基于CATIA的心墻堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真

鐘登華，張琴婭，杜榮祥，佟大威，石志超

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072）

基于CATIA的心墻堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真

鐘登華，張琴婭，杜榮祥，佟大威，石志超

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

目前堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真研究多是基于施工仿真結(jié)果構(gòu)建三維可視化系統(tǒng)，然而系統(tǒng)中三維模型不易被修改，且提供的施工信息量有限，針對(duì)此問題，本文提出了以CATIA為基礎(chǔ)的堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真構(gòu)架.首先，采用參數(shù)化技術(shù)建立堆石壩三維模型，實(shí)現(xiàn)了三維模型的快速修改更新；同時(shí)，利用CATIA的二次開發(fā)功能建立了具有擴(kuò)展屬性的堆石壩三維模型，這不僅提供了施工場(chǎng)景，還提供了大壩的形體參數(shù)、道路節(jié)點(diǎn)信息等施工信息；最后，以實(shí)際工程為例，結(jié)合離散事件仿真方法，建立了基于CATIA的心墻堆石壩施工仿真模型及系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了堆石壩施工過程的三維動(dòng)態(tài)表達(dá)及4D模型的遠(yuǎn)程交互，可為堆石壩施工管理提供重要理論與技術(shù)支持.

CATIA；施工動(dòng)態(tài)仿真；參數(shù)化技術(shù)；擴(kuò)展屬性；堆石壩

大型水電工程的建筑物類型眾多，施工作業(yè)種類繁多，對(duì)于堆石壩而言，道路布置及其他建筑物的布置也錯(cuò)綜復(fù)雜，二維圖紙不僅難以準(zhǔn)確而直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，而且也難以解決施工期時(shí)間和空間沖突等問題.國(guó)外很多學(xué)者應(yīng)用施工動(dòng)態(tài)仿真的方法來有效地解決施工過程中的各種沖突問題和評(píng)價(jià)施工進(jìn)度方案的可行性.Al-Hussein等［1］在2006年以土木工程建設(shè)為例，在3DS MAX環(huán)境下結(jié)合三維可視化與塔機(jī)仿真，分析了塔機(jī)的運(yùn)行仿真結(jié)果；Chen等［2］在2013年提出了以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的三維虛擬模型，并將其成功運(yùn)用到一個(gè)典型的交通運(yùn)輸?shù)碾x散事件仿真中；Wang等［3］在2014年將建筑信息模型BIM與施工仿真相結(jié)合，考慮施工工期的不確定性得到工程施工的進(jìn)度計(jì)劃，建立了以BIM為基礎(chǔ)的4D模型.目前國(guó)外有關(guān)施工動(dòng)態(tài)仿真的研究主要是集中于交通運(yùn)輸和土木建筑這些領(lǐng)域中，有關(guān)水電工程的堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真方面的研究很少.

目前，國(guó)內(nèi)的施工動(dòng)態(tài)仿真主要集中在大壩施工仿真的三維建模方法和可視化等方面，鐘登華等［4］和尹習(xí)雙等［5］在2005年對(duì)水電工程的三維可視化進(jìn)行了研究，開發(fā)了三維動(dòng)態(tài)可視化仿真系統(tǒng)，展現(xiàn)了水利水電工程可實(shí)時(shí)交互的虛擬仿真場(chǎng)景；陳小橋等［6］在2010年針對(duì)水電工程施工階段的施工管理問題，以丹江口大壩加高工程為例，在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了分布式的水電施工過程的虛擬仿真系統(tǒng)；李紅亮等［7］在2011年建立了以動(dòng)態(tài)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的面板堆石壩施工實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，并利用OGRE引擎實(shí)時(shí)渲染工程三維面貌，實(shí)現(xiàn)了施工過程的三維可視化；李小帥等［8］在2012年以CATIA與3DS MAX 軟件為平臺(tái)，與CG知識(shí)庫(kù)相結(jié)合，搭建了水電工程的三維可視化仿真場(chǎng)景.

