高拱坝仓面浇筑虚拟原型分析模型研究_张明.pdf

21 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）高拱坝仓面浇筑虚拟原型分析模型研究张 明（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 520002）摘 要：高拱坝是在特殊地形中修建堤坝的常见方法，尤其在河谷深切、地形陡峭地势，由于环境复杂、地质结构特殊，导致施工资源运输等面临较大挑战，且在施工技术方面也面临较大压力，为了保证工程质量，保证各工序依次进行，交叉环节重点关注，科学发挥技术优势是关键。文章以贵州省大河水库工程项目为例，结合该工程进行高拱坝仓面浇筑虚拟原型分析模型研究。关键词：高拱坝；仓面浇筑；仿真实验；虚拟原型分析模型中图分类号：TV642.4文献标识码：B0 引 言高拱坝多数建设在地形陡峭的区域，在进行施工时，后勤储备是一项重点问题。仓面施工是高拱坝建设中的一项重点，包含多道工序，各道工序之间存在交叉，且对施工技艺水平要求较高，由于施工作业面较为狭窄，在实际作业中，很多机械难以进入现场，且不同机械布置也是难点，不仅导致现场出现不同机械设备之间相互干扰的现象，还大幅度降低工作效率。同时，高拱坝多数承载防洪度汛、水力发电等功能，因此综合来看，对工期进度也提出要求，此时为了如期完成，加快进度、快速施工成为重点，无形中也使得施工现场更为复杂。基于此，文章以仓面浇筑为基础，结合现代化技术构建高拱坝仓面浇筑虚拟原型分析模型，在实际施工之前，对整体的资源、人员配置、设计方案等进行科学化三维核验，为技术人员提供更为直观的参考。1 研究案例阐述贵州省的都匀大河水库坝址位于都匀市大河村境内，与市区相距较近，该工程主要承载向市区供水及沿线地区农田浇灌等功能。该工程是一座中型水库，属于高拱坝施工特点，主体由大坝枢纽和供水工程两部分组成，工程建成后，水库控制流域面积 174.5km2，正常蓄水位 891.5m，兴利库容 3416.5万 m3，校核洪水位 896.16m，总库容 4376 万 m3，最大坝高 105m，主输水工程由 6 条无压引水隧洞结合 6 段管道输水，最大引水流量 3.36m3/s。2 高拱坝施工特点 结合上文可知，高拱坝多数修建在地质特殊环境之中，尤其是高山和峡谷地带，多以高拱坝为主。由于修建位置的特殊性，使得施工现场可操作空间有限，在进行施工场地布置、人员安排及交通运输等工作时，很容易面临困境。再加上部分区域自然气候较为恶劣及生态环境脆弱，很容易出现如泥石流、地震等极端气候地质灾害，势必会导致施工难度再度升级。同时在进行高拱坝项目时，混凝土浇筑施工是关键，同时还需要同步进行固结灌浆、接缝灌浆等工序，想要保证最终施工质量，做好协调工作，保证各工序之间衔接得当是关键。在对高拱坝坝体进行浇筑时，会受到多种因素干扰，例如自身设计、施工技艺、组织流程、交通运输及自然气候等。综上可将高拱坝施工特征进行如下总结。2.1 混凝土浇筑方量大文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期 2022-09-11作者简介 张明（1993-），男，四川广元人，工程师，研究方向为水利水电工程项目管理、设计、三维BIM研究。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.028 22 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）通常来看，高拱坝施工过程中，混凝土是不可或缺的建筑材料之一，几乎一个工程在修建完成时需要应用多达几百万方的混凝土，而大量的混凝土需要应用的原材料和配套材料需求量均极为庞大，但多数工程项目多修建在偏远区域，交通受到限制，因此，材料的选购、运输均是难题，所以在建设之前，需要科学规划，预估所需的原材料具体数额，并联合多部门协调规划，确保材料及时充足供应。2.2 施工工期长，浇筑强度不均匀由于该类型工程功能的特殊性，所以很多工程从开工到工程竣工需要时间较长，在整体施工期间，工程仓面大小、工作人员熟练度、仪器设备数量等会对施工进度产生影响，一般情况下，大坝施工初期和后期浇筑的混凝土强度较低，中期浇筑的混凝土强度要高于初期和后期，最高峰可比平均强度高出 23 倍左右。同时，由于施工现场环境较为复杂，受到机械配置不合理、人员分配不合理等影响，尤其在浇筑高峰期，很容易导致浇筑工作难以达到预期，在人手、生产设备、运输系统等方面均存在不足，但是在浇筑低谷时期，会出现部分设备闲置的问题，出现资源浪费。2.3 季节性较强高拱坝工程通常工期均以年为单位，由于时间跨度较大，在中后期施工阶段，大坝坝体修建完成之后，此时坝体已经开始承担拦洪度汛及挡水发电功能，尤其遇到恶劣气候环境，坝体会承担泄洪任务，但是由于多种因素的影响，每年汛期及洪峰具体到达时间难以精准预测，为了保证安全性，必须在汛期到达之前确保大坝浇筑高度达到设计高程，此时对混凝土浇筑进度是关键。同时，夏季温度较高，会增大混凝土温控难度，此时不适宜大面积浇筑，而冬季较为寒冷，很容易导致混凝土出现质量问题，因此，冬季、夏季均不适宜混凝土浇筑，而想要保证工期进度，只能在其他季节加快工作效率，无形中增大其他季节浇筑压力，也使得质量监管和施工规范性管控面临更大挑战1。2.4 施工空间狭小，干扰因素多高拱坝多位于狭窄、陡峭的环境中，施工难度较大。坝体浇筑时，由于浇筑仓面狭窄，经常与其他工序发生冲突，想要杜绝这一情况，需要通过提前科学规划和及时做好沟通、交流、协调，才能保证工程顺利完成。