高拱壩倉面施工沖突類型分析與建模研究

毛重陽

摘 要：面對高拱壩在倉面澆筑時可能出現(xiàn)的施工沖突問題，本文對倉面施工中的各種對象進(jìn)行了分析與建模，并根據(jù)各種沖突產(chǎn)生的類型對沖突的模式進(jìn)行了分類、整理，分析了澆筑過程中施工沖突的產(chǎn)生機(jī)理、分類及影響效應(yīng)，后構(gòu)建了應(yīng)對這些沖突的調(diào)整機(jī)制。通過實例分析，本文所進(jìn)行的分析與建模具有可行性。

關(guān)鍵詞：高拱壩 沖突監(jiān)測 倉面施工模擬

混凝土高拱壩通常位于地質(zhì)條件復(fù)雜多變的高山峽谷地區(qū)，其地形陡峻、地應(yīng)力高，且空間資源有限。因此，混凝土高拱壩的施工是一個極其重要而又復(fù)雜的過程，其施工工期長、混凝土澆筑量大、易出現(xiàn)施工干擾、機(jī)械布置困難，澆筑進(jìn)度同時受到多方面因素影響，如自然環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式、工藝技術(shù)、組織方式、以及澆筑機(jī)械與供料能力等。同時，在實際水電工程中，為追求提前發(fā)電效益，還會有加快大壩施工進(jìn)程，縮短施工工期這樣的要求。在這樣的環(huán)境下，勢必會出現(xiàn)高強(qiáng)度混凝土澆筑與大壩快速施工間的沖突，給高拱壩施工設(shè)計優(yōu)化與動態(tài)實時控制提出了更高的要求。

通過專家學(xué)者的研究，我們不難看到，施工組織方案的合理與否直接關(guān)系著整個壩體施工的順利實施。其中，胡振中等提出了集成BIM和4D技術(shù)的施工沖突安全檢測系統(tǒng)；吳斌平等針對在高拱壩施工過程中選擇纜機(jī)時出現(xiàn)的隨機(jī)性和不確定性，提出了基于邊緣有限準(zhǔn)則和空間沖突模擬的纜機(jī)選擇機(jī)制；王仁超等則通過使用空間分析和沖突識別技術(shù)提出了在多種施工條件下處理纜機(jī)澆筑時的干擾與聯(lián)合等問題的模擬規(guī)則。

通過上述專家、學(xué)者的研究，要深入分析高拱壩在倉面施工中可能產(chǎn)生的時空沖突問題，我們需要對倉面施工的過程進(jìn)行具體的分析，可以從倉面施工的設(shè)備與工藝入手，對整個施工方案進(jìn)行過程上的分析與模擬，從而可以得出沖突產(chǎn)生的類型與原因，進(jìn)而為整個倉面施工的方案進(jìn)行方案分析并提出科學(xué)依據(jù)。

1.高拱壩倉面施工系統(tǒng)分析

混凝土高拱壩通常建立于地質(zhì)條件復(fù)雜多變的高山與峽谷地區(qū)，那里地形陡峻、河谷深切、地應(yīng)力較高，并且空間有限。因此，高拱壩的澆筑倉面往往有著空間狹窄，施工機(jī)械種類豐富，施工工藝復(fù)雜，倉面內(nèi)物體在實際施工作業(yè)時易發(fā)生交叉和干擾的特點。而沖突的產(chǎn)生不僅會降低施工效率，甚至可能引起安全風(fēng)險。

1.1對于倉面施工中各單位的分析與分類

在對倉面實體沖突進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究時，依據(jù)施工系統(tǒng)實體的特征，可將倉面實體分為施工設(shè)備、施工人員、施工材料與施工對象四類。其中，施工設(shè)備主要有纜機(jī)、塔機(jī)、平倉機(jī)等，施工人員可分為指揮人員、倉面作業(yè)人員、機(jī)械操作人員等，施工材料有冷卻水管、鋼筋、模板等，施工對象可分為壩塊、鋼模板、預(yù)制塊等。具體情況見圖1。

1.2碰撞檢測中的施工單元分析

在碰撞檢測系統(tǒng)中，由于計算機(jī)的局限性，我們不能單純的按照上文中施工設(shè)備、施工人員、施工材料、施工對象的分類方式對其進(jìn)行碰撞檢測。根據(jù)碰撞檢測系統(tǒng)的特點，我們可以將其分為兩大類，即相對場景靜止的物體與會頻繁產(chǎn)生位移的物體，來進(jìn)行檢測。繼而在進(jìn)行碰撞檢測時，我們就只用針對三情況進(jìn)行檢測：主動進(jìn)行運(yùn)動的物體間的沖突檢測、靜止物體間的沖突監(jiān)測、主動運(yùn)動物體與靜止物體間的沖突檢測。

