小議雕塑設(shè)計(jì)中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用

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三維建模及三維光纖攝像測(cè)量技術(shù)在雕塑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

13DMAX三維建模技術(shù)在現(xiàn)代雕塑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，城市雕塑的數(shù)字化設(shè)計(jì)也進(jìn)入應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)發(fā)展相對(duì)比較成熟的建筑效果圖和建筑動(dòng)畫制作中，3DMAX的使用率更是占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。重慶市大型城市雕塑“未來之光”及“重慶直轄”的模型(圖1)構(gòu)造就采用了3DMAX三維建模技術(shù)。

2三維光纖攝像測(cè)量技術(shù)在現(xiàn)代雕塑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

現(xiàn)代雕塑設(shè)計(jì)為了達(dá)到藝術(shù)上的表現(xiàn)效果，其形狀往往不是那么規(guī)則，而傳統(tǒng)的三維建模手段不能對(duì)復(fù)雜曲面物體進(jìn)行幾何建模。三維光纖攝像測(cè)量技術(shù)（即三維掃描技術(shù)）采用光柵投影測(cè)量的非接觸測(cè)量方法，可以直接得到真實(shí)物體表面的采樣點(diǎn)，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1]。通過三維掃描技術(shù)制作出的3D模型數(shù)據(jù)精度高，可直接用于載荷受力分析。通過三維掃描采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來擬合出任意曲面，這類方法不受曲面復(fù)雜度的影響，在對(duì)物體的采樣數(shù)據(jù)足夠的情況下可以得到很高的精度[2]。通過三維掃描技術(shù)進(jìn)行物體掃描時(shí)，為了獲得足夠精度，需要采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)相應(yīng)較多，但這會(huì)使得模型重構(gòu)過程時(shí)間花費(fèi)過長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量過大，不利于存儲(chǔ)和傳輸。故對(duì)不同的被測(cè)對(duì)象，應(yīng)該選取適當(dāng)精度。在“園緣園”雕塑工程中，對(duì)雕塑CAD模型的重構(gòu)就是通過三維掃描技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。該雕塑的小樣實(shí)物照片及掃描模型如圖2所示，該雕塑的整個(gè)造型有大量不規(guī)則的鏤空花紋，要進(jìn)行模型重構(gòu)選擇三維掃描是比較合適的。因此，首先采用TripleSIDIOProAdvance三維掃描儀對(duì)雕塑小樣進(jìn)行掃描，再將掃描得到的數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并人工對(duì)模型修整后得到可應(yīng)用于分析的模型。

有限元分析軟件在城市雕塑設(shè)計(jì)中的綜合應(yīng)用

1三維掃描技術(shù)與有限元分析軟件在雕塑設(shè)計(jì)與建模中的融合

三維掃描技術(shù)不但用于雕塑的造型設(shè)計(jì)，同有限元軟件結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)大型雕塑結(jié)構(gòu)的受力分析。對(duì)于一些造型特殊、形態(tài)復(fù)雜的雕塑而言，一般的有限元分析軟件很難實(shí)現(xiàn)建模，經(jīng)三維掃描得到的數(shù)據(jù)文件能通過軟件設(shè)置的接口導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的建立，大大方便和簡(jiǎn)化了建模過程，為準(zhǔn)確進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及數(shù)值模擬提供了可靠的數(shù)據(jù)?！爸貞c直轄”大型雕塑的整體造型是一個(gè)空間異形結(jié)構(gòu)，其中，構(gòu)成其主要空間造型的3個(gè)大型翼板通過一個(gè)扭曲的空間節(jié)點(diǎn)相連。此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為箱型截面，由于整個(gè)節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，一般的桿系結(jié)構(gòu)模型難以對(duì)其作精確計(jì)算，需要進(jìn)行專門的受力分析。由于扭曲節(jié)點(diǎn)的空間定位無規(guī)律可循，無論是采用CAD還是其他圖形軟件，實(shí)現(xiàn)扭曲節(jié)點(diǎn)的建模都是一件比較困難的事。因此，通過三維掃描技術(shù)形成數(shù)據(jù)文件后再讀入ANSYS軟件，經(jīng)修改后最終形成結(jié)構(gòu)分析可以采用的有限元節(jié)點(diǎn)模型。

