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鋼桅桿安裝采用計算機控制、鋼鉸線承載、液壓千斤頂集群整體提升的先進技術(shù)，并且研究開發(fā)了計算機三維實時仿真系統(tǒng)，為提升施工提供了全過程的可視化監(jiān)控。該系統(tǒng)還可以在施工策劃和準備階段對提升過程進行模擬預(yù)演，在施工完成后的技術(shù)總結(jié)和技術(shù)交流時對提升過程進行回放和分析。本文簡介三維實時仿真系統(tǒng)的原理、功能、特點，以及工程應(yīng)用情況。
【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)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（又稱廣州電視觀光塔），位于廣州市海珠區(qū)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。是一座以觀光旅游為主，具有廣播電視發(fā)射、文化娛樂和城市窗口功能的大型城市基礎(chǔ)設(shè)施，將為2010年在廣州召開的第十六屆亞洲運動會提供轉(zhuǎn)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。為此將天線桅桿分為上、下兩段。下段長度75.2m，由塔式起重機組裝在主塔頂部（以下稱為組裝段）。上段長度92m，拼裝于組裝段的空芯筒里。然后在組裝段的頂部設(shè)置提升平臺和液壓提升系統(tǒng)，對天線上段進行整體提升（以下稱為提升段），使之向上垂直運動，從組裝段的空芯筒里抽出，提升約65m，一直升至610m標高的設(shè)計位置，將提升段與組裝段連接固定，就完成天線桅桿的安裝。
1.2 提升系統(tǒng)概況
用于天線提升的液壓提升系統(tǒng)，由20個50t級穿心式液壓千斤頂和4臺液壓泵站組成，液壓千斤頂?shù)挠透仔谐?00mm。每個千斤頂配有4根Φ15.24高強度低松弛的承重鋼絞線，左旋和右旋鋼絞線各2根。
液壓提升系統(tǒng)安裝在提升平臺的支架上，承重鋼絞線穿過液壓千斤頂芯筒由錨具夾緊下垂，錨固在天線提升段的底部錨環(huán)。提升時通過液壓油缸反復伸缸、縮缸，上下錨具交替卡緊、松開，向上提起鋼絞線，使天線提升段隨之上升，直至規(guī)定位置。
液壓提升系統(tǒng)由計算機控制系統(tǒng)通過傳感器進行閉環(huán)控制，以實現(xiàn)提升的同步、平穩(wěn)和自動化。計算機控制系統(tǒng)由下位機和上位機構(gòu)成。下位機采用5 臺OMRON PLC組成CCLIK現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，控制液壓提升系統(tǒng)的施工作業(yè)，上位機采用2臺PC計算機，作為控制系統(tǒng)的終端和人機界面，供操作人員監(jiān)視、調(diào)節(jié)、操控施工作業(yè)，并可對下位機和提升系統(tǒng)本身進行設(shè)置、調(diào)整，使之更好地適應(yīng)現(xiàn)場工況。
為了完善控制系統(tǒng)的功能和性能，提高天線提升施工的技術(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(xiàn)實等當代高新技術(shù)應(yīng)用于施工控制，為天線提升施工研制了三維實時仿真系統(tǒng)（以下簡稱3D系統(tǒng)）。
1.3 3D系統(tǒng)的開發(fā)、應(yīng)用目標
1) 以計算機三維建模、動畫仿真、動態(tài)分析等技術(shù)，在計算機屏幕上構(gòu)建電視塔、天線桅桿、提升系統(tǒng)等三維立體圖景，逼真、同步地展現(xiàn)提升施工過程和設(shè)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(xiàn)場的辦公室里都能直觀地“看到”施工情況，猶如身臨其境地進行施工控制。
