土木工程施工中起重機(jī)械的虛擬仿真系統(tǒng)研究

王鳳超

（平頂山學(xué)院，河南 平頂山 467001）

在大型土木工程建設(shè)中，起重機(jī)械是至關(guān)重要的大型施工設(shè)備。隨著地產(chǎn)工程風(fēng)起云涌的迅猛發(fā)展，起重設(shè)備的安全問(wèn)題也十分突出的表現(xiàn)出來(lái)，所以急需進(jìn)行起重設(shè)備的安全生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)，來(lái)檢測(cè)起重設(shè)備的安全性問(wèn)題。因?yàn)槠鹬卦O(shè)備體積龐大，占地面積也大因此在實(shí)際操作中困難重重，所以對(duì)他的檢測(cè)和安全試驗(yàn)都難以進(jìn)行，這也是大型起重設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)事故和故障的直接原因。

本文從虛擬技術(shù)在大型起重機(jī)械上的應(yīng)用入手，設(shè)計(jì)起重設(shè)備仿真平臺(tái)，選取塔吊這種典型的土木工程中必不可少的起重設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種仿真技術(shù)通過(guò)3D技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)景仿真設(shè)計(jì)，然后輸入數(shù)據(jù)用專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，突破了大型設(shè)備檢查難的難題，減低了運(yùn)營(yíng)成本提高了設(shè)備安全系數(shù)[1]。

1 起重機(jī)械與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（1）起重機(jī)械。在土木工程中大型起重器械塔吊起到了不可或缺的作用，可謂沒(méi)有大型塔吊萬(wàn)丈高樓平地起談何容易？簡(jiǎn)直是不可能。對(duì)于塔吊的研究目前已經(jīng)有所開展，在實(shí)景仿真方面、考核與管理方面、數(shù)據(jù)采集方面、故障再現(xiàn)等方面都在開展研究，但是都處在起步階段，缺點(diǎn)很多基本沒(méi)有比較成型的技術(shù)。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。所謂虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門新興的前沿技術(shù)，它通過(guò)仿真系統(tǒng)、通信、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)ps、3D等技術(shù)，模擬一個(gè)比較真實(shí)的三維空間，讓用戶可以在這個(gè)模擬平臺(tái)上進(jìn)行在現(xiàn)實(shí)中難以達(dá)到的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，來(lái)完成一些難度很大的模擬實(shí)驗(yàn)。

2 起重機(jī)械的模擬仿真框架設(shè)計(jì)

塔吊這種起重機(jī)械它的模擬系統(tǒng)，是依托于虛擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)上模擬起重設(shè)備塔吊的吊裝和使用過(guò)程的系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架是要為系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目的服務(wù)的，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候目的要明確。因?yàn)槠渲袡C(jī)械的模擬平臺(tái)就是要模擬起重設(shè)備在各種狀況下的安全保障問(wèn)題，所以要搜索國(guó)內(nèi)外的起重設(shè)備的安全核事故數(shù)據(jù)，輸入微機(jī)在設(shè)計(jì)模擬平臺(tái)的時(shí)候一定要有這些數(shù)據(jù)作為參數(shù)，才可能打造出我們需要的模擬平臺(tái)。

（1）起重機(jī)械的安保問(wèn)題及難點(diǎn)。最近隨著房地產(chǎn)市場(chǎng)不斷升溫，建筑行業(yè)特別活躍大型塔吊的事故率也一再攀升，目前已經(jīng)成為必須進(jìn)行處理的安全隱患。塔吊的事故在吊裝過(guò)程中和使用過(guò)程中均有發(fā)生，以前人們只知道注意吊裝過(guò)程和施工過(guò)程的安全隱患，其實(shí)真正的原因往往是在設(shè)計(jì)階段。

（2）模擬施工技術(shù)的實(shí)用性。綜上所述，計(jì)算機(jī)和圖形數(shù)字系統(tǒng)的快速發(fā)展為仿真平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)，虛擬技術(shù)也越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在土木工程建筑設(shè)計(jì)中。土木工程中傳統(tǒng)的思維模式都是靠以往的經(jīng)驗(yàn)施工，所以對(duì)于施工安全的預(yù)判、施工機(jī)械的使用、甚至施工進(jìn)度、施工質(zhì)量全都是主觀臆想和推斷，沒(méi)有落實(shí)在數(shù)據(jù)上，沒(méi)有事實(shí)根據(jù)所以造成施工過(guò)程中漏洞百出，曝漏出很多安全隱患工程質(zhì)量也大打折扣。模擬仿真系統(tǒng)可以預(yù)先對(duì)雖發(fā)生的事故進(jìn)行定量的分析，比較直觀的看到各個(gè)施工過(guò)程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)的具體操作情況和分析數(shù)據(jù)，所以可以預(yù)先做出安全生產(chǎn)的預(yù)案。