2雕塑結(jié)構(gòu)的靜力分析

“園緣園”雕塑的整體造型為跨度30m，失高12.8m的半球形鏤空非標(biāo)準(zhǔn)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用箱型截面，箱型截面的寬度根據(jù)雕塑的圖案確定，截面高度為400mm，結(jié)構(gòu)中高度在1.5m以下的截面翼緣及腹板采用10mm；1.5m以上翼緣厚度采用6mm，腹板厚度采用4mm。主體結(jié)構(gòu)鋼骨架材料采用Q345B，為了防腐，整個(gè)雕塑外包一層3mm的不銹鋼鋼板。有限元模型選用SHELL181殼單元，由于恒載是由軟件自動(dòng)計(jì)算，對(duì)雕塑外包3mm厚的不銹鋼造型復(fù)雜，計(jì)算不銹鋼的外包層恒載分布情況困難，為了保證結(jié)構(gòu)的計(jì)算準(zhǔn)確同時(shí)滿足不銹鋼面層荷載的分布，通過改變鋼材密度的方法，即將不銹鋼面層的荷載也同時(shí)折算到鋼骨架的密度中去來計(jì)算不銹鋼面層荷載。對(duì)雕塑結(jié)構(gòu)的約束處理為僅對(duì)四腳落地的鋼柱四個(gè)腳采用剛性約束，即3個(gè)方向的位移約束和3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。對(duì)雕塑模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)，分別考慮了恒載、活荷載及風(fēng)荷載。風(fēng)荷載及活荷載均考慮了最不利分布情況，即半跨布置荷載。圖3為園緣圓整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及下翼緣局部應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為172.334MPa，最大應(yīng)力所在位置均在靠近柱腳截面，寬度較小且主要為徑向傳力的構(gòu)件處，由于該處位置接近底部，受力又比較大，因而屬于薄弱環(huán)節(jié)處，應(yīng)考慮適當(dāng)加寬。結(jié)構(gòu)的變形最大位置位于迎風(fēng)面、整體結(jié)構(gòu)截面削弱較大處，即鏤空花紋最大的地方，位移最大，但根據(jù)幾種工況分析發(fā)現(xiàn)，最大位移也僅為19.7mm，說明結(jié)構(gòu)的整體剛度很好。

