水電工程基于Navisworks的四維施工模擬規(guī)劃研究

李嘯雪，郭 興，宋 朝，王中平

(中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024)

0 前 言

目前，水電工程三維設(shè)計(jì)正處于高速發(fā)展階段，其主要是依托三維設(shè)計(jì)軟件較為真實(shí)地反映構(gòu)筑物形態(tài)，但也存在無法體現(xiàn)建筑物的施工過程這一弊端。四維施工模擬技術(shù)在三維模型的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間信息，可以用于工程建造過程的動(dòng)態(tài)模擬[1]。該理論于1996年由美國斯坦福大學(xué)整合設(shè)施工程中心率先提出[2]，隨后其他國家在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用也相繼開展[3- 4]。當(dāng)前，四維施工模擬作為先進(jìn)的施工管理技術(shù)，已在一些工民建、橋梁、隧洞等試點(diǎn)工程中，以委托科研機(jī)構(gòu)研究的方式探索其應(yīng)用效果[5-7]。第三方商用軟件也配合四維施工模擬方向推出了相關(guān)軟件，如Autodesk公司的Navisworks、Vico Software公司的Virtual Construction、Innovaya公司的Visual Simulation等，都可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入BIM模型信息，實(shí)現(xiàn)四維施工模擬功能[2]。但裝配零件兼容性、人機(jī)交互界面友好性等抑制了一些商用軟件在相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

大型水利水電工程規(guī)模龐大，包含了水工建筑物、工民建、道路、橋梁以及地下洞室群等多種工程類型，涉及工程范圍廣、專業(yè)接口多。目前水電工程領(lǐng)域中采用四維施工模擬技術(shù)較少，本文參考建筑行業(yè)相關(guān)研究，將四維施工模擬技術(shù)應(yīng)用于大型水利水電工程，對(duì)三維施工總布置的地面工程部分和施工總進(jìn)度有機(jī)整合，使其具有施工過程管理的應(yīng)用價(jià)值。AutodeskNavisworks軟件兼容性較好，支持幾乎所有的主流三維設(shè)計(jì)軟件模型文件格式[8]，因此本文基于Navisworks軟件開展了大型水電工程的四維施工模擬規(guī)劃研究。

1 基于Navisworks的三維模型整合

1.1 地形曲面創(chuàng)建及挖填方處理

數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model， DTM)是對(duì)原始地形特征的一種數(shù)字表達(dá)[9]，是工程區(qū)內(nèi)所有建筑物布置及施工活動(dòng)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開展四維施工模擬規(guī)劃前的地形曲面創(chuàng)建及挖填方處理方式與三維設(shè)計(jì)基本一致，主要也是依托Civil 3D等軟件進(jìn)行創(chuàng)建，后期利用Navisworks強(qiáng)大的兼容性，將Civil 3D獲得的施工場(chǎng)地、道路等三維曲面最終成果，轉(zhuǎn)化成三角網(wǎng)顯示格式導(dǎo)入Navisworks。

由于各三維基礎(chǔ)處理曲面是基于同一個(gè)三維地形曲面通過填挖方計(jì)算得到，因此，為便于后期對(duì)各曲面單獨(dú)附著不同的進(jìn)度時(shí)間段，需要對(duì)每個(gè)曲面分別建立文件，單獨(dú)導(dǎo)入Navisworks。由于Navisworks平臺(tái)不具有繪圖或修改等編輯圖形對(duì)象的功能，因此三維曲面設(shè)計(jì)成果應(yīng)在導(dǎo)入Navisworks之前按照最終成果需要呈現(xiàn)的精度進(jìn)行事先的剖分，這與三維實(shí)體文件可在Navisworks中剖分顯示有本質(zhì)差別。

1.1.1 道路曲面預(yù)處理

道路工程屬線性工程，開展四維立體式施工規(guī)劃前需按照最終成果需要的顯示精度對(duì)每條場(chǎng)內(nèi)道路全長進(jìn)行剖分，再分段導(dǎo)入Navisworks；要求施工進(jìn)度控制的精度越高，道路的每段分割長度越小。以道路施工強(qiáng)度分割道路模型見圖1。

