计算机仿真在混凝土坝施工中的应用

大型工程的施工进度安排是非常费时费力的一项工作,对于可行性研究阶段,一般需要拟定多个比较方案,使得工作量更加巨大,因此使用计算机完成该项重复劳动。

采用可视化技术可以形象、直观、迅速地演示现场水利水电工程施工变化过程,使决策者和公众对该工程的整体布置和施工进度有一个直观的了解和认识,同时为施工决策提供依据。这无疑对提高水利水电工程设计现代化水平具有重要意义。

大型水电工程混凝土坝浇筑过程仿真研究的主要问题是合理配置机械设备,妥善安排坝体混凝土浇筑块的浇筑顺序,优化混凝土浇筑施工工期。

浇筑过程仿真的基本思路是:按照给定的浇筑规则所要求的各种约束条件安排浇筑块的浇筑顺序,并算出各浇筑块浇筑施工进程,从而算出该方案下的大坝施工工期。重复计算多个方案,得出不同结果,最后经过综合比较,即可选出最优方案。

仿真遵循的目标是:在满足各种约束条件的前提下,安排的全体浇筑块的浇筑顺序和浇筑设备使大坝浇筑工期最紧凑,设备利用率最高。主要约束条件有:某浇筑块能否浇筑的时间约束;相邻浇筑块的允许高差限制;相邻浇筑块拆摸条件限制;起重机工作范围限制;相邻起重机工作干扰限制;气温条件对浇筑的影响;其他约束条件,如灌浆等。

大坝混凝土浇筑系统本质上可以看作是一个由混凝土生产浇筑系统为主导的浇筑吊运系统按特定规则分别为各个浇筑块服务的一种特殊的排队服务系统,一般运筹学中的排队论问题定义的服务仅对服务对象的状态有影响,对系统的整体状态没有影响,即没有后效性,但是混凝土浇筑系统是有后效性的,因此是 “特殊的排队服务系统”。系统中不仅要考虑由浇筑机械组成的服务系统中存在的排队现象,还要考虑与之联系并相互制约与影响的拌和、供料、运输系统之间的配合与相互影响等随机因素引起的等待和排队现象,这就需要将拌和楼、运输设备和起重机全部考虑为一个完整系统。

坝体施工是整个水电工程施工的核心部分,其影响因素错综复杂,涉及混凝土生产系统、运输系统、仓面作业系统等。在大坝施工系统仿真的基础上引入VR 技术,将虚拟施工场景与仿真系统状态建立映射关系,实现对复杂的工程施工系统的三维动态模拟,实时动态地呈现工程施工各具体环节的时空状态及逻辑关系。

1.碾压混凝土大坝施工总体信息模型的建立

(1)碾压混凝土大坝施工相关对象的分析和划分。施工组织设计中涉及的对象繁多,内容丰富,但是并不是每个对象的布置都需要在当前的仿真优化数学模型中反映出来。为了让问题更加明确易于处理,需要在定性分析碾压混凝土大坝施工工艺的基础上,将现实施工系统中的对象分为三类:①与仿真和优化目标关系紧密的对象,它们将来在仿真模型中会有直接的、真实的反映;②与该目标关系不是很紧密的对象,它们在仿真模型中会以被抽象的对象,或者浓缩的对象的方式来表达;③目前认为与目标关系不甚紧密的对象,它们在仿真模型中将会被省略,或者仅使用一个参数来概括。

(2)施工总布置中各相关对象信息标准的建立。目前的仿真计算是没有计算规范遵循的,在仿真模型框架建立起来后,就需要建立仿真对象信息标准,不仅模型中每个现实对象在仿真中都有其对应的对象或者参数,而且为实现计算机智能识别工程问题还需要补充很多的辅助信息。

2.施工过程的分析与计算机仿真模型

碾压混凝土施工具有两个主要问题:①碾压混凝土上坝的物料运输问题;②碾压混凝土仓面作业工艺问题。针对上述问题拟进行下列研究:

(1)大坝混凝土层面处理与施工工艺研究。

1)系统分析碾压混凝土大坝施工的环境参数(施工期的环境温度、大气相对湿度、风速、日照等)对碾压混凝土施工质量的影响。(www.xing528.com)

2)根据工程施工进度及坝体碾压混凝土施工强度等要求,研究大坝碾压混凝土坝面施工流程、设备配套及其优化配置,实现碾压混凝土高强度快速经济施工。

(2)坝体施工全过程三维可视化仿真研究。

1)基于碾压混凝土坝的施工特性、施工导流程序和大坝施工控制点,考虑仓面作业、机械设备以及相关的施工系统对大坝施工的影响,建立坝体混凝土浇筑顺序的优化模型。

2)建立碾压混凝土大坝施工全过程仿真模型,开发大坝施工的计算机仿真软件和坝体施工过程三维动态可视化软件,通过坝体混凝土浇筑施工仿真模拟,为方案的选择、实施阶段的施工程序和碾压混凝土施工工艺提供论证依据。

3)在模拟中采取给定的浇筑方案和机械配置的情况下,按照满足施工中各种约束限制条件的要求来安排浇筑块的浇筑顺序,得到坝体碾压混凝土施工进程,从而计算出所需的大坝工期。

3.基于工程布置信息系统的模拟边界条件前后处理

基于工程布置信息系统和坝址地区CAD 系统的图形界面,将其上的每个对象与它们在CAD 图元数据库中的信息对应起来,实现界面友好的对象信息查询,即在图形界面上建立图形显示和施工布置对象的关联信息,实现基于图形界面的查询技术。计算可视化的模式中,施工仿真的后处理部分直接和仿真计算关联,在计算的同时后处理就将计算出来的成果表现出来。它将仿真计算的边界条件前后处理统一到图形界面上来。仿真中只要暂停,就可以修改当前系统的状态,在刷新系统信息后,继续进行仿真计算,从而实现真正意义上的交互式仿真。

4.工程施工方案的评价和优化

工程施工方案的考虑因素众多,因此难度也很大。结合上述碾压混凝土上坝的物料运输问题和碾压混凝土仓面作业工艺问题的研究,从工程的总体宏观出发,研究工程总体布置中方案优选的原则,分析和量化这些原则,建立工程整体布置的评价和优化的数学模型,结合相关的计算机仿真数据,优化工程混凝土施工设计方案。

5.工期合理性研究

针对碾压混凝土重力坝的特点,以及施工导流程序、导流标准和导流方案的要求,在比较不同导流建筑物的布置、主题工程进度、施工强度及施工期拦洪度汛措施的基础上,分析并优化大坝施工的控制工期,验证设计工期的合理性。

6.碾压混凝土重力坝三维可视化软件开发

为了直观地显示仿真的成果,同时为了得到美观的工程漫游效果,使用三维可视化引擎,将工程施工过程仿真数据结合大坝三维模型以及大坝施工现场的气氛设定等参数,将大坝施工现场的情景虚拟出来,使用户有身临其境的感觉。