1、 2003 年 5 月 系统工程理论与实践 第 5 期 文章编号 : 100026788 (2003) 0520125206基于 G IS 的混凝土坝施工三维动态可视化仿真研究钟登华 1, 刘东海 1, 郑家祥 2(1. 天津大学建工学院 , 天津 300072; 2. 国家电力公司成都勘测设计院 , 成都 610072)摘要 : 为简化水电工程混凝土坝施工仿真的建模 , 同时实现施工过程中复杂动态时空逻辑关系的直观表达 , 提出了基于 G IS 的混凝土坝施工三维动态可视化仿真方法 L通过计算分析不同方案下大坝施工的具体技术指标 , 可得到合理的大坝混凝土浇筑进度计划 , 并应用 G IS
2、技术在建立的混凝土坝施工系统数字模型基础上 , 用三维动态演示技术将复杂的大坝施工过程用运动着的画面形象逼真地描绘出来 , 从而为工程施工组织设计与管理提供了强有力的可视化分析手段 L关键词 : 混凝土坝施工 ; 三维动态可视化仿真 ; 地理信息系统 (G IS); 数字模型中图分类号 : TU 94; T P391. 9 文献标识码 : A G IS2Based T h ree2D im en sion D ynam ic V isual Sim u lationfo r Concrete D am Con struction P rocessZHON G D eng2hua1, L IU
3、Dong2hai1, ZH EN G J ia2x iang2( 1. Schoo l of C ivil Engineering, T ianjin U niversity, T ianjin 300072, Ch ina; 2. Chengdu H ydroelectric InvestigationInstitute, State Pow er Co rpo ration, Chengdu 610072, Ch ina)Abstract: To simp lify the sim ulation modeling fo r the concrete dam construction p
4、rocess of thehydroelectric engineering, and realize the visualization of the comp lex dynam ic space2tim e relationsh ipamong construction w o rk s, th is paper p resents a new m ethod called G IS2based th ree2dim ension dynam icvisual sim ulation fo r concrete dam construction p rocess. A fter bein
5、g calculated and analyzed the damconstruction param eters under different construction conditions respectively, the reasonable constructionschedule is obtained. A nd based on the digital model of the concrete dam construction system , w h ich iscreated w ith G IS technique, the th ree2dim ension p r
6、ocess of dam construction is disp layed dynam ically.T he app roach described in the paper p rovides a pow erful visually analyzing too l fo r the design ando rganization of dam construction.Key words: concrete dam construction; th ree2dim ension dynam ic visual sim ulation; geograph icinfo rm ation
7、 system (G IS); digital model收稿日期 : 2001211229资助项目 : 国家自然科学基金 (50179023); 高等学校骨干教师资助计划资助作者简介 : 钟登华 (1963- ) , 男 , 教授 (博导 )1 引言水利水电工程混凝土坝施工组织计划的制定是一个十分复杂的过程 , 传统凭经验用类比法来安排大坝浇筑顺序和施工进度极为困难 , 且缺乏系统的定量分析和计算 L近年来随着计算机和系统仿真技术的迅速发展 , 使得在计算机上进行混凝土坝施工动态过程的仿真试验及分析成为可能 1- 4 L 但是 , 目前的研究很大程度上仅停留在对施工动态过程的仿真计算实现上