2) 實時、在線地記錄、保存施工全過程的狀態(tài)、事件、數(shù)據(jù)等信息，一方面用于實時監(jiān)視，及時報告關(guān)鍵節(jié)點、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) 通過積累數(shù)據(jù)、摸索規(guī)律、提出算法、建立模型，還可以在事先對施工過程和施工情況進行預(yù)演，有利于工程方案的策劃和制定，也為今后開發(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(tǒng)的主要功能是通訊、記錄、監(jiān)視、回放，以及預(yù)演。
2.1 通訊
通訊是指3D系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通訊線，從天線提升系統(tǒng)讀取施工數(shù)據(jù)、向天線提升系統(tǒng)寫入控制數(shù)據(jù)。通訊是強制進行的，只要系統(tǒng)連線，通訊就不能被終止。
2.2 記錄
記錄是指3D系統(tǒng)將通訊讀入的天線提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)，按規(guī)定格式存入磁盤文件（數(shù)據(jù)記錄文件）。記錄的進行受天線提升系統(tǒng)的控制，只要系統(tǒng)發(fā)出記錄指令，記錄就不能被停止。
2.3 監(jiān)視
監(jiān)視是指3D系統(tǒng)將通訊得到的數(shù)據(jù)，以三維動畫、立體圖形、數(shù)字、圖表等形式顯示在屏幕上，供操作者了解施工設(shè)備、施工作業(yè)的實時工作情況，輔助操作者操控施工設(shè)備、施工作業(yè)。
2.4 回放
回放是指3D系統(tǒng)將記錄得到的數(shù)據(jù)，以三維動畫、立體圖形、數(shù)字、圖表等形式顯示在屏幕上，供操作者了解施工設(shè)備、施工作業(yè)的以往工作情況，輔助操作者進行研究、分析。回放的對象、范圍、速度、方式等都可以由操作者設(shè)定。
2.5 預(yù)演
預(yù)演是指在正式施工之前，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)整體提升規(guī)律、經(jīng)驗等，設(shè)計一套模擬的施工數(shù)據(jù)，讓3D系統(tǒng)進行播放，在計算機屏幕上預(yù)先演示施工過程，可用于施工策劃、方案論證、設(shè)備調(diào)試等。
3 三維仿真設(shè)計
3.1 場景設(shè)計
3D系統(tǒng)的三維仿真圖象和動畫，可以由程序自動或者操作者手動地轉(zhuǎn)換“鏡頭”，進行多方位、多視角的觀察。考慮到該系統(tǒng)的主塔結(jié)構(gòu)、天線桅桿和提升系統(tǒng)等三大主角的體量相差非常懸殊，為了操作和觀察的方便，分別為它們量身定做了三維場景，如電視塔場景、天線桅桿場景、提升系統(tǒng)場景等。
3.2 視圖預(yù)置
3D系統(tǒng)的三維仿真視圖由操作者“鏡頭”的視角、視距構(gòu)成。
為了實時監(jiān)視的快速、方便，事先預(yù)置若干視圖，主要是從各個方向、角度觀看的提升平臺、液壓千斤頂、液壓泵站、提升導輪，以及天線桅桿各部結(jié)構(gòu)、電視塔體各部結(jié)構(gòu)等，操作者在需要時可以將“鏡頭”直接對準、定位到他所需要的預(yù)置視圖。
3.3 鏡頭操控
3D系統(tǒng)的三維“鏡頭”可以由操作者用鼠標和箭頭鍵來操控，通過升、降、推、拉、搖、轉(zhuǎn)等改變視角、視距，進行近景、中景、遠景、俯視、仰視、平視等多方位的觀察。圖7是運用鏡頭操控功能，“鉆入”天線桿內(nèi)部，看到的提升段根部的情況。
3.4 錄像播放
3D系統(tǒng)具有錄像編輯功能，已編制的錄像有“電視塔展示”、“天線結(jié)構(gòu)展示”、“提升體系展示”、“液壓系統(tǒng)展示”等。操作者點擊“錄像播放”按鈕就可以播放需要的錄像。
4 二維窗口設(shè)計
3D系統(tǒng)除了三維圖景外，還有一些可以由操作者打開、拖動、關(guān)閉的二維窗口，以滿足不同需要。
4.1 天線桅桿二維動畫
天線桅桿的二維動畫主要用于演示天線提升的進度，以及重要節(jié)點。
4.2 提升系統(tǒng)二維動畫