為此，我們應(yīng)將倉面施工中的單位重新按照場景靜止的物體與會頻繁產(chǎn)生位移的物體來進(jìn)行分類。而在會頻繁產(chǎn)生位移的物體中，我們又可以根據(jù)其運(yùn)動特性，將其分為單純位移、單純旋轉(zhuǎn)與多種運(yùn)動模式結(jié)合三類。具體分類情況見圖2。

2.倉面施工沖突監(jiān)測

在虛擬的施工場景中，上文所述的任意一種實體都有可能與其他的實體發(fā)生沖突，為了避免這些沖突的產(chǎn)生，我們需要建立一種沖突監(jiān)測方法。

2.1不同類別施工單位的包圍盒模型

單純位移類物體

2.2虛擬倉面沖突檢測模擬

為了是倉面施工的模擬具有準(zhǔn)確性與科學(xué)依據(jù)，我們需要對整個倉面施工的過程進(jìn)行模擬。而時間步長是根據(jù)倉面中各個實體當(dāng)時的狀態(tài)的改變而推進(jìn)的，又因為其狀態(tài)的變化遵循著一定的規(guī)律，是由一系列施工工序流程演變而來，所以我們可以針對不同類別的施工單位，來進(jìn)行倉面虛擬施工碰撞檢測。我們在進(jìn)行檢測時，可將施工單位按類型分為靜-靜檢測、動-靜檢測與動-動檢測三類。具體流程見圖6與圖7。

通過分析，雙動物體碰撞檢測在流程上與一動一靜兩物體的碰撞檢測相似，只是在獲取實體時變?yōu)楂@取兩個不同的動實體，所以在檢測時我們將動-靜檢測與動-動檢測兩類合并為一類，即非雙靜物體碰撞檢測。

3.實例分析

某型水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的一個梯級電站，具有以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運(yùn)條件和發(fā)展庫區(qū)通航等綜合效益。我們根據(jù)上文的方法，對其某一倉面的施工過程進(jìn)行了模擬，以分析上文所述方法是否具有可行性。

3.1雙靜物體檢測

將施工方案與施工機(jī)械配置等數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)后進(jìn)行模擬，未發(fā)現(xiàn)沖突產(chǎn)生。后更改施工現(xiàn)場配置，使堆料區(qū)與倉邊模板重疊并進(jìn)行檢測，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)沖突并指出為堆料區(qū)與模板發(fā)生沖突，提示施工方案不可行。至此，我們認(rèn)為此雙靜物體檢測系統(tǒng)的結(jié)果可信。

3.2非雙靜物體檢測

通過導(dǎo)入施工方案與各項施工設(shè)施屬性進(jìn)行模擬，我們發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行非雙靜檢測時，產(chǎn)生了倉面施工機(jī)械與材料堆砌區(qū)的沖突，詳情見圖8。

在重新進(jìn)行路徑規(guī)劃后，問題得到了解決，倉面施工模擬順利完成。所以，上文提及的非雙靜物體檢測系統(tǒng)也是可行的。

4.總結(jié)

本文針對高拱壩倉面施工中沖突問題為研究對象，首先對倉面施工單位的類別進(jìn)行了分析與建模，并在此基礎(chǔ)上對倉面沖突產(chǎn)生的類型進(jìn)行了分析并提出了按照施工單元的運(yùn)動方式進(jìn)行分類的方法，針對不同類型的沖突，建立了相應(yīng)的沖突檢測機(jī)制。最后以某實際工程倉面澆筑過程進(jìn)行了驗證分析，表明本文所建立的沖突監(jiān)測方法能夠有效的為工程施工方案決策提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭家祥，閻士勤，李翔，尹習(xí)雙. 300m級高拱壩施工方案和進(jìn)度[J].水電站設(shè)計，2013，29（04）： 1-3.

[2]王仁坤.我國特高拱壩的建設(shè)成就與技術(shù)發(fā)展綜述[J].水利水電科技進(jìn)展， 2015， 35（05）： 13-19.

[3]吳康新.混凝土高拱壩施工動態(tài)仿真與實時控制研究[D].天津大學(xué)，2008.

[4]胡振中，張建平，張新.基于四維時空模型的施工現(xiàn)場物理碰撞檢測[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，50（06）：820-825.

[5]吳斌平，任炳昱，鐘登華.基于邊緣優(yōu)先和空間沖突的拱壩澆筑仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2013，25（07）：1560-1567.

[6]王仁超，王晨旭.混凝土壩澆筑仿真中的纜機(jī)干擾與聯(lián)合問題研究[J].水資源與水工程學(xué)報，2015，26（02）：195-199.