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)的現(xiàn)有研究多是基于大壩施工仿真結(jié)果構(gòu)建三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)，水電工程三維模型多是基于3DS MAX等商業(yè)軟件建立的，因此模型較難以修改，不利于重復(fù)利用，而且三維模型也只提供了比較有限的施工信息，少數(shù)采用CATIA與3DS MAX 軟件為平臺(tái)進(jìn)行了水電工程三維可視化仿真研究，研究未結(jié)合大壩施工仿真模型，因此未能實(shí)現(xiàn)大壩施工動(dòng)態(tài)仿真.基于上述研究的局限性，本文首先提出了以CATIA為平臺(tái)的堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真構(gòu)架，在CATIA V5的環(huán)境下完成心墻堆石壩三維模型的建模，該三維模型具有易被修改的優(yōu)點(diǎn)；其次，利用接口程序與數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合構(gòu)建了具有擴(kuò)展屬性的心墻堆石壩三維模型，具有擴(kuò)展屬性的三維整體模型不僅能夠提供施工場(chǎng)景，還能提供大壩形體參數(shù)和道路的節(jié)點(diǎn)信息；最后結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了以CATIA為平臺(tái)的堆石壩施工動(dòng)態(tài)研究，建立了堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真4D模型，可為堆石壩的施工管理提供重要的理論與技術(shù)支持.

1　基于CATIA的堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真構(gòu)架

施工動(dòng)態(tài)仿真主要是將施工仿真在輔助實(shí)時(shí)決策方面的優(yōu)勢(shì)與真實(shí)施工場(chǎng)景下的仿真相結(jié)合，直觀而形象地表現(xiàn)心墻堆石壩的施工過程，是一種有效的輔助管理決策工具.堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真是通過將大壩主體、施工場(chǎng)地、樞紐建筑物以及其他基礎(chǔ)配套設(shè)施的三維模型與進(jìn)度計(jì)劃相連接，形成4D模型.在CATIA環(huán)境下建立的三維模型具有參數(shù)化的特點(diǎn)和按照規(guī)則變形的能力，再將施工仿真進(jìn)度計(jì)劃以及有關(guān)的資源信息與CATIA三維模型相結(jié)合，建立基于CATIA的堆石壩施工過程4D模型.所形成的4D模型不僅實(shí)現(xiàn)了堆石壩施工全過程的仿真，有助于提前發(fā)現(xiàn)施工期間的沖突問題；而且也有助于空間沖突問題的分析以及施工整體布置的優(yōu)化.基于CATIA的堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真可分為4個(gè)部分，三維模型建模子系統(tǒng)、施工進(jìn)度仿真子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)和4D動(dòng)畫子系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1　基于CATIA的心墻堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真構(gòu)架Fig.1Framework of dynamic construction simulation for core rock-fill dam based on CATIA platform

堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真的關(guān)鍵在于各個(gè)子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的收集、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換.首先是在CATIA V5環(huán)境下完成復(fù)雜施工場(chǎng)景的三維地表、樞紐建筑物和施工配套設(shè)施的建模、裝配和管理，來表現(xiàn)堆石壩施工的真實(shí)環(huán)境，并建立三維模型過程中可以直接調(diào)用CATIA三維模型的模板庫(kù)，該模板庫(kù)通過使用輸入端和幾何參照進(jìn)行參數(shù)修改，能夠很好地適應(yīng)各種需求，可以快速地完成各種重復(fù)三維建模工作，解決三維建模的重復(fù)利用問題；其次，根據(jù)堆石壩施工仿真的要求，通過VB構(gòu)建具有擴(kuò)展屬性的堆石壩施工三維整體模型，實(shí)現(xiàn)大壩形體參數(shù)、壩體填筑道路的單元回路信息等施工仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；此外，通過施工仿真計(jì)算得到施工進(jìn)度計(jì)劃，由共享數(shù)據(jù)庫(kù)將施工進(jìn)度計(jì)劃與CATIA 三維模型進(jìn)行整合，使其帶有時(shí)間屬性，動(dòng)態(tài)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)形成4D動(dòng)畫，表現(xiàn)堆石壩施工的動(dòng)態(tài)過程，方便技術(shù)和管理人員了解三維模型信息和施工進(jìn)度計(jì)劃，為施工管理提供有力的理論與技術(shù)支持.

