基于仿真技術(shù)的高鐵梁場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張洪飛

（中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710021）

在我國(guó)高速鐵路大規(guī)模規(guī)劃與建設(shè)的形勢(shì)下，橋梁作為高速鐵路線路的主要構(gòu)成部分，在高鐵工程中占據(jù)著很大比重，其中預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁、T 梁是橋梁的主要構(gòu)件，預(yù)制梁場(chǎng)作為高鐵線路中的大型臨時(shí)工程，在高速鐵路施工中具有重要的作用，為了提升高鐵梁場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行效率，確保所生產(chǎn)的構(gòu)件質(zhì)量與性能達(dá)到要求，需要加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，將仿真技術(shù)全面應(yīng)用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能夠有效提升生產(chǎn)工作效率與質(zhì)量，推動(dòng)高速鐵路工程建設(shè)。

1 仿真技術(shù)的基本內(nèi)涵分析

仿真技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)，虛擬仿真技術(shù)為多個(gè)學(xué)科融合的技術(shù)形式，主要包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)以及仿真技術(shù)，在仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建虛擬的環(huán)境，在該環(huán)境中以現(xiàn)實(shí)物體為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)虛擬的“物體”，該物體與現(xiàn)實(shí)物體相同，所以可以通過(guò)對(duì)該物體的調(diào)整，顯示出現(xiàn)實(shí)物體調(diào)整的效果，而不需要對(duì)現(xiàn)實(shí)物體進(jìn)行調(diào)整，只需要通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，從而能夠節(jié)約大量的資源與時(shí)間。從該技術(shù)的理論角度來(lái)看，虛擬仿真技術(shù)能夠創(chuàng)建一個(gè)虛擬化的環(huán)境，該虛擬環(huán)境為技術(shù)生成，但是環(huán)境中融合了實(shí)際數(shù)據(jù)，所以與實(shí)際情況相同；虛擬場(chǎng)景中是與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)結(jié)合構(gòu)成的三維模型，將現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)輸入對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)中，系統(tǒng)則能夠生成對(duì)應(yīng)的模型，模型內(nèi)容既可以是現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，也可以是完全虛構(gòu)的場(chǎng)景，通過(guò)三維模型將其表現(xiàn)，能夠提高場(chǎng)景真實(shí)性和表現(xiàn)力[1]。由于仿真技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，所以在現(xiàn)代工程建設(shè)、機(jī)械生產(chǎn)等領(lǐng)域中得以廣泛的應(yīng)用，將其應(yīng)用在工程構(gòu)件的產(chǎn)品生產(chǎn)中，可以通過(guò)對(duì)仿真模型調(diào)整的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程構(gòu)件的設(shè)計(jì)優(yōu)化，在仿真模型優(yōu)化完成后，依據(jù)仿真模型進(jìn)行工程構(gòu)件產(chǎn)品生產(chǎn)，從而能夠提升工程構(gòu)件產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化過(guò)程中還能夠減少資源消耗，提升整體生產(chǎn)效率與質(zhì)量，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 基于仿真技術(shù)的高鐵梁場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基本設(shè)計(jì)思路與流程

依據(jù)高鐵工程制存梁場(chǎng)的定位與要求，構(gòu)建梁場(chǎng)實(shí)體模型、應(yīng)用仿真模型，從而能夠有效避免工期延誤的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題發(fā)生，提升梁場(chǎng)建設(shè)信息化水平。梁場(chǎng)的規(guī)模與位置，按照高鐵工程的項(xiàng)目的工期、施工組織、梁生產(chǎn)與存儲(chǔ)數(shù)量、生產(chǎn)能力、存儲(chǔ)時(shí)間以及工程規(guī)劃等多項(xiàng)因素，結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)比選和確定。在鐵路工程梁場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，其主要設(shè)計(jì)流程包括如下幾項(xiàng)：（1）確定高鐵梁場(chǎng)仿真模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)原則以及編碼原則。（2）分析高鐵工程項(xiàng)目中包含的主要仿真庫(kù)構(gòu)件，建設(shè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)幾何模型構(gòu)件庫(kù)。（3）構(gòu)件地形仿真模型、地坪仿真模型，對(duì)高鐵梁場(chǎng)仿真模型進(jìn)行裝配。（4）進(jìn)行仿真模型碰撞檢查與仿真模型調(diào)試。（5）對(duì)仿真技術(shù)的模型應(yīng)用進(jìn)行研究。

2.2 仿真技術(shù)高鐵梁場(chǎng)設(shè)計(jì)流程

采用仿真技術(shù)對(duì)高鐵梁場(chǎng)的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要流程包括如下幾項(xiàng)。

2.2.1 確定高鐵梁場(chǎng)仿真模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與原則

按照高鐵工程預(yù)制梁場(chǎng)的工程要求，依據(jù)鐵路項(xiàng)目仿真技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，確定高鐵梁場(chǎng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)深度以及編碼原則等，并確定仿真模型的基本信息、交付精度以及模型編碼等前置性工作[2]。

2.2.2 梁場(chǎng)構(gòu)建庫(kù)分析與仿真模型構(gòu)建

在高鐵梁場(chǎng)中工裝設(shè)備模型建設(shè)時(shí)，采用Revit 軟件，依靠其強(qiáng)大的族功能，構(gòu)建梁生產(chǎn)期間需要采用的機(jī)械設(shè)備參數(shù)仿真模型，給予對(duì)應(yīng)族庫(kù)的工程屬性與可變參數(shù)尺寸設(shè)置，從而能夠?yàn)楹笃诰S護(hù)工作提供便利的支持。