圖1 以道路施工強(qiáng)度分割道路模型

1.1.2 渣場(chǎng)曲面預(yù)處理

各渣場(chǎng)堆渣進(jìn)程與工程土石方開挖進(jìn)度成正相關(guān)。為真實(shí)反應(yīng)工程區(qū)地貌隨工程進(jìn)度變化，需要綜合分析工程的土石方平衡資料，對(duì)各棄渣場(chǎng)的填筑形象增加一個(gè)時(shí)間維度，綜合分析計(jì)算堆渣體上升速度并分別求出對(duì)應(yīng)的渣場(chǎng)形象曲面導(dǎo)入Navisworks，也可將按高程計(jì)算獲得的渣場(chǎng)進(jìn)度形象導(dǎo)入Navisworks。

1.1.3 地形曲面預(yù)處理

僅將按照最終成果進(jìn)度精度分割后的場(chǎng)內(nèi)道路、分別計(jì)算的渣場(chǎng)曲面、水庫正常蓄水位高程的水平面、原始地形曲面和施工場(chǎng)地導(dǎo)入Navisworks，并不能完成地面工程模型的三維曲面整合工作。導(dǎo)入Navisworks的全部三維曲面組默認(rèn)以CAD圖元中自帶的高程參數(shù)顯示，而在挖方的施工場(chǎng)地區(qū)域，原始地面高程高于挖方后形成的場(chǎng)地，施工場(chǎng)地曲面被原始地面覆蓋或消隱，不能正常顯示。因此，必須對(duì)地形曲面上施工場(chǎng)地對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理，例如提取地形曲面與施工場(chǎng)地交線，將地形曲面上的施工場(chǎng)地對(duì)應(yīng)區(qū)域消除，或?qū)⒌匦吻嫔鲜┕?chǎng)地對(duì)應(yīng)區(qū)域的高程降低至設(shè)計(jì)高程以下。此外，不同標(biāo)段施工場(chǎng)地的啟用和基礎(chǔ)處理時(shí)間節(jié)點(diǎn)相差較大，故針對(duì)各施工場(chǎng)地的地形曲面預(yù)處理工作應(yīng)在不同的地形曲面上進(jìn)行，并根據(jù)標(biāo)段進(jìn)場(chǎng)先后順序?qū)Φ匦晤A(yù)處理。開工時(shí)間較晚的標(biāo)段對(duì)應(yīng)的地形曲面應(yīng)包含前期地形上已經(jīng)改變的所有地貌，反之開工時(shí)間較早的標(biāo)段對(duì)應(yīng)的地形曲面不應(yīng)包含后期地形上將改變的地貌。

圖2 模型顯示效果

1.2 實(shí)體模型整合

所有三維實(shí)體模型導(dǎo)入Navisworks時(shí)，坐標(biāo)點(diǎn)、比例以及旋轉(zhuǎn)角度均可以變化，也可通過點(diǎn)選模型后出現(xiàn)的坐標(biāo)軸進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整建筑物模型朝向，或隱藏建筑物，這些功能可提升輔助性工民建建筑物整合后在模型中的美觀程度。三維實(shí)體模型在Navisworks中利用Animator模塊設(shè)置剖分路徑，可對(duì)該建筑物的建設(shè)過程進(jìn)行示意，但類似的建設(shè)過程示意不能嚴(yán)格與進(jìn)度計(jì)劃對(duì)應(yīng)，且不便于后期施工項(xiàng)目管理時(shí)對(duì)該建筑物單元工程的過程控制。因此，為保證四維立體式施工規(guī)劃模型精度，應(yīng)在三維實(shí)體建模時(shí)盡量精確，并按照施工強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的施工進(jìn)度，分區(qū)設(shè)計(jì)實(shí)體模型。

圖4 Timeliner中的進(jìn)度計(jì)劃附著

2 施工進(jìn)度模型鏈接與模型渲染

2.1 施工進(jìn)度模型嵌入

在四維施工模擬規(guī)劃中，將施工進(jìn)度數(shù)據(jù)嵌入三維模型是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。Navisworks支持多種進(jìn)度安排軟件，如Primavera Project Management4～6、Microsoft Project MPX、Primavera P6(Web服務(wù))、Primavera P6 V7(Web服務(wù))及CSV文件(Excel的一種文件存儲(chǔ)格式)[10]。借助軟件中的TimeLiner模塊對(duì)導(dǎo)入的三維曲面及實(shí)體與嵌入的進(jìn)度文件相關(guān)聯(lián)，為每一個(gè)對(duì)象設(shè)置起始時(shí)間和終止時(shí)間，顯示模式可定義為建設(shè)、拆除等不同模式。應(yīng)用Animator模塊可以進(jìn)行更加細(xì)部的施工機(jī)械運(yùn)動(dòng)軌道編輯，如塔機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、運(yùn)載汽車的行駛等，從而使整個(gè)四維立體式施工規(guī)劃模型的效果更加逼真。