3復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的局部受力分析

一般結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)軟件的單元?jiǎng)澐忠詶U系結(jié)構(gòu)為主，當(dāng)運(yùn)用在雕塑工程這種復(fù)雜造型的結(jié)構(gòu)中時(shí)，對(duì)某些局部受力節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力判斷往往會(huì)失真，因而需要采用有限元軟件對(duì)局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析[3]。位于重慶市龍頭寺火車站北廣場(chǎng)的雕塑，由5個(gè)獨(dú)立的單元組成，均為長(zhǎng)懸臂異形體結(jié)構(gòu)，其中最大的一個(gè)雕塑高12m，懸挑長(zhǎng)度22.8m，采用箱形截面。有限元模型選用ANSYS提供的SHELL181單元，圖4為模型在豎向荷載作用下的局部應(yīng)力云圖和整體位移云圖。4可以看出：最大應(yīng)力出現(xiàn)在圓弧形外肋與柱子連接的下尖角處，分析表明，此處彎矩及軸力都較大，局部應(yīng)力最大值甚至達(dá)到了366.5Mpa，超過了Q235的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，與桿系結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果差別很大，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。整體最大位移出現(xiàn)在懸挑端，為314.8mm，約為懸挑長(zhǎng)度的1/73，需加強(qiáng)構(gòu)造措施對(duì)撓度予以控制。通過對(duì)原結(jié)構(gòu)圓弧段與斜柱相交處的箱型截面內(nèi)部再另外設(shè)置兩道橫向隔板及兩道橫向加勁肋，同時(shí)加入兩道縱向加勁肋，并在圓弧形外肋上垂直放置一塊寬度為200mm的橫向加勁板，圖5為調(diào)整后的局部模型。對(duì)調(diào)整后的模型進(jìn)行分析，得到整體最大位移出現(xiàn)在懸挑端，為177mm，約為懸挑長(zhǎng)度的1/130，變形雖然還是較大，但作為雕塑，屬于可以接受的變形值。節(jié)點(diǎn)附近最大應(yīng)力如圖5所示，其位置發(fā)生了改變，出現(xiàn)在外肋板與橫向加勁板的下部交接處，為143MPa，遠(yuǎn)小于Q235鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，符合結(jié)構(gòu)變形及強(qiáng)度的要求。大型雕塑“重慶直轄”(圖1)，采用ANSYS有限元分析程序?qū)υ摰袼芘で?jié)點(diǎn)部分進(jìn)行受力分析，由于該節(jié)點(diǎn)實(shí)際支承在兩個(gè)落地的Г型框架上，且空間造型比較復(fù)雜，要精確考慮其對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束剛度比較困難，因此，在建立節(jié)點(diǎn)的有限元模型時(shí)，將與節(jié)點(diǎn)有連接部分的Г型框架一并建立出來以模擬節(jié)點(diǎn)的彈性約束剛度。但作了一些簡(jiǎn)化，原結(jié)構(gòu)為鋼管桁架，根據(jù)截面剛度相同的原則簡(jiǎn)化為箱形。模型的具體造型、尺寸根據(jù)雕塑小樣，按三維掃描圖放大55倍后取用。節(jié)點(diǎn)分析考慮了3種不同的構(gòu)造情況：①連接處不布置加勁肋；②連接處僅布置橫向加勁肋；③連接處同時(shí)布置斜向加勁肋與橫向加勁肋。圖6分別給出了在3種不同構(gòu)造情況下得到的節(jié)點(diǎn)變形及應(yīng)力分布圖，第1種構(gòu)造情況下最大應(yīng)力為432MPa，遠(yuǎn)大于Q345鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度；第2種構(gòu)造情況下得到的最大應(yīng)力為245MPa，第3種構(gòu)造情況下得到的最大應(yīng)力為237MPa。此時(shí)的最大應(yīng)力較不設(shè)置加勁肋時(shí)減小了約80%，說明加勁肋（特別是橫向加勁肋）對(duì)減小局部應(yīng)力集中作用很大。最大應(yīng)力所在的位置，是在節(jié)點(diǎn)與柱子連接處一個(gè)尖角上，其余部位應(yīng)力水平很小。根據(jù)節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果，在“重慶直轄”雕塑制作時(shí)，最終選擇了方案3。

4雕塑結(jié)構(gòu)的非線性分析

復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行非線性分析，根據(jù)《空間結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010的規(guī)定，對(duì)于單層網(wǎng)殼型結(jié)構(gòu)體系，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗(yàn)算[4]。穩(wěn)定性驗(yàn)算采用荷載-位移全過程分析，并考慮材料為完全彈性[5]?！皥A緣園”有限元模型屈曲加載方案為在滿跨均布荷載作用下逐級(jí)加載，初始幾何缺陷的分布采用結(jié)構(gòu)的低階屈曲模態(tài)，缺陷的最大值取跨度的1/300，即30000/300=100mm。考慮在距柱底1.5m處，柱子部分的翼緣、腹板以及中部橫隔板板厚均采用10mm，計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)前5階模態(tài)其頻率及極限承載力見表1，可以看出，結(jié)構(gòu)的前5階屈曲模態(tài)非常接近，都是柱腳上部，這是由于箱型截面的板件厚度在此變薄，因而發(fā)生局部失穩(wěn)。根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010的規(guī)定，網(wǎng)殼的穩(wěn)定容許承載力應(yīng)等于網(wǎng)殼的極限承載力除以安全系數(shù)K，當(dāng)按彈性全過程分析時(shí)，取K=4.2。由表1的計(jì)算結(jié)果得，最低穩(wěn)定容許承載力N=3817/4.2=909kN，大于該工程最不利荷載組合871kN，說明該雕塑不會(huì)喪失穩(wěn)定性。

