基于DELMIA的碾壓混凝土拱壩施工過程仿真

宋永軍 李厚峰 毛擁政 王云濤 鄭華波 王建寧

摘要：采用DELMIA軟件將施工仿真應(yīng)用到碾壓混凝土拱壩，將施工過程可視化和數(shù)據(jù)化。采用這種仿真模擬技術(shù)對(duì)施工過程進(jìn)行仿真，變更參數(shù)、修改方案比較容易，可優(yōu)化施工機(jī)械配置、施工技術(shù)參數(shù)和施工方案。DELMIA的DPM模塊充分利用“數(shù)字樣機(jī)”的三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在三維基礎(chǔ)上的3D方案規(guī)劃，并對(duì)項(xiàng)目施工過程、資源分配、節(jié)點(diǎn)管控等進(jìn)行三維可視化模擬并驗(yàn)證。可視化仿真創(chuàng)建方法實(shí)現(xiàn)了仿真建模、模型處理、仿真過程和仿真結(jié)果的可視化。DELMIA的QUEST模塊用離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型來動(dòng)態(tài)仿真，將系統(tǒng)工程中的排隊(duì)理論和實(shí)際邏輯約束相結(jié)合，得到與實(shí)際情況基本一致的仿真結(jié)果。研究了基于DELMIA的高碾壓混凝土拱壩施工過程仿真與優(yōu)化的理論方法及其應(yīng)用。通過DELMIA的DPM模塊研究實(shí)現(xiàn)了碾壓混凝土拱壩施工過程的動(dòng)態(tài)可視化仿真;通過施工安全仿真，促進(jìn)施工輔助設(shè)施的設(shè)計(jì)，保障了人員操作的安全;實(shí)現(xiàn)了施工計(jì)劃的三維關(guān)聯(lián)和查詢。利用DELMIA的QUEST模塊建立了混凝土施工交通運(yùn)輸系統(tǒng)排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，利用離散分析技術(shù)解決了混凝土運(yùn)輸?shù)呐抨?duì)問題。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土拱壩;可視化;離散事件;動(dòng)態(tài)仿真

中圖分類號(hào)：TV642.2;TV511 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

可視化仿真（Visual Simulation）技術(shù)是計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合形成的一種新型仿真技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是采用圖形或圖像方式對(duì)仿真計(jì)算過程進(jìn)行跟蹤、控制和結(jié)果處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)仿真軟件界面的可視化，具有迅速、高效、直觀、形象的特點(diǎn)?？梢暬抡婕夹g(shù)在土石壩、常態(tài)混凝土壩（重力壩和拱壩）以及碾壓重力壩等常規(guī)壩型的施工仿真方面應(yīng)用較多[1-4]，但將其應(yīng)用到三河口水利樞紐這樣的高碾壓混凝土拱壩施工仿真在國內(nèi)水利工程尚屬首例。三河口水利樞紐項(xiàng)目采用的可視化仿真軟件是引進(jìn)法國達(dá)索Dassault公司開發(fā)的DELMIA-DPM、DELMIA-QUEST。QUEST解決物料規(guī)劃問題，可有效地解決離散事件仿真，DPM解決工藝仿真問題，DPE解決工藝規(guī)劃問題，底層由數(shù)據(jù)庫Oracle支持。DELMIA涵蓋了諸多工業(yè)領(lǐng)域，但關(guān)于其在混凝土大壩工程上應(yīng)用的文獻(xiàn)較少。