2　心墻堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真

2.1心墻堆石壩施工仿真的數(shù)學(xué)模型

心墻堆石壩施工是一個(gè)土石料從料場(chǎng)開采，經(jīng)道路運(yùn)輸?shù)綁蚊?，再壩面填筑的過程，因此可以將心墻堆石壩施工劃分為填筑料開挖子系統(tǒng)、道路運(yùn)輸子系統(tǒng)以及壩面填筑子系統(tǒng)3部分［9］（如圖2所示）：①填筑料開挖子系統(tǒng)，包括石料場(chǎng)料物儲(chǔ)量、最終開采量，每個(gè)料場(chǎng)的開采工作面數(shù)量、月開采強(qiáng)度、開采機(jī)械配置；②道路運(yùn)輸子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)指的是土石料的運(yùn)輸，對(duì)于堆石壩而言，上壩的主要運(yùn)輸工具為自卸汽車，道路運(yùn)輸子系統(tǒng)主要包括自卸汽車的數(shù)量、車輛的行使密度及岔口等待車輛數(shù)量等；③壩面填筑子系統(tǒng)，包括上下游堆石料、反濾料、過渡料和心墻料的填筑作業(yè)，壩面填筑是指鋪料、平土、灑水、碾壓和質(zhì)檢等作業(yè).這3個(gè)子系統(tǒng)既相互獨(dú)立又相互制約，共同協(xié)調(diào)構(gòu)成了心墻堆石壩施工的有機(jī)整體.填筑料開挖子系統(tǒng)和道路運(yùn)輸子系統(tǒng)通過開采強(qiáng)度和上壩強(qiáng)度緊密聯(lián)系；壩面填筑子系統(tǒng)和道路運(yùn)輸子系統(tǒng)通過上壩強(qiáng)度與填筑強(qiáng)度緊密聯(lián)系，當(dāng)上壩強(qiáng)度大于填筑強(qiáng)度時(shí)，會(huì)造成上壩車輛的滯工，而當(dāng)上壩強(qiáng)度過小時(shí)，不能滿足填筑作業(yè)的填料需求，會(huì)造成壩體的填筑效率低，從而影響工期.

心墻堆石壩施工仿真是壩體施工工序邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)，綜合考慮降雨、施工作業(yè)方式、機(jī)械配套設(shè)施、施工工藝和日上升高差約束等因素，對(duì)心墻堆石壩施工過程進(jìn)行了模擬和研究，可以用隨機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系模型來描述這個(gè)過程，即狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為

式中：t=1，2，…，T，T表示有效的工作時(shí)間；H（i，t）為第i區(qū)t時(shí)刻的高程；ΔH（t）為t-1到t期間鋪層的厚度；i表示堆石壩的分區(qū)號(hào)，i=1，2，3，…，N，N為堆石壩的分區(qū)個(gè)數(shù).

目標(biāo)函數(shù)為

式中：fd（X）為工期的目標(biāo)函數(shù)；fu（X）為機(jī)械利用率的目標(biāo)函數(shù)；fr（X）為施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)行情況；向量X表示施工方案.面對(duì)設(shè)計(jì)階段的心墻堆石壩施工仿真的目標(biāo)，是找到滿足施工進(jìn)度計(jì)劃的較短工期、較優(yōu)的機(jī)械利用率和施工場(chǎng)內(nèi)交通壓力較小的施工方案.

綜合約束條件為

式中：W為外部約束；N為內(nèi)部約束.W和N的表達(dá)式為

圖2　心墻堆石壩施工過程分解示意Fig.2 Schematic diagram of core rock-fill dam construction

式中：Ri為降雨概率；V為壩體汛前高程；d為施工導(dǎo)流；c為道路能力限制；A為施工場(chǎng)內(nèi)整體布置情況；Td為施工方案的工期；Ts為計(jì)劃工期；ha、hb為相鄰填筑區(qū)的填筑高度；H為相鄰高差的規(guī)定值；Δh為日上升高度；hd為日上升高度的限制值.

2.2基于CATIA的心墻堆石壩三維模型

依據(jù)工程的地形等高線圖、平面布置圖和樞紐建筑物設(shè)計(jì)等資料，運(yùn)用CATIA的零部件設(shè)計(jì)、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)、自由曲面設(shè)計(jì)以及知識(shí)工程模塊，分別建立地表模型、樞紐建筑物模型、引水發(fā)電建筑物模型以及施工配套設(shè)施的三維模型.其中，零部件設(shè)計(jì)主要是建立三維實(shí)體模型，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)以及自由曲面設(shè)計(jì)主要是建立三維曲面模型.然后運(yùn)用紋理映射技術(shù)給三維模型附上與真實(shí)環(huán)境相似的材質(zhì)，將所有模型進(jìn)行合理的拼接和裝配，并在三維場(chǎng)景中模擬出各種光影效果，構(gòu)成了心墻堆石壩施工場(chǎng)景［10］.建立三維模型關(guān)鍵技術(shù)如下.

1） 數(shù)字地形模型建模技術(shù)

施工場(chǎng)地的地表模型不僅僅是整個(gè)施工三維模型的重要組成部分，也是施工各種建筑物布置和施工過程中開挖的基礎(chǔ)［4］.水電工程地形地貌多以數(shù)字地形模型（DTM）的形式表現(xiàn).對(duì)于所研究的水電工程地形起伏較大，地表的構(gòu)建采用TIN模型（不規(guī)則三角網(wǎng)模型），TIN模型由離散的地形散點(diǎn)利用三角剖分算法，按照一定的規(guī)則生成一系列不相交的Delaunay三角網(wǎng)，如圖3所示.

