CN110990934B - 基于数字孪生的装配式雨篷梁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于数字孪生的装配式雨篷梁方法，涉及建筑工程技术领域。本发明中包括雨篷梁(做成箱形截面)，钢管，数字孪生设备。首先是通过建模平台(BIM技术)构建虚拟模型，此模型可真实反映物理构件，能做到彻底的技术交底，各专业协同工作，在运维阶段可做到反映构件的受力和寿命的预测，在工厂预制箱形截面的钢管混凝土梁，其中在箱形截面的长边配置一定数量的受扭纵筋。本发明指出的基于数字孪生的装配式雨篷梁新型设计方法，特别采用了数字孪生，箱形截面，钢管混凝土材料，各种技术、材料优势互补解决了传统雨篷梁的不足，切实做到了对受扭构件的优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，具体涉及利用数字孪生优化雨篷梁的设计并通过新材料、新形式提高其力学性能。
背景技术
雨篷梁是典型的受扭构件，在传统的设计施工运维阶段是按以下步骤进行的。设计阶段：利用PKPM等建模软件，建立结构模型，进而导出结构施工图，为提高其受扭能力一般在梁中配置一定数量的受扭纵筋和受扭箍筋；施工阶段：一般在现浇式建筑物中经过支模、绑扎钢筋、浇筑混凝土、养护等；运维阶段：由监理部门检测混凝土强度、钢筋间距、钢筋直径、保护层厚度等进而确保构件的合格。在这些阶段中传统的方法存在缺陷和不足。
(1)在设计阶段，没有借用数字孪生等虚拟模型，不能确保各专业的相互协调，也无法做到对施工方的技术交底，可视化程度不高，单纯的钢筋混凝土抵抗扭转的能力也不足。
(2)在施工阶段，由于技术交底不透彻，施工精细程度不高等原因会大大降低雨篷梁的承载力，而且传统的现浇式受天气影响程度大，施工周期较长，导致施工成本提高。
(3)在运维阶段，由于没有利用数字孪生手段不能做出虚拟模型，也就无法预测构件的使用状况和寿命预测，另外检测费用也会增加运维成本。基于上述不足可以利用数字孪生技术并配合箱形截面形式、钢管混凝土材料加以规避。
发明内容
本发明为解决传统雨篷梁抗扭能力差、强度低、施工周期长、运维成本高等问题，进而提出一种基于数字孪生的雨篷梁连接方式。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
基于数字孪生的装配式雨篷梁新型设计方法，首先是通过建模平台(BIM技术)构建虚拟模型，此模型可真实反映物理构件，能做到彻底的技术交底，各专业协同工作，在运维阶段可做到反映构件的受力和寿命的预测，在工厂预制箱形截面的钢管混凝土梁，其中在箱形截面的长边配置一定数量的受扭纵筋。
(1)利用Revit软件进行装配式雨篷梁结构的模型建立，同时对建立的装配式雨篷梁模型进行碰撞检测；雨篷梁为钢管混凝土箱形截面；钢管选用Q345，混凝土选用C35，钢筋选用HRB335；
(2)将步骤(1)得到的结构模型导入有限元软件中进行应力、位移的分析计算；并得出需要监测的受力点。
(3)基于BIM平台建立结构模型的传感器子系统、数据处理子系统和三维展示子系统；
(4)对步骤(2)处理后的结构模型导入BIM平台中；同时，工厂预制雨篷梁时装入应力应变传感器，并由无线设备将应力应变传感器的数据传到BIM平台的传感器子系统及数据处理子系统中；由三维展示子系统做到对工厂预制的雨篷梁进行实时应力、位移检测；
(5)由有限元分析数据和三维展示子系统的数据结合，分析预制的雨篷梁的使用状况并预测其剩余寿命。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
本发明中利用数字孪生技术，构建的数字虚拟模型充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。通过对数据的整合，Digital Twin可以持续地预测装备或系统的健康状况、剩余使用寿命以及任务执行成功的概率。这样，就可以真正在全生命周期范围内，保证数字与物理世界的协调一致。可实现各专业的技术交底和协同工作，而且数字虚拟模型可真实反映现实情况也减少了检测所用的人工费用，同时使构件在运维阶段更安全。
本发明中使用箱形截面，箱形截面的最大优点是抗扭能力大，其扭惯矩约为相应T梁截面的十几倍至几十倍。另一优点是横向抗弯刚度大，对预应力、运输、安装阶段单梁的稳定性要比T梁好得多，这样有效的解决了雨篷梁受扭承载力低的缺陷。
本发明中梁采用钢管混凝土材料，混凝土的抗压强度高。但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高.同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面:(1)承载力高、延性好，抗震性能优越
钢管混凝土中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度；钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。
塑性是指在静载作用下的塑性变形能力。钢管混凝土短柱轴心受压试验表明，试件压缩到原长的2/3,纵向应变达30％以上时，试件仍有承载力。剥去钢管后，内部混凝土虽已有很大的鼓凸褶皱，但仍保持完整，并未松散，且仍有约5％的承载力，用锤敲击后才粉碎脱落。抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在这方面，钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明，结构的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，和不丧失局部稳定性的钢柱相同，但在一些建筑中，钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性。但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。
(2)施工方便，工期大大缩短
钢管混凝土结构施工时，钢管可以作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响；由于钢管混凝土内部没有钢筋，便于混凝土的浇注和捣实；钢管混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时间。