水利水電工程施工過程可視化仿真，是對(duì)水利水電工程各個(gè)工序的施工過程進(jìn)行模型建立和仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的動(dòng)態(tài)化、可視化，直觀顯示施工的整個(gè)過程，通過調(diào)整參數(shù)進(jìn)行方案優(yōu)化，為合理決策提供支持的一種方法。高碾壓混凝土拱壩施工是一個(gè)復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)變數(shù)較多，例如混凝土運(yùn)輸設(shè)備、混凝土運(yùn)輸?shù)缆?、混凝土拌和系統(tǒng)及設(shè)備狀況等都存在不確定因素。而混凝土運(yùn)輸強(qiáng)度與大壩的施工進(jìn)度、施工資源的配備密切相關(guān)，因此必須采用系統(tǒng)分析的方法進(jìn)行全過程分析。鑒于此，筆者探索將可視化仿真技術(shù)應(yīng)用于高碾壓混凝土拱壩，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行仿真研究，實(shí)現(xiàn)高碾壓混凝土拱壩的施工過程仿真。

1 工程概況

三河口水利樞紐為引漢濟(jì)渭工程的兩個(gè)水源之一。壩址位于佛坪縣與寧陜縣交界的子午河峽谷段，在椒溪河、蒲河、汶水河交匯口下游2km處。三河口水利樞紐由攔河大壩、泄洪建筑物、下游供水系統(tǒng)等組成。碾壓混凝土拱壩體型采用拋物線雙曲拱壩，拱壩壩頂高程為646.0m，壩底高程為501.0m，最大壩高145.0m，壩頂寬9.0m，壩底厚37.0m，壩頂上游弧長500.9m。泄洪建筑物由壩身泄洪表孔、泄洪底孔及下游消能防沖建筑物等組成。泄洪表孔及泄洪底孔均布置在拱壩壩身。采用“三表孔兩底孔”間隔布置的格局。表孔堰頂高程為628.0m，孔口尺寸15m×15m（寬×高）：底孔高程為550.0m，孔口尺寸4m×5m（寬×高）。壩下游布置長200m的鋼筋混凝土消力塘。供水系統(tǒng)由進(jìn)水口、壓力管道、廠房、供水閥室、尾水系統(tǒng)、連接洞組成。大壩澆筑分塊見圖1。

2 基于DELMIA的可視化仿真建模

壩體模型分區(qū)與施工緊密相關(guān)，對(duì)建模過程中系統(tǒng)各種因素進(jìn)行詳細(xì)分析，建立施工模型的邏輯輸入。

DPM為數(shù)字化制造流程，可以對(duì)碾壓混凝土大壩施工工藝流程中的一些基本狀況進(jìn)行模擬，由此可以判斷是否發(fā)生碰撞及資源短缺等情況，為工藝方案的優(yōu)化提供充分的理論依據(jù)。

結(jié)合拱壩的施工時(shí)段進(jìn)行道路系統(tǒng)和運(yùn)輸能力定量分析。QUEST軟件把車輛（裝貨/卸貨/岔道）需滯留的時(shí)間設(shè)置在各個(gè)實(shí)際車輛實(shí)體中，而將所有投入運(yùn)行的車輛、線路及壩體碾壓視為符合實(shí)際運(yùn)作邏輯的隨機(jī)事件的綜合。通過對(duì)施工模型參數(shù)的調(diào)整（如改變施工設(shè)備類型、設(shè)備數(shù)量及運(yùn)輸路線等），再在QUEST軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，得出不同工藝方案所仿真出來的不同施工進(jìn)度結(jié)果，以及拱壩不同施工時(shí)段的混凝土運(yùn)輸強(qiáng)度指標(biāo)，從而評(píng)估計(jì)劃的可行性及施工方案的優(yōu)劣。

通過QUEST的仿真，還能直觀地檢測(cè)到工序之間的相互關(guān)系，查看工序瓶頸（如道路擁堵、倉庫容積過小、車輛太多等），從而優(yōu)化施工工藝，達(dá)到提高產(chǎn)能、節(jié)約成本的目的。