8、, 而很少考虑仿真建模过程的简化及仿真计算过程的直观表达 L 将混凝土坝施工过程动态仿真中涉及到的不规则地表地形、带有时间特征的三维空间数据、以及工程施工实体间复杂的动态时空逻辑关系等三维或多维的动态数据及信息转化为可显示的逼真图形 , 是实现混凝土坝施工三维动态可视化仿真的难题与关键 L 本文将地理信息系统 (Geograph icInfo rm ation System , G IS) 及可视化技术 5- 7 应用于混凝土坝施工仿真过程 , 提出了基于 G IS 的混凝土坝 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rig
9、hts reserved.三维动态可视化仿真方法 , 为简化仿真建模及实现仿真过程的可视化开辟了一条新的途径 L2 基于 GIS 的三维动态可视化仿真技术2. 1 三维动态可视化仿真数字模型构造数字建模是 G IS 的基本功能 , 建立一个能充分反映大坝混凝土施工静态与动态时空信息的三维数字模型是实现大坝施工过程可视化的基础 L2. 1. 1 坝在数字地形模型建立地表数字地形模型 (D igital T errain M odel, D TM ) 是整个大坝施工系统三维数字模型的重要组成部分 , 是大坝布置及其施工活动的场所 , 而且其是施工过程中地形动态填挖的受体 L 对地形表面的描述采用较
10、多的是不规则三角网模型 (T riangu lated Irregu lar N etw o rk, T IN ) LT IN 模型是由分散的地形点按照一定的规则构成一系列不相交的三角形组成 , 它能充分表现地形高程变化细节 , 适用于地形较为复杂的地区 L一般水利水电工程所处的地表地形较为复杂 , 采用 T IN 模型建立工程地表 D TM 是合适的 L由地形等高线等原始数据可按一定的算法生成 T IN 模型 8 , 然后进行修正及内插细化 , 从而生成高精度 D TM L2. 1. 2 动态浇筑块数字建模区别于一般的几何模型 , 大坝及临时施工设施等地物实体的数字模型尚需反映其属性信息 ,
11、 几何图形与其属性的一一对应关系的建立可利用 G IS 的空间数据组织结构来实现 L由于实际应用中对建筑物往往只强调物体几何形状的描述 , 因此采用基于面表示的面片结构及边界描述实体三维数据结构是适宜的 9 , 即大坝实体 (或浇筑块 )可表示为多个面围成的曲面体 L同时为反映工程施工的动态过程 , 在其数据结构中除了描述几何特征及属性外 , 还应体现时间特征 L 下面给出的是反映空间形体数据 (Shape)与属性数组一一对应关系的大坝动态施工浇筑块的数据存储结构 :Struct D am Segm en t in t R eco rd_ id 记录号in t Segm en t_ id 坝块
12、标识Char Segm en t_ code 坝块编号D ate Segm en t_ tim e 浇筑时间Shape 3 M u ltipatch_ L ist 浇筑坝块体数组A ttribu tes_ L ist 浇筑块属性数组2. 1. 3 缆机平台、坝基及水垫塘基坑动态开挖地形开挖是工程施工动态过程中不可缺少的环节 L在大坝施工过程中涉及到了缆机平台、坝基基坑及水垫塘坑的动态开挖 L地形开挖表现为 D TM 模型的修改 , 实质上是对地形 T IN 模型进行操作 L实际应用中 , 地形开挖采用了如下方法 : 首先 , 定义能确保与原始地形 T IN 相交的足够大的开挖初始形体面 (一般
13、由开挖边坡及底面组成 ) , 并把其转化为 T IN , 然后把此 T IN 与原始地形 T IN 两者作开挖计算 , 生成相交边界 , 再从地形 T IN 上沿相交线切去开挖初始形体面所包含的地形区域 , 同时从开挖形体 T IN 中以相交线为边界切去多余的开挖边坡区域 , 最后把两个修正后的 T IN 合并 , 构成经开挖后新的地形 D TM L同时 ,在开挖计算过程中可得到开挖区域表面积与开挖体的工程量 L2. 2 基于 GIS 的交互式可视化仿真系统框架结构基于 G IS 系统仿真可视化表现在仿真建模过程中利用 G IS 的信息可视化采集 , 以及在仿真计算过程中基于 G IS 的动态
14、信息可视化表达与显示 L同时 , 在可视化仿真中 , 用户可以通过系统提供的操作界面随着仿真反馈的直观图像结果来同步保持对仿真过程的交互控制 , 直到对所仿真的现象获得理解与洞察 L图1 表示的是一个基于 G IS 的交互式可视化仿真系统的框架结构 , 此框架清晰地反映了 G IS 与系统可视化仿真结合的具体环节 , 以及用户交互控制仿真进程的实现手段 L2. 3 基于 GIS 的仿真数据可视化获取及表达G IS 利用其特有的数字化技术把系统中所有实体对象的空间数据 (图形 )与属性均用数据形式匹配着621 系统工程理论与实践 2003 年 5 月 1995-2005 Tsinghua Ton
