基于数字孪生的艰险山区悬索桥建造过程虚拟仿真研究

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随着桥梁工程信息化、智能化的进程,深度融合桥梁建造过程与现代信息技术、打造日趋智能化建造体系的需求与日俱增。针对艰险山区桥梁建造需要考虑周边地理环境对桥梁施工综合影响的难题,本文以艰险山区某大跨度悬索桥为工程实例,引入数字孪生及其关键技术,构建了包含虚拟地理环境与桥梁孪生模型的桥梁虚拟建造场景,进行了考虑实际山区峡谷地形的风场特性数值模拟与施工状态仿真分析,设计并开发了艰险山区悬索桥虚拟建造平台。主要研究内容如下:(1)总结并归纳了数字孪生的基本概念、关键要素和特征,指出在桥梁建造阶段应用数字孪生技术的优势。对数字孪生部分关键技术和相关软件进行介绍,阐述虚拟引擎Unity在构建桥梁虚拟建造平台中所用到的基础组件、窗口及开发模块。(2)基于多源地形数据构建了桥梁虚拟地理环境,利用BIM技术参数化建立了桥梁孪生模型,对地形数据进行组织与调度,对BIM数据进行轻量化与LOD构建,通过二者的集成与建造场景的优化,实现了高保真的桥梁虚拟建造场景构建。(3)基于地形数据,分别建立了桥址区大尺度与含桥塔、主梁实体小尺度的CFD模型,以大尺度开展的风场作为小尺度计算域来流的边界条件,通过在Fluent软件中布置监测点和结构监测壁面,提取不同来流方向的数值模拟结果,得到主梁高度平面的风速分布规律、主梁与桥塔处的风参数和风三分力。(4)采用Midas Civil进行考虑峡谷风的大跨度悬索桥建造过程仿真分析,首先比较两种主梁架设方案各施工阶段结构的内力与线形,选择变化幅度更平稳的作为初步施工方案,随后在此方案中施加基于实际地形仿真得到的风三分力,以此考虑施工期峡谷风对桥梁的影响,各施工阶段结构的内力和位移值等作为孪生数据,为实际施工提供数据支持。(5)基于Unity虚拟现实引擎,设计并开发了艰险山区悬索桥虚拟建造平台,研究了仿真数据集成与模型构建的方法,将环境风场及桥梁建造的仿真数据在虚拟现实场景中进行可视化表达,阐述了平台主要功能模块的界面构成、具体功能和交互方式,为艰险山区桥梁的建造提供直观可靠的辅助决策依据。
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