混凝土坝体结构裂缝三维建模及虚拟现实应用.pdf

第 3 4卷第 2期 2 0 1 3年 4月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f No a h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r V0 I 3 4 No 2 Ap r 20 1 3 D OI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 5 6 3 4 2 0 1 3 0 2 0 1 2 混凝土坝体 结构 裂缝 三维建模及虚 拟现 实应 用 付 翔 ， 刘尚蔚 ， 魏 群 ，何大川 ( 1 华北水利水电学院 ， 河 南 郑州 4 5 0 0 4 5 ； 2 南水 北调 中线干线工程建设管理局 ， 北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 ： 基于可视化仿 真技 术的大型水利水 电工 程 中大体 积混凝 土裂 缝 的机理模 拟与 展示 方法研 究越来 越受 关 注 分析了国内外对裂缝三维建模方法 的研究 ； 基 于大体积 混凝 土裂缝统 计数 据 ， 利用 N U R B S软 件平 台， 对具有复杂大坝条件 和廊道 群的水利工程坝体 结构裂缝 建立 了三维 模型拓 扑关 系 以实现坝体 结构裂缝 虚拟现实 系统 为 目标 ， 完成 了大坝裂缝控 制模 拟 、 可视 化查询 和综合 分析 等方面 的应 用 最后将 该技术 成 功应用到实际水利 工程 的三维坝体结构裂缝统计 模拟 和可视化 分析 中 ， 为裂缝 虚拟现 实可视化 方法在 其 他工程领域 的应用拓展 提供 参考 关键词 ： 混凝土坝体 ； 裂缝 ； 虚拟 现实 ； 三维可视化 中圈分 类号 ： T V 3 9 ； T P 3 9 1 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 25 6 3 4 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 3 9 0 4 自2 0世纪初开始修建混凝土坝 以来 ， 裂缝问题 始终存在 ， 甚至无坝不裂 ， 已成为困扰大坝建设的关 键问题之一 为准确评估危害性裂缝及对裂缝进 行后续处理 ， 确定裂缝在坝体结构中的几何位置 、 数 据特 点 和对 结构 影 响大小 是裂 缝展 布情 况探 查 的一 个关键环节 传统的工程结构裂缝分析 、 解释和普查 一 般 局 限于二 维 、 静态 的表 达方 式 ， 它描 述空 间裂 缝 构造 的 直观性 差 ， 不 能充分 揭示 三维 特 征 ， 难 以满 足 坝体结构裂缝空间分析的需求 离散裂缝 网络模型通过展布于三维空间中的各 类裂缝片组成 的裂缝网络集团来构建整体的裂缝模 型 ， 实现 了对裂缝 系统从几何形态到其渗流行为 的 逼真细致 的有效描述 刘 尚蔚等对 多维多源数据 建立统一数据库 ， 用于三维建模 并进行 了虚拟现实 模 型转 化 的研 究 以上 三 维 裂缝 建 模 和可 视 化 方 法 的研 究 ， 主要 是 为 了满足 地球 物理 、 矿 业工 程 和油 藏工程等地质模拟与辅 助工程设计需要而展开的， 但涉及水利工程混凝土大坝三维裂缝建模方法研究 的文 献较 少 鉴于水利工程大坝裂缝建模和可视化的需要 ， 笔者应用 N U R B S软件平 台来制作混凝 土大坝及裂 缝 的三维模 型 ， 建 立 具有 复 杂 混 凝 土 大坝 条 件 和 廊道群的水利工程 的三维模 型拓扑关系 ， 并应用虚 拟现 实 ( V i r t u a l R e a l i t y ， V R)技 术 来 实 现 混 凝 土 大 坝三 维裂 缝 的虚拟 现实 可视 化系统 1 坝体 混凝 土结构 裂缝 三维 可视化建 模原 理 1 1 坝体 混凝 土 结构裂 缝组 成及 分析 通常 ， 坝体裂缝主要在施工期产生 ， 由施工期温 度荷载造成 运行期裂缝主要是施工期微裂缝扩展 、 结构设 计 不 当 、 基 础 变形 、 地 震 等 因素 造成 裂 缝 是依存于坝体内部 的， 相当于断层 、 夹层 、 节理与裂 隙在岩体中充当结构面构造， 坝体是被裂缝切割的 块体( 切割体或似断非断体 ) 裂缝 的结构由裂缝 中 心位置 、 缝长、 