3 基于DELMIA的可視化仿真工程應(yīng)用

3.1 實(shí)現(xiàn)施工計(jì)劃的三維關(guān)聯(lián)和查詢

碾壓混凝土大壩施工不僅包含復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備及種類繁多的物資、人力資源，而且受自然條件和社會(huì)環(huán)境等各種因素的影響，碾壓混凝土壩施工系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了施工組織設(shè)計(jì)與管理難度大。為實(shí)現(xiàn)碾壓混凝土壩施工機(jī)械化、程序化、標(biāo)準(zhǔn)化及專業(yè)化，需要編制合理的施工進(jìn)度計(jì)劃，施工進(jìn)度計(jì)劃不僅與施工組織設(shè)計(jì)的其他組成部分（施工方法、技術(shù)供應(yīng)、導(dǎo)流度汛）相協(xié)調(diào)，而且與工藝水平和組織方式密切相關(guān)。在施工組織中，只有充分考慮各種因素、各個(gè)系統(tǒng)的相互聯(lián)系，才能制定行之有效的施工進(jìn)度和合理的施工方案。

在碾壓混凝土壩施工組織設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的方法是根據(jù)初擬的施工方案及設(shè)備計(jì)算出月澆筑強(qiáng)度及資源需要。這種粗略的處理方法缺乏系統(tǒng)分析論證，精度不高，任意時(shí)刻的量化問題得不到解決，在進(jìn)行多方案比選時(shí)，每種方案需要不斷調(diào)整參數(shù)，耗時(shí)費(fèi)力。

基于DELMIA對(duì)碾壓混凝土拱壩施工過程和各人倉方式的混凝土運(yùn)輸強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，可為大壩施工進(jìn)度分析提供一個(gè)直觀簡便的可視化工具。CATIA模型在幾何信息層面上是3D的，本次研究把時(shí)間這個(gè)維度加入到CATIA模型中去，就能夠得到一個(gè)4D的模型，可直觀反映施工過程中復(fù)雜的時(shí)空邏輯關(guān)系，揭示施工系統(tǒng)仿真內(nèi)部動(dòng)態(tài)行為特征，可以預(yù)測(cè)任意時(shí)刻大壩的施工面貌、進(jìn)度和工期情況。當(dāng)模擬施工到達(dá)某一步驟時(shí)，這一步驟所有的人、材、機(jī)資源配置信息將與模型施工進(jìn)度完全吻合。輸入任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)，能直觀展示該節(jié)點(diǎn)的工程面貌，實(shí)現(xiàn)直觀查看施工計(jì)劃調(diào)整后的工程面貌。

利用QUEST的仿真數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)工序進(jìn)行仿真，根據(jù)工序計(jì)劃的澆筑順序，及實(shí)際的工程約束，推算各塊澆筑的最快可能澆筑日期，編程進(jìn)行模擬，進(jìn)行可視化進(jìn)度展示與查詢。根據(jù)推算的結(jié)果，匯總每個(gè)月總的上壩混凝土量，計(jì)算計(jì)劃強(qiáng)度、生產(chǎn)運(yùn)輸強(qiáng)度，繪制圖2所示的柱狀圖。

該仿真碾壓混凝土工期比計(jì)劃工期提前了半年，表孔常態(tài)混凝土工期比計(jì)劃工期提前了2個(gè)月。因?yàn)樵摲抡嫖纯紤]倉面空間、倉面作業(yè)時(shí)間及自然條件的影響等，所以碾壓混凝土及常態(tài)混凝土澆筑仿真計(jì)算結(jié)果比計(jì)劃工期有所提前。分析仿真結(jié)果認(rèn)為，其與計(jì)劃工期基本相符，說明該軟件開發(fā)是成功的，所取施工參數(shù)和邊界條件符合三河口拱壩施工實(shí)際，能用于指導(dǎo)后續(xù)拱壩施工，并進(jìn)行合理、準(zhǔn)確的進(jìn)度預(yù)測(cè)。

