王云飛1 許勇1 潘南明2 駱張杰2
(1.上海市機械施工有限公司 200072；2.威英軟件(上海)有限公司 )
【摘要】世界第一高塔－廣州新電視塔的天線(xiàn)鋼桅桿安裝采用計算機控制、鋼鉸線(xiàn)承載、液壓千斤頂集群整體提升的先進(jìn)技術(shù)，并且研究開(kāi)發(fā)了計算機三維實(shí)時(shí)仿真系統，為提升施工提供了全過(guò)程的可視化監控。該系統還可以在施工策劃和準備階段對提升過(guò)程進(jìn)行模擬預演，在施工完成后的技術(shù)總結和技術(shù)交流時(shí)對提升過(guò)程進(jìn)行回放和分析。本文簡(jiǎn)介三維實(shí)時(shí)仿真系統的原理、功能、特點(diǎn)，以及工程應用情況。
【關(guān)鍵詞】鋼結構安裝 整體提升 計算機控制 三維仿真
1 概述
1.1 工程概況
廣州新電視塔（又稱(chēng)廣州電視觀(guān)光塔），位于廣州市海珠區赤崗塔附近地面，距珠江南岸125米，與二沙島及珠江新城隔江相望。是一座以觀(guān)光旅游為主，具有廣播電視發(fā)射、文化娛樂(lè )和城市窗口功能的大型城市基礎設施，將為2010年在廣州召開(kāi)的第十六屆亞洲運動(dòng)會(huì )提供轉播服務(wù)。該塔竣工后的整體高度達到610米，將取代加拿大的西恩塔成為世界第一高塔，也將成為廣州的新地標。
廣州新電視塔的天線(xiàn)桅桿高156.2米，重約2000t，座落于453.8米高的主塔頂部，采用提升法安裝。為此將天線(xiàn)桅桿分為上、下兩段。下段長(cháng)度75.2m，由塔式起重機組裝在主塔頂部（以下稱(chēng)為組裝段）。上段長(cháng)度92m，拼裝于組裝段的空芯筒里。然后在組裝段的頂部設置提升平臺和液壓提升系統，對天線(xiàn)上段進(jìn)行整體提升（以下稱(chēng)為提升段），使之向上垂直運動(dòng)，從組裝段的空芯筒里抽出，提升約65m，一直升至610m標高的設計位置，將提升段與組裝段連接固定，就完成天線(xiàn)桅桿的安裝。
1.2 提升系統概況
用于天線(xiàn)提升的液壓提升系統，由20個(gè)50t級穿心式液壓千斤頂和4臺液壓泵站組成，液壓千斤頂的油缸行程300mm。每個(gè)千斤頂配有4根Φ15.24高強度低松弛的承重鋼絞線(xiàn)，左旋和右旋鋼絞線(xiàn)各2根。
液壓提升系統安裝在提升平臺的支架上，承重鋼絞線(xiàn)穿過(guò)液壓千斤頂芯筒由錨具夾緊下垂，錨固在天線(xiàn)提升段的底部錨環(huán)。提升時(shí)通過(guò)液壓油缸反復伸缸、縮缸，上下錨具交替卡緊、松開(kāi)，向上提起鋼絞線(xiàn)，使天線(xiàn)提升段隨之上升，直至規定位置。
液壓提升系統由計算機控制系統通過(guò)傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制，以實(shí)現提升的同步、平穩和自動(dòng)化。計算機控制系統由下位機和上位機構成。下位機采用5 臺OMRON PLC組成CCLIK現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )，控制液壓提升系統的施工作業(yè)，上位機采用2臺PC計算機，作為控制系統的終端和人機界面，供操作人員監視、調節、操控施工作業(yè)，并可對下位機和提升系統本身進(jìn)行設置、調整，使之更好地適應現場(chǎng)工況。
為了完善控制系統的功能和性能，提高天線(xiàn)提升施工的技術(shù)含量，有利于施工安全和工程質(zhì)量，上海機施和威英軟件合作，將計算機三維仿真、虛擬現實(shí)等當代高新技術(shù)應用于施工控制，為天線(xiàn)提升施工研制了三維實(shí)時(shí)仿真系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)3D系統）。
1.3 3D系統的開(kāi)發(fā)、應用目標
1) 以計算機三維建模、動(dòng)畫(huà)仿真、動(dòng)態(tài)分析等技術(shù)，在計算機屏幕上構建電視塔、天線(xiàn)桅桿、提升系統等三維立體圖景，逼真、同步地展現提升施工過(guò)程和設備運行狀況，使技術(shù)人員在遠離提升平臺的控制室，甚至遠離現場(chǎng)的辦公室里都能直觀(guān)地“看到”施工情況，猶如身臨其境地進(jìn)行施工控制。