圖3　Delaunay三角網(wǎng)Fig.3 Delaunay triangle network

根據(jù)施工場(chǎng)地的特點(diǎn)和復(fù)雜程度確定點(diǎn)云的密度，由地形的點(diǎn)云的疏密程度來決定地形的真實(shí)性，TIN模型可以有效地避免數(shù)據(jù)的冗余，又便于地形的分析和計(jì)算，較好地反映水電工程的實(shí)際地形信息.對(duì)于初始生成的TIN，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?nèi)插細(xì)化以消除點(diǎn)云過密或信息采集缺乏而形成的細(xì)小狹長(zhǎng)的三角形，形成高精度的DTM.具體步驟包括首先將地形圖進(jìn)行分析整理，通過二次開發(fā)工具將地形資料數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后在digitized shape editor模塊下導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)點(diǎn)云的疏密程度和重點(diǎn)區(qū)域，過濾一定數(shù)量的點(diǎn)云，根據(jù)點(diǎn)云構(gòu)建mesh地表面，然后分析檢查mesh面，最后進(jìn)行優(yōu)化處理形成地表模型.

2） 參數(shù)化技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)（parametric design）是指將影響設(shè)計(jì)者建立模型的各種要素進(jìn)行分類，將這些要素變成一系列函數(shù)的變量，并關(guān)聯(lián)函數(shù)體中的變量，因此可以通過改變函數(shù)中一系列變量取值，來得到不同的函數(shù)值，獲得相同函數(shù)所涵蓋的不同設(shè)計(jì)方案.參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念可用如下公式來描述

式中：F（f1，f2，…，fn）是一系列參數(shù)方程，n表示方程的個(gè)數(shù)；D（d1，d2，…，dn）是F函數(shù)的變量，表示幾何尺寸之間的約束關(guān)系；X（x1，x2，…，xn）是F函數(shù)的變量，表示幾何尺寸大小、幾何位置和特征點(diǎn)的坐標(biāo)等.

參數(shù)化建模能夠利用數(shù)學(xué)公式和幾何拓?fù)浼s束建立靈活的幾何模型，參數(shù)化的模型不僅僅建立易被修改的幾何模型，而且可以在模型被修改時(shí)進(jìn)行自動(dòng)更新，提高模型進(jìn)行修改時(shí)的效率.參數(shù)化建模的優(yōu)越性表現(xiàn)在：①模型的可變性：傳統(tǒng)的建模大多數(shù)都是利用已知的數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)的建模過程中，尺寸的變化可能會(huì)導(dǎo)致大部分設(shè)計(jì)的修改.參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用設(shè)計(jì)過程中，提高了建模的效率.②模型的重復(fù)利用性：很多新建的建筑物是與原有的比較類似，差別不大，修改一些參數(shù)，模型就可以重復(fù)利用.③支持并行設(shè)計(jì)：有一些模型是有嚴(yán)格的先后關(guān)系的，很多后續(xù)的工作是依靠前面設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，參數(shù)化設(shè)計(jì)可以有效支持并行設(shè)計(jì).④從上到下的設(shè)計(jì)：在初級(jí)設(shè)計(jì)階段，通常只知道粗略的輪廓，一般都假定一系列的尺寸來完成設(shè)計(jì)，通常，這些假定尺寸需要調(diào)整，這樣的調(diào)整會(huì)帶來大量的重復(fù)工作，從上到下的設(shè)計(jì)方法可以有效避開這些缺陷.

如圖4所示，參數(shù)化設(shè)計(jì)首先是以二維草圖為基礎(chǔ)，草圖是使用CATIA三維建模的基礎(chǔ)，二維草圖主要是由一些點(diǎn)、線、圓弧及曲線組成，這些草圖的尺寸不是非常精確，只是模型大致的輪廓布置，然后通過約束條件及尺寸角度的定義來形成設(shè)計(jì)的幾何實(shí)體模型.其中，約束包括水平、垂直、長(zhǎng)度、角度、距離、相切、相合、對(duì)稱約束以及接觸約束、固聯(lián)約束和自動(dòng)約束.尺寸以及角度的約束不僅可以通過固定的值來進(jìn)行約束，也可以通過建立參數(shù)以及數(shù)學(xué)公式來關(guān)聯(lián)，當(dāng)其中一個(gè)定義的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其他相關(guān)聯(lián)的參數(shù)也隨機(jī)發(fā)生改變，最后整個(gè)模型會(huì)自動(dòng)更新.

