王云飞1 许勇1 潘南明2 骆张杰2
(1.上海市机械施工有限公司 200072；2.威英软件(上海)有限公司 )
【摘要】世界第一高塔－广州新电视塔的天线钢桅杆安装采用计算机控制、钢铰线承载、液压千斤顶集群整体提升的先进技术，并且研究开发了计算机三维实时仿真系统，为提升施工提供了全过程的可视化监控。该系统还可以在施工策划和准备阶段对提升过程进行模拟预演，在施工完成后的技术总结和技术交流时对提升过程进行回放和分析。本文简介三维实时仿真系统的原理、功能、特点，以及工程应用情况。
【关键词】钢结构安装 整体提升 计算机控制 三维仿真
1 概述
1.1 工程概况
广州新电视塔（又称广州电视观光塔），位于广州市海珠区赤岗塔附近地面，距珠江南岸125米，与二沙岛及珠江新城隔江相望。是一座以观光旅游为主，具有广播电视发射、文化娱乐和城市窗口功能的大型城市基础设施，将为2010年在广州召开的第十六届亚洲运动会提供转播服务。该塔竣工后的整体高度达到610米，将取代加拿大的西恩塔成为世界第一高塔，也将成为广州的新地标。
广州新电视塔的天线桅杆高156.2米，重约2000t，座落于453.8米高的主塔顶部，采用提升法安装。为此将天线桅杆分为上、下两段。下段长度75.2m，由塔式起重机组装在主塔顶部（以下称为组装段）。上段长度92m，拼装于组装段的空芯筒里。然后在组装段的顶部设置提升平台和液压提升系统，对天线上段进行整体提升（以下称为提升段），使之向上垂直运动，从组装段的空芯筒里抽出，提升约65m，一直升至610m标高的设计位置，将提升段与组装段连接固定，就完成天线桅杆的安装。
1.2 提升系统概况
用于天线提升的液压提升系统，由20个50t级穿心式液压千斤顶和4台液压泵站组成，液压千斤顶的油缸行程300mm。每个千斤顶配有4根Φ15.24高强度低松弛的承重钢绞线，左旋和右旋钢绞线各2根。
液压提升系统安装在提升平台的支架上，承重钢绞线穿过液压千斤顶芯筒由锚具夹紧下垂，锚固在天线提升段的底部锚环。提升时通过液压油缸反复伸缸、缩缸，上下锚具交替卡紧、松开，向上提起钢绞线，使天线提升段随之上升，直至规定位置。
液压提升系统由计算机控制系统通过传感器进行闭环控制，以实现提升的同步、平稳和自动化。计算机控制系统由下位机和上位机构成。下位机采用5 台OMRON PLC组成CCLIK现场控制网络，控制液压提升系统的施工作业，上位机采用2台PC计算机，作为控制系统的终端和人机界面，供操作人员监视、调节、操控施工作业，并可对下位机和提升系统本身进行设置、调整，使之更好地适应现场工况。
为了完善控制系统的功能和性能，提高天线提升施工的技术含量，有利于施工安全和工程质量，上海机施和威英软件合作，将计算机三维仿真、虚拟现实等当代高新技术应用于施工控制，为天线提升施工研制了三维实时仿真系统（以下简称3D系统）。
1.3 3D系统的开发、应用目标
1) 以计算机三维建模、动画仿真、动态分析等技术，在计算机屏幕上构建电视塔、天线桅杆、提升系统等三维立体图景，逼真、同步地展现提升施工过程和设备运行状况，使技术人员在远离提升平台的控制室，甚至远离现场的办公室里都能直观地“看到”施工情况，犹如身临其境地进行施工控制。
2) 实时、在线地记录、保存施工全过程的状态、事件、数据等信息，一方面用于实时监视，及时报告关键节点、重要事件和异常情况，另一方面又可用于事后的回看和分析，发挥“全息录像机”和“黑盒子”的作用。
3) 通过积累数据、摸索规律、提出算法、建立模型，还可以在事先对施工过程和施工情况进行预演，有利于工程方案的策划和制定，也为今后开发虚拟安装、虚拟施工技术做一些尝试。
2 主要功能
3D系统的主要功能是通讯、记录、监视、回放，以及预演。
2.1 通讯
通讯是指3D系统通过数据通讯线，从天线提升系统读取施工数据、向天线提升系统写入控制数据。通讯是强制进行的，只要系统连线，通讯就不能被终止。
2.2 记录
记录是指3D系统将通讯读入的天线提升系统数据，按规定格式存入磁盘文件（数据记录文件）。记录的进行受天线提升系统的控制，只要系统发出记录指令，记录就不能被停止。
2.3 监视
监视是指3D系统将通讯得到的数据，以三维动画、立体图形、数字、图表等形式显示在屏幕上，供操作者了解施工设备、施工作业的实时工作情况，辅助操作者操控施工设备、施工作业。
2.4 回放
回放是指3D系统将记录得到的数据，以三维动画、立体图形、数字、图表等形式显示在屏幕上，供操作者了解施工设备、施工作业的以往工作情况，辅助操作者进行研究、分析。回放的对象、范围、速度、方式等都可以由操作者设定。
2.5 预演
预演是指在正式施工之前，根据钢结构整体提升规律、经验等，设计一套模拟的施工数据，让3D系统进行播放，在计算机屏幕上预先演示施工过程，可用于施工策划、方案论证、设备调试等。
