土木工程施工中起重機械的虛擬仿真系統(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)備的安全問題也十分突出的表現(xiàn)出來，所以急需進行起重設(shè)備的安全生產(chǎn)模擬實驗，來檢測起重設(shè)備的安全性問題。因為起重設(shè)備體積龐大，占地面積也大因此在實際操作中困難重重，所以對他的檢測和安全試驗都難以進行，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)在大型起重機械上的應(yīng)用入手，設(shè)計起重設(shè)備仿真平臺，選取塔吊這種典型的土木工程中必不可少的起重設(shè)備進行設(shè)計。這種仿真技術(shù)通過3D技術(shù)進行場景仿真設(shè)計，然后輸入數(shù)據(jù)用專用軟件進行數(shù)據(jù)計算，突破了大型設(shè)備檢查難的難題，減低了運營成本提高了設(shè)備安全系數(shù)[1]。

1 起重機械與虛擬現(xiàn)實技術(shù)

（1）起重機械。在土木工程中大型起重器械塔吊起到了不可或缺的作用，可謂沒有大型塔吊萬丈高樓平地起談何容易？簡直是不可能。對于塔吊的研究目前已經(jīng)有所開展，在實景仿真方面、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，缺點很多基本沒有比較成型的技術(shù)。

（2）虛擬現(xiàn)實技術(shù)。所謂虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門新興的前沿技術(shù)，它通過仿真系統(tǒng)、通信、計算機模擬技術(shù)ps、3D等技術(shù)，模擬一個比較真實的三維空間，讓用戶可以在這個模擬平臺上進行在現(xiàn)實中難以達到的科學(xué)實驗，來完成一些難度很大的模擬實驗。

2 起重機械的模擬仿真框架設(shè)計

塔吊這種起重機械它的模擬系統(tǒng)，是依托于虛擬仿真技術(shù)在計算機上模擬起重設(shè)備塔吊的吊裝和使用過程的系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)的設(shè)計框架是要為系統(tǒng)要實現(xiàn)的目的服務(wù)的，所以在設(shè)計的時候目的要明確。因為其中機械的模擬平臺就是要模擬起重設(shè)備在各種狀況下的安全保障問題，所以要搜索國內(nèi)外的起重設(shè)備的安全核事故數(shù)據(jù)，輸入微機在設(shè)計模擬平臺的時候一定要有這些數(shù)據(jù)作為參數(shù)，才可能打造出我們需要的模擬平臺。

（1）起重機械的安保問題及難點。最近隨著房地產(chǎn)市場不斷升溫，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)成為必須進行處理的安全隱患。塔吊的事故在吊裝過程中和使用過程中均有發(fā)生，以前人們只知道注意吊裝過程和施工過程的安全隱患，其實真正的原因往往是在設(shè)計階段。

（2）模擬施工技術(shù)的實用性。綜上所述，計算機和圖形數(shù)字系統(tǒng)的快速發(fā)展為仿真平臺奠定了基礎(chǔ)，虛擬技術(shù)也越來越廣泛地應(yīng)用在土木工程建筑設(shè)計中。土木工程中傳統(tǒng)的思維模式都是靠以往的經(jīng)驗施工，所以對于施工安全的預(yù)判、施工機械的使用、甚至施工進度、施工質(zhì)量全都是主觀臆想和推斷，沒有落實在數(shù)據(jù)上，沒有事實根據(jù)所以造成施工過程中漏洞百出，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)先對雖發(fā)生的事故進行定量的分析，比較直觀的看到各個施工過程中的重點環(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)備模擬仿真平臺系統(tǒng)框架。所以起重設(shè)備塔吊無論在吊裝過程和施工過程的安全控制問題，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)就要以安全問題作為系統(tǒng)框架的研究方向建立研究框架。各個模型都帶有物理屬性、幾何屬性等信息，可用于對施工環(huán)境和施工過程進行模擬仿真研究。還有施工案例庫，這里有大量塔吊在各種工程中的施工資料，可以在研究的時候供計算機調(diào)取計算。

