土木工程施工中起重机械的虚拟仿真系统研究

王凤超

（平顶山学院，河南 平顶山 467001）

在大型土木工程建设中，起重机械是至关重要的大型施工设备。随着地产工程风起云涌的迅猛发展，起重设备的安全问题也十分突出的表现出来，所以急需进行起重设备的安全生产模拟实验，来检测起重设备的安全性问题。因为起重设备体积庞大，占地面积也大因此在实际操作中困难重重，所以对他的检测和安全试验都难以进行，这也是大型起重设备经常出现事故和故障的直接原因。

本文从虚拟技术在大型起重机械上的应用入手，设计起重设备仿真平台，选取塔吊这种典型的土木工程中必不可少的起重设备进行设计。这种仿真技术通过3D技术进行场景仿真设计，然后输入数据用专用软件进行数据计算，突破了大型设备检查难的难题，减低了运营成本提高了设备安全系数[1]。

1 起重机械与虚拟现实技术

（1）起重机械。在土木工程中大型起重器械塔吊起到了不可或缺的作用，可谓没有大型塔吊万丈高楼平地起谈何容易？简直是不可能。对于塔吊的研究目前已经有所开展，在实景仿真方面、考核与管理方面、数据采集方面、故障再现等方面都在开展研究，但是都处在起步阶段，缺点很多基本没有比较成型的技术。

（2）虚拟现实技术。所谓虚拟现实技术是一门新兴的前沿技术，它通过仿真系统、通信、计算机模拟技术ps、3D等技术，模拟一个比较真实的三维空间，让用户可以在这个模拟平台上进行在现实中难以达到的科学实验，来完成一些难度很大的模拟实验。

2 起重机械的模拟仿真框架设计

塔吊这种起重机械它的模拟系统，是依托于虚拟仿真技术在计算机上模拟起重设备塔吊的吊装和使用过程的系统。模拟系统的设计框架是要为系统要实现的目的服务的，所以在设计的时候目的要明确。因为其中机械的模拟平台就是要模拟起重设备在各种状况下的安全保障问题，所以要搜索国内外的起重设备的安全核事故数据，输入微机在设计模拟平台的时候一定要有这些数据作为参数，才可能打造出我们需要的模拟平台。

（1）起重机械的安保问题及难点。最近随着房地产市场不断升温，建筑行业特别活跃大型塔吊的事故率也一再攀升，目前已经成为必须进行处理的安全隐患。塔吊的事故在吊装过程中和使用过程中均有发生，以前人们只知道注意吊装过程和施工过程的安全隐患，其实真正的原因往往是在设计阶段。

（2）模拟施工技术的实用性。综上所述，计算机和图形数字系统的快速发展为仿真平台奠定了基础，虚拟技术也越来越广泛地应用在土木工程建筑设计中。土木工程中传统的思维模式都是靠以往的经验施工，所以对于施工安全的预判、施工机械的使用、甚至施工进度、施工质量全都是主观臆想和推断，没有落实在数据上，没有事实根据所以造成施工过程中漏洞百出，曝漏出很多安全隐患工程质量也大打折扣。模拟仿真系统可以预先对虽发生的事故进行定量的分析，比较直观的看到各个施工过程中的重点环节的具体操作情况和分析数据，所以可以预先做出安全生产的预案。

（3）起重设备模拟仿真平台系统框架。所以起重设备塔吊无论在吊装过程和施工过程的安全控制问题，正好完全适用于模拟仿真系统。起重设备塔吊的安全问题尤为突出，在这里起重设备的仿真模拟系统就要以安全问题作为系统框架的研究方向建立研究框架。各个模型都带有物理属性、几何属性等信息，可用于对施工环境和施工过程进行模拟仿真研究。还有施工案例库，这里有大量塔吊在各种工程中的施工资料，可以在研究的时候供计算机调取计算。

（4）起重机虚拟仿真系统软件选择。①虚拟仿真系统软件比较。解决起重设备安全施工难点的，最佳途径是搭建虚拟仿真系统。那么选择建模软件和虚拟仿真平台系统是比较重要的工作，模拟仿真系统的成败直接取决于这次选择。②虚拟仿真系统软件平台选择。所以为了方便对其中器械和施工环境建模，还要模拟仿真吊装和碰撞试验，并进行力学模拟和虚拟现场分析，综合各个模拟软件的特点，我们选择了目前最好的虚拟软件Vega及其系列软件VegaPrime，VRPLatform，VRMaP3.0等模拟仿真平台进行框架设计。比较来说其优点有以下方面：a.费用低价、周期短见效快，相对难度小。b.包括高性能工具包和软件平台。他有图形用户界面，一套与之配合的图形处理工具和丰富的函数库组成。c.具有可拓展性的特点。d.可以灵活的开发自定义的模块。

