1起重吊装施工技术的研究现状及发展趋势
　　1.1 起重吊装施工技术概述
　　众所周知，大型的吊装均需要制订详细的吊装方案，用以指导现场施工。随着以计算机辅助设计（computer aided design，CAD）为代表的设计自动化技术日益完善并被广泛应用，吊装方案设计的效率和水平都得到了极大提升。然而，近年来吊装发展异常迅速，被吊物的体积越来越大、重量越来越重，吊装环境也越来越复杂，加之两台起重机（简称双机）甚至多台起重机（简称多机）吊装日趋普遍，传统的吊装方案设计方法越来越难以适应起重机吊装的发展。因此，基于全新的现代吊装方案设计理论方法的CAD技术—计算机辅助吊装方案设计（computer aided lift plan design，CALPAD）技术应运而生。其中，起重机选型与吊装过程规划是CALPAD技术的核心内容，并逐渐成为CAD技术领域的研究热点之一。
　　1.1.1 吊装方案设计
　　吊装方案设计是吊装生命周期的核心环节。为了避免高空作业，提高施工的安全性和效率，整个被吊物包括其所有附件尽可能在地面上预制完成，导致被吊物通常体积大、重量重、形状复杂。比如，2006年6月中国神华能源股份有限公司煤直接液化项目的吊装中，其中一台反应器外径达5.5m、长达57.8m、重达2050t，价值超亿元人民币。面对如此庞然大物，需要千吨级的起重机完成此吊装，这样的起重机其价值也在亿元以上，作为一类稀缺资源，其租赁、运输等费用自然也不会便宜，因此，在吊装之前用实际起重机进行试吊是不现实的。此外，在这种吊装重量重、环境复杂的情况下，吊装过程中极其容易出现超载或发生干涉现象，这样便有可能无法完成吊装，耽误工期而造成巨大的经济损失，甚至可能造成机毁人亡的惨重吊装事故。所以，不管是从安全性还是从经济性上考虑，都希望吊装能一次性顺利完成，这就要求在实际吊装之前设计详细的吊装方案，以确保吊装实施过程中万无一失。据统计，吊装方案设计所需工时占吊装总工时的60%～80%。因此，吊装方案设计是吊装生命周期中非常重要、耗费大量精力和时间的环节之一，是吊装实施的前提，对整个吊装安全性起着决定性的作用。
　　吊装方案设计就是编制指导现场吊装施工的说明书，处于整个吊装周期的早期阶段，其内涵十分广泛，如图1.1所示。从涵盖的内容来看，吊装方案设计包括吊索具选型、起重机选型、站位设计、吊装过程规划、地基处理方案设计、施工计划制订、人力资源规划、应急预案设计等，另外还包括对吊装方案设计各个环节进行协调和管理的设计。以上每个环节均存在大量的计算工作。
　　从设计内容的性质来看，吊装方案设计可分为以下两个范畴的设计内容：吊装工艺设计和吊装组织管理设计。吊装组织管理设计是指对整个吊装所涉及的人力、物力、时间及突发事件预案的规划，前面所阐述的施工计划制订、人力资源规划和应急预案设计均属于吊装组织管理设计范畴，该类设计在吊装工艺设计完成后通过与利益相关各方沟通可较容易完成。吊装工艺设计则是指根据被吊物、吊装环境等项目输入信息确定选择什么样的起重机、选择什么样的吊索具以及设计如何应用所选的设备一步一步完成整个吊装，前面所提到的起重机选型、吊索具选型、站位设计及起重机吊装过程规划、地基处理方案设计属于吊装工艺设计范畴。吊装工艺设计是吊装组织管理设计的基础和前提，是吊装方案设计的核心部分，贯穿于整个吊装方案设计。
　　从吊装方案设计流程来看，一般先进行吊索具选型，最后进行应急预案设计，具体流程见图1.1。吊装方案设计中，各个环节相互依赖，互为驱动，尤其起重机选型、吊索具选型、站位设计、起重机吊装过程规划之间高度耦合，迭代频繁，因而吊装方案设计是一个极其复杂的过程。
