邕寧水利樞紐一期臨時土石圍堰施工仿真及BIM可視化

李 瑛，林楚凌，惠建偉，賀昌海

(1.中鐵二十局集團第六工程有限公司，西安 710016；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

系統(tǒng)仿真又稱系統(tǒng)模擬，G W Morgenthler[1]首次提出了仿真的概念并對其做了技術解釋。隨后，國內(nèi)外學者利用系統(tǒng)仿真技術在混凝土壩施工、土石壩施工、地下工程施工、高邊坡施工等方面進行了廣泛的研究，并取得了豐碩成果[2]。20世紀90年代，國內(nèi)學者對土石壩的施工系統(tǒng)進行了研究，針對壩體填筑和物料運輸子系統(tǒng), 考慮機械配置、運輸設備生產(chǎn)率、施工工期等要求，對壩體填筑過程進行仿真研究，并應用于瀑布溝等高土石壩工程，取得了良好效果[3]。21世紀初，利用多種方法對土石壩等進行了更加深入的研究。例如，陳先明等[4]針對土石壩施工運輸系統(tǒng)存在的模糊性，提出了基于元胞自動機模型的施工運輸系統(tǒng)的模糊仿真方法，將運輸系統(tǒng)的時間、空間和系統(tǒng)行為有機聯(lián)系起來，形象、直觀、精確地完成運輸系統(tǒng)的仿真。鐘登華等[5]對土石壩施工中的運輸上壩子系統(tǒng)和壩面填筑子系統(tǒng)的施工過程進行了系統(tǒng)描述，提出將二者有機結合起來進行一體化仿真方法。劉珊珊等[6]在傳統(tǒng)的堆石壩全過程施工仿真計算的基礎上，建立了施工實時動態(tài)仿真模型，用數(shù)值仿真技術、循環(huán)網(wǎng)絡仿真技術、數(shù)據(jù)庫動態(tài)連接技術等手段，實現(xiàn)了堆石壩施工模擬起點的任意性。舒華英等[7]建立了施工截流運輸系統(tǒng)的賦時Petri網(wǎng)模型，并研究了其仿真實現(xiàn)方法。近10年來，仿真研究更加精細化，更加貼近實際施工。例如，鐘登華等[8]針對高心墻堆石壩壩面碾壓系統(tǒng)，提出了以填筑單元為仿真單位的碾壓施工仿真理論，建立了反映碾壓過程中不確定因素的精細化仿真模型，并應用于糯扎渡心墻堆石壩工程。針對瀝青混凝土心墻壩，將實時監(jiān)測得到的施工數(shù)據(jù)融入仿真模型，從而高了仿真的可靠性[9]。堆石壩傳統(tǒng)的施工仿真將倉面碾壓施工簡化為單一的、確定的過程，為此，杜榮祥等[10]提出了考慮倉面實時監(jiān)控厚度影響的倉面施工仿真方法。在三維建模及仿真結果可視化方面，早期主要利用GIS和3D-MAX等軟件[11]，但是，隨著BIM在工程技術領域的應用[12-14]，水電工程施工仿真領域發(fā)展迅速。例如，針對基于GIS等軟件構建三維模型精度不高、不易修改等問題，鐘登華等[15]建立了基于CATIA的心墻堆石壩施工仿真系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了基于堆石壩施工場景的遠程交互。針對混凝土壩澆筑仿真建模效率不高的問題，王仁超等[16,17]提出了基于BIM的混凝土壩澆筑仿真智能建模方法。

總的來說，系統(tǒng)仿真技術發(fā)展較快，成果豐碩，但是針對水利工程圍堰施工，特別是結合BIM技術對其進行研究的仿真成果較為罕見。本文以邕寧水利樞紐一期臨時土石圍堰為例，考慮圍堰施工工期非常緊張，從精細化施工的目的出發(fā)，建立圍堰施工運輸系統(tǒng)模型，優(yōu)選施工方案，并利用BIM實現(xiàn)圍堰施工可視化，研究具有重要的實際意義。

1 工程簡介

邕寧水利樞紐工程按水庫庫容劃分屬大型水庫，樞紐工程等別為Ⅱ等，主要建筑物包括攔河壩、13孔閘壩、發(fā)電廠房等，正常蓄水位67 m，總庫容7.1 億m3。

工程施工采用分期導流方法，一期導流包括一期臨時土石圍堰和一期度汛圍堰。一期臨時圍堰由上、下游橫堰和縱堰組成，堰體均采用土石結構型式。在不考慮護坡、二級子堰等次要部位的情況下，其主要分為上、下游橫向圍堰、縱向圍堰、裹頭四個重要組成部分，這四部分又細分為土石區(qū)及塊石區(qū)。一級堰體填筑高程63.60 m，總長度981.90 m，最大堰高20.64 m，堰體頂寬46.84 m，填筑量約136 萬m3，塊石區(qū)填筑總量46.83 萬m3，土石區(qū)填筑總量89.14 萬m3。一期臨時土石圍堰平面布置和特性見圖1和表1，堰體填筑見圖2。