3 三维仿真设计
3.1 场景设计
3D系统的三维仿真图象和动画，可以由程序自动或者操作者手动地转换“镜头”，进行多方位、多视角的观察。考虑到该系统的主塔结构、天线桅杆和提升系统等三大主角的体量相差非常悬殊，为了操作和观察的方便，分别为它们量身定做了三维场景，如电视塔场景、天线桅杆场景、提升系统场景等。
3.2 视图预置
3D系统的三维仿真视图由操作者“镜头”的视角、视距构成。
为了实时监视的快速、方便，事先预置若干视图，主要是从各个方向、角度观看的提升平台、液压千斤顶、液压泵站、提升导轮，以及天线桅杆各部结构、电视塔体各部结构等，操作者在需要时可以将“镜头”直接对准、定位到他所需要的预置视图。
3.3 镜头操控
3D系统的三维“镜头”可以由操作者用鼠标和箭头键来操控，通过升、降、推、拉、摇、转等改变视角、视距，进行近景、中景、远景、俯视、仰视、平视等多方位的观察。图7是运用镜头操控功能，“钻入”天线杆内部，看到的提升段根部的情况。
3.4 录像播放
3D系统具有录像编辑功能，已编制的录像有“电视塔展示”、“天线结构展示”、“提升体系展示”、“液压系统展示”等。操作者点击“录像播放”按钮就可以播放需要的录像。
4 二维窗口设计
3D系统除了三维图景外，还有一些可以由操作者打开、拖动、关闭的二维窗口，以满足不同需要。
4.1 天线桅杆二维动画
天线桅杆的二维动画主要用于演示天线提升的进度，以及重要节点。
4.2 提升系统二维动画
液压系统二维动画以一台千斤顶的动作表示液压系统的工作状况，同时还要显示各类施工数据、检测数据。
4.3 数据仪表
数据仪表以数字形式显示天线提升的高度，以文本形式显示施工过程的事件，以信号灯形式显示提升系统的设备状态，以直方图形式显示各提升点的施工数据。
4.4 要情简报
要情简报显示施工日期、时间、天气、风向、风力、温度，并以记分牌形式显示当前提升高度、施工状态。
4.5 回放管理器
回放管理器用于回放操作，其控件有：播放、暂停、停止、快进、快倒、进度条、记录选择、速度选择、方式设置、范围设置等。
5 工程应用情况
2009年3月3D系统开发成功，首先参加了天线提升系统的模拟试验，接着为广州新电视塔工程的建设、设计、监理等单位的专家进行了提升预演，使他们对天线提升技术方案有了更为形象、具体的认识，得到一致好评。
2009年4月22日至25日，广州新电视塔天线提升施工顺利实施。4月22日完成提升系统安装和空载试车。4月23日上午带载试提升成功，接着就进入正式提升，在随后的三天里分别提升了 23m、 27m、15m（在两次提升之间需要进行平台、避雷装置等安装）。在天线提升施工中，3D系统配合PLC控制系统进行了精确的同步均衡控制，使提升全过程的提升力偏差≤0.3Mpa，提升高度偏差≤3mm，实现了负载和姿态的双稳态高精度。25日下午即使在二分风速达到16.0m/s、三秒极大风速达到17.8m/s的情况下，提升中的天线桅杆仍然保持着很好的垂直度，提升导轨与抗风防倾的导轮之间通过顺畅、受载轻微且均衡，因此提升到位时未做额外调整就精确定位了。天线桅杆定位后的垂直度为X方向：-30mm（偏南），Y方向：+20mm（偏东），为桅杆总高度的1/5000，完全符合设计要求。
回顾小结3D系统在天线提升控制中的应用，其特点和优势比较明显。一是在施工控制中做到了可视化，使施工指挥、操作人员在远离提升平台的控制室里能够“看到”施工情况，今后通过远程通讯甚至可以异地监控。二是可以对控制对象进行全方位、全视角的观察分析，例如可以“钻”入天线内部细看导轮导轨。三是通过构造建模、动态分析可以对关键部位、节点进行计算、校对，例如3D系统在提升导轨每次通过导论之前都会提前预告，提醒操作人员加强观察。四是采用针对性强的快速访问技术，可以达到比常规控制系统更快、更精细的控制。五是全面、详细地记录、保存施工全过程的状态、事件、数据等信息，可以随时回看和分析，即使在施工的当时也可以即时回看，有利于操作人员应对复杂情况。六是可以为各种场合、各种用途提供数据、图象、视频资料，使工程宣传、技术总结、成果展览等更为形象具体。
3D
系统在广州新电视塔天线提升施工中得到了成功应用，取得了很好效果。这是计算机三维仿真和虚拟现实技术在建筑工程，特别是钢结构安装工程中的最新应用。3D系统的原理和技术，可以推广应用于各类土木工程的自动化控制和信息化施工，不仅可以实现施工过程、施工设备的可视化监控，而且可以进行施工方案、施工措施的“预演”、“预装”，并且为进一步开发应用虚拟安装、虚拟施工技术打下了坚实基础。
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