　　1.1.2 计算机辅助吊装方案设计
　　计算机辅助吊装方案设计指的是在计算机及其相应的 CALPAD 系统的支持下，进行吊装方案设计的各类创造性活动。与传统的吊装方案设计相比，CALPAD在准确性、全面性、效率及设计方式等各方面都有质的提升，提高了吊装的安全性，缩短了吊装周期。CALPAD 技术已成为 CAD 技术领域的一个重要分支。为了更好地研究 CALPAD 技术，我们需要先了解和分析吊装方案设计的过程和方法。
　　目前，在工程实践中仍然采用传统方法进行吊装方案设计，其设计一般流程如图1.1所示，始于吊索具选型止于应急预案设计。具体过程如下：首先根据被吊物的重量和形状确定吊装形式（单机吊装、双机吊装或多机吊装），这主要依赖设计者的经验，进而根据吊装方式选择吊索具类型（是否需要平衡梁，使用管式吊耳还是板式吊耳等），然后据此确定吊索具的型号和尺寸（或长度），并采用传统校核方法核算所选用平衡梁、索具、吊耳或吊盖是否满足吊装要求；其次，根据被吊物的重量、吊装形式以及所选用的吊索具信息，人工逐个机型查询其性能表，确定在性能上哪些起重机完成吊装任务，并结合起重机租用费用、时间、运输等因素，从中选择最经济的起重机；接着采用二维绘图软件（如AutoCAD等）根据吊装现场环境对被吊物、起重机的布局进行设计，并据此设计起重机的吊装过程（动作序列），通过对过程中的关键点进行碰撞检测及性能的校核，若无法找到一个合适的吊装过程，则需要重新选择起重机，甚至重新选择吊索具；然后根据起重机、被吊物的对地压力对起重机站位区和被吊物摆放区进行地基处理方案设计；最后进行施工计划、人力资源规划、应急预案及最终吊装方案文档的撰写。
　　从上面不难发现，传统吊装方案设计方法很灵活，但同时也存在一些问题：
　　（1）出错率高。吊装方案设计各环节存在大量的计算，并且这些计算所涉及的因素多，计算强度大，同时设计人员极容易因疲惫、疏忽、情绪等多种因素而导致计算错误。
　　（2）设计效率低。各环节的设计通常需要考虑多方面的因素，并且需要查阅、分析大量的数据，而缺乏有效的工具，导致工作效率较低。
　　（3）吊装安全性差。在吊装过程规划中，虽然可以采用二维绘图软件准确地表达某个静态的吊装状态，以校核该状态是否发生碰撞或超载，但由于整个吊装过程的状态很多，无法采用此方式校核所有状态，通常只能对一些关键的离散点进行详细的计算校核，这样不仅可能会遗漏一些优化的吊装过程，同时也可能无法排除某些危险点，因而所得吊装方案的安全性较低。
　　（4）数据一致性差。吊装方案设计各个环节高度耦合，需要反复迭代，任意一个环节做了更改，其他环节均需要做相应的调整，人工管理各环节非常困难而低效，因此，各环节数据的一致性难以保证。
　　（5）变化响应慢。一方面，在制订吊装方案之初所得的被吊物信息、吊装环境信息、可用起重机信息等通常并不完整，这些信息只有随着工程不断推进才逐渐完整；另一方面，一项大型吊装顺利完成需要业主、起重机租赁商、被吊物制造商、运输公司、基础施工单位等多方相互协作，吊装方案设计的最终输入参数是多方协商的结果，其中包含许多不稳定的人为因素。因此，吊装方案设计是在一个信息动态变化过程中完成的，其中任意的信息发生改变，之前的吊装方案就需要进行必要的调整，这种情形下，传统吊装方案设计方法显然难以快速响应这样的变化。
