混凝土坝施工三维动态可视化仿真与优化

2003年7月系统工程理论与实践第7期　文章编号:100026788(2003)0720119208混凝土坝施工三维动态可视化仿真与优化李景茹1,2,钟登华2,刘志新3,吴晓光3(1.深圳大学建筑与土木工程学院,广东深圳518060;2.天津大学建工学院,天津,300072;2.国家电力公司西北勘测设计研究院,陕西西安,710001)摘要:　提出了混凝土坝施工三维动态可视化仿真原理,并介绍了在G IS系统和V C++的基础上集成开发的仿真软件,实现了可视化技术与仿真技术的有机结合Λ通过该软件对大坝施工的不同方案的比选,确定了最为经济合理的机械配套方案,并得到了相应的坝块浇筑顺序、机械利用率、施工浇筑月强度等指标,同时将复杂的施工过程用运动的三维画面形象地描述出来,为全面地掌握复杂施工过程提供了快捷的途径,极大提高了混凝土坝施工组织设计的现代化水平Λ关键词:　混凝土坝施工系统;地理信息系统(G IS);可视化仿真;三维动态演示中图分类号:　T P391.9 文献标识码:　A T h ree2D i m en si on D ynam ic V isual Si m u lati onand Op ti m izati on fo r Concrete D am Con structi on P rocess L I J ing2ru1,2,ZHON G D eng2hua2,L I U Zh i2x in3,W U X iao2guang3(1.Co llege of A rch itectu re and C ivil Engineering,Shenzhen U n iversity,Shenzhen518060,Ch ina;2.Schoo l of C ivil Engineering,T ian jin U n iversity,T ian jin300072,Ch ina;3.N o rthw est H ydroelectric Investigati on In stitu te,State Pow er Co rpo rati on,X i’an710001,Ch ina)Abstract:　T h is paper p resen ts the theo ry of th ree2di m en si on dynam ic visual si m u lati on fo r concretedam con structi on p rocess firstly.T hen the softw are w h ich is developed on the in tegrati on ofvisualizati on techn ique and si m u lati on techn ique,that is,on the com b inati on of G IS and V isual C++isin troduced.A fter si m u lating of differen t con structi on conditi on s by th is softw are,the reasonab le andeconom ical schem e of equ i pm en t set can be determ ined.Co rrespondingly o ther param eters such as thecon structi on o rder of dam b lock,the efficiency of equ i pm en t,the mon th ly in ten sity of concretecon structi on are ob tained.A t the sam e ti m e,the comp lex p rocess of dam con structi on is dynam icallydemon strated by th ree2di m en si on an i m ati on