圖4　參數(shù)化建模流程Fig.4 Process of parametric modeling

3） 知識(shí)工程技術(shù)

知識(shí)工程技術(shù)可以嵌入在設(shè)計(jì)和施工仿真的很多環(huán)節(jié)，應(yīng)用知識(shí)工程技術(shù)可以很好地解決建模過程中很多相似模型的重復(fù)利用問題，提高建模的速度.知識(shí)工程技術(shù)主要包括參數(shù)化的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、方程法設(shè)計(jì)以及知識(shí)工程規(guī)則設(shè)計(jì).其中參數(shù)化的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是知識(shí)工程建模的基礎(chǔ)，把建模過程中需要控制的尺寸以參數(shù)的方式建立并保持關(guān)聯(lián)，可以方便模型尺寸和位置的調(diào)整；其次，方程法設(shè)計(jì)主要是曲線的設(shè)計(jì)，可以利用法則定義溢洪道的曲面等，使模型更精確；知識(shí)工程規(guī)則設(shè)計(jì)是利用參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)加以一定規(guī)則定義，使模型能按照一定的規(guī)則進(jìn)行變形或參數(shù)選擇.

2.3具有擴(kuò)展屬性的堆石壩三維整體模型

針對(duì)目前的堆石壩施工仿真中未能將三維整體模型直接結(jié)合到仿真計(jì)算中的問題，本文構(gòu)建了具有擴(kuò)展屬性的三維整體模型.該模型不僅提供了施工場(chǎng)景，還提供了大壩的體型參數(shù)、施工道路節(jié)點(diǎn)信息等施工信息.首先三維模型能夠提供模型的幾何數(shù)據(jù)，包括堆石壩各個(gè)階段的填筑高程和填筑量；其次通過CATIA的二次開發(fā)讀取、儲(chǔ)存大壩及道路的幾何和非幾何屬性信息.施工道路信息包含各路段的編號(hào)、名稱、等級(jí)、長(zhǎng)度、起點(diǎn)節(jié)點(diǎn)和終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，以及連接各路段的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可分為岔口節(jié)點(diǎn)、運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)、裝料節(jié)點(diǎn)以及卸料節(jié)點(diǎn).具有擴(kuò)展屬性的堆石壩三維模型結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5　具有擴(kuò)展屬性的堆石壩三維模型結(jié)構(gòu)Fig.5 Structural diagram of 3D model for rock-fill dam with extended attributes

構(gòu)建具有擴(kuò)展屬性的三維整體模型，關(guān)鍵在數(shù)據(jù)的讀取與轉(zhuǎn)換.CATIA具有強(qiáng)大的二次開發(fā)功能，對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)在進(jìn)程內(nèi)通過visual basic scripting edition（VBScript）腳本或者visual basic for application（VBA）來訪問，在進(jìn)程外通過OLE自動(dòng)化對(duì)象來訪問.首先利用VB.NET通過進(jìn)程外的OLE自動(dòng)化對(duì)象來訪問CATIA，讀取三維模型的幾何和非幾何信息，然后通過ADO（activeX data object）技術(shù)，將VB.net與外部數(shù)據(jù)庫(kù)Access進(jìn)行連接，在VB環(huán)境中直接對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，將大壩的體型參數(shù)、道路節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)到仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為施工仿真的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).壩體的體型參數(shù)包括大壩分期分區(qū)的填筑量，每個(gè)單元層的高程和填筑量.其中部分代碼如下：

對(duì)于心墻堆石壩上壩子系統(tǒng)而言，心墻堆石壩施工場(chǎng)內(nèi)交通道路布置復(fù)雜，將各路段的編號(hào)、名稱、等級(jí)、起點(diǎn)節(jié)點(diǎn)和終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，連接各路段的節(jié)點(diǎn)信息、堆石壩的填筑量以及其他的料物數(shù)量?jī)?chǔ)存到ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中，從裝料點(diǎn)和卸料點(diǎn)之間尋找出最優(yōu)路線來建立單元回路模型，放入到仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中可以有效地支持堆石壩施工仿真.單元回路模型作為施工仿真的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，施工仿真單元回路模型是指一輛運(yùn)輸機(jī)械在完成一次運(yùn)料卸料過程中所依次經(jīng)歷的各個(gè)交通設(shè)施或服務(wù)節(jié)點(diǎn).依據(jù)已知的裝料點(diǎn)、卸料點(diǎn)等建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)運(yùn)輸路徑進(jìn)行尋優(yōu)，最優(yōu)路線通常是裝料點(diǎn)和卸料點(diǎn)之間的最短路徑.本文通過開發(fā)CATIA的接口程序，尋找出裝料點(diǎn)和卸料點(diǎn)之間的最短路徑.在CATIA平臺(tái)上中交互式地通過選擇路徑的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，程序輸出節(jié)點(diǎn)之間最短的路徑編號(hào)，再根據(jù)最優(yōu)運(yùn)輸路徑建立單元回路模型，并放入到仿真數(shù)據(jù)庫(kù).