　　而CALPAD技术能有效解决以上传统吊装方案设计方法存在的问题。采用CALPAD技术，可以根据吊装要求快速选择合适的吊索具、起重机，可以在计算机上创建近乎实际的吊装环境、被吊物及起重机三维模型，对起重机站位、吊装过程进行设计并进行模拟与分析，对方案进行快速评价，优化吊装过程，及早发现潜在的危险，最终自动输出完整的吊装方案。CALPAD技术不仅不会因设计人员的疲惫、疏忽、情绪、技术不成熟等因素的影响而造成吊装方案的不准确等问题，而且还可以通过快速设计多个吊装方案并进行对比而得到较优的方案，从而最终提高了吊装的安全性和工作效率，适应了当前吊装快速发展的要求。
　　1.1.3 起重机选型与吊装过程规划
　　起重机选型与吊装过程规划是CALPAD的核心内容，是学者关注的焦点。其中，起重机选型可以快速选出满足吊装要求的起重机作业工况，为吊装过程规划提供基础条件。而吊装过程规划可以直观、便捷地设计起重机吊装过程（即吊装状态序列和动作序列），包含吊装仿真、吊装运动规划两种手段：吊装仿真是一种直观的交互式吊装过程规划工具，在实际吊装之前人机交互地模拟起重机的各项活动，校核是否存在碰撞或超载情况，迭代地设计安全可靠的吊装过程；吊装运动规划是一种智能的自动吊装过程规划工具，根据给定的起吊状态、就位状态及有障碍物的三维环境自动生成一个无超载、无碰撞的吊装动作序列。
　　作为先进建筑建设与自动化技术领域的一项关键技术，CALPAD技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。国内外学者做了相关的研究，并取得了一定的成果，但经过分析发现尚有一些问题有待进一步研究：在起重机选型方面，现有选型方法中起重机选型的被吊物与臂架间距计算复杂且大多未考虑接地比压对选型的影响，同时鲜有针对具有复杂臂架组合工况的桁架臂履带起重机给出选型方法，并且大都只针对某特定单一类型起重机给出选型方法或模型；而现有的吊装仿真研究成果大多都是单机吊装仿真，双机吊装仿真的研究较少，并且现有的双机吊装仿真方法还存在一些问题；在移动式起重机吊装运动规划方面，现有的研究成果均假定起重机下车不动，而鲜有考虑行走的吊装运动规划。
　　因此，尚需对起重机选型、吊装仿真及吊装运动规划进行深入研究，本书将以计算机辅助吊装方案设计为背景，在多重约束下起重机智能选型、考虑行走的单机吊装运动规划、双机吊装仿真三方面开展深入系统的研究，目的在于：
　　（1）为吊装方案设计提供一套CALPAD的理论、方法，包括多重约束下的移动式起重机选型算法、考虑行走的单履带起重机吊装运动规划算法、典型协同吊装工况的双机系统模型及相应的仿真流程、双机吊装的正向运动学模型及双机吊装仿真流程。
　　（2）为吊装方案设计人员提供一套软件系统，辅助其制订吊装方案，以提高吊装的安全性和工作效率。
　　1.2 国内外起重吊装施工技术研究现状
　　对计算机辅助吊装方案设计的研究最初起步于如何采用计算机辅助选择合适的起重机，然后延伸到单机、双机的三维吊装仿真，紧接着发展到采用机器人领域理论进行吊装运动规划以完全实现自主设计起重机的吊装过程。起重机吊装运动规划的研究还处在起步或发展阶段，尚未形成非常完善的理论体系。但就目前而言，对吊装方案辅助设计的研究主要包括起重机选型、吊装仿真、吊装运动规划三个方面的内容。
　　1.2.1 起重机选型研究现状
　　起重机选型分为两个阶段：第一阶段是起重机类型的确定，即根据吊装的性质和特点确定合适的起重机类型，如桁架臂履带起重机、伸缩臂汽车起重机、塔机、门式起重机等；第二阶段是起重机作业工况选择，即确定起重机类型后，根据吊装任务要求选择起重机的作业工况，确定选择何种臂架组合形式、臂架长度、作业半径、配重等。若不做特别说明，下文提到的起重机选型是指起重机作业工况选择。
　　1．起重机类型选择