p roviding a pow erfu l too l fo r qu ick ly and comp rehen sivelyunderstanding the comp licated p rocess.T he app licati on of the softw are w ill be trem endou sly conduciveto modern izati on of design and o rgan izati on of dam con structi on.Key words:　concrete dam con structi on system;geograh ic info rm ati on system(G IS);visualsi m u lati on;th ree2di m en si on an i m ati on1　引言混凝土坝浇筑施工在水利水电工程建设中占有重要地位,其施工速度和施工质量直接影响着工程的建设工期和安危Λ混凝土坝浇筑施工过程受自然环境、结构型式、工艺技术和组织方式等诸多因素的制约,是一项复杂的系统工程Λ只有周密的研究各种影响因素,充分协调各个环节,制定出切实可行的浇筑施工进度计划,才能保证施工高效、经济的进行Λ但由于混凝土坝浇筑量大、浇筑块数以千、万计,浇筑块之间的施工约束条件十分复杂,使人工安排浇筑块、浇筑顺序几乎成为不可能Λ传统的方法是凭经验用类比的方法按月升高若干浇筑层和混凝土浇筑强度等指标来控制施工进度Λ这种方法由于缺乏系统的定量计算分析,在论证施工收稿日期:2002204204作者简介:李景茹(1977-),女(汉),辽宁省鞍山人,讲师,博士,主要研究方向工程系统分析与管理,Em ail:lijr2000 @;钟登华,男,教授,博士生导师;Em ail:dzhong@阶段的筑坝进度以及各坝段升高过程是否能满足大坝施工各方面的要求时总感论据不足Λ随着计算机和系统仿真技术的迅速发展,使我们有可能在计算机上实现对混凝土坝施工的动态过程的模拟试验,同时利用先进的可视化手段直观形象地反映仿真成果Λ本文首先阐述了三维动态可视化仿真原理,然后介绍了将地理信息系统(G IS )技术与仿真技术相结合而开发了混凝土坝三维动态可视化仿真软件Λ利用该软件可预测不同施工方案下混凝土坝施工进程和各项定量指标,为制定合理的混凝土坝施工进度计划提供科学的可靠的决策依据Λ同时,通过直观形象的三维演示画面反映了施工系统复杂的时空关系,从而为大坝施工组织设计提供一个交互的可视化分析手段Λ2　基于G IS 的三维动态可视化仿真原理2.1　可视化仿真可视化即科学计算可视化[1],就是把计算机中所涉及的和所产生的数字信息转变为直观的、以图像或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前,使他们能够观察到传统意义上不可见的事物或现象;同时还提供与模拟和计算的视觉交互手段Λ可视化的目的是依靠人类强大的视觉能力,促进对所观察的数据更深一层的了解,挖掘出事物潜在的内部联系[2,3].可视化仿真是将计算机可视化技术和系统仿真技术相结合形成的一种新型仿真技术Λ它具有迅速、高效、直观、形象的特点Λ可视化仿真包括两个方面的内容,一是将仿真计算中产生的结果转换为图形和图像形式;二是仿真交互界面可视化Λ2.2　基于G IS 的三维动态可视化仿真数字模型的构造2.2.1　G IS 的可视化原理地理信息系统[4,5]是以地理空间数据库为基础,在计算机软硬件的支持下,对空间数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示,并采用地理模型分析方法,适时提供多种空间和动态地理信息的计算机技术系统ΛG IS 的可视化过程,即实现模拟数据到图像的变换,分为三个子过程:1.数据操纵Λ数据操纵主要完成数据的过滤,是原始数据的加细或增强,并转化为适合后续可视化操作的表示形式Λ2.可视化映射Λ可视化映射将数据过滤导出的数据转换为抽象可视化对象(AVO ),体现为各种可视化技术ΛG IS 的可视化过程是基于信息处理的,模型以信息链的形式表示,并存放在数据库中Λ3.