3.2 實(shí)現(xiàn)拱壩施工關(guān)鍵工藝三維仿真

碾壓混凝土大壩施工與機(jī)械設(shè)備配置、物料供應(yīng)、施工工藝等因素有關(guān)?；炷寥雮}的運(yùn)輸路徑、設(shè)備的選型比較繁瑣，工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)承建單位及作業(yè)面眾多，施工過程中難免水平、垂直多個(gè)維度交叉作業(yè)。通過三維仿真展示作業(yè)面工作情況，利用三維仿真環(huán)境在施工組織階段定義和預(yù)演建設(shè)流程，可以直觀清楚地看到整個(gè)工藝過程的實(shí)施情況，提前發(fā)現(xiàn)問題并找到解決辦法，避免在施工過程中才發(fā)現(xiàn)問題，影響施工進(jìn)度，從而大大提高工作效率，減少真實(shí)施工中的變更，合理安排施工資源，驗(yàn)證設(shè)備布置和施工程序的合理性。

本次施工關(guān)鍵工藝仿真，分別對(duì)514m以下、514～550m、550～570m、570m以上等高程段不同的碾壓混凝土入倉路徑、入倉方式及表孔、底孔、進(jìn)水口等常態(tài)混凝土進(jìn)行了DELMIA施工仿真模擬，澆筑方案見圖3～圖6。通過這些仿真模擬，對(duì)施工方案進(jìn)行了驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了有關(guān)場(chǎng)地規(guī)劃布置合理性、設(shè)備空間碰撞干涉、設(shè)備有效操作可達(dá)范圍等問題，并據(jù)此對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

圖3～圖6展示了514m以下、514～550m、550～570m、570m以上高程碾壓混凝土的入倉方式、碾壓混凝土從料場(chǎng)到壩前平臺(tái)的運(yùn)輸過程以及機(jī)具設(shè)備的配合施工，還展示了表孔常態(tài)混凝土梭式布料機(jī)入倉方式，底孔常態(tài)混凝土入倉方式，進(jìn)水口常態(tài)混凝土人倉方式的施工。經(jīng)過模擬，得出以下結(jié)論：514m高程以下自卸汽車入倉是可行的，道路設(shè)計(jì)滿足施工要求，倉面上各種設(shè)備的配合是合理的;514～550m、550～570m高程道路設(shè)計(jì)滿足施工要求，皮帶機(jī)布置位置合理，機(jī)具設(shè)備銜接流暢，皮帶機(jī)傾角合理;570m高程以上滿管溜槽位置布置合理，角度合適，滿足施工要求;進(jìn)水口壩前牛腿常態(tài)混凝土拖泵MZQ1000門機(jī)布置合理;底孔壩前、后牛腿拖泵、M1500塔機(jī)布置合理。表孔常態(tài)混凝土梭式布料機(jī)入倉方式，布設(shè)兩臺(tái)梭式布料機(jī)進(jìn)行澆筑時(shí)，在原布設(shè)位置下，表孔的4個(gè)角一部分以及進(jìn)水口、電梯井澆筑不到，而在布設(shè)了臂長達(dá)到70m的塔機(jī)后，所有部位均可覆蓋到。從模擬場(chǎng)景來看，塔機(jī)似乎在5#橫縫位置再往左岸方向略移，澆筑范圍更合理。

4 結(jié)語

通過可視化仿真，可以提高碾壓混凝土壩施工組織的科學(xué)化、現(xiàn)代化及進(jìn)度管理的信息化和精細(xì)化水平[5]，為該工程現(xiàn)場(chǎng)施工組織與控制提供技術(shù)支持;有助于提高設(shè)備利用率、優(yōu)化施工方案、節(jié)約工程投資和保證項(xiàng)目的可實(shí)施性，滿足現(xiàn)代施工組織及管理發(fā)展的要求。施工過程仿真已經(jīng)由一種輔助設(shè)計(jì)工具逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟雺夯炷凉皦喂こ淌┕ひ?guī)劃、施工組織設(shè)計(jì)及施工管理中不可缺少的技術(shù)手段。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在高碾壓混凝土拱壩施工中的應(yīng)用前景廣闊，進(jìn)一步豐富了高碾壓混凝土拱壩施工過程仿真系統(tǒng)軟件的實(shí)用功能，對(duì)提高碾壓混凝土拱壩施工組織和管理水平有著十分重要的意義。

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