2) 實(shí)時(shí)、在線(xiàn)地記錄、保存施工全過(guò)程的狀態(tài)、事件、數據等信息，一方面用于實(shí)時(shí)監視，及時(shí)報告關(guān)鍵節點(diǎn)、重要事件和異常情況，另一方面又可用于事后的回看和分析，發(fā)揮“全息錄像機”和“黑盒子”的作用。
3) 通過(guò)積累數據、摸索規律、提出算法、建立模型，還可以在事先對施工過(guò)程和施工情況進(jìn)行預演，有利于工程方案的策劃和制定，也為今后開(kāi)發(fā)虛擬安裝、虛擬施工技術(shù)做一些嘗試。
2 主要功能
3D系統的主要功能是通訊、記錄、監視、回放，以及預演。
2.1 通訊
通訊是指3D系統通過(guò)數據通訊線(xiàn)，從天線(xiàn)提升系統讀取施工數據、向天線(xiàn)提升系統寫(xiě)入控制數據。通訊是強制進(jìn)行的，只要系統連線(xiàn)，通訊就不能被終止。
2.2 記錄
記錄是指3D系統將通訊讀入的天線(xiàn)提升系統數據，按規定格式存入磁盤(pán)文件（數據記錄文件）。記錄的進(jìn)行受天線(xiàn)提升系統的控制，只要系統發(fā)出記錄指令，記錄就不能被停止。
2.3 監視
監視是指3D系統將通訊得到的數據，以三維動(dòng)畫(huà)、立體圖形、數字、圖表等形式顯示在屏幕上，供操作者了解施工設備、施工作業(yè)的實(shí)時(shí)工作情況，輔助操作者操控施工設備、施工作業(yè)。
2.4 回放
回放是指3D系統將記錄得到的數據，以三維動(dòng)畫(huà)、立體圖形、數字、圖表等形式顯示在屏幕上，供操作者了解施工設備、施工作業(yè)的以往工作情況，輔助操作者進(jìn)行研究、分析?；胤诺膶ο?、范圍、速度、方式等都可以由操作者設定。
2.5 預演
預演是指在正式施工之前，根據鋼結構整體提升規律、經(jīng)驗等，設計一套模擬的施工數據，讓3D系統進(jìn)行播放，在計算機屏幕上預先演示施工過(guò)程，可用于施工策劃、方案論證、設備調試等。
3 三維仿真設計
3.1 場(chǎng)景設計
3D系統的三維仿真圖象和動(dòng)畫(huà)，可以由程序自動(dòng)或者操作者手動(dòng)地轉換“鏡頭”，進(jìn)行多方位、多視角的觀(guān)察?？紤]到該系統的主塔結構、天線(xiàn)桅桿和提升系統等三大主角的體量相差非常懸殊，為了操作和觀(guān)察的方便，分別為它們量身定做了三維場(chǎng)景，如電視塔場(chǎng)景、天線(xiàn)桅桿場(chǎng)景、提升系統場(chǎng)景等。
3.2 視圖預置
3D系統的三維仿真視圖由操作者“鏡頭”的視角、視距構成。
為了實(shí)時(shí)監視的快速、方便，事先預置若干視圖，主要是從各個(gè)方向、角度觀(guān)看的提升平臺、液壓千斤頂、液壓泵站、提升導輪，以及天線(xiàn)桅桿各部結構、電視塔體各部結構等，操作者在需要時(shí)可以將“鏡頭”直接對準、定位到他所需要的預置視圖。
3.3 鏡頭操控
3D系統的三維“鏡頭”可以由操作者用鼠標和箭頭鍵來(lái)操控，通過(guò)升、降、推、拉、搖、轉等改變視角、視距，進(jìn)行近景、中景、遠景、俯視、仰視、平視等多方位的觀(guān)察。圖7是運用鏡頭操控功能，“鉆入”天線(xiàn)桿內部，看到的提升段根部的情況。
3.4 錄像播放
3D系統具有錄像編輯功能，已編制的錄像有“電視塔展示”、“天線(xiàn)結構展示”、“提升體系展示”、“液壓系統展示”等。操作者點(diǎn)擊“錄像播放”按鈕就可以播放需要的錄像。
4 二維窗口設計
3D系統除了三維圖景外，還有一些可以由操作者打開(kāi)、拖動(dòng)、關(guān)閉的二維窗口，以滿(mǎn)足不同需要。
4.1 天線(xiàn)桅桿二維動(dòng)畫(huà)
天線(xiàn)桅桿的二維動(dòng)畫(huà)主要用于演示天線(xiàn)提升的進(jìn)度，以及重要節點(diǎn)。
4.2 提升系統二維動(dòng)畫(huà)