2.4堆石壩施工過程4D模型構(gòu)建

心墻堆石壩施工4D模型是以基于CATIA的堆石壩施工場(chǎng)景三維模型為基礎(chǔ)的，結(jié)合心墻堆石壩施工仿真實(shí)現(xiàn)的.堆石壩施工仿真是利用離散事件仿真的方法進(jìn)行仿真，所以得到的施工仿真信息也是離散的，可以按天、周、月、季為單位顯示.根據(jù)施工仿真進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)應(yīng)堆石壩的施工面貌及屬性，生成堆石壩施工單元i對(duì)應(yīng)的任意時(shí)刻t的施工面貌vi（t），則t時(shí)刻的堆石壩整體面貌可以表示為

式中：j為總單元數(shù)；vi（t）=fi（Xi，Yi，Zi，t）表示施工過程中施工單元的面貌隨時(shí)間的變化.

在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)動(dòng)畫步長(zhǎng)，按時(shí)間順序讀取施工仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中的進(jìn)度信息，不斷地更新變量值，從而不斷更新施工面貌，形成以CATIA為平臺(tái)的堆石壩施工4D模型.

傳統(tǒng)的施工動(dòng)態(tài)仿真一般需要建立一個(gè)專門的顯示平臺(tái)，為了方便用戶異地查詢和分析，實(shí)現(xiàn)施工場(chǎng)景的遠(yuǎn)程交互顯得尤為重要.由于堆石壩三維模型的數(shù)據(jù)量巨大，信息讀取慢，采用3D XML作為模型數(shù)據(jù)間的交換工具.3D XML是用元素和屬性來描述數(shù)據(jù)，通過引用及嵌套的方式指定元素間的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系，以結(jié)構(gòu)樹來儲(chǔ)存每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)到文件中，通過結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)模型分類.利用3D XML作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，不僅有利于數(shù)據(jù)的讀取，而且易于CATIA所建立的堆石壩三維模型發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)中.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下堆石壩施工4D模型實(shí)現(xiàn)框架如圖6所示.

圖6　網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下堆石壩施工4D模型實(shí)現(xiàn)框架Fig.6 Framework of 4D model for rock-fill dam under network environment

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下堆石壩施工4D模型是從模型的信息共享數(shù)據(jù)庫(kù)讀取堆石壩施工場(chǎng)景等信息，通過改變施工場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的域值來達(dá)到動(dòng)態(tài)的效果.Web分為相對(duì)分離的4層，即服務(wù)層、引擎層、邏輯層和應(yīng)用層［11］.服務(wù)層主要將堆石壩施工場(chǎng)景所需的三維模型、施工信息和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中.引擎層主要是對(duì)施工場(chǎng)景的管理，對(duì)紋理貼圖、燈光效果、漸變等顯示的支持.邏輯層主要處理施工場(chǎng)景中的邏輯關(guān)系和各種規(guī)則，以及碰撞后觸發(fā)事件的處理、動(dòng)作的判斷等.應(yīng)用層主要處理系統(tǒng)的顯示部分.運(yùn)用3DVIA Player ActiveX插件將文件嵌入到HTML頁(yè)面中，頁(yè)面集成了對(duì)三維模型的旋轉(zhuǎn)縮放、樞紐建筑物和典型施工形象面貌的查看、4D動(dòng)畫的播放.心墻堆石壩施4D模型形象地展示堆石壩施工填筑過程，發(fā)布到網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行4D漫游和典型施工面貌的交互查看，為堆石壩施工管理提供有力的支持.