缝宽 、 缝深与裂缝产状等参数确定 坝 体裂缝按产状和规模大体可以分为水平缝、 纵 向缝 、 坝体上游面竖向裂缝 、 坝顶至廊道的裂缝 、 贯穿坝体 的水平裂缝等 坝顶平 面至廊道顶面的裂缝和贯穿 坝体的水平裂缝如图 1 所示 收稿 日期 ： 2 0 1 21 1 3 0 基金项 目： 河 南省院科技合作专项基金 ( 1 1 2 1 0 6 0 0 0 0 3 5 ) 作者 简介 ： 付翔 ( 1 9 8 7 ) ， 男 ， 江西南 昌人 ， 硕士研究生 ， 主要 从事 水工结构工程可视化仿 真方 面的研究 刘 尚蔚 ( 1 9 6 7 一 ) ， 女 ， 河南南 阳人 ， 教授 ， 博 士 ， 主要从事水工结构工程可视化仿 真方面的研究 魏群( 1 9 4 7 一 ) ， 男 ， 山东诸城人 ， 教授 ， 博 士后 ， 主要从事三维 可视 化仿 真和钢结构设计等方面的研究 第 3 4卷第 2期 付翔 ， 等 ： 混凝 土坝体结 构裂缝三维建模及虚拟现实应用 4 l 2 2 坝 体 结构 裂缝 系统构 造 从 整体 上将 坝体 顶平 面 、 迎水 面 、 贴 坡 面及 其他 主要建筑结构对应的裂缝属性信息规整 、 统计 ， 作为 一 个坝体裂缝三维可视化系统来构造 ， 更 能够反映 实际坝体裂缝 的结构 形态 基于 N U R B S技术构造 坝体结构裂缝三维可视化模型的步骤如下 1 ) 将 裂 缝 检 查 表 与 坝 体 结 构 二 维 剖 面 数 据 按 真实坐标系统进行三维转换 ， 形成整体水利枢纽和 裂缝 模 型 曲线 集 合 2 ) 从 该集 合 中提 取 相应 的裂 缝 结 构 的点 、 线 数 据 ， 运用 N U R B S建 模技术形成 整体 的水利 工程坝 体结 构 裂缝 三维 模型 3 ) 将三维数据结构 表达的几何模型 和拓扑关 系转化为数据存储 形式 ， 以便于大坝裂缝监测系统 三维 可 视化查 询 4 ) 最 后 将 所 有 分 类 构 造 的 坝 体 裂 缝 模 型 做 进 一 步 调 整和修 改 图 5为某 坝段 结构 裂缝 模 型 图 5 某 坝 段 结 构 裂 缝 模 型 3 坝体 裂缝 虚拟现实系统 3 1虚拟 现 实技 术 虚拟现实是利用计算机图形学技术 ， 在计算机 中对客观世界进行逼真 的模拟再现 利用虚拟现实 技术建立虚拟环境 ， 主要工作为精确表示物体的状 态模 型及环 境 的可视 化 和渲 染 此虚拟 现 实场 景 的三维 交互 操作包 括 对 三维 坝 体 、 裂缝结构、 廊道 、 排水检测设备等信息的交互式 查 询 这些 三维 交互 式 操 作 可 通 过 虚 拟 现 实 场景 与 高 级编 程语 言 之间建 立 通信机 制来 实 现 3 2 基 于 V R P 的坝体 裂缝 统计 仿真 系统 整个虚拟仿真系统研究的核心部分之一就是能 对整体 V R环境进行控制 ， 实现任意点、 任意角度 的 观察 ， 以及对裂缝具体信 息 的展示 为实 现这些功 能 ， 在仿真系统中， 程序 开发采用 了伪编译语言 ， 即 S c r i p t 脚本语 言， 结合 V C+ +语言 以及结构 化查询 语言 ( S Q L ) 进行混合编程 基 于 V R P ( V i r t u a l R e a l i t y P l a t f o r m) 的坝 体裂 缝统 计仿 真 系统开 发 可分 为 如下 步骤 1 ) 数据库采用微软 的 A C C E S S软件创建 ， 将裂 缝 的参数信息以等级归类 ， 并将各裂缝详 细信息存 储至数据库中 2 ) 在虚拟现实编辑平 台中， 用其 自带的属性赋 值功 能对 每条 裂缝 进行 I D赋值 3 ) V R P场景本身提供 对用 户需 求处理 的简单 交互 ( 包括 事件 和路 由) ， 但 并 不 能完 全 满 足 复杂 交 互的要求 ， 需要进行三维立体显示控制的开发 ， 针对 更底层的数据库、 场景实时渲染等功能进行衔接 4 工程应用 某水利枢纽初期工程混凝土坝分为 5 8个坝段 ， 全长 1 1 4 1 m， 最大坝高 9 7 m 大坝加高后其正常蓄 水 位抬 高 至 1 7 0 0 m， 校 核洪 水 位 为 1 7 4 4 m， 水 库 总库容 由 2 0 8 9亿 m 增加到 3 3 9 1亿 m 在大坝 施工及运行期间， 大坝表面和廊道出现一些裂缝 加 高工程 施工 中 ， 除发 现原 有部 