混凝土拱坝施工仿真可视化研究与应用.pdf

第 4 4卷 第 2 O期 2 0 1 3年 l 0月 人 民 长 江 Ya hg t z e Ri v e r Vo 1 44 No 2 0 0e t 2 01 3 文章编 号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 3 ) 2 0 0 0 5 00 4 混凝土拱坝施工仿真可视化研究与应用 燕 乔 ， 付 艳 艳 ， 张 钊 ， 李 成 羽 ( 三峡大学 水利与环境 学院 ， 湖北 宜 昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘 要 ： 仿真技 术的应用为研究大型水利工程施 工控 制提 供 了有效 的工具 。基 于 V i s u a l S t u d i o开发平 台 。 将 施 工全过程动 态仿真技术与计 算机仿 真技 术相融合 ， 并将 其与 A c c e s s 数据库技术集 于一体 ， 开发 了施 工仿 真 系 统。然后利 用 V B对 A u t o C A D进行二 次开发 ， 实现 大坝 浇筑过程 的三维动 态显示。结合该 系统在 溪洛渡工程 中的成功应用 ， 说 明 了该 系统的主要功能 。系统 可对整 个施工过 程进行仿 真计算和 结果分析 ， 为合 理安排 施 工进度 、 优 化施 工组织设计提供 了科 学依据 。 关键词 ： 施 工仿 真 ；三维可视 化 ； A u t o C A D二次 开发 ；混凝 土拱坝 中图法分类号 ： T V 6 4 2 4 文献标志码 ： A 由于混 凝 土拱 坝 施 工是 一 个 极 其 复 杂 的 过 程 ， 各 单项施工条件复杂 、 工序繁多， 许多因素将影响总体施 工进程 。在安排各个坝块施工先后顺序及混凝土拱坝 施工程序时， 需要考虑其对工程的总工期 、 施工强度以 及 交通 运输 等 问题 的影 响 。混凝 土坝 施 工仿 真 的 目的 是 在 坝型 、 尺 寸及分 缝 、 分 块 一定 的情 况 下 ， 在 某 个 给 定 的 机械 配置 方案 及 施 工 技 术参 数 条件 下 ， 根 据 各 种 限制及约束条件 ， 找到某种适宜的分块浇筑顺序 和最 紧凑的工期 。通过模拟并 比较不 同施工 方案 的结 果 ， 选 出较 优 的方 案 ， 从 而 可为 制订 切实 可行 的大 坝施 工 组 织计 划 、 预测 大坝 施工 未来 进展 、 以及施 工现 场 实 时控 制 与管理 提供 科学 合 理 的决策 依据 。 施工 仿 真技术 一 方面 在技 术 与方案 的论 证上 有 可 靠的理论与实践基础作 为依据 ， 同时， 还具备充足 、 可 信 的决策支持信息 。而有效 的信息是进行科学决策的 重 要 依据 。近年来 仿 真技 术与 计算 机技 术 的发展 与应 用 ， 为决策提供 了获取真实系统状态信 息的途径。可 视化是运用计算机图形学 、 图像处理技术、 计算机辅助 设计 、 计算机视觉及人机交互技术 ， 将海量数据转换成 图形 和图像显示 ， 从 空 间三维及 时间维度 去体 现信 息 。 1 基本原理与方法 1 1 拱坝施工仿真 系统基本 原理 三维可视化仿真 ( T h r e eD i m e n s i o n a l V i s u a l S i m u l a t i o n ， 3 D V S ) 是计算机仿 真技 术和系统建 模技术 相 结合后形成的一种新型仿真技术 “ 。采用系统仿 真 的思想和方法进行研究 ， 将大坝浇筑看作一个 排队服 务 系统 ， 在 这 个 排 队 系统 中浇 筑 机 械 是 “ 服 务 台 ” ， 坝 体浇筑块是 “ 顾客” 。混凝土浇筑施工仿真 由模 拟机 制 和浇 筑块 行为 特征 模拟 规则 组成 。 1 1 1 模 拟 机 制 具体模拟过程如下 ： 仿真初始化阶段 ； 空闲 机械工作时间最短的原则 ； 按高程最低的浇筑块优 先 浇筑 的原 则确 定可 浇筑 块 ； 改 变机 械 和 浇筑 块 状 态 ， 模 拟时 钟推进 一 个步 长 ， 反 复进 行 2 4步 ， 直 到 大 坝 浇筑 完毕 。 1 1 2 坝 体 浇 筑 块 行 为特 征 模 拟 规 则 ( 1 )时间约束规则 。时间约束规则包括间歇期 、 初凝时间、 终凝时间等约束 ， 这些约束主要是为了保证 坝体 温度 控 制 、 层 间结 合等 要求 。另外 ， 在大 坝浇 筑施 收稿 日期 ： 2 0 1 30 61 0 作者简介 ： 燕 乔 ， 男， 副教授 ， 研究方 向为水 电工程施 工技 术与组织管理 。Em a i l ： 1 6 3 2 9 4 2 2 7 8 q q c o m 通讯作者 ： 付艳艳 ， 女 ， 硕 士研 究生 ， 研 究方向为水利水 电工程 系统仿 真与施 工组织管理。