3　工程實(shí)例

以西南地區(qū)某心墻堆石壩為例，大壩共分為7區(qū)，包括心墻區(qū)、上下游反濾區(qū)、上下游過渡區(qū)和上下游堆石區(qū).大壩堆石料、過渡料、反濾料主要來自于4號(hào)石料場(chǎng)、溢洪道開挖、防沖消能開挖和有用料堆場(chǎng).大壩填筑的開工日期為第4年4月，大壩共分為6期進(jìn)行填筑.考慮參數(shù)改變對(duì)大壩形體參數(shù)的影響，加快修改三維模型速度，在CATIA平臺(tái)上建立了大壩的參數(shù)化模型如圖7所示，當(dāng)參數(shù)改變時(shí)，模型可以進(jìn)行更新，減少了方案變化帶來的重復(fù)工作.提取了施工仿真計(jì)算所需的大壩形體參數(shù)、道路節(jié)點(diǎn)信息，錄入到仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中.

圖7　參數(shù)化的壩體三維模型Fig.7 Parametric 3D model of rock-fill dam

面對(duì)設(shè)計(jì)階段的施工仿真主要是預(yù)測(cè)不同施工方案下堆石壩的施工參數(shù)和控制參數(shù)，評(píng)價(jià)施工方案的可行性并為以后的施工管理提供支持.對(duì)于設(shè)計(jì)階段的施工仿真，本文綜合考慮了有效的施工天數(shù)、施工作業(yè)方式、機(jī)械配套以及日上升高限制等約束條件，建立了心墻堆石壩施工仿真模型.仿真得到了各碾壓層的起止時(shí)間、施工月填筑強(qiáng)度、施工機(jī)械利用率以及行車密度等施工參數(shù).圖8為第Ⅲ期月填筑強(qiáng)度，圖9為第Ⅲ期路段623的行車密度.結(jié)合施工仿真實(shí)現(xiàn)了堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真4D仿真及遠(yuǎn)程交互，如圖10和11所示.

通過仿真計(jì)算分析，大壩的填筑工期為109個(gè)月，即從第4年4月初至第13年4月中旬，工期安排能夠滿足要求，比初始工期縮短2個(gè)月，與初始設(shè)計(jì)方案的對(duì)比如表1所示；堆石壩平均月上升高度為2.89，m，壩體填筑平均月填筑強(qiáng)度為43.26×104，m3，礫石心墻最大月填筑強(qiáng)度為8.10×104，m3，與初始的設(shè)計(jì)方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)，壩體的施工強(qiáng)度比初始的設(shè)計(jì)方案略大.仿真統(tǒng)計(jì)了各路段的行車密度，施工仿真中發(fā)生最大行車密度的道路是第Ⅲ期的壩前公路.該路段最大行車密度68輛/h，平均行車密度42輛/h，比初始設(shè)計(jì)值略小.總的來說，各期上壩道路的行車密度都低于85輛/h（規(guī)范要求），滿足要求.通過合理組織施工，這樣的施工方案是可以實(shí)現(xiàn)的.

圖8　第Ⅲ期月填筑強(qiáng)度Fig.8 Monthly filling intensity in the third stage

圖9　第Ⅲ期路段623的行車密度Fig.9 Traffic density of road section 623 in the third stage

圖10　堆石壩施工過程4D仿真Fig.10 4D construction simulation of rock-fill dam

圖11　網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的堆石壩施工過程4D仿真Fig.114D construction simulation of rock-fill dam under network environment

表1　仿真結(jié)果與初始設(shè)計(jì)方案的對(duì)比Tab.1Comparison between the simulation results and the initial design parameters

4　結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前大壩施工動(dòng)態(tài)仿真研究多是基于大壩施工仿真結(jié)果構(gòu)建三維動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，其三維模型存在不易修改、提供的施工信息量有限等問題，提出了以CATIA為平臺(tái)的堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真構(gòu)架；建立了參數(shù)化的三維模型，構(gòu)建了具有擴(kuò)展屬性的堆石壩三維模型，不僅提供了施工場(chǎng)景，還提供了施工道路節(jié)點(diǎn)信息、各階段填筑量等施工信息；最后結(jié)合西南某心墻堆石壩進(jìn)行了以CATIA為基礎(chǔ)的心墻堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真研究，獲得了施工進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了堆石壩施工過程4D仿真，為分析堆石壩施工進(jìn)度的合理性提供了強(qiáng)有力的工具.

［1］Al-Hussein M，Athar N M，Yu H，et al. Integrating 3D visualization and simulation for tower crane operations on construction sites［J］. Automation in Construction，2006，15（5）：554-562.

［2］Chen H M，Huang P H. 3D AR-based modeling for discrete-event simulation of transport operations in construction［J］. Automation in Construction，2013，33：123-136.

［3］Wang W C，Weng S W，Wang S H，et al. Integratingbuilding information models with construction process simulations for project scheduling support［J］. Automation in Construction，2014，37：68-80.