(3)有利于钢管的抗火和防火
由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。组合梁的耐火能力也会提高，因为钢梁的温度会从顶部翼缘把热量传递给混凝土而降低。经实验统计数据表明:达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3一2/3甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多。
(4)耐腐蚀性能优于钢结构
钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。钢管混凝土构件的截面形式对钢管混凝土结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用，使钢管内部的混凝土处于三向受压状态，使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝土结构的施工难度大，施工成本较高。相比之下，方钢管混凝土结构的施工较为方便，但钢管混凝土受到的约束作用较小，结构的承载力较低。
(5)施工方面
钢管混凝土柱的零件较少，焊缝少，构造简单，柱脚常采用在混凝土基础上预留杯口的插入式柱脚，因而工厂制造比较简单，同时构件自重较小，运输和吊装也较易，施工很简便，而且钢管混凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在40mm以内，无论工厂焊接和现场进行对接，都没有什么困难。同时，与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的外皮钢管具有钢筋的功能，兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，所以管内没钢筋，省了钢筋下料和绑扎钢筋等一系列工艺，又由于柱外皮钢管本身就是耐侧压的模板，同时也省了支模和拆模等工序。近年来，泵送砼相当普遍，现场浇灌并无困难，广泛使用的高位抛落不振捣混凝土的施工方法，更简化了现场灌混凝土的工序，简便了施工。也有在管柱下部开临时浇灌孔，用混凝土泵自下而上灌注混凝土的方法，既快，又保证浇灌质量。而且，在浇筑后，钢管内处于相当稳定的湿度条件，水分不易蒸发，省去浇水养护工序，简化了混凝土的养护工艺。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为虚拟与现实构件示意图。
图2为雨篷梁截面图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施方式所述基于数字孪生的装配式雨篷梁新型设计方法包括利用数字孪生技术建立虚拟模型(可真实反映物理构件)，箱形截面的钢管混凝土梁。
本实施方式中的设计方法包括如下步骤：
(1)利用Revit软件进行装配式雨篷梁结构的模型建立，同时对建立的装配式雨篷梁模型进行碰撞检测；雨篷梁为钢管混凝土箱形截面；钢管选用Q345，混凝土选用C35，钢筋选用HRB335；
(2)将步骤(1)得到的结构模型导入有限元软件中进行应力、位移的分析计算；并得出需要监测的受力点。
(3)基于BIM平台建立结构模型的传感器子系统、数据处理子系统和三维展示子系统；
(4)对步骤(2)处理后的结构模型导入BIM平台中；同时，工厂预制雨篷梁时装入应力应变传感器，并由无线设备将应力应变传感器的数据传到BIM平台的传感器子系统及数据处理子系统中；由三维展示子系统做到对工厂预制的雨篷梁进行实时应力、位移检测；
(5)由有限元分析数据和三维展示子系统的数据结合，分析预制的雨篷梁的使用状况并预测其剩余寿命。
本实施方式中设计方法的工作原理：
1)利用数字孪生技术，构建的数字虚拟模型充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。实现了技术交底，设计的可视化和协调性，在后期减少大量人工费用。
2)使用箱形截面，箱形截面的最大优点是抗扭能力大，其扭惯矩约为相应T梁截面的十几倍至几十倍。另一优点是横向抗弯刚度大，对预应力、运输、安装阶段单梁的稳定性要比T梁好得多，这样有效的解决了雨篷梁受扭承载力低的缺陷。
3)采用钢管混凝土材料使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高.同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。它具有良好的受力性能和施工性能。
综上所述，本发明指出的基于数字孪生的装配式雨篷梁新型设计方法，特别采用了数字孪生，箱形截面，钢管混凝土材料，各种技术、材料优势互补解决了传统雨篷梁的不足，切实做到了对受扭构件的优化设计。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.基于数字孪生的装配式雨篷梁方法，其特征在于：
(1)利用Revit软件建立装配式雨篷梁结构模型，对装配式雨篷梁结构模型进行碰撞检测；雨篷梁为钢管混凝土箱形截面；
(2)将步骤(1)得到的装配式雨篷梁结构模型导入有限元软件中进行应力、位移的分析计算；并得出需要监测的受力点；
(3)基于BIM平台建立装配式雨篷梁结构模型的传感器子系统、数据处理子系统和三维展示子系统；
(4)对步骤(2)处理后的装配式雨篷梁结构模型导入BIM平台中；同时，工厂预制雨篷梁时装入应力应变传感器，并由无线设备将应力应变传感器的数据传到BIM平台的传感器子系统及数据处理子系统中；由三维展示子系统做到对工厂预制的雨篷梁进行实时应力、位移检测；
(5)由有限元分析数据和三维展示子系统的数据结合，分析预制的雨篷梁的使用状况并预测其剩余寿命。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的装配式雨篷梁方法，其特征在于：钢管选用Q345，混凝土选用C35。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的装配式雨篷梁方法，其特征在于：在工厂预制箱形截面的钢管混凝土梁，在箱形截面的长边配置一定数量的受扭纵筋。
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