Ema i l ： f u y a n y a n 0 0 7 1 2 6 c o m 第 2 0期 燕 乔 ， 等 ： 混凝 土拱坝施工仿真可视化研 究与应用 5 1 工中， 由于有导流孔洞施工 、 抗震钢筋铺设等难度大 、 耗费时间长的单项施工， 系统也考虑了这些 特殊部位 施 工 占用 直 线工 期 的时 间 。 ( 2 )空间约束规则。相邻坝段高差小于 1 2 m， 最 小高 差 4 m， 整个 大 坝 坝 段 最 大 高差 3 0 m。 陡坡 坝段 固结 灌浆 采 用 无 盖 重 固结 灌 浆 加 引 管 有 盖 重 固结 灌 浆 ， 不 占用混凝土施工直线工期 ； 河床坝段及缓坡坝段 采用有盖重固结灌浆时 ， 混凝 土盖重层厚不小于 7 5 m， 相邻坝段混凝土盖重层厚不小 于 6 m； 尽 量利用廊 道及 上 下游 贴角 混凝 土 面进 行 后 期 固结 灌 浆 施 工 ， 其 他项 目在混 凝土 仓 面上 先期 进行 施工 。 1 2三维 动态可视化原理 1 2 1 地 物 建 模 针对 不 同类 型 的建 筑 物 ， 分 别 采用 有 针对 性 的建 模 技 术 建立 三维 可 视 化数 字 模 型 ， 主要 的 建模 技 术 有 C A D实 体建 模 、 特征 建模 以及 参 数化 实体 建 模 。地 物建模包括坝体及坝体的细部结构等多种结构特点的 模型， 基于此 ， 采用多种建模技术相结合的方法 。坝体 模拟 由 C A D软 件来 完 成 ， 其他 建筑 物模 拟 主要 由建模 功能 强 大 的 A u t o C A D和 3 d s Ma x来 完成 。 1 2 2 可视 化 系统 的数据 库管理 可 视化 系统 的 数 据 库 管理 有 两 大 内容 ， 一 是数 据 库 的动 态链 接 ， 二 是 数 据 库 的显 示 与 查 询 。 以 V i s u a l B a s i c 2 0 0 8软件 为开 发平 台 ， 通过 对 A u t o C A D 2 0 0 7的 二次 开 发 ， 实 现 了 混 凝 土 浇 筑 过 程 的 三 维 可 视 化 。 在编写 V B代码之前 ， 需要在开发环境 中先引入 A u t o C A D 2 0 0 7对象 库 。执 行项 目菜单 中 的添加 引用 命 令 ， 在添 加 引用 对 话 框 C O M 中选 择 “ A n t o C A D 2 0 0 7 T y p e L i b r a r y ”和 “A u t o C AD O b j e c t DB X C o mmo n 1 7 0 T y p e L i b r a ry”， 实 现 A u t o C A D对象 库 的引入 。 ( 1 )与 A u t o C A D 2 0 0 7建 立 连 接 。在 溪 洛 渡 高 拱 坝施 工仿 真 系统 中 ， 通 过 编写 一个 名 为 “ 启 动 C A D” 的 子 函数 ， 实 现 A u t o C A D对 象 的创 建 、 A u t o C A D 2 0 0 7软 件 的启 动 以及 与 V i s u a l B a s i c 2 0 0 8建立 连接 。 ( 2 )H a n d l e 值读取 。H a n d l e值也称为句柄 ， 用数 字和 字母 表示 。它 和 A u t o C A D实 体 是一 一 对 应 的 ， 能 够 精确 记 载 图 中的 实体 ， 便 于 管 理 实 体 。每 个 实 体 的 句 柄是 唯 一 的 。在 高 拱 坝 施 工 仿 真 系 统 中 ， 通 过 编 写 “ F i n d D a m Ha n d l e ” 子函数 ， 来获取大坝各坝段的实体 模 型 的 Ha n d l e 值 。 ( 3 )模 型 的创 建 。通 过 H a n d l e值 与 大 坝 各 坝 段 进行连接， 并利用布尔运算 ， 根据大坝浇筑块的信息来 建 立 浇筑块 的实体 模 型 。 ( 4 )C A D 三 维 动 态 显 示 。在 完 成 了 与 A u t o C A D 2 0 0 7建立连接、 读取 H a n d l e值 和创建模型的基础上 ， 根据大坝浇筑过程 的实时信 息， 三维动态显示拱坝混 凝 土 的施 工 过程 。 1 3 可视化仿真建模方法对 比分析 可视 化仿 真建 模 方 法 可 采 用 C A D建 模 和 G I S建 模 ， 现将 两者对 比分 析如 下 。 C A D和 G I S的关 系 密 切 。G I S是 在 C A D基 础 上 发展 起来 的一 门学 科 ， 设 计 制 图是 G I S的 重 要 功 能 。 二者都具有坐标参考系统 ， 都能描述和处理图形数据 ， 也能处理属性数据。根本 区别在于使用 目的不 同， 从 而导 致 了功能 和数 据组 织方 式上 的 区别 。 从使 用 目的来 看 ， C A D主 要 偏 向 于制 图 和 表 达 ， 而 G I S更 强 调解 决 空 间 问题 。 