　　起重机类型选择通常需根据吊装任务的性质和特点来确定起重机类型，主要依赖设计者的直觉与经验。一般来说，桁架臂履带起重机主要用于石油化工、核电、风电、海洋工程等建设领域，小吨位伸缩臂汽车起重机常用于市政基础设施安装、维护；塔机主要用于高层楼宇的建设；门式起重机主要用于造船等场所。然而，在很多场合，选择什么类型的起重机来进行吊装并不那么明确，既可用固定式起重机，又可用移动式起重机，或者其他类型起重机。事实上，起重机类型的选择主要受如下几个因素影响：①吊装任务的特点（被吊物数量、大小、重量分别如何？吊装是否具有循环特点？是否需要远距离搬运？）；②起重机在场时间及使用频率；③吊装场地拥挤情况；④地面承受能力；⑤吊装现场附近是否有可用起重机；⑥租赁、运输费用；⑦工程人员偏好。
　　从检索的文献看，起重机类型选择的研究较少，学者主要提出了一些基于知识的起重机类型选择的算法或系统。这主要是因为起重机类型选择是一个相对主观的选择过程，其标准难以量化，其过程难以程序化。Sawhney等于2001年介绍了一款起重机类型选择的原型系统IntelliCranes，该系

目录
前言
1 起重吊装施工技术的研究现状及发展趋势 1
1.1 起重吊装施工技术概述 1
1.1.1 吊装方案设计 1
1.1.2 计算机辅助吊装方案设计 3
1.1.3 起重机选型与吊装过程规划 4
1.2 国内外起重吊装施工技术研究现状 5
1.2.1 起重机选型研究现状 5
1.2.2 吊装仿真研究现状 7
1.2.3 吊装运动规划研究现状 9
1.3 起重吊装施工技术发展趋势分析 12
参考文献 14
2 多重约束的移动式起重机选型算法研究 18
2.1 概述 18
2.2 多重约束的移动式起重机选型数学模型构建 19
2.2.1 移动式起重机工作原理 19
2.2.2 影响起重机选型的因素 20
2.2.3 起重机选型的数学模型 21
2.3 起重机选型算法的总体框架 21
2.4 桁架臂履带起重机选型实现 23
2.4.1 起重性能约束处理 23
2.4.2 被吊物与臂架间距约束处理 26
2.4.3 履带接地比压处理 29
2.5 小结 30
参考文献 31
3 单台移动式起重机吊装仿真 32
3.1 概述 32
3.2 履带起重机吊装运动仿真数学模型 33
3.2.1 履带起重机三种作业工况的数学模型 33
3.2.2 履带起重机的运动关联 35
3.2.3 起重机运动过程仿真 36
3.3 履带起重机整机重心和接地比压计算 36
3.4 吊装过程三维可视化 37
3.5 单机吊装过程三维仿真系统总体框架 38
3.6 单机仿真案例分析 39
3.7 小结 43
参考文献 43
4 典型协同吊装工况的双机系统建模研究 44
4.1 概述 44
4.2 双机系统模型及其吊装状态表示 45
4.2.1 双机系统模型 45
4.2.2 双机系统吊装状态表示 46
4.3 双机协同吊装仿真流程设计 47
4.4 基于空间几何约束的双机系统基本动作描述 48
4.4.1 双机吊装协同策略分析 48
4.4.2 双机系统基本动作描述 49
4.5 双机系统基本动作集构建 50
4.5.1 起升动作 50
4.5.2 横向平移动作 51
4.5.3 尾随走动作 52
4.5.4 尾随止动作 53
4.5.5 主旋转动作 55
4.6 广西北海炼油异地改造项目丙烯塔吊装案例 56
4.7 小结 58
参考文献 59
5 双机协同吊装的正向运动学建模与仿真 60
5.1 概述 60
5.2 基于*小势能原理的双机协同吊装正向运动学算法 60