15、gfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图 1 基于 G IS 的交互式可视化仿真系统框架贮存于空间数据库中 , 所以得到了实体对象的屏幕图形也就得到了与之相关的空间坐标、拓扑关系及其它相关属性 L 因此 , 利用 G IS 的数据可视化获取就表现为系统仿真建模和计算过程中通过直接访问空间对象获取其相应属性的过程 L 对于大坝施工系统 , 通过访问 G IS 系统建立的数字地表模型和地物等数字实体模型的图形对象 , 就可以为系统仿真提供对应的空间坐标及空间拓扑关系 L 比如 , 大坝浇筑块基础边界的获取就可根据建立的浇筑块与地形数字模型
16、所反映的空间位置及拓扑关系 , 通过自动相交计算得到 , 同时也实现了两者的无缝吻合 L为能达到逼真的显示效果 , 可在三维数字模型上叠加实物的影像数据 , 但实际中影像数据并不容易获得 , 同时为了节省工作量 , 数字模型中地形及建筑物的纹理构造亦可采用人造纹理方法 , 即使用 G IS 软件系统提供的调色板生成较为逼真的纹理进行贴合 , 然后再对模型进行光照等渲染 L实际应用表明此方法具有较好的显示效果 , 能满足工程应用的要求 L同时 , 根据观察者的需要 , 可对三维数字模型可进行绕 X 、 Y、 Z 三轴的任意旋转、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
17、越漫游 , 并可按需要灵活地显示专题图层 , 从而增进对整个混凝土坝施工系统的全局理解 L2. 4 基于 GIS 的三维动态演示方法基于 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 L利用仿真计算模块得到混凝土坝施工系统的动态信息 , 包括时间、建筑物几何形状及其属性等 ,在 G IS 中生成系统某环节动态变化单元 i 对应的图元在任意时刻的面貌 v i (t) , 则 t 时刻的工程施工整体面貌可表示为 V (t) = 6ni= 1v i (t) , n 为总的图元数 Z其中 , v i (t) = f i (x i, y i, z
18、i, t) , 表示在动态施工过程中 , 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 Z把工程施工任意时刻的整体面貌贮存在图形库中 , 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对应的属性信息 , 不断更新绘图变量和属性变量赋值 , 并不断刷新屏幕显示 Z 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 , 便可产生动画效果 , 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 Z3 混凝土坝施工系统仿真建模3. 1 混凝土坝施工系统描述混凝土坝施工过程包含了混凝土制备、混凝土运输、混凝
19、土浇筑等三个环节 , 据此可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等三个子系统 Z在假定混凝土供料充足或一定保证率的条件下 , 可把拌和楼至装料平台运输这一环节简化 , 则混凝土坝施工只需考虑浇筑机械对坝块的浇筑过程 , 这一过程包括了浇筑机械从供料平台至浇筑块的水平运输和垂直运输 , 以及混凝土坝块浇筑的整个工艺流程 Z 对于大体积混凝土坝 , 由于混凝土凝结特性和结构特性的影响 , 为了防止坝体开裂 , 往往采用分缝分层分块浇筑施工 Z 浇筑机械按照一定的坝体上升规则 , 在满足特定约束条件的所有721第 5 期 基于 G IS 的混凝土坝施工三维动态
20、可视化仿真研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图 2 混凝土坝施工仿真循环网络模型坝块中选择一个可浇块进行浇筑 , 同时协助吊装机械作一些辅助吊装工作 , 这是一个循环往复的过程 Z 所以 , 可以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” , 对此可采用系统仿真的思想和方法进行研究 Z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 ,