因此 ， C A D 的 图形编 辑 功 能较 强 ， 具有 较 强 的排 版 和制 图能 力 ， G I S的核心 功 能是 空 间分 析 。G I S比 C A D 的 图形 数 据 具 有 更 强 的 语义 ， 主要表现在 ： 属性更为丰富 ； 空间对象之 间的拓扑关系更强 ； 数据更海量。 应用 目的的不 同也导 致 了数 据 组织 方 式 的不 同 。 G I S空 间数 据可 以按数 据类 型 和地 物要 素 进 行分 层 组 织 ， 避 免 了冗余 。 2 施工仿真 系统的功能实现 在基 于 A u t o C A D 的 可视 化仿 真 系 统 的 开 发 过 程 中 ， 根 据 工程 的实 际情况 和施 工管 理需要 ， 设计 大坝 浇 筑仿真系统主要功能模块 ， 包括 ： 模型参数读取模块 、 模型参数管理模块 、 仿真计算模块 、 仿真结果 文档输 出、 大坝浇筑面貌图模块、 仿真结果查询模块 、 三维动 态可视化演示模块等。 系统通过采用几种不同的施工仿真方案进行敏感 性分 析 ， 找到 影 响 工期 的最 敏感 参 数 ， 进 而 寻 找 最 优的设计方案 ， 最终设计并实 现了以下功能 ： 仿真 模块 ； 空间信息查询 ； 施工全过程三维动态可视 化功能； 数据输出与表达功能。 2 1 仿真模块 仿真系统初始化数据通过参数读取模块从基础库 与共享 数据 库 中读取 相应 的模 型参数 ， 然后 ， 通 过界 面 可视化 模块 进行 人机交 互 与管理 ， 包括 参数 的修 改 、 删 除和刷 新等 活动 。 当系统完 成模 型参 数 的确认 活动 以 后 ， 系统进入仿真计算环节。 系统把仿真计算活动通过过程可视化模块 ， 将仿 真系统所描述原型系统 的特征通过视类予 以表征， 即 把各坝块的浇筑顺序和时间通过图形加以表现 。 2 2空间信 息查询 空间查询包括双 向查询、 条件查询等。所谓双 第 2 0期 燕 乔 ， 等 ： 混凝 土拱坝施工仿真可视化研 究与应用 5 3 在 溪 洛 渡 高 拱 坝 施 工 仿 真 系 统 中 ， 利 用 V i s u a l 过 程 ， 同时还 为施 工决 策提 供 了很大 的帮 助 ， 为其 他 大 B a s i c 2 0 0 8软件对 A u t o C A D进行二次开发 ， 根据 大坝 型混凝土拱坝施工提供 了借鉴。 各坝段的浇筑顺序及其对应 的浇筑信息来三维动态显 参考文献： 示大坝混凝土的浇筑过程。通过点击高拱坝施工仿真 1 王 进丰， 郭清 水 利工 程设计仿真系统及在施工中 的应用 人 系统 中的 C A D三 维可 视化 按钮 ， 能够 动态 显示 溪 洛 渡 民长江， 。 。 ， 。 。 ( ) 大 坝 的浇筑 过 程 。本 系 统 还 增 加 了 信 息 查 询 功能 ， 当 ： 创 28 新 - 研 3 0 究 国际前 沿的可视化 分析 科技 与管 查询某浇筑块的浇筑信息时 ， 直接点击该浇注块或在 3 T a m o t s u K a m i g a k i ,。 t a 1 A n o b j e c t o r i e n t e d v i s u a l 。 d l -b i l d id g 坝块 序 号 中输 入坝 块 序 号 ， 则 可 直 接 看 到 该 坝 块 的 浇 d i m u l t i 。 y t 。 f o F M S 。 n t r o l S i m 1 a t i o n 1 9 9 6 ， 6 7 ( 6 ) ： 筑 信 息 。 1 4 9 1 5 4 4 钟登 华， 宋洋 大型水利工程三 维可视化仿真 方法研 究 J 计算 4 结 语 机 辅 助 设 计与 图 形学 学 报，2 0 0 4 ， 1 6 ( 1 ) 5 肖丽雯， 何援 军， 秦鹏 飞 参数化 图库建库工具的开发及应 用 J 通 过描 述 施工 仿 真 系 统 结 构 ， 建 立 了混 凝 土 拱 坝 计算 机辅 助设计与图 形学学 报 ，2 0 0 1 ， 1 3 ( 5 ) 施工 仿 真模 型 ， 分析 了混凝 土拱 坝施 工 仿真 机制 ， 构建 6 张 晋西 v i 1 B a s i 与A u t o C A D二次开发 M 北京： 清华大学 了精 细 化 的施 工 全 过 程 仿 真 系统 。通 过 V B对 A u t o - 出 版社， 2 0 0 4 C A D 的二次 开发 ， 实 现 了大 坝 浇 筑 过程 的三 维 显 示及 7 张 杨 溪 洛渡大 坝混凝土施工方案 仿真 析 人民长江 2 0 0 9 ， 三维可视化信息管理与可视化查询 。为充分描述施工 工程可视化辅助设计理论方法及 其应用 。 天津： 天津 全过 程 动态 仿 真三 维 面 貌 及 信 息 ， 系 统 还 可 从 任 意 角 +茔 ， 度局部放大三维施工仿真动态显示 图。