圖1 一期臨時土石圍堰平面布置圖Fig.1 Layout of the 1st stage temporary cofferdam

2 方案擬定

一期臨時土石圍堰具有施工工期緊、施工強度高、水深大等特點，堰體及裹頭的組成部分和材料分區(qū)選擇性較大，施工次序的安排較復雜。以上特點對圍堰整體填筑過程施工組織設計方案提出了較高要求，初步擬定三種施工方案進行優(yōu)化研究。

表1 一期臨時土石圍堰特性Tab.1 The characteristics of the temporary cofferdam

圖2 堰體填筑平面示意圖Fig.2 Sketch of the cofferdam filling

根據(jù)工程經(jīng)驗及工程特點，初步設定：運輸過程保持4～6 m安全距離；為防沖刷，施工開始時控制土石區(qū)工作面滯后塊石區(qū)工作面2個工作日；日有效工作時間20 h，月有效工作時間28～30 d；裝載臺數(shù)按料場最大值容納值取3，堤頭卸料點數(shù)取4；自卸汽車總數(shù)40，并根據(jù)不同方案對每個區(qū)域進行配置。

2.1 順序填筑方案

施工方法：上下游同步施工，合龍后再填筑裹頭(表2)。

表2 順序填筑方案機械配置參數(shù)Tab.2 Parameters of the mechanical configuration for the sequential filling scheme

2.2 并序填筑方案1

施工方法：上游施工至橫堰，機械分流一半至裹頭處；裹頭完成后，上游施工強度及機械配置恢復直至合龍；下游施工強度及機械配置不變(表3)，部分對稱區(qū)域在表中僅列出單側。

表3 并序填筑方案1機械配置參數(shù)表Tab.3 Parameters of the mechanical configuration for the parallel filling scheme 1

2.3 并序填筑方案2

施工方法：上游施工至橫堰后，全機械填筑裹頭；裹頭完成后，上游縱堰開始填筑至合龍；下游施工強度及機械配置不變(表4)，部分對稱區(qū)域在表中僅列出單側。

表4 并序填筑方案2機械配置參數(shù)表Tab.4 Parameters of the mechanical configuration for the parallel filling scheme 2

3 仿真計算

3.1 模型假定

為了降低模型構造難度，方便計算和分析，對實際工程系統(tǒng)做以下簡化。

①假定相近料場為同一料源地，且料場供應充足；②圍堰可以同時進行各區(qū)填筑，道路相對獨立、互不干擾，根據(jù)施工穩(wěn)定性要求，施工開始時，土石區(qū)工作面滯后塊石區(qū)工作面2個工作日；③假定圍堰各區(qū)施工地質條件基本一致，不考慮圍堰周圍不良地質情況的限制；④連續(xù)施工，每個有效工日取20 h；⑤為方便施工而布置的運輸輔道，可不計入仿真工期；⑥不考慮初期準備工作不完善對進度產(chǎn)生的影響；⑦填筑系統(tǒng)相對運輸系統(tǒng)距離較短，并非圍堰施工仿真系統(tǒng)的主導因素，不考慮填筑系統(tǒng)偶然性造成的影響。

3.2 相關參數(shù)

假定該工程的隨機變量服從正態(tài)分布。

道路運輸用時：取自卸汽車的空返速度為40 km/h和重運速度為30 km/h。方差根據(jù)工程經(jīng)驗確定為0.2，均值為：

(1)

式中：L為行駛距離，km；依據(jù)圍堰分區(qū)略有不同，根據(jù)設計施工方案進行選取；V為汽車在不同情況下的行駛速度，km/h，考慮汽車重運和空返兩種情況。

卸料用時：自卸汽車在堤頭卸料受操作人員的熟練程度和精神狀態(tài)、車輛性能及工作面上的指揮協(xié)調(diào)等多方面因素的影響。卸料用時由工程經(jīng)驗及現(xiàn)場環(huán)境決定，塊石區(qū)卸車平均用時5 min，土石區(qū)2 min，方差取0.2。裝料用時：裝料用時的影響因素與卸料用時類似。根據(jù)工程經(jīng)驗，一輛自卸汽車裝料用時均值取8.5 min，方差取0.5。

自卸汽車平均利用率：

(2)