5.2.1 基于*小势能原理的双机起升系统正向运动学描述 62
5.2.2 起升绳偏摆角计算 64
5.2.3 被吊物位姿计算 65
5.2.4 起升力计算 65
5.3 双机协同吊装正向运动学求解算法验证 66
5.4 基于正向运动学的双机协同吊装仿真流程 70
5.5 广西北海炼油异地改造项目焦炭塔吊装案例 71
5.6 小结 75
参考文献 76
6 计算机辅助吊装方案设计系统开发 77
6.1 概述 77
6.2 系统功能划分及系统框架设计 78
6.2.1 系统功能模块 78
6.2.2 系统框架 80
6.3 起重机选型子系统设计 81
6.4 吊装仿真子系统设计 82
6.5 中石化南炼油品质量升级改造工程项目沉降器吊装案例 88
6.5.1 吊装任务概述 88
6.5.2 应用CALPADS设计吊装方案 90
6.6 小结 102
参考文献 102
7 基于RRT-Connect++算法的吊装运动规划 103
7.1 概述 103
7.2 基于先验信息的RRT-Connect++算法改进 105
7.2.1 RRT-Connect算法介绍与分析 105
7.2.2 生成树扩展策略改进 107
7.2.3 随机采样策略改进 111
7.2.4 仿真实验 113
7.3 单机吊装运动规划的数学模型 119
7.4 单机吊装运动规划算法设计 119
7.4.1 算法的总体流程 119
7.4.2 吊装系统位形空间 122
7.4.3 位形间距离度量定义 123
7.4.4 履带起重机非完整运动学约束处理 124
7.5 吊装运动规划仿真实验 125
7.5.1 有效性验证 125
7.5.2 算法性能对比 128
7.6 结果讨论 129
7.7 小结 130
参考文献 131
8 被吊物位姿给定的吊装运动规划 133
8.1 概述 133
8.2 被吊物位姿给定的吊装运动规划问题 134
8.3 自运动流形的参数化表示 136
8.4 CLR到自运动流形的映射 139
8.5 自运动流形的直接采样策略 141
8.6 基于CLR的被吊物位姿给定的吊装运动规划算法 142
8.6.1 BiMRRTs算法总体框架 142
8.6.2 自运动流形区RRT生长策略 144
8.6.3 BiMRRTs算法的应用 145
8.6.4 仿真实验分析 146
8.6.5 FIGBiRRT算法和BiMRRTs算法性能讨论 151
8.7 改进的BiMRRTs算法 152
8.7.1 自运动流形邻域表示及其空间搜索策略 153
8.7.2 自运动流形邻域空间搜索策略实现 154
8.7.3 BiMRRTs-2算法 154
8.7.4 仿真实验分析 155
8.8 BiMRRTs算法和BiMRRTs-2算法的概率完备性 157
8.9 小结 158
参考文献 158
9 起重机吊装运动规划仿真平台 159
9.1 概述 159
9.2 系统总体框架设计 159
9.3 规划问题构造模块设计 161
9.3.1 吊装运动规划问题形式化表达 161
9.3.2 吊装运动规划问题设计 162
9.3.3 CLiftSystem设计 163
9.4 吊装运动规划与优化模块设计 165
9.5 可视化模块设计 166
9.5.1 可视化引擎 166
9.5.2 场景树设计 168
9.5.3 可视化流程 169
9.6 算法性能评估模块 170
9.7 案例演示 171
9.7.1 吊装运动规划与路径优化功能有效性验证 171
9.7.2 规划结果可视化与算法性能评估可用性验证 175
9.8 小结 178
参考文献 178