土木工程施工中起重機械的虛擬仿真系統研究

王鳳超

（平頂山學院，河南 平頂山 467001）

在大型土木工程建設中，起重機械是至關重要的大型施工設備。隨著地產工程風起云涌的迅猛發展，起重設備的安全問題也十分突出的表現出來，所以急需進行起重設備的安全生產模擬實驗，來檢測起重設備的安全性問題。因為起重設備體積龐大，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，這也是大型起重設備經常出現事故和故障的直接原因。

本文從虛擬技術在大型起重機械上的應用入手，設計起重設備仿真平臺，選取塔吊這種典型的土木工程中必不可少的起重設備進行設計。這種仿真技術通過3D技術進行場景仿真設計，然后輸入數據用專用軟件進行數據計算，突破了大型設備檢查難的難題，減低了運營成本提高了設備安全系數[1]。

1 起重機械與虛擬現實技術

（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有所開展，在實景仿真方面、考核與管理方面、數據采集方面、故障再現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。

（2）虛擬現實技術。所謂虛擬現實技術是一門新興的前沿技術，它通過仿真系統、通信、計算機模擬技術ps、3D等技術，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實中難以達到的科學實驗，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計

塔吊這種起重機械它的模擬系統，是依托于虛擬仿真技術在計算機上模擬起重設備塔吊的吊裝和使用過程的系統。模擬系統的設計框架是要為系統要實現的目的服務的，所以在設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備在各種狀況下的安全保障問題，所以要搜索國內外的起重設備的安全核事故數據，輸入微機在設計模擬平臺的時候一定要有這些數據作為參數，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。最近隨著房地產市場不斷升溫，建筑行業特別活躍大型塔吊的事故率也一再攀升，目前已經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計階段。

（2）模擬施工技術的實用性。綜上所述，計算機和圖形數字系統的快速發展為仿真平臺奠定了基礎，虛擬技術也越來越廣泛地應用在土木工程建筑設計中。土木工程中傳統的思維模式都是靠以往的經驗施工，所以對于施工安全的預判、施工機械的使用、甚至施工進度、施工質量全都是主觀臆想和推斷，沒有落實在數據上，沒有事實根據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量也大打折扣。模擬仿真系統可以預先對雖發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節的具體操作情況和分析數據，所以可以預先做出安全生產的預案。

（3）起重設備模擬仿真平臺系統框架。所以起重設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。起重設備塔吊的安全問題尤為突出，在這里起重設備的仿真模擬系統就要以安全問題作為系統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取計算。

（4）起重機虛擬仿真系統軟件選擇。①虛擬仿真系統軟件比較。解決起重設備安全施工難點的，最佳途徑是搭建虛擬仿真系統。那么選擇建模軟件和虛擬仿真平臺系統是比較重要的工作，模擬仿真系統的成敗直接取決于這次選擇。②虛擬仿真系統軟件平臺選擇。所以為了方便對其中器械和施工環境建模，還要模擬仿真吊裝和碰撞試驗，并進行力學模擬和虛擬現場分析，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計。比較來說其優點有以下方面：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庫組成。c.具有可拓展性的特點。d.可以靈活的開發自定義的模塊。

綜上所述，在這里我們經過分析比對嚴格的挑選決定運用VRGIS模擬仿真系統，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平臺的搭建中，是一個很重要的環節。目前比較流行的建模軟件很多，似乎使用的比較廣發的軟件就是建筑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化處理比較突出，而且所建模的通用性強可以導出各種格式方便轉換使用。其缺點是渲染比較困難它只會進行圖形的3D設計可是無法進行虛擬仿真和膨脹試驗以及進行力學的數據分析。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案，拿出可信服的數據并提供設計參考。

起重器械模擬仿真建模整體思路：

（1）主要技術路線。①運用虛擬軟件搭建三維模型，對工程的關鍵結構和器件進行，模擬實驗分析建立標準化結構模型。②用Vega軟件進行數據分析，對建立的三維模型進行互相配合試驗。最后進行數據處理。

（2）具體實現手段。①用MultiGEN Creator搭建虛擬場景，對施工中的關鍵構建進行參數化建模，標準化結構模型建立在數據化驅動的基礎上。②用Vega系統對模型進行動作控制，通過參數化建模技術真實地展示施工現場的狀態。

4 起重機虛擬仿真系統的設計和使用

（1）系統總體結構。這里所說的起重虛擬仿真系統實現了以下功能：①各種型號的起重機三維虛擬仿真設計。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據，虛擬仿真的過程可以存儲調閱，方便修改。④客戶可以設計參數，有手動和自動分兩種模式對防止系統進行操作。⑤人機對話界面友好簡單，對虛擬結果直觀反應?？梢赃M行360度旋轉觀看。

（2）系統庫設計?；诿嫦驅ο蟮睦碚?，虛擬系統設計了嚴謹的類庫構造。設計的類有：結構類、履帶類、塔吊類、桅桿類、和汽車吊類。分別用來架構吊裝構建、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。這套仿真系統有六個模塊，他們的功能是：定義公用變量、初始化系統、模型基本體生成、燈光設計、問哪里貼圖、吊裝過程仿真。

（4）系統使用說明。起重機仿真系統的啟動和退出。

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。系統自動吊裝過程仿真：點擊吊裝過程仿真菜單選擇設定參數自動仿真，就會彈出參數窗口，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的具體的菜單欄的選擇。

（6）系統仿真結果現實操作。對系統仿真的結果，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研究成績與展望

虛擬仿真作為一個新興技術運用在起重機系統上，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如何創建土木工程起重設備計算機仿真模型。②打造起重機參數化建模。③構建起重設備虛擬化施工環境。④達到了起重設備實時工作狀態，和吊裝的模擬仿真。⑤設計了方便用戶的程序，可以進行存儲方便施工方案修改。

6 結語

通過土木工程中其中器械的模擬仿真系統，做了塔吊從吊裝到使用的全過程的模擬仿真數據分析，驗證了施工組織設計中安全預案的可行性和正確性，實現了整個模擬施工過程的參數化建模工作，為以后的模擬仿真體統在土木工程中的應用，探索了新路起到了拋磚引玉的作用。