式中：QT為自卸汽車平均利用率；NT為自卸汽車數(shù)量；TT為自卸汽車工作時間，即：除去排隊等待時長后，裝料過程、重運過程、卸料過程和空返過程的所用時長的累計；T為區(qū)段用時。

裝載臺利用率為：

(3)

式中：QU為自卸汽車利用率；NU為裝載臺數(shù)量；TU為裝載機工作時間。為各個車輛的服務時間累積之和；T為區(qū)段用時。

堤頭卸料點利用率：

(4)

式中：QD為卸料點利用率；ND為允許同時卸料汽車數(shù)量；TD為卸料總時長；T為區(qū)段用時。

3.3 模型建立

對于圍堰施工這種離散系統(tǒng)進行分析，往往使用基于蒙特卡洛原理的隨機仿真法。其核心思路是通過“仿真鐘”具象化“仿真時間”的推進過程，針對實際工程特點，采用事件步長法更具有優(yōu)越性，模擬流程參見圖3。

圖3 事件步長法模擬流程Fig.3 Simulation process of the event step method

3.4 程序設計

使用C語言編程。首先，定義了活動對象，即自卸汽車數(shù)組、裝載臺數(shù)組、堤頭卸料點數(shù)組，并給每一個對象進行了編號，用以區(qū)別不同的車次和服務臺。其次，定義了自卸汽車的6個狀態(tài)：等待裝料裝料、自卸汽車重運、等待卸料、卸料、自卸汽車空返，方便后續(xù)程序統(tǒng)計自卸汽車各個狀態(tài)的時長。最后，定義了裝料臺和堤頭卸料點的兩個不同狀態(tài)：工作及空閑，用以統(tǒng)計各個服務臺的工作時長及排隊時長。此外，考慮到道路運輸過程的安全車距，加入最小發(fā)車時長，從而控制車輛安全間隔；考慮到隨機變量的影響，對每輛車和每個服務臺的運行時間均設置了服從正態(tài)分布，即每次計算結果都不是定值，且都在分布范圍內(nèi)波動；考慮到計算過程的高效性，增添了批量處理功能；考慮到仿真計算有時可能需要校核計算過程，加入了顯示計算過程的計算功能，方便對關鍵部分進行核驗。

3.5 結果分析

在圍堰施工過程中，不同施工材料區(qū)段堤頭卸料點卸料時間存在較大區(qū)別，為了保證仿真的真實性，分為塊石區(qū)和土石區(qū)分別進行仿真計算。將各個工況的裝載時長和卸料時長參數(shù)，以及各個方案中不同區(qū)段的運輸時長輸入程序計算，3個比選方案的裝載工作時間及堤頭卸料點工作時間基本不變，但在各個區(qū)域受運輸材料和施工進度控制影響略有不同，各區(qū)域服務臺時間參數(shù)詳見表5。

表5 服務臺時間參數(shù) min

順序填筑方案填筑總量為136 萬m3。從2015年9月25號開始，至2015年11月26日結束，歷時約62 d，順序填筑方案仿真計算成果見表6，部分對稱區(qū)域在表中僅列出單側。

表6 順序填筑方案仿真計算成果Tab.6 Simulation results of the sequential filling scheme

并序填筑方案1仿真計算成果見表7，部分對稱區(qū)域在表中僅列出單側。該方案從2015年9月25號開始，至2015年11月18日結束，歷時約54 d。

表7 并序填筑方案1仿真計算成果Tab.7 Simulation results of the parallel filling scheme 1

并序填筑方案2仿真計算成果見表8，部分對稱區(qū)域在表中僅列出單側。 從2015年9月25號開始，至2015年11月25日結束，歷時約61 d。

表8 并序填筑方案2仿真計算成果Tab.8 Simulation results of the parallel filling scheme 2

從工期角度考慮，3個方案工期依次為：62，54，61 d。其中，并序填筑方案1比順序填筑方案節(jié)省8 d，比并序填筑方案2節(jié)省7 d。3個方案的裝料臺效率基本一致。從自卸汽車利用率的角度考慮，并序填筑方案1優(yōu)于并序填筑方案2，并序填筑方案2優(yōu)于順序填筑方案。

因此，綜合考慮工期、服務臺效率、機械設備利用率，并序填筑方案1是3種施工方案中比較優(yōu)秀的施工方案，并序填筑方案2次之，順序填筑方案則較差。故確定并序填筑方案1為優(yōu)選方案。