（4）起重機虛擬仿真系統(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)軟件平臺選擇。所以為了方便對其中器械和施工環(huán)境建模，還要模擬仿真吊裝和碰撞試驗，并進行力學(xué)模擬和虛擬現(xiàn)場分析，綜合各個模擬軟件的特點，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等模擬仿真平臺進行框架設(shè)計。比較來說其優(yōu)點有以下方面：a.費用低價、周期短見效快，相對難度小。b.包括高性能工具包和軟件平臺。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)庫組成。c.具有可拓展性的特點。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)過分析比對嚴(yán)格的挑選決定運用VRGIS模擬仿真系統(tǒng)，和美國MGP公司的Vega平臺作為起重器械模擬仿真平臺的軟件技術(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)平臺的搭建中，是一個很重要的環(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，我們可以對其進行比較一下。比如比較知名的3DsMax軟件，它對建模對象的精細(xì)化處理比較突出，而且所建模的通用性強可以導(dǎo)出各種格式方便轉(zhuǎn)換使用。其缺點是渲染比較困難它只會進行圖形的3D設(shè)計可是無法進行虛擬仿真和膨脹試驗以及進行力學(xué)的數(shù)據(jù)分析。所以3DsMax軟件還無法獨立完成我們所要求的項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程，對整個操作系統(tǒng)做出分層次、有重點、有針對性的模擬建模。通過對起重器械進行建模，在施工前進行全程三維立體可視化分析，對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運用虛擬軟件搭建三維模型，對工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和器件進行，模擬實驗分析建立標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)模型。②用Vega軟件進行數(shù)據(jù)分析，對建立的三維模型進行互相配合試驗。最后進行數(shù)據(jù)處理。

（2）具體實現(xiàn)手段。①用MultiGEN Creator搭建虛擬場景，對施工中的關(guān)鍵構(gòu)建進行參數(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)動的基礎(chǔ)上。②用Vega系統(tǒng)對模型進行動作控制，通過參數(shù)化建模技術(shù)真實地展示施工現(xiàn)場的狀態(tài)。

4 起重機虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計和使用

（1）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。這里所說的起重虛擬仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：①各種型號的起重機三維虛擬仿真設(shè)計。②計算機控制仿真起重機工作。③虛擬仿真操作可以記錄模擬的數(shù)據(jù)，虛擬仿真的過程可以存儲調(diào)閱，方便修改。④客戶可以設(shè)計參數(shù)，有手動和自動分兩種模式對防止系統(tǒng)進行操作。⑤人機對話界面友好簡單，對虛擬結(jié)果直觀反應(yīng)?？梢赃M行360度旋轉(zhuǎn)觀看。

（2）系統(tǒng)庫設(shè)計?；诿嫦?qū)ο蟮睦碚?，虛擬系統(tǒng)設(shè)計了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念悗鞓?gòu)造。設(shè)計的類有：結(jié)構(gòu)類、履帶類、塔吊類、桅桿類、和汽車吊類。分別用來架構(gòu)吊裝構(gòu)建、履帶式起重機、塔吊類、和汽車類的實體模型。

（3）模塊功能和說明。這套仿真系統(tǒng)有六個模塊，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、問哪里貼圖、吊裝過程仿真。

（4）系統(tǒng)使用說明。起重機仿真系統(tǒng)的啟動和退出。

這里是一個比較成型的仿真軟件，大家都會操作不用文字來介紹了。還有起重機仿真模型的輸出和修改，都是一些計算機操作的過程。

（5）起重機吊裝過程仿真操作。系統(tǒng)自動吊裝過程仿真：點擊吊裝過程仿真菜單選擇設(shè)定參數(shù)自動仿真，就會彈出參數(shù)窗口，這里也是一些計算機選擇菜單欄具體操作，后面還有手動控制吊裝過程，說起來都是操作這個計算機仿真系統(tǒng)的具體的菜單欄的選擇。

（6）系統(tǒng)仿真結(jié)果現(xiàn)實操作。對系統(tǒng)仿真的結(jié)果，可以通過菜單欄的具體選鈕來進行操作，這里不在線喜介紹了，操作頁面都很友好比較法方便人機對話。

5 土木工程施工中起重機械的虛擬仿真系統(tǒng)研究成績與展望

虛擬仿真作為一個新興技術(shù)運用在起重機系統(tǒng)上，為大型起重機的吊裝和施工提供了虛擬的實驗平臺，本文主要通過幾個方面進行了講解：①如何創(chuàng)建土木工程起重設(shè)備計算機仿真模型。②打造起重機參數(shù)化建模。③構(gòu)建起重設(shè)備虛擬化施工環(huán)境。④達到了起重設(shè)備實時工作狀態(tài)，和吊裝的模擬仿真。⑤設(shè)計了方便用戶的程序，可以進行存儲方便施工方案修改。

6 結(jié)語

通過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程的模擬仿真數(shù)據(jù)分析，驗證了施工組織設(shè)計中安全預(yù)案的可行性和正確性，實現(xiàn)了整個模擬施工過程的參數(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。