（3）起重設(shè)備模擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)框架。所以起重設(shè)備塔吊無(wú)論在吊裝過(guò)程和施工過(guò)程的安全控制問(wèn)題，正好完全適用于模擬仿真系統(tǒng)。起重設(shè)備塔吊的安全問(wèn)題尤為突出，在這里起重設(shè)備的仿真模擬系統(tǒng)就要以安全問(wèn)題作為系統(tǒng)框架的研究方向建立研究框架。各個(gè)模型都帶有物理屬性、幾何屬性等信息，可用于對(duì)施工環(huán)境和施工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真研究。還有施工案例庫(kù)，這里有大量塔吊在各種工程中的施工資料，可以在研究的時(shí)候供計(jì)算機(jī)調(diào)取計(jì)算。

（4）起重機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)軟件選擇。①虛擬仿真系統(tǒng)軟件比較。解決起重設(shè)備安全施工難點(diǎn)的，最佳途徑是搭建虛擬仿真系統(tǒng)。那么選擇建模軟件和虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)是比較重要的工作，模擬仿真系統(tǒng)的成敗直接取決于這次選擇。②虛擬仿真系統(tǒng)軟件平臺(tái)選擇。所以為了方便對(duì)其中器械和施工環(huán)境建模，還要模擬仿真吊裝和碰撞試驗(yàn)，并進(jìn)行力學(xué)模擬和虛擬現(xiàn)場(chǎng)分析，綜合各個(gè)模擬軟件的特點(diǎn)，我們選擇了目前最好的虛擬軟件Vega及其系列軟件VegaPrime，VRPLatform，VRMaP3.0等模擬仿真平臺(tái)進(jìn)行框架設(shè)計(jì)。比較來(lái)說(shuō)其優(yōu)點(diǎn)有以下方面：a.費(fèi)用低價(jià)、周期短見(jiàn)效快，相對(duì)難度小。b.包括高性能工具包和軟件平臺(tái)。他有圖形用戶界面，一套與之配合的圖形處理工具和豐富的函數(shù)庫(kù)組成。c.具有可拓展性的特點(diǎn)。d.可以靈活的開發(fā)自定義的模塊。

綜上所述，在這里我們經(jīng)過(guò)分析比對(duì)嚴(yán)格的挑選決定運(yùn)用VRGIS模擬仿真系統(tǒng)，和美國(guó)MGP公司的Vega平臺(tái)作為起重器械模擬仿真平臺(tái)的軟件技術(shù)支撐。

3 起重器械建模流程研究

3.1 建模工具的研究

對(duì)于建模的操作工具本文主要分析的是三維立體建模，建模在起重器械虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)的搭建中，是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。目前比較流行的建模軟件很多，似乎使用的比較廣發(fā)的軟件就是建筑CAD軟件了。建模工具軟件的選擇：各種軟件都有優(yōu)缺點(diǎn)，我們可以對(duì)其進(jìn)行比較一下。比如比較知名的3DsMax軟件，它對(duì)建模對(duì)象的精細(xì)化處理比較突出，而且所建模的通用性強(qiáng)可以導(dǎo)出各種格式方便轉(zhuǎn)換使用。其缺點(diǎn)是渲染比較困難它只會(huì)進(jìn)行圖形的3D設(shè)計(jì)可是無(wú)法進(jìn)行虛擬仿真和膨脹試驗(yàn)以及進(jìn)行力學(xué)的數(shù)據(jù)分析。所以3DsMax軟件還無(wú)法獨(dú)立完成我們所要求的項(xiàng)目只能作為使用工具。

3.2 起重器械模擬吊裝建模流程研究

起重器械模擬吊裝流程研究，就是以模擬起重器械吊裝的過(guò)程，對(duì)整個(gè)操作系統(tǒng)做出分層次、有重點(diǎn)、有針對(duì)性的模擬建模。通過(guò)對(duì)起重器械進(jìn)行建模，在施工前進(jìn)行全程三維立體可視化分析，對(duì)于為施工方案做出安全施工預(yù)案，拿出可信服的數(shù)據(jù)并提供設(shè)計(jì)參考。