绘制Λ绘制将AVO 转换为可显示的图象Λ可以利用G IS 强大的动画及图形图像处理技术实现模拟数据、仿真过程的可视化表达Λ2.2.2　三维动态可视化仿真数字模型的构造利用G IS 强大的空间信息处理能力来表现复杂混凝土坝施工工程是具有极大优越性的ΛG IS 特有的空间数据组织形式能够充分反映混凝土坝施工系统复杂的空间关系和施工过程Λ通过建立坐标系,把现实世界的事物在计算机中对应位置重现出来,及建立实体的数字模型,并按照一定方式将实体与其属性一一对应,从而反映实体的静态空间特征Λ同时利用过程信息,生成三维动画,为描述复杂的施工过程提供可视化手段Λ混凝土坝施工系统的三维可视化仿真数学模型的建立分为两个步骤Λ首先建立数字地形模型D TM (D igital T errain M odel )Λ数字地形是整个施工系统布置和活动的场所,是三维图像展示的重要“背景”Λ通过人工输入或扫描仪、数字化仪等将地形原始数据(等高线)输入到系统,经过数据过滤后转化为三维矢量数据,进一步生成三维模型Λ利用内插手段,可以生成更高精度的D TM ΛD TM 在经纹理、光照等图先渲染操作,即生成逼真的坝区数字地形模型Λ然后建立混凝土坝施工系统中建筑物的三维实体模型ΛG IS 中提供了po in t ,line ,po lygon 三种最基本的形(shap e ),利用它们可以反映任意复杂的对象Λ由于实际应用中,我们只关心建筑物的几何形状的描述,建筑物是通过多个面围成的曲面体来表现的ΛG IS 的3D 模块提供了实现三维图形的拓扑运算、绘制、渲染、纹理和显示的功能Λ与地形模型不同的是,实体模型尚需反映其属性信息Λ实体与属性的一一对应可以利用G IS 的空间数据组织结构来实现Λ另外为了体现施工的动态911第7期混凝土坝施工三维动态可视化仿真与优化021系统工程理论与实践2003年7月过程,在反映实体的数据结构中还应包括时间特征,以便在三维演示中根据时间顺序调用不同的实体单元组成施工面貌Λ2.3　混凝土坝施工系统仿真原理2.3.1　混凝土坝施工系统描述混凝土坝施工过程是一个从混凝土制备、混凝土运输到混凝土浇筑的过程,可据此将混凝土坝施工系统划分为混凝土拌和子系统、混凝土运输子系统和混凝土浇筑子系统三个子系统Λ在假定混凝土工料充足或满足一定保证率条件下,可以只考虑混凝土的浇筑过程,即浇筑机械通过垂直运输和水平运输将混凝土料从供料平台运至指定坝块的过程,以及各坝块从作业准备(拆立模板、敷设冷却水管、架设钢筋等)、混凝土入仓、平仓振导到混凝土养护的工艺流程,这两个过程在混凝土入仓工作产生交叉,其它工作平行进行Λ下面以缆机浇筑方式为例,建立混凝土坝施工系统仿真数学逻辑模型Λ2.3.2　系统仿真的数值逻辑模型1.仿真目标系统仿真寻求的目标是:在满足各种约束限制条件下,安排混凝土大坝筑块的浇筑顺序时,使大坝的浇筑工期最紧凑,或使缆机停顿最少Λ2.约束条件[6,7]1)确定拟投入缆机的原则按模拟最小时钟原则,准备投入缆机的机械号s应按下式选择ΖT(s)=m in{T(i)} i=1,2,…,n a式中T(i)为缆机的模拟时钟时间;n a为缆机总数Ζ2)确定拟浇筑的筑块号(i0,j0,k0),其中i0为坝段号,j0是仓号,k0是浇筑层次号①考虑坝体升高原则Ζ坝体升高应按施工条件确定其优先权Ζ通常是优先选择当前可浇筑块中高程最低的块,以使坝体均匀上升Ζ此时可按下式选择坝块(i0,j0)ΖH(i0,j0)=m in{H(i,j)} i=1,2,…,n c;j=1,2,…,n cd(1)式中H(i,j)为第i坝段第j仓的已浇筑高程;n c为坝体划分成的坝段数;n cd为n c坝段的仓数Ζ②检查筑块是否在缆机的控制范围内Ζ设Y轴沿水流方向且正方向朝下游ΖY s(i0,j0,k0)≥Y u(s),且Y x(i0,j0,k0)≤Y d(s)(2)式中Y s,Y x为筑块上、下游面的坐标;Y u,Y d为缆机可浇筑范围的上下游坐标Ζ③考虑时间约束应满足下式对于基础块T(s)≥T f(i0,j0)+T s(3) 对于非基础块T(s)≥T