三維掃描技術(shù)與有限元軟件在工程量統(tǒng)計(jì)與概算中的應(yīng)用

雕塑行業(yè)過去常采用貼紙的方法來測(cè)量雕塑的表面積，但是由于如下缺點(diǎn)，使得這一傳統(tǒng)技術(shù)逐漸成為歷史：（1）當(dāng)遇比較復(fù)雜雕塑，剪切貼紙比較困難。（2）最后得出的表面積結(jié)果數(shù)據(jù)精度很低，測(cè)算結(jié)果依據(jù)性不高，說服力不強(qiáng)。（3）得到的結(jié)果無法作為后續(xù)分析資料，使得雕塑工程的工程量統(tǒng)計(jì)和概算缺少科學(xué)依據(jù)。隨著3D三維掃描技術(shù)在雕塑行業(yè)得以廣泛應(yīng)用，有限元軟件對(duì)大型雕塑的工程量統(tǒng)計(jì)分析以及概算控制提供了科學(xué)的依據(jù)和保障，三維掃描技術(shù)的發(fā)展以及有限元分析軟件的配合使用，使得雕塑的測(cè)量精度及工作效率得到大幅提高，輕松實(shí)現(xiàn)了雕塑的高效、高精度3D全尺寸檢測(cè)，可直接測(cè)算出雕塑的表面積、體積等參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在雕塑成本的合理控制方面有了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文上面提到幾個(gè)大型雕塑項(xiàng)目的工程量統(tǒng)計(jì)及造價(jià)控制，就是通過三維掃描技術(shù)結(jié)合有限元分析軟件一起得到的。

結(jié)論及建議

（1）現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展，推動(dòng)了城市雕塑設(shè)計(jì)中的數(shù)字化進(jìn)程。三維掃描技術(shù)的廣泛應(yīng)用為復(fù)雜對(duì)象的快速建模奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，本文結(jié)合大型雕塑工程“園緣園”、“重慶龍頭寺火車站廣場(chǎng)雕塑”、“重慶直轄”，采用TripleSIDIOProAdvance三維掃描儀對(duì)雕塑小樣掃描，再通過輸出STL、ASC、IGS、PIF、DWG等通用格式，與3DMAX、AUTOCAD、ANSYS等主流軟件相接，得到了可用于結(jié)構(gòu)建模及分析的基本模型。

（2）通過掃描所獲取的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入有限元軟件ANSYS，為快速建模提供了基礎(chǔ)，通過有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行靜力彈性分析以及局部節(jié)點(diǎn)的有限元分析，找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而為合理設(shè)計(jì)、加強(qiáng)薄弱部位的構(gòu)造提供了理論依據(jù)。對(duì)于某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通過對(duì)其進(jìn)行的非線性———穩(wěn)定性分析，可以判斷可能失穩(wěn)的位置及失穩(wěn)形式，得到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限承載力，對(duì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供了參考。

（3）傳統(tǒng)的測(cè)量雕塑表面積和體積的方法以及經(jīng)驗(yàn)估測(cè)使得雕塑的工程量統(tǒng)計(jì)及造價(jià)概算比較粗糙，預(yù)算往往不能控制在合理的范圍之內(nèi)。三維技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得雕塑的工程量可以通過相關(guān)軟件得以精確計(jì)算，為政府進(jìn)行投資方面的控制，奠定了科學(xué)的基礎(chǔ)。（本文作者：車雨珂、崔佳、張寵、邊超 單位：重慶大學(xué)土木工程學(xué)院、重慶環(huán)美建設(shè)工程有限公司）