系统不仅能够 ( 编辑： 郑毅) 形 象 生动 地展 示 了溪 洛渡 水 电站 的各坝 段混 凝 土施 工 Re s e a r c h a nd a p pl i c a t i o n o f s i m u l a t i o n v i s ua l i z a t i o n o f c o n c r e t e a r c h da m c o n s t r uc t i o n Y A N Q i a o ， F U Y a n y a n ， Z H A N G Z h a o ， L I C h e n g y u ( C o l l e g e o f H y d r a u l i c& E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g，C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y，Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2，C h i n a) Ab s t r a c t：Th e a pp l i c a t i o n o f s i mul a t i o n t e ch n o l o g y p r o v i d e s a n e f f e c t i v e t o o l f o r s t u d y i n g t h e c o n s t r u c t i o n c o nt r o l o f l a r g e s c a l e d h y d r o p o w e r p r o j e c t s Ba s e d o n Vi s u a l S t u d i o p l a t f o r m，a c o n s t r u c t i o n s i mu l a t i o n s y s t e m i s d e v e l o p e d b y a n i n c o r p o r a t i o n o f dy n a mi c s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y for c o ns t ru c t i o n p r o c e s s，c o mp ut e r s i mu l a t i o n t e c hn o l o g y a n d Ac c e s s d a t a b a s eTh e n t h e 3 D d y n a mi c d i s p l a y o f c o n c r e t e p l a c e me n t p r o c e s s o f a n a r c h da m i s r e a l i z e d by s e c o n d a r y d e v e l o p me n t o f Aut o CAD wi t h VBTh e s y s t e m wa s a p p l i e d i n Xi l u o d u h y d r o p o we r p r o j e c t a n d i t s ma i n f u n c t i o n s a n d e f f e c t s w e r e p r e s e n t e d B y s i mu l a t i n g t h e c o n s t r u c t i o n pr o c e s s a n d a na l y z i n g t he s i mu l a t i o n r e s u hs，t h e pr o po s e d s y s t e m c a n p r o v i de s c i e n t i fic ba s e s f o r r a t i o na l a r r a n g e me n t o f c o n s t ruc t i o n s c he du l e a n d o p t i mi z a t i o n o f c o n s t r uc t i o n o r g a n i z a t i o n d es i g n Ke y wor ds： c o ns t r u c t i o n s i mu l a t i o n；3 D v i s u a l i z a t i o n：Au t o CAD s e c o n d a r y de v e l o p me n t ；c o nc r e t e a r c h d a m ， ， 】 l 】 ( 上 接 第 4 9页 ) St ud y o n s i mul a t i o n s i m i l a r i t y o f c h l o r i de i o n pe n e t r a t i o n i n t o c o nc r e t e GAO Ya n h o ng ，ZHUANG Hu a x i a ，L I Xi z o n g ，W U Ya l i n g ，LI U Ru t a i ( 1 C o l l e g e of C i v i l E n g i n e e r i n g a n dA r c h i t e c t u r e ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a ； 2 A d mi n i s t r a t i o n O f fic e of W e nr u i t a n g R i v e r S y s t e m，W e n z h o u 3 2 5 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： On t h e b a s i s o f a s l u i c e i n t y p i c a l ma r i n e e n v i r o n me n t a t O u j i a n g R i v e r e s t u a r y i n We n z h o u C i t y ，t h e c h l o r i d e p e n e - t r a t i on pa r a me t e r s o f s l u i c e p i e r c o n c r e t e t h a t i s l o c a t e d a t a t i d a l r a n g e s a r e a na l y z e d a n d f ur t h e r c o mp a r e d wi t h t h e r es u l t s o b - t a i ne d i n a r t i fic i a l c l i ma t i c e n v i r o nme n t ，s o t h a t t h e s i mi l a r i t y o f c hl o r i d e i o n p e n e t r a t i o n i n t o c o n c r e t e un d e r a r t i f i c i a l c l i ma t i c e n v i r o nme nt i s s t ud i e d Ba s e d o n t h e me a s u r e d c h l o r i d e c o nc e n t r a t i o ns i n t he d i f f e r e nt d e p t hs o f t he c o n c r e t e，t h e t hi c k n e s s e s o f c o nv e c t i o n r e g i o n a nd t h e p e a k v a l ue s o f c h l o r i d e c on c e n t r a t i o n i n t he c o n c r e t e a r e a n a l yz e d，a n d t h e d i f f us i o n c o e ffici e n t s a r e c a l c ul a t e dTh e s i mi l a r i t y o f ma i n p a r a me t e r s un de r t h e n a t ur a l ma r i n e e nv i r o n me nt a nd a r t i f i c i a l c l i ma t i c e n v i r o n me n t a r e c o m p a r e d a n d s t u di e dTh e a na l y s i s r e s uhs s ho w t ha t s o me ma i n p a r a me t e r s，e s pe c i a l l y t hi c k ne s s e s o f c o n v e c t i o n r e g i o n a n d d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t s，u n de r s i mul a t i o n en v i r o n me n t h a v e s i mi l a r l a w wi t h t ha t un d e r na t u r a l ma r i ne e nv i r o n me nt K e y wor ds： c h l o r i d e i o n； s i mu l a t i o n e x p e r i me n t ；s i m i l a r i t y； h y d r a u l i c c o nc r e t e：ma r i n e e n v i r o nme n t