21、找到某种适宜的分块浇筑顺序和最紧凑的工期 Z 通过改变施工方案 , 可得到各种不同方案的结果 , 然后通过综合比较 , 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 Z3. 2 混凝土坝施工仿真模型3. 2. 1 混凝土坝施工仿真循环网络模型在浇筑施工过程中 , 首先应选择一台浇筑机械 , 再选择一个坝块进行浇筑 Z 浇筑机械选择的原则是选当前闲置机械中工作时间最短的机械 , 浇筑块选择原则是高程最低的筑块优先浇筑 , 没有可浇筑块则机械停歇一个台班 , 之后向供料线请求供料 , 若拌和系统不能及时供料则也停
22、歇 Z 图 2 表示的是混凝土坝浇筑随机循环网络仿真模型 , 此模型中浇筑机械和浇筑块两个实体各有其对应的实体流 (即工序 ) , 两者通过卸料这一共有的环节实现协调统一 Z 工序 i 中 ti, Ri 分别表示每次循环此工序所需的时间均值与方差 Z3. 2. 2 模型约束条件以缆机浇筑方式为例 , 在混凝土坝浇筑施工过程中 , 浇筑机械及浇筑块的选择应满足一定的约束条件 1, 4 Z1) 拟投入浇筑缆机选择原则准备投入浇筑工作的缆机号一般应按仿真最小时钟原则进行选择 Z 当某浇块需两台配合共同进行浇筑时 , 选择确定的两台缆机应同步投入工作 , 否则必须等待一段时间 , 以便使二者同步工作
23、Z2) 浇筑块选择约束条件一旦浇筑机械确定后 , 需考虑下列约束条件确定浇筑块号 : 1)坝体均匀上升原则 Z 坝体升高应按施工条件而确定其优先权 , 通常是优先选择当前可浇筑块中高程最低的块 Z 2)筑块应在缆机控制范围内 Z 3)缆机可浇筑时间约束 Z 4)考虑相邻坝块间允许高差的限制 Z 5)相邻缆机工作干扰的限制 , 相邻两台缆机之间允许有一定的重叠施工范围 , 但工作时 , 相邻两台缆机之间必须保持足够的安全距离 Z821 系统工程理论与实践 2003 年 5 月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All right
24、s reserved.选择拟浇筑块除满足上述条件外 , 还应检查相邻块未拆模部分是否影响该块浇筑 Z 此外 , 也应满足施工中各种特殊要求 , 诸如气温条件对浇筑的影响、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坝块浇筑的限制等 Z4 应用实例研究西南某拟建水电站混凝土双曲拱坝 , 采用“无塔架”型平移式缆机布置 , 设一条混凝土供料线 , 采用通仓浇筑 L 浇筑分层采用基础约束区浇筑块分层厚度为 1. 5m , 非约束区浇筑块分层厚度 3. 0m , 坝体孔口部位分层分块厚度根据孔口高度作局部调整 L 混凝土浇筑浇筑铺层厚度 0. 5m , 平仓振捣机振捣 L 其它详细
25、形体参数、施工参数及机械参数等此处从略 L采用 G IS 软件与 V C+ + 集成开发的混凝土坝施工可视化仿真软件系统 , 对该工程拱坝施工过程进行仿真计算 , 得到不同方案下的施工情况 L 经方案比较分析 , 确定为 4 台缆机方案 , 砼月浇筑强度、逐月累计砼浇筑方量过程曲线见图 3L同时 , 在仿真过程中实现了大坝施工过程的三维动态演示及对仿真结果的三维可视化查询 , 图 4、图 5 是大坝施工典型时刻的面貌及相关信息 L图 3 大坝混凝土浇筑强度与累计曲线图图 4 大坝每半年施工面貌立面图5 结束语针对当前混凝土坝施工仿真技术的缺陷 , 本文提出了基于 G IS 的混凝土坝施工三维动
26、态可视化仿真方法 L 通过对混凝土坝施工过程的仿真 , 不仅可对不同施工方案下各项定量指标进行预测及比较 , 而且可逼真形象地描述混凝土坝施工系统内复杂的时空逻辑关系 , 为混凝土坝施工组织设计与管理提供了一个交互的可视化分析手段 , 从而大大提高了水利水电工程施工组织设计的现代化水平 L921第 5 期 基于 G IS 的混凝土坝施工三维动态可视化仿真研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图 5 混凝土大坝施工典型时刻三维面貌及信息参考文献 :1 朱光熙 , 等 . 缆机浇筑混凝土坝
27、的计算机模拟技术研究 J . 水利学报 , 1984 (2): 62- 71.2 王仁超 , 钟登华 , 查京民 . 高碾压混凝土坝施工过程仿真研究 J . 水力发电学报 , 1995 (1): 25- 37.3 袁光裕 , 晏新春 . 三峡泄洪坝段混凝土施工计算机模拟 J . 武汉水利电力学院学报 , 1992, 25 (1): 38- 44.4 孙锡衡 , 齐东海 . 水利水电工程施工计算机模拟与程序设计 M . 北京 : 水利水电出版社 , 1997.5 钟登华 , 郑家祥 , 刘东海 , 等 . 可视化仿真技术及其应用 M . 北京 : 水利水电出版社 , 2002.6 Ro senb
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