液壓系統(tǒng)二維動畫以一臺千斤頂?shù)膭幼鞅硎疽簤合到y(tǒng)的工作狀況，同時還要顯示各類施工數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)。
4.3 數(shù)據(jù)儀表
數(shù)據(jù)儀表以數(shù)字形式顯示天線提升的高度，以文本形式顯示施工過程的事件，以信號燈形式顯示提升系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)，以直方圖形式顯示各提升點的施工數(shù)據(jù)。
4.4 要情簡報
要情簡報顯示施工日期、時間、天氣、風向、風力、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、快倒、進度條、記錄選擇、速度選擇、方式設(shè)置、范圍設(shè)置等。
5 工程應(yīng)用情況
2009年3月3D系統(tǒng)開發(fā)成功，首先參加了天線提升系統(tǒng)的模擬試驗，接著為廣州新電視塔工程的建設(shè)、設(shè)計、監(jiān)理等單位的專家進行了提升預(yù)演，使他們對天線提升技術(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，廣州新電視塔天線提升施工順利實施。4月22日完成提升系統(tǒng)安裝和空載試車。4月23日上午帶載試提升成功，接著就進入正式提升，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行平臺、避雷裝置等安裝）。在天線提升施工中，3D系統(tǒng)配合PLC控制系統(tǒng)進行了精確的同步均衡控制，使提升全過程的提升力偏差≤0.3Mpa，提升高度偏差≤3mm，實現(xiàn)了負載和姿態(tài)的雙穩(wěn)態(tài)高精度。25日下午即使在二分風速達到16.0m/s、三秒極大風速達到17.8m/s的情況下，提升中的天線桅桿仍然保持著很好的垂直度，提升導軌與抗風防傾的導輪之間通過順暢、受載輕微且均衡，因此提升到位時未做額外調(diào)整就精確定位了。天線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(shè)計要求。
回顧小結(jié)3D系統(tǒng)在天線提升控制中的應(yīng)用，其特點和優(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，今后通過遠程通訊甚至可以異地監(jiān)控。二是可以對控制對象進行全方位、全視角的觀察分析，例如可以“鉆”入天線內(nèi)部細看導輪導軌。三是通過構(gòu)造建模、動態(tài)分析可以對關(guān)鍵部位、節(jié)點進行計算、校對，例如3D系統(tǒng)在提升導軌每次通過導論之前都會提前預(yù)告，提醒操作人員加強觀察。四是采用針對性強的快速訪問技術(shù)，可以達到比常規(guī)控制系統(tǒng)更快、更精細的控制。五是全面、詳細地記錄、保存施工全過程的狀態(tài)、事件、數(shù)據(jù)等信息，可以隨時回看和分析，即使在施工的當時也可以即時回看，有利于操作人員應(yīng)對復雜情況。六是可以為各種場合、各種用途提供數(shù)據(jù)、圖象、視頻資料，使工程宣傳、技術(shù)總結(jié)、成果展覽等更為形象具體。
3D
系統(tǒng)在廣州新電視塔天線提升施工中得到了成功應(yīng)用，取得了很好效果。這是計算機三維仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑工程，特別是鋼結(jié)構(gòu)安裝工程中的最新應(yīng)用。3D系統(tǒng)的原理和技術(shù)，可以推廣應(yīng)用于各類土木工程的自動化控制和信息化施工，不僅可以實現(xiàn)施工過程、施工設(shè)備的可視化監(jiān)控，而且可以進行施工方案、施工措施的“預(yù)演”、“預(yù)裝”，并且為進一步開發(fā)應(yīng)用虛擬安裝、虛擬施工技術(shù)打下了堅實基礎(chǔ)。
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