［4］鐘登華，南春輝，宋 洋. 水電工程施工進(jìn)度三維動(dòng)態(tài)可視化方法［J］. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，38（4）：322-327.

Zhong Denghua，Nan Chunhui，Song Yang. Threedimensional dynamic visualization for the schedule of hydroelectric project［J］. Journal of Tianjin University，2005，38（4）：322-327（in Chinese）.

［5］尹習(xí)雙，周宜紅，胡志根，等. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的水電工程施工動(dòng)態(tài)可視化仿真研究［J］. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（7）：1690-1693.

Yin Xishuang，Zhou Yihong，Hu Zhigen，et al. Research on dynamic simulation and visualization for construction process of hydropower project based on virtual reality［J］. Journal of System Simulation，2005，17（7）：1690-1693（in Chinese）.

［6］陳小橋，劉 超，毛瑞雪，等. 分布式水電工程施工過程虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)［J］. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010，43（5）：593-598.

Chen Xiaoqiao，Liu Chao，Mao Ruixue，et al. Distributed virtual reality simulation for hydropower project construction process［J］. Engineering Journal of Wuhan University，2010，43（5）：593-598（in Chinese）.

［7］李紅亮，翟 建，熊建清，等. 河口村水庫(kù)面板堆石壩施工動(dòng)態(tài)三維可視化仿真研究［J］. 水電能源科學(xué)，2011，29（11）：164-166.

Li Hongliang，Zhai Jian，Xiong Jianqing，et al. Study of dynamic three-dimensional visual simulation for concrete faced rock-fill dam construction［J］. Water Resources and Power，2011，29（11）：164-166（in Chi-nese）.

［8］李小帥，萬 軍，黃艷芳，等. CATIA V5 環(huán)境下水電工程三維可視化仿真場(chǎng)景中的應(yīng)用研究［J］. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012，29（12）：113-118.

Li Xiaoshuai，Wan Jun，Huang Yanfang，et al. Application of CG knowledge base to 3D visual simulation of hydropower project by software CATIA V5［J］. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，29（12）：113-118（in Chinese）.

［9］鐘登華，陳永興，常昊天，等. 瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真建模與可視化分析［J］. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2013，46（4）：285-290.

Zhong Denghua，Chen Yongxing，Chang Haotian，et al. Construction simulation modeling and visual analysis of rockfill dam with asphalt concrete core［J］. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2013，46（4）：285-290（in Chinese）.

［10］鐘登華，谷金操，佟大威. 水電站廠房及設(shè)備可視化交互仿真建模方法與應(yīng)用［J］. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2014，47（2）：95-100.

Zhong Denghua，Gu Jinchao，Tong Dawei. Method and application of visual interactive simulation modeling for hydropower house and its equipment［J］. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2014，47（2）：95-100（in Chinese）.

［11］許應(yīng)成，王 理，夏國(guó)平，等. 基于Web 的心墻堆石壩仿真系統(tǒng)建模與應(yīng)用研究［J］. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（30）：199-204.

Xu Yingcheng，Wang Li，Xia Guoping，et al. Study on modeling and application system of core rock-fill dams based on Web［J］. Computer Engineering and Application，2010，46（30）：199-204（in Chinese）.

（責(zé)任編輯：樊素英）

Dynamic Construction Simulation of Core Rock-Fill Dam Based on CATIA Platform

Zhong Denghua，Zhang Qinya，Du Rongxiang，Tong Dawei，Shi Zhichao
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

At present most studies of dynamic construction simulation establish a 3D visualization system based on the simulation results. On account of the fact that the existing 3D models couldn't be modified easily and only provide limited construction information，a dynamic simulation framework for rock-fill dam was put forward based on CATIA platform. Firstly，the 3D model of rock-fill dam was built by means of parametric technique to solve the difficult issues such as model updating. Then，the 3D model with extended attributes was established based on secondary development，which could provide construction scene as well as shape parameters，road node information and other construction information. Finally，based on an engineering project，a construction simulation model for rock-fill dam using discrete event simulation method was established on CATIA platform. The construction dynamic process of rock-fill dam and the remote interaction of 4D model are achieved，which can offer theoretical and technical support for construction management.

CATIA；dynamic construction simulation；parametric technique；extended attributes；rock-fill dam

TV512

A

0493-2137（2015）12-1118-08

10.11784/tdxbz201406087

2014-06-28；

2014-08-28.

國(guó)家創(chuàng)新研究群體基金資助項(xiàng)目（51321065）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2013CB035904）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51339003）.

鐘登華（1963—），男，博士，中國(guó)工程院院士.

鐘登華，dzhong@tju.edu.cn.