液壓系統二維動(dòng)畫(huà)以一臺千斤頂的動(dòng)作表示液壓系統的工作狀況，同時(shí)還要顯示各類(lèi)施工數據、檢測數據。
4.3 數據儀表
數據儀表以數字形式顯示天線(xiàn)提升的高度，以文本形式顯示施工過(guò)程的事件，以信號燈形式顯示提升系統的設備狀態(tài)，以直方圖形式顯示各提升點(diǎn)的施工數據。
4.4 要情簡(jiǎn)報
要情簡(jiǎn)報顯示施工日期、時(shí)間、天氣、風(fēng)向、風(fēng)力、溫度，并以記分牌形式顯示當前提升高度、施工狀態(tài)。
4.5 回放管理器
回放管理器用于回放操作，其控件有：播放、暫停、停止、快進(jìn)、快倒、進(jìn)度條、記錄選擇、速度選擇、方式設置、范圍設置等。
5 工程應用情況
2009年3月3D系統開(kāi)發(fā)成功，首先參加了天線(xiàn)提升系統的模擬試驗，接著(zhù)為廣州新電視塔工程的建設、設計、監理等單位的專(zhuān)家進(jìn)行了提升預演，使他們對天線(xiàn)提升技術(shù)方案有了更為形象、具體的認識，得到一致好評。
2009年4月22日至25日，廣州新電視塔天線(xiàn)提升施工順利實(shí)施。4月22日完成提升系統安裝和空載試車(chē)。4月23日上午帶載試提升成功，接著(zhù)就進(jìn)入正式提升，在隨后的三天里分別提升了 23m、 27m、15m（在兩次提升之間需要進(jìn)行平臺、避雷裝置等安裝）。在天線(xiàn)提升施工中，3D系統配合PLC控制系統進(jìn)行了精確的同步均衡控制，使提升全過(guò)程的提升力偏差≤0.3Mpa，提升高度偏差≤3mm，實(shí)現了負載和姿態(tài)的雙穩態(tài)高精度。25日下午即使在二分風(fēng)速達到16.0m/s、三秒極大風(fēng)速達到17.8m/s的情況下，提升中的天線(xiàn)桅桿仍然保持著(zhù)很好的垂直度，提升導軌與抗風(fēng)防傾的導輪之間通過(guò)順暢、受載輕微且均衡，因此提升到位時(shí)未做額外調整就精確定位了。天線(xiàn)桅桿定位后的垂直度為X方向：-30mm（偏南），Y方向：+20mm（偏東），為桅桿總高度的1/5000，完全符合設計要求。
回顧小結3D系統在天線(xiàn)提升控制中的應用，其特點(diǎn)和優(yōu)勢比較明顯。一是在施工控制中做到了可視化，使施工指揮、操作人員在遠離提升平臺的控制室里能夠“看到”施工情況，今后通過(guò)遠程通訊甚至可以異地監控。二是可以對控制對象進(jìn)行全方位、全視角的觀(guān)察分析，例如可以“鉆”入天線(xiàn)內部細看導輪導軌。三是通過(guò)構造建模、動(dòng)態(tài)分析可以對關(guān)鍵部位、節點(diǎn)進(jìn)行計算、校對，例如3D系統在提升導軌每次通過(guò)導論之前都會(huì )提前預告，提醒操作人員加強觀(guān)察。四是采用針對性強的快速訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)，可以達到比常規控制系統更快、更精細的控制。五是全面、詳細地記錄、保存施工全過(guò)程的狀態(tài)、事件、數據等信息，可以隨時(shí)回看和分析，即使在施工的當時(shí)也可以即時(shí)回看，有利于操作人員應對復雜情況。六是可以為各種場(chǎng)合、各種用途提供數據、圖象、視頻資料，使工程宣傳、技術(shù)總結、成果展覽等更為形象具體。
3D
系統在廣州新電視塔天線(xiàn)提升施工中得到了成功應用，取得了很好效果。這是計算機三維仿真和虛擬現實(shí)技術(shù)在建筑工程，特別是鋼結構安裝工程中的最新應用。3D系統的原理和技術(shù)，可以推廣應用于各類(lèi)土木工程的自動(dòng)化控制和信息化施工，不僅可以實(shí)現施工過(guò)程、施工設備的可視化監控，而且可以進(jìn)行施工方案、施工措施的“預演”、“預裝”，并且為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應用虛擬安裝、虛擬施工技術(shù)打下了堅實(shí)基礎。
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