综上所述，在这里我们经过分析比对严格的挑选决定运用VRGIS模拟仿真系统，和美国MGP公司的Vega平台作为起重器械模拟仿真平台的软件技术支撑。

3 起重器械建模流程研究

3.1 建模工具的研究

对于建模的操作工具本文主要分析的是三维立体建模，建模在起重器械虚拟仿真系统平台的搭建中，是一个很重要的环节。目前比较流行的建模软件很多，似乎使用的比较广发的软件就是建筑CAD软件了。建模工具软件的选择：各种软件都有优缺点，我们可以对其进行比较一下。比如比较知名的3DsMax软件，它对建模对象的精细化处理比较突出，而且所建模的通用性强可以导出各种格式方便转换使用。其缺点是渲染比较困难它只会进行图形的3D设计可是无法进行虚拟仿真和膨胀试验以及进行力学的数据分析。所以3DsMax软件还无法独立完成我们所要求的项目只能作为使用工具。

3.2 起重器械模拟吊装建模流程研究

起重器械模拟吊装流程研究，就是以模拟起重器械吊装的过程，对整个操作系统做出分层次、有重点、有针对性的模拟建模。通过对起重器械进行建模，在施工前进行全程三维立体可视化分析，对于为施工方案做出安全施工预案，拿出可信服的数据并提供设计参考。

起重器械模拟仿真建模整体思路：

（1）主要技术路线。①运用虚拟软件搭建三维模型，对工程的关键结构和器件进行，模拟实验分析建立标准化结构模型。②用Vega软件进行数据分析，对建立的三维模型进行互相配合试验。最后进行数据处理。

（2）具体实现手段。①用MultiGEN Creator搭建虚拟场景，对施工中的关键构建进行参数化建模，标准化结构模型建立在数据化驱动的基础上。②用Vega系统对模型进行动作控制，通过参数化建模技术真实地展示施工现场的状态。

4 起重机虚拟仿真系统的设计和使用

（1）系统总体结构。这里所说的起重虚拟仿真系统实现了以下功能：①各种型号的起重机三维虚拟仿真设计。②计算机控制仿真起重机工作。③虚拟仿真操作可以记录模拟的数据，虚拟仿真的过程可以存储调阅，方便修改。④客户可以设计参数，有手动和自动分两种模式对防止系统进行操作。⑤人机对话界面友好简单，对虚拟结果直观反应。可以进行360度旋转观看。

（2）系统库设计。基于面向对象的理论，虚拟系统设计了严谨的类库构造。设计的类有：结构类、履带类、塔吊类、桅杆类、和汽车吊类。分别用来架构吊装构建、履带式起重机、塔吊类、和汽车类的实体模型。

（3）模块功能和说明。这套仿真系统有六个模块，他们的功能是：定义公用变量、初始化系统、模型基本体生成、灯光设计、问哪里贴图、吊装过程仿真。

（4）系统使用说明。起重机仿真系统的启动和退出。

这里是一个比较成型的仿真软件，大家都会操作不用文字来介绍了。还有起重机仿真模型的输出和修改，都是一些计算机操作的过程。

（5）起重机吊装过程仿真操作。系统自动吊装过程仿真：点击吊装过程仿真菜单选择设定参数自动仿真，就会弹出参数窗口，这里也是一些计算机选择菜单栏具体操作，后面还有手动控制吊装过程，说起来都是操作这个计算机仿真系统的具体的菜单栏的选择。

（6）系统仿真结果现实操作。对系统仿真的结果，可以通过菜单栏的具体选钮来进行操作，这里不在线喜介绍了，操作页面都很友好比较法方便人机对话。

5 土木工程施工中起重机械的虚拟仿真系统研究成绩与展望

虚拟仿真作为一个新兴技术运用在起重机系统上，为大型起重机的吊装和施工提供了虚拟的实验平台，本文主要通过几个方面进行了讲解：①如何创建土木工程起重设备计算机仿真模型。②打造起重机参数化建模。③构建起重设备虚拟化施工环境。④达到了起重设备实时工作状态，和吊装的模拟仿真。⑤设计了方便用户的程序，可以进行存储方便施工方案修改。

6 结语

通过土木工程中其中器械的模拟仿真系统，做了塔吊从吊装到使用的全过程的模拟仿真数据分析，验证了施工组织设计中安全预案的可行性和正确性，实现了整个模拟施工过程的参数化建模工作，为以后的模拟仿真体统在土木工程中的应用，探索了新路起到了抛砖引玉的作用。