起重器械模擬仿真建模整體思路：

（1）主要技術(shù)路線。①運(yùn)用虛擬軟件搭建三維模型，對(duì)工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和器件進(jìn)行，模擬實(shí)驗(yàn)分析建立標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)模型。②用Vega軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)建立的三維模型進(jìn)行互相配合試驗(yàn)。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（2）具體實(shí)現(xiàn)手段。①用MultiGEN Creator搭建虛擬場(chǎng)景，對(duì)施工中的關(guān)鍵構(gòu)建進(jìn)行參數(shù)化建模，標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)模型建立在數(shù)據(jù)化驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上。②用Vega系統(tǒng)對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)作控制，通過(guò)參數(shù)化建模技術(shù)真實(shí)地展示施工現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)。

4 起重機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用

（1）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。這里所說(shuō)的起重虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：①各種型號(hào)的起重機(jī)三維虛擬仿真設(shè)計(jì)。②計(jì)算機(jī)控制仿真起重機(jī)工作。③虛擬仿真操作可以記錄模擬的數(shù)據(jù)，虛擬仿真的過(guò)程可以存儲(chǔ)調(diào)閱，方便修改。④客戶可以設(shè)計(jì)參數(shù)，有手動(dòng)和自動(dòng)分兩種模式對(duì)防止系統(tǒng)進(jìn)行操作。⑤人機(jī)對(duì)話界面友好簡(jiǎn)單，對(duì)虛擬結(jié)果直觀反應(yīng)。可以進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)觀看。

（2）系統(tǒng)庫(kù)設(shè)計(jì)。基于面向?qū)ο蟮睦碚摚摂M系統(tǒng)設(shè)計(jì)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念悗?kù)構(gòu)造。設(shè)計(jì)的類有：結(jié)構(gòu)類、履帶類、塔吊類、桅桿類、和汽車吊類。分別用來(lái)架構(gòu)吊裝構(gòu)建、履帶式起重機(jī)、塔吊類、和汽車類的實(shí)體模型。

（3）模塊功能和說(shuō)明。這套仿真系統(tǒng)有六個(gè)模塊，他們的功能是：定義公用變量、初始化系統(tǒng)、模型基本體生成、燈光設(shè)計(jì)、問(wèn)哪里貼圖、吊裝過(guò)程仿真。

（4）系統(tǒng)使用說(shuō)明。起重機(jī)仿真系統(tǒng)的啟動(dòng)和退出。

這里是一個(gè)比較成型的仿真軟件，大家都會(huì)操作不用文字來(lái)介紹了。還有起重機(jī)仿真模型的輸出和修改，都是一些計(jì)算機(jī)操作的過(guò)程。

（5）起重機(jī)吊裝過(guò)程仿真操作。系統(tǒng)自動(dòng)吊裝過(guò)程仿真：點(diǎn)擊吊裝過(guò)程仿真菜單選擇設(shè)定參數(shù)自動(dòng)仿真，就會(huì)彈出參數(shù)窗口，這里也是一些計(jì)算機(jī)選擇菜單欄具體操作，后面還有手動(dòng)控制吊裝過(guò)程，說(shuō)起來(lái)都是操作這個(gè)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的具體的菜單欄的選擇。

（6）系統(tǒng)仿真結(jié)果現(xiàn)實(shí)操作。對(duì)系統(tǒng)仿真的結(jié)果，可以通過(guò)菜單欄的具體選鈕來(lái)進(jìn)行操作，這里不在線喜介紹了，操作頁(yè)面都很友好比較法方便人機(jī)對(duì)話。

5 土木工程施工中起重機(jī)械的虛擬仿真系統(tǒng)研究成績(jī)與展望

虛擬仿真作為一個(gè)新興技術(shù)運(yùn)用在起重機(jī)系統(tǒng)上，為大型起重機(jī)的吊裝和施工提供了虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文主要通過(guò)幾個(gè)方面進(jìn)行了講解：①如何創(chuàng)建土木工程起重設(shè)備計(jì)算機(jī)仿真模型。②打造起重機(jī)參數(shù)化建模。③構(gòu)建起重設(shè)備虛擬化施工環(huán)境。④達(dá)到了起重設(shè)備實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，和吊裝的模擬仿真。⑤設(shè)計(jì)了方便用戶的程序，可以進(jìn)行存儲(chǔ)方便施工方案修改。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)土木工程中其中器械的模擬仿真系統(tǒng)，做了塔吊從吊裝到使用的全過(guò)程的模擬仿真數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了施工組織設(shè)計(jì)中安全預(yù)案的可行性和正確性，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)模擬施工過(guò)程的參數(shù)化建模工作，為以后的模擬仿真體統(tǒng)在土木工程中的應(yīng)用，探索了新路起到了拋磚引玉的作用。