e(i0,j0,k0-1)+T w(4)或T(s)≥T e(i0,j0,k0-1)+T a+T s(5)式中T f为选定坝块所坝段基础处理完毕时间;T s是立模所需时间;T e表示拟浇筑块下层的筑块浇筑完毕时间;T w为下层筑块要求的间隔时间;T a表示立模所需时间;T s表示混凝土硬化时间Ζ④考虑相邻坝快间允许高差的限制H(i0,j0)+h≤H(i t,j t)+h l　i t=i0-1或i0+1 j t=j0-1或j0+1(6)式中h是浇筑层厚;h l是相邻块允许高差Ζ⑤缆机浇筑时相互干扰的限制Ζ当两台缆机浇筑不相关的两个筑块时,应使两台缆机间保证有最小安全距离Y m(i1,j1,k1)-Y m(i2,j2,k2) ≥s l(7)式中Y m是筑块中心的y轴坐标;s l是缆机间允许最小安全距离Ζ选择的拟浇筑块除应满足上述条件外,还应检查相邻块未拆模部分是否影响该块浇筑Ζ此外,也应满足施工中各种特殊要求,诸如岸坡坝段的浇筑限制、基础灌浆的时间影响、汛期坝身过水及坝身孔洞对筑块浇筑的限制等Ζ2.3.3　系统仿真流程混凝土坝施工由于是分缝分块浇筑,往往有成百上千个浇筑块,同时有多台不同类型的浇筑机械同时工作Λ在浇筑施工过程中,每浇一个坝块都应首先选择一台浇筑机械,再选择一个坝块进行浇筑Λ选择机械的原则是找最早空闲的机械,为此需要对浇筑机械设置模拟时钟,并按时钟进行排序Λ选择坝块的原则是对某一台机械在其工作范围内选择最适宜的可浇块进行浇筑Λ所谓最适宜的可浇块在一般情况下是指某机械范围内满足当前大坝施工一切要求和约束条件的高程最低的筑块Λ在有特殊施工要求的坝段,亦可考虑安排特殊坝段进行浇筑Λ在仿真进程中某时刻没有可用机械或有机械但没有可浇块,则仿真时钟继续推进,仿真进入下一个循环Λ按此步骤反复进行仿真,最终将所有坝块浇到既定高程Λ混凝土坝施工系统仿真流程如图1所示Λ图1　混凝土坝施工系统仿真流程3　混凝土坝施工系统仿真软件设计与实现3.1　总体结构G IS 与系统仿真的结合一般有两种方式:一种为“融合式(M elting Po t )”,这种集成方式尽管两者间数据传递方便高效,操作简单,但开发费用高,周期长;另一种集成方式是通过建立两者的扩展模块(如121第7期混凝土坝施工三维动态可视化仿真与优化W indow s 的DD E 技术和调用动态连接库或数据文件接口)来实现彼此间数据相互交换和信息共享,此方式开发简便,费用低廉,而且由于两者的相对独立性和可扩展性,便于系统的维护及进一步开发Λ本系统采用后种结合形式Λ基于这样的结合方式,建立系统的总体结构如图2所示Λ图2　混凝土坝施工系统三维动态可视化仿真软件总体结构图3.2　功能实现 本软件系统通过计算机仿真混凝土坝浇筑施工过程,能提供一定时间段内坝体筑块施工过程、施工强度、各坝块相应信息、大坝上升面貌、各台机械的使用情况等,主要由以下几个功能模块组成:1.数据的采集和管理模块数据包括地形和建筑物布置及形状、尺寸、属性数据等Λ本系统的空间数据可采用文件输入的方式采集,如将CAD 文件导入G IS 系统,用于生成地形模型;通过导入表格等手段输入属性信息,并区别空间数据,存放在不同的数据库中Λ本软件中G IS 系统与V C ++软件包进行数据交换是数据管理的一大特色,G IS 提供的面向对象编程工具语言,不仅可以对原系统进行二次开发,而且与其它程序的接口能力十分强大Λ本软件系统充分利用V C ++软件强大的计算、分析功能,编写仿真程序,由该仿真程序计算生成关于混凝土坝浇筑的详细信息表,包括坝块的浇筑顺序、开浇时间、持续时间等属性,并以数据库的形式生成电子表格,将这些表格传送至G IS ,G IS 将这些表格作为原始数据由G IS 语言编程生成原始数据库,再通过编程将原始数据库精简,逐条读取里面的纪录,生成便于管理、操作的空间及属性数据库,发挥两种软件的优势,大大增强了系统功能Λ2.自动分块计算模块对提供的划分好纵缝和横缝的坝体CAD 文件,按照不同约束区坝块分层厚度要求,自动划分坝块,并计算坝块控制点坐标Λ3.