2.5 工程质量和安全施工要求较高高拱坝工程属于薄壁型结构，对大坝整体稳定性和质量要求较高，任何工序或者部位出现质量问题都会导致整体质量受到影响。同时，坝体质量不仅与工程自身结构安全有关，也与下游地区民众的生命和财产安全造成严重影响，因此，贯彻落实质量监管和保证施工规范性、提高管理力度是重点。3 高拱坝仓面浇筑虚拟原型分析模型构建结合上文对高拱坝施工特点的总结，在现今已有研究成果指引下，文章遵循“先试后建”原理，结合数字化、三维可视化技术等，将现代化管理方法融入工程施工之中，从而实现施工资源、施工过程、施工成果等集成化管理，为智能化管控整体施工过程、保证工程顺利竣工提供支持。3.1 需求分析高拱坝施工是一个动态、复杂的过程，从方案设计、科学性验证到方案优化均极为重要。文章提出构建高拱坝仓面浇筑虚拟原型分析模型，以数学模型为依据，将上述过程转化为“数学问题”然后通过分析施工环境变化特点、多工种交叉作业及施工作业面狭窄等因素，最终得出科学可行的方案。从另一方面来看，高拱坝作为水利水电工程之一，具有不可重复性，在施工方案、施工资源配置等方面具备差异性。即使是同一工程，仓面所处位置、高程差异、施工方法和施工在戏院配置等均存在差异，因此，在施工之前，借助现代化技术，对整体施工过程进行三维可视化的分析，不仅可以保证施工质量，还可以大幅度提升工程施工效率。3.2 高拱坝浇筑块 N 维特征建模该部分建模可以将组织管理、建筑材料管理等与施工过程相结合，并在标准化格式指导下，有效将建筑的各项基本要素进行分解，尤其是水利工程，由于结构更为复杂，且要素较多，依靠 BIM 构建的框架难以达到预期。整体来看，该部分就是将施工过程按照施工资源、施工过程和施工成果三个方面进行思考，上述三点之间，每一环节通过各自的属性形成紧密联系，且每一过程不仅仅只包包含一个属性，可以包含多个属性，而属性是构建 N 维特征模型的关键2。23 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）文章结合工程施工相关信息，从身份特征、空间特征、材料特征等多个方面进行分析，最终构建高拱坝 N 维信息模型管理系统，如图 1 所示，为模拟原型的分析模型实现统一信息化管理提供支撑。顶层应用指标分解特征分解底层数据质量、进度、费用、安全、环境、能源、健康质量指标、进度指标、费用指标、安全指标、环境指标、能源指标、健康指标身份特征、材料特征、空间特征、力学特征、关系特征、检测特征、福建特征、能耗特征、环境特征模型库、图形库、数据库、关系库、应用库图 1 N 维信息管理模型示意图3.3 三维建模方法基于 Delaunay 曲面的建模方法是常见的几何建模方法之一，在确定边界、地形建模中应用广泛，该方法主要依据地形的等高数据或者点云数据，确定建模范围，然后提取离散点数据，进行数据分析，对分布在建模范围外的坐标数据进行筛除，然后以X 或者 Y 坐标最小值为起点，搜寻获取点集的外围边界，以边界为基准，再加上内部的点形成三角网3。3.4 拱坝结构参数化表达虚拟原型分析模型在发挥效用时，拱坝的各项参数是基本依据，也是最终做出决策的参考。因此，需要确保拱坝结构各项信息实现参数化，而这些参数是虚拟原型分析模型建构科学性的评价依据之一。在此以大河水库坝为依据，进行坝体参数化建模。在此以左右岸参数为例。左岸上游面：()|+=RulixOuliRuliytgauliRulix22左岸下游面：()|+=RdlixOdliRdliytgadliRdlix22右岸上游面：()|+=RurixOuriRuriytgauriRurix22左岸下游面：()|+=RdrixOdriRdriytgadriRdrix223.5 建模过程中的约束条件结合已有的研究成果分析，以及对工程建设施工的思考，在进行施工时，各工序之间必然会存在影响，因此，在构建虚拟原型的分析模型时，需要思考各部件之间的空间约束问题，确保模型架构完成之后，可以通过一定的空间约束来有效管控各部件的位置和方位，从而避免实际安装时出现失误或者误差较大的问题。结合资料分析，常用的几何约束条件，如表 1 所示。表 1 常见的几何约束类型约束类型约束表示约束度参数配置面面平行()21,FFparaFF2方向面面距离()21,FFDistFF3长度、方向共面约束()21,FFCoFF3方向线线平行()21,LLparaLL2方向共轴约束()21,LLCoLL4方向共点约束()21,PPCoPP3方向点面距离()21,PPDistPF1长度线面距离()11,FLDistLF2距离、方向线线距离()21,LLDistLL2长度、方向3.6 系统总体框架和实现综上，系统的总体框架主要按照数据采集分析、数据管理、可视化展示和方案优化及决策四个部分进行划分。由于虚拟原型设计内容较为广泛，难以依靠单一工具或者技术达成预期，所以在构建框架时以数据采集分析为核心，然后基于 N 维模型建构和几何模型架构的内容，约束条件及坝体结构参数化表达等分析，提出如图 2 所示的模型。身份特征材料特征结构特征附件特征CAD 图纸地形数据点云数据设计文件信息提取施工对象模型施工资源模型施工约束边界条件外部约束工序逻辑三维建模模型空间特征几何信息提取数 据映射施工方案库施工模型库N 维信息库虚拟现实平台冲突检测资源管理模型管理信息管理场景管理材质管理渲染管理人机交互方案综合分析与决策图 2 虚拟原型系统框架示意图 24 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）4 结 语文章以大河水库坝为研究对