分裂 缝有所 发 展外 ， 还 发现 了一 些新 的裂 缝 因此 对 坝 体 结 构裂 缝 进 行 三 维可视化研究 ， 添加裂缝三维信息 ， 实现大坝加高后 坝体原有裂缝的可视化 ， 并能更加有效地进行裂缝 稳 定性 分析 对此 工程的混凝土大坝裂缝建立 虚拟现实模 型， 如图 6所示 实现 了坝体结构裂缝的三维可视化 模拟和查询 ， 并将坝体危害性裂缝的几何空间位置 、 形状、 分类 、 分布等相关信息实时显示出来 图 6大 坝 裂 缝 系统 该水 利枢 纽 裂缝统 计仿 真 系统具 有混 凝土 大坝 各部位裂缝三维模型显示 、 漫游功能 ， 以及各部位裂 缝按条件要求统计显示等功能 该系统可直观反映 某水利枢纽的规模 以及裂缝分布的现状 ， 所提供 的 交互功能便于实时观测查看裂缝的位置以及属性信 息( 裂缝编号、 缝长 、 缝宽、 缝深 、 检查时 间、 嵌缝 埋 管时间等备注信息 ) ， 为大坝加高工程 的大坝专项 安全鉴定提供更准确 、 直观及信息化的判断依据 4 2 华北水利水电学院学报 2 0 1 3年 4月 5 结语 利用 N U R B S软件 平 台 及 虚 拟 现 实技 术 研 究 坝 体结构裂缝 ， 突破 了以往对裂缝只趋于二 维普查示 意图的表现形式 ， 在虚拟现实上达到实用要求 ， 并在 工程 可 视化 实践 中得 到 了进 一 步推 广 ， 为 水 电 工程 和土 木 工程 的设 计 、 施 工 、 检 查 布 置 、 处 理 措施 以及 坝体裂缝数值分析等提供了模 型资料 ， 为裂缝安全 监测 、 判断坝体结构裂缝问题提供 了综合信息 参 考 文 献 1 周秋 景 ， 张 国新 ， 杨 波 高 坝混 凝 土裂缝 问题研 究综 述 J 南水 北调与水利科技 ， 2 0 1 2 ， 1 0 ( 1 ) ： 1 2 2 王建华 D F N模 型 裂缝 建 模新 技 术 J 断 块 油气 田 ， 2 0 0 8 ， 1 5 ( 6 ) ： 2 3 刘尚蔚 ， 魏鲁 双 数字地质 多源数 据库及 三维建 模方 法 研究 J 人 民黄河 ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 3 4 魏群 ， 谢 晓尧 ， 张 国新 ， 等 结构 工程可 视化仿 真方法 及 其应用 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 9 5 戴会超 ， 王建 国内外水利 水 电工程混 凝土裂 缝及其 防 治技术研究 M 郑 州 ： 黄河水利 出版社 ， 2 0 0 5 6 施 法 中 计 算 机辅 助 几 何 设 计 与非 均 匀 有 理 B样 条 M 北京 ： 高等教育 出版社 ， 2 0 0 1 7 曾芬芳 虚拟 现实技 术 M 上海 ： 上 海交 通大 学 出版 社 1 9 9 7 8 魏群 数字城 市可 视化 仿真 三维 实体 建模 及虚 拟 现实 软件系统 的 自主研 发 c 第 二届 中国 国际数 字城 市 建设技术研讨会论 文集 北京 ： 知识产权 出版社 ， 2 0 0 6 Th r e e- di m e n s i o na l M od e l i ng a nd Vi r t ua l Re a l i t y Appl i c a t i o n i n Con c r e t e Da m St r u c t ur e Cr a c k s F U X i a n g ，L I U S h a n g w e i ， WE I Q u n ， H E D a c h u a n ( 1 N o a h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o e l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5 ， C h i n a ； 2 C o n s t r u c t i o n a n d A d m i n i s t r a t i o n B u r e a u o f S o u t h t o - n o r t h Wa t e r D i v e r s i o n Mi d d l e R o u t e P r o j e c t ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ：T