2.2 模型渲染

為使整合后的工程區(qū)范圍內(nèi)地面工程三維模型形象盡可能貼近實(shí)際工程，在Navisworks軟件的整合模型中分別定義草地、水域、瀝青混凝土路面、面板堆石壩、場(chǎng)地硬化以及堆渣體等多種材質(zhì)，將各三維曲面組和三維實(shí)體與定義的材質(zhì)關(guān)聯(lián)，并適當(dāng)渲染。渲染前后模型形象見圖3。

圖3 模型渲染

3 沂蒙地面工程四維施工模擬規(guī)劃研究

沂蒙抽水蓄能電站地面工程四維施工模擬規(guī)劃研究，以初步創(chuàng)建地面工程四維立體式施工規(guī)劃模型，可動(dòng)態(tài)顯示施工區(qū)內(nèi)每3個(gè)月的地面工程節(jié)點(diǎn)形象為預(yù)期成果。

本文重點(diǎn)對(duì)上下水庫大壩、場(chǎng)內(nèi)永久道路以及渣場(chǎng)按照平均施工強(qiáng)度估算每3個(gè)月的節(jié)點(diǎn)進(jìn)度，對(duì)三維設(shè)計(jì)得到的三維曲面和三維實(shí)體進(jìn)行分割，并結(jié)合各標(biāo)段施工場(chǎng)地的進(jìn)度計(jì)劃對(duì)地形曲面預(yù)處理后導(dǎo)入Navisworks。在初步創(chuàng)建的沂蒙地面工程四維施工模擬規(guī)劃模型中鏈接施工進(jìn)度，本文采用直接在Navisworks中的Timeliner模塊編輯施工進(jìn)度，每項(xiàng)Timeliner模塊中的任務(wù)以施工時(shí)間段(或施工時(shí)間段+項(xiàng)目名稱)命名，選取該時(shí)間段施工的項(xiàng)目形象文件，附著在相應(yīng)任務(wù)內(nèi)，見圖4。根據(jù)模型需要添加拆除、構(gòu)造以外的任務(wù)類型，本文創(chuàng)建了針對(duì)過程地形文件的始終顯示任務(wù)類型，對(duì)最終地形文件、正常蓄水水面文件的始終顯示2類型，以及大壩澆筑過程的任務(wù)類型，并分別設(shè)置其外觀參數(shù)。

基于Navisworks初步創(chuàng)建了沂蒙抽水蓄能電站地面工程四維施工模擬規(guī)劃模型，模型與設(shè)計(jì)階段的施工進(jìn)度計(jì)劃相關(guān)聯(lián)，可動(dòng)態(tài)顯示計(jì)劃進(jìn)度下的施工區(qū)內(nèi)每三個(gè)月地面工程的節(jié)點(diǎn)形象。此外，可將施工期單項(xiàng)工程隨現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度調(diào)整后的實(shí)際開始時(shí)間和實(shí)際結(jié)束時(shí)間導(dǎo)入Navisworks中的Timeliner模塊，使播放模式由計(jì)劃進(jìn)度變?yōu)閷?shí)際進(jìn)度，便于施工期項(xiàng)目管理。

4 結(jié) 論

四維施工模擬規(guī)劃較好地融合了施工組織設(shè)計(jì)中施工總布置與施工總進(jìn)度兩項(xiàng)核心內(nèi)容，該表現(xiàn)形式不僅更趨客觀真實(shí)，也有利于施工期項(xiàng)目管理。本文探索了Navisworks軟件在大型水電工程四維施工模擬規(guī)劃中的應(yīng)用，并基于Navisworks初步創(chuàng)建了沂蒙抽水蓄能電站地面工程四維施工模擬規(guī)劃模型。整個(gè)研究過程表明，Navisworks具有較好的兼容性，能夠?qū)utodesk系列的其他軟件如CAD、Civil 3d、Inventor、Revit等應(yīng)用創(chuàng)建的二維、三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與施工總進(jìn)度設(shè)計(jì)成果進(jìn)行融合，該軟件可作為水電工程四維施工模擬規(guī)劃的良好設(shè)計(jì)平臺(tái)。未來四維施工模擬規(guī)劃應(yīng)繼續(xù)探索地下工程的整合與展現(xiàn)方式，并著重體現(xiàn)施工技術(shù)方案，尋求與施工仿真模擬計(jì)算結(jié)合的可能性，使其具有更好的施工指導(dǎo)意義。

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