坝体体积计算模块本软件可以根据自动分块后得到的坐标计算出每个坝块的体积,由此得到坝体总体积及分布体积Λ查询分布体积时只要输入欲查询部分坝体的起止坝段号、起止仓号和起止高程并增加到体积查询条件列表,即可自动计算出相应的体积显示于屏幕上Λ4.仿真计算模块仿真计算模块是本软件系统的主要组成部分,它是根据前文介绍的仿真思想采用V C ++语言编写的Λ采用本软件可以在施工前预测未来的施工进度,也可在施工中根据实际施工情况实时预测进度偏差Λ前者221系统工程理论与实践2003年7月有利于制订施工进度计划,后者为施工现场的动态管理和控制提供决策依据Λ5.三维显示模块利用G IS 建立混凝土坝施工系统三维模型,可以根据观察者的需要,对该模型绕X ,Y ,Z 三轴任意旋转、缩放,改变视点的位置和观察方向,透视显示,或选取一定的线路进行穿越漫游Λ同时也可灵活地按需要显示专题层,从而增进对整个混凝土坝施工系统的全局理解Λ6.坝体浇筑过程三维动态演示模块基于G IS 的三维动态演示是对任意时刻系统仿真面貌的再现,它反映了仿真系统内部数据场的动态变化过程Λ利用上述与仿真数据交换得到的施工信息数据,在G IS 中生成系统某环节动态变化单元i 对应的图远在任意时刻t 的面貌v i (t ),则t 时刻的施工整体面貌可表示为V (t )=6ni =1v i (t ),n 为总的图元数Ζ其中,v i =f i (x i ,y i ,z i ,t ),表示在动态施工过程,包含时间信息的i 图元的几何形状,它随时间的变化而变化Λ把工程施工任意时刻的整体面貌储存在图形库中,并与其一一对应的属性数据建立联系,从而在动画演示时,按时间顺序读取图形库中的形体数据及相应的属性信息,不断更新绘图变量和属性变量赋值,并不断刷新屏幕显示Λ这样高速地显示一系列静止图像,当图像快速连续时,由于视觉的暂留,从而实现了整个混凝土坝施工过程的三维面貌及相应信息的动态显示Λ7.信息可视化查询模块G IS 具有强大的空间查询功能,利用它可以查询任意时刻的坝体上升面貌及相应的信息Λ通过仿真得到的各个坝块的浇筑顺序及其开始时间、持续时间等属性,同时联合已有的几何形状属性、坐标属性等生成数据表格,据此可得到各时刻的施工面貌,把它存储在施工图形库中并与其属性建立一一对应关系Λ用户只要指定查询时间,就可查询到对应的记录,利用G IS 的条件查询和图形显示机制,显示出该时刻混凝土坝施工面貌及相应施工信息Λ8.报表输出模块仿真计算结果除了用G IS 以三维形式直观显示,还包括大量文字、表格和曲线,用来对施工过程进行更深入的分析和比较Λ本软件系统主要输出结果有坝块浇筑顺序、坝体工程量、机械利用率、施工浇筑月强度、浇筑强度累计曲线、坝体月升高高度等Λ4　应用实例4.1　工程概况拉西瓦水电站大坝为双曲拱坝,坝高250米,布置有3个表孔,2个深孔和2个底孔,总浇筑方量为234.2万方Λ大坝分为24各坝段施工,采用高速缆机通仓浇筑Λ缆机单层布置,设一条供料平台Λ在基础约束区,坝体分层厚度为1.5m ,弱约束区分层厚度为2.0m ,脱离约束区为3.0m ;浇筑铺层厚度0.5m Λ混凝土浇筑开始6个月后进行坝体接缝灌浆Λ采用罐容9m 3高速缆机通仓浇筑.4.2　仿真结果分析采用本软件系统,可以对各种施工方案进行比选Λ表1显示了采用不同的机械设备数量情况下的施工情况Λ大坝施工从第4年10月开工,发电高程为2380.0m Λ表1　不同施工方案的比较方案方案1(2台缆机)方案2(3台缆机)方案3(4台缆机)大坝施工总工期第8年10月3日第8年6月5日第8年5月26日达到发电高程的时间浇筑最低高程(m )第7年10月底第7年6月底第7年6月底2380.02379.02380.5达到发电时接缝灌浆高程的时间浇筑最低高程(m )第7年10月底第7年6月底第7年6月底2361.02358.02361.0由表1可以看出,方案二和方案三总工期为44个月,而方案一总工期为48个月Λ根据设计首台机组321第7期混凝土坝施工三维动态可视化仿真与优化发机时间、高程及接缝灌浆要求,仅方案二、三能够满足要求Λ方案三比方案二增加一台缆机,在工期及形象进度上差别不大,表中方案二在第7年3月底与第7年6月底坝体最低高程都处在第4坝段(此时第3坝段尚未开始浇筑),而且第4坝段也达到2358与2379高程,不影响发电要求Λ对于方案二与方案三工期之间差别不明显的原因,主要是由拉西瓦特殊的地形决定的,拉西瓦所在峡谷陡峭,因而施工场地范围小,尤其在谷底部分,可浇筑的坝段较少,缆机在浇筑过程中会因选不到合适的坝块而处于闲置状态,而且缆机越多,干扰也就越大,同时闲置的机会就更多,利用率也就越低Λ因此,方案三相对方案二没有优势可言,而且还增加缆机投资Λ另外,方案一采用2台缆机,工期比方案二延长四个月,不仅不能满足设计要求,而且要到10月底才能达到发电高程,此时还要进行接缝灌浆,不利于蓄水发电,另外,由于6月份汛期水位为2370m,此时,坝体高程才2361m,不满足导流度讯要求Λ通过对比分析发现,推荐采用3台缆机进行浇筑Λ其对应的缆机利用率及浇筑方量见表2,混凝土月浇筑强度、逐月累计浇筑方量曲线见图3Λ同时对仿真结果实现三维动态演示及三维可视化查询,图4是大坝施工面貌立面图,图5-图6是大坝施工典型时刻的面貌Λ图3　混凝土月浇筑强度、逐月累计浇筑方量曲线图图4　大坝施工面貌立面图表2　3台缆机方案的年浇筑方量及平均利用率年份1#2#3#浇筑方量(m3)平均利用率浇筑方量(m3)平均利用率浇筑方量(m3)平均利用率总浇筑方量(m3)111064.10.08018718.20.1317784.00.05313920.5 2204039.10.313229137.10.33493181.30.141526357.52 3254092.20.346316073.90.428216050.80.283786216.8 4197221.90.224309200.60.351319268.60.363825691.1 527056.30.07452914.00.12764435.10.16445350.54峰值38517.20.56443819.730.60840565.00.608421系统工程理论与实践2003年7月图5　大坝第6年6月底面貌图6　大坝第8年12月底面貌5　结束语本文提出了混凝土坝施工三维动态可视化仿真原理,并介绍了在G IS 系统和V C ++的基础上集成开发的仿真软件,实现了可视化技术与仿真技术的有机结合Λ通过该软件对大坝施工的三种方案进行了比选,确定了采用3台缆机浇筑方案最为经济合理,同时得到了该方案的坝块浇筑顺序、机械利用率、施工浇筑月强度等指标,并将复杂的施工过程用运动的三维画面形象地描述出来,为全面地掌握复杂施工过程提供了快捷的途径,极大提高了混凝土坝施工组织设计的现代化水平Λ参考文献:[1]　李晓梅,蔡勋,汤红波.并行与分布式科学可视化研究与实现[J ].自然杂志,1996,18(4):232-236.[2]　A bouR izk S ,M ather K .Si m p lifying si m u lati on modeling th rough in tegrati on w ith 3D CAD [J ].Jou rnal Con str Engand M gm t A SCE ,2000,126(6):475-483.[3]　Koo B ,F ischer M .Feasib ility study of 4D CAD in comm ercial con structi on [J ].Jou rnal of Con structi on Engineeringand M anagem en t ,A SCE 2000,126(4):251-260.[4]　胡鹏,黄杏元,华一新Λ地理信息系统教程[M ].武昌:武汉大学出版社,2002.[5]　钟登华,刘东海.基于G IS 的施工导流管理决策支持系统[J ].水力发电,2001(1),56-59.[6]　朱光熙.二滩水电站双曲拱坝混凝土浇筑的计算机模拟[J ].系统工程理论与实践,1985,5(3),25-32.[7]　孙锡衡,齐东海.水利水电工程施工计算机模拟与程序设计[J ].水利水电出版社,1997.521第7期混凝土坝施工三维动态可视化仿真与优化。