he r e s e a r c h o n t h e me c ha n i s m s i mu l a t i o n a n d d i s p l a y o f ma s s c o n c r e t e c r a c k b a s e d o n t h e v i s ua l s i mu l at i o n t e c hn o l o g y i n l a r g e s c a l e wa t e r c o n s e r va nc y a n d h y d r o po we r e n g i ne e r i n g ha s g o t t e n mo r e a n d mo r e a t t e nt i o n I n t hi s p a p e r，t h e r e s e a r c he s a bo ut t h r e e - di me ns i o na l mo d e l i n g me t h o d o f c r a c ks a t ho me a nd a b r o a d a r e a n a l y z e d Th e nb a s e d o n t he s t a t i s t i c a l d a t a o f ma s s c o n c r e t e c r a c k s，u s i n g NURBS s o f t wa r e p l a t f o r m ，t he t o p o l o g i c a l r e l a t i o n o f t h r e e d i me n s i o n a l c r a c k mo d e l f o r wa t e r c o n s e rva nc y a nd h y dr o p o w e r en g i ne e r i n g wi t h c o mpl i c a t e d da m c o nd i t i o n s a nd g a l l e r y g r o up s i s e s t a b l i s h e dI n o r d e r t o r e a l i z e t he d a m s t ruc t u r e c r a c ks i n v i r t u a l r e a l i t y s y s t e m f o r a t a r g e t ，t h e a pp l i c a t i o n o f t h e s i mu l a t i o n o f d a m c r a c k co nt r o l ，v i s ua l q u e ry a nd c o mp r e h e ns i v e a n a l y s i s a nd S O o n a r e fini s h e dFi na l l y，t h e t h r e e di me ns i o na l mo de l a n d v i s ua l a n a l y s i s a r e a p p l i e d t o s i mu l a t i ng c r a c k s t r uc t ur e i n t he a c t u a l wa t e r c o n s e r v a n c y e ng i n e e r i n g Thi s ca n pr o v i d e a r e f e r e n c e for t he a p pl i c a t i o n o f t h r e e d i me n s i o n a l c r a c k v i s u a l i z a t i o n b a s e d o n v i r t u a l r e a l i t y i n o t h e r e ng i n e e r i n g fie l ds Ke y wor ds：c o n c r e t e da m bo d y；c r a c k；v i r t u a l r e a l i t y；t h r e e d i me n s i o n a l v i s u a l i z a t i o n I 责任编辑 ： 陈海涛 )