虚拟吊装系统(VHS,Virtual Hoisting System)旨在为建筑吊装施工,尤其钢结构工程的施工及管理决策人员提供一个具备较高真实度以及良好智能交互特性的虚拟吊装施工环境,在面对复杂吊装任务时,可以提前完成吊装过程仿真和分析,从而辅助实际施工。微观施工仿真从一个全新的视角来研究虚拟施工技术,对于提高VHS的智能交互特性起着重要的作用。虚拟施工机械是微观施工仿真场景中智能交互特性突出的复杂微观个体,其原型构建技术是微观施工仿真研究工作的基础研究内容,在理论和实践两方面有着重要的研究意义。以虚拟塔吊原型为例,论文综合应用虚拟仿真、多体系统动力学、机器人等学科和技术,针对虚拟施工机械原型构建关键技术开展研究工作。主要研究成果概括为以下7个方面:(1)提出了“微观施工”和“微观施工仿真”的概念;构建了微观施工仿真的支撑技术体系架构;研究了基于先进虚拟仿真软件开发平台EON Professional的虚拟吊装系统的软件解决方案,并初步构建了虚拟吊装仿真实验平台(VHEP,Virtual Hosting Experimental Platform),为后续研究工作提供可行性验证以及性能测试环境。(2)研究了虚拟施工机械三维建模与优化方法,提出了将3DS Max、Solidworks建模阶段和导入EON Professional后的性能优化阶段相结合的“两阶段模型优化”方法,优化后的虚拟施工机械三维模型可以满足虚拟吊装场景实时渲染速度以及图像质量的要求。(3)针对虚拟施工机械运动学建模问题,结合机器人科学,提出了基于机器人运动学D-H模型的建模方法,并基于虚拟吊装仿真实验平台验证了该方法所建模型的正确性和有效性。运动学建模是实现虚拟吊装微观施工仿真运动交互特性的数学基础,同时,也为后续自主吊装仿真的实现奠定了基础。(4)为了提高微观施工仿真场景中虚拟施工机械动力学仿真的效率,提出了具备系统性、可重用性和可扩展性的组件化动力学建模方法,并基于EON Professional的动力学组件实现;提出了钢丝绳柔性体的动力学建模和仿真方法,实现了柔性和拉伸变形仿真效果;基于吊物离地起吊工况的动力学分析,实现了钢丝绳崩断仿真。(5)结合实际吊装施工场景的碰撞特点和EON Professional的仿真模拟树结构的特点,提出了虚拟吊装场景和虚拟施工机械的包围盒以及层次包围盒碰撞检测策略,并基于EON Professional的碰撞组件实现;为了进一步提高虚拟施工机械的碰撞检测速度,提出了碰撞检测哈夫曼算法CollisionDecHuffman,并优化设计了存储结构以辅助提高算法性能。(6)为了增强虚拟施工机械的智能特性,研究了虚拟吊装机械的吊装路径规划和自主吊装动作仿真。结合机器人路径规划PRM算法思想,提出了吊装路径规划QuickGuess改进算法,可以成功找到更符合实际吊装操作特点的吊装路径;基于虚拟吊装仿真实验平台实现了虚拟塔吊自主吊装仿真。(7)实现虚拟场景的个性化构建是提高虚拟吊装微观施工仿真交互特性的一项基础工作。设计了两种用户交互接口,提出了基于EON的Prototype(原型)以及Dynamic Load(动态装载)技术的软件解决方案,并验证了方案的可行性。