结论

    本文选取滑模施工工艺中较为典型的液压滑模，结合土木工程领域中较为前沿的BIM技术和VR技术，对其进行模拟和仿真处理，所涉及的主要工作内容有以下部分：

    (1)查阅文献。了解滑模的发展历史及应用现状，对其工作原理和工艺流程进行研究；了解BIM技术和VR技术的发展现状，对两者与滑模的结合提出构想；

    (2)BIM建模。采用Revit软件对滑模施工工艺分别进行组装阶段和爬升阶段建模，设定构件尺寸和位置，并定义构件的材质及相互关系；

    (3)施工动画制作。采用Navisworks软件对上一步所建立的模型进行材质优化，定义每道工序的工期，并设置相机动画实现动画播放过程中视点切换；

    (4)施工视频制作。采用会声会影软件对导出的动画进行编辑，包括添加字幕解说和突出施工节点，并对视频播放时间进行编辑；

    (5)施工装配仿真。采用IdeaVR软件对建立的模型进行优化，定义装配约束文件，从而实现用户实际操作滑模仿真装配过程。

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