4 配置優(yōu)化

在優(yōu)選施工方案后，進一步對裝料臺和堤頭卸料點的配置進行研究。

4.1 裝載臺配置優(yōu)化

備料場實際裝載臺數(shù)量可容納1～3臺。分別對裝載臺為1、2、3這3種情況，進行仿真計算，并分析其對工期、設備用率以及圍堰平均填筑強度的影響。

表9 1裝載臺方案仿真計算成果Tab.9 Simulation results of 1 load station scheme

表10 2裝載臺方案仿真計算成果Tab.10 Simulation results of 2 load stations scheme

表11 3裝載臺方案仿真計算成果Tab.11 Simulation results of 3 load stations scheme

4.2 堤頭卸料點配置優(yōu)化

堤頭卸料點的配置優(yōu)化主要針對土石區(qū)。這是因為考慮到塊石區(qū)工作面限制，故塊石區(qū)卸料點為2，故可優(yōu)化的區(qū)域僅在土石區(qū)。此外，在實際施工過程中，各個區(qū)段的卸料點間存在一定的距離，當?shù)填^卸料點少于2時，會給施工帶來很大的不便，因此土石區(qū)堤頭卸料點數(shù)量最少為2。綜上所述，堤頭卸料點配置優(yōu)化是在并序填筑方案1的基礎上對土石區(qū)堤頭卸料點為2、3、4(對應的總卸料點分別為4、5、6)3種情況進行研究。

表12 2卸料點方案仿真計算成果Tab.12 Simulation results of 2 emptying points scheme

表13 3卸料點方案仿真計算成果Tab.13 Simulation results of 3 emptying points scheme

4.3 結果分析

由仿真計算結果可知，對于裝載臺，在實際工況允許的條件下，應盡可能增加裝載臺個數(shù)，裝載臺為3是優(yōu)選的配置方案。對于堤頭卸料點，應盡可能減少堤頭卸料點個數(shù)，當?shù)填^卸料點數(shù)為4時，配置方案較為優(yōu)秀。因此，并序施工方案1的服務臺配置應為：裝載臺為3；堤頭卸料點為4。此時，服務臺配置將使得施工方案的各個效率達到較高水平，且各個區(qū)段圍堰平均填筑強度高效穩(wěn)定，工期得到有效縮短。

表14 4卸料點方案仿真計算成果Tab.14 Simulation results of 4 emptying points scheme

5 BIM可視化

利用Revit軟件進行地形和圍堰的三維建模，并利用Navisworks軟件進行進度模擬，從而實現(xiàn)優(yōu)選方案的BIM可視化。根據(jù)現(xiàn)場采集的地形數(shù)據(jù)進行三維地形建模，依據(jù)圍堰各個斷面具體情況和具體分區(qū)分塊情況創(chuàng)建圍堰三維模型。各個圍堰填筑塊具有相應的物理意義，例如圍堰填筑塊尺寸、方量、材料等信息。這類帶有真實物理信息的模型構件，按照一定的模型規(guī)則集合拼接，形成的圍堰整體將有助于后續(xù)在創(chuàng)建施工進度模擬時，對各個區(qū)段物理信息和填筑日期進行精確對接。模型關鍵點細部及其相應填筑量參見圖4，圍堰整體三維模型見圖5，導入地形的界面參見圖6。

圖4 上游橫堰細部構造及填筑量三維模型Fig.4 3D model of the detailed structure and filling amount of the upstream transverse cofferdam

圖5 圍堰整體模型Fig.5 Integral model of cofferdam

圖6 圍堰導入地形Fig.6 cofferdam is introduced into terrain

基于優(yōu)選的施工方案所提供的施工進度計劃，在Navisworks使用中利用Timeliner工具，將Revit中已建模型導入，并根據(jù)圍堰施工過程的分區(qū)分塊要求，模擬實現(xiàn)虛擬建造過程。從而對優(yōu)選方案的施工關鍵節(jié)點信息進行驗證。部分關鍵節(jié)點的施工模擬動畫截圖參見圖7。

圖7 圍堰施工模擬動畫截圖Fig.7 Simulation animation screenshot of the cofferdam construction

6 結 論

本文以邕寧水利樞紐一期臨時土石圍堰為例，基于施工區(qū)域的地形、地質、水文條件以及工程條件，采用循環(huán)網(wǎng)絡技術建立了圍堰施工運輸系統(tǒng)仿真模型，開發(fā)了仿真計算程序，綜合擬定三種圍堰填筑方案，對每個方案進行了詳細的仿真計算，比選并確定了其中優(yōu)選的填筑方案和機械配置方案，并對優(yōu)選方案進行了BIM可視化，研究成果為本工程一期臨時土石圍堰的精細化施工提供了依據(jù)，對類似工程圍堰的施工仿真和填筑方案比選具有參考意義。

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