在高鐵梁場(chǎng)主要生產(chǎn)設(shè)施處理中，高鐵梁場(chǎng)主要的生產(chǎn)設(shè)施包括制梁臺(tái)座、制梁模板、鋼筋加工設(shè)施、混凝土拌和設(shè)施以及高鐵梁場(chǎng)內(nèi)道路等；按照高鐵梁場(chǎng)的設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建不同類(lèi)型的制作與存儲(chǔ)梁臺(tái)座仿真構(gòu)件模型，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，完成制作與存儲(chǔ)梁臺(tái)座的布置；構(gòu)建高鐵梁場(chǎng)制梁模板族庫(kù)，形成箱梁模板構(gòu)建庫(kù)；按照地形的基本狀態(tài)，建設(shè)連接制梁區(qū)域、存梁區(qū)域以及生活區(qū)域的道路仿真模型。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，構(gòu)建混凝土拌和設(shè)施的模型，包含砂石料堆放倉(cāng)庫(kù)、消防水質(zhì)等，確保仿真模型的準(zhǔn)確性[3]。

在辦公與生活設(shè)施區(qū)域中，按照高鐵梁場(chǎng)的設(shè)計(jì)方案，建設(shè)辦公區(qū)域、實(shí)驗(yàn)室區(qū)域以及生活設(shè)施的基本仿真模型，并對(duì)區(qū)域中綠化、場(chǎng)坪等硬化設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 地形模型與模型裝配

按照相關(guān)專(zhuān)業(yè)提供的地理信息模型，在CAD 軟件中對(duì)其進(jìn)行一定處理，將無(wú)關(guān)與沒(méi)有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息去除，保留高鐵梁場(chǎng)周?chē)牡匦涡畔ⅲ瑢⑵鋵?dǎo)入Revit軟件中，構(gòu)建高鐵梁場(chǎng)地形仿真模型，采用軟件中的地形模型構(gòu)建功能，構(gòu)建高鐵梁場(chǎng)模型。在Rvvit 軟件中新建項(xiàng)目信息，在項(xiàng)目文件中設(shè)定統(tǒng)一的基準(zhǔn)高層、定位軸網(wǎng)以及項(xiàng)目單位等基本數(shù)據(jù)，在高鐵梁場(chǎng)地形模型加載之后，耦合既有的橋梁模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵梁場(chǎng)仿真模型的構(gòu)建。

3 仿真技術(shù)在高鐵梁場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

本次項(xiàng)目為H 市高速鐵路建設(shè)工程，占地面積為185 畝，高鐵梁場(chǎng)主要分為制梁區(qū)域、存梁區(qū)域、提梁區(qū)域、鋼筋加工區(qū)域、辦公生活區(qū)域、生活區(qū)域以及拌和區(qū)域；主要的大型臨時(shí)設(shè)施包括制梁區(qū)、存梁區(qū)、鋼筋加工區(qū)與拌和站；高鐵梁場(chǎng)應(yīng)用提梁機(jī)跨線提梁上橋，運(yùn)架一體化運(yùn)梁架梁的方式對(duì)橋梁進(jìn)行架設(shè)。該高鐵梁場(chǎng)的主要工程如表1 所示。

表1 該高鐵梁場(chǎng)的主要工程

根據(jù)項(xiàng)目的基本信息來(lái)看，在本次高鐵梁場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中，存在著幾項(xiàng)施工難點(diǎn)問(wèn)題：（1）較多的基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)設(shè)施以及配合關(guān)系較為復(fù)雜，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中主要以平面的方式體現(xiàn)，結(jié)構(gòu)平面不夠立體直觀，針對(duì)部分關(guān)鍵設(shè)施的特點(diǎn)等難以準(zhǔn)確描述，不利于施工人員理解高鐵梁場(chǎng)建設(shè)的基本表結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。（2）高鐵梁場(chǎng)的整體建設(shè)較為復(fù)雜，包括建筑物、生產(chǎn)設(shè)施、生活設(shè)施以及多種機(jī)械設(shè)備等，施工人員在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式下無(wú)法準(zhǔn)確掌握。如果施工沒(méi)有掌握高鐵梁場(chǎng)建設(shè)的基本要求與要點(diǎn)，則無(wú)法進(jìn)行高質(zhì)量的施工建設(shè)，所以需要加強(qiáng)仿真技術(shù)的應(yīng)用，但是在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)數(shù)量較多的情況，整體仿真建模工作難度較大。（3）高鐵梁場(chǎng)質(zhì)量、安全等性能評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容較多，影響高鐵梁場(chǎng)質(zhì)量和使用的因素較多，不同性能指標(biāo)的影響規(guī)律以及影響因素等較為復(fù)雜，施工人員在作業(yè)過(guò)程中面臨著許多難點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員在無(wú)法準(zhǔn)確掌握評(píng)價(jià)指標(biāo)與影響因素的情況下，則難以得到準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)于高鐵梁場(chǎng)施工建設(shè)會(huì)造成很大的不利影響。

為了解決上述本次高鐵梁場(chǎng)工程中存在的問(wèn)題，需要合理應(yīng)用仿真技術(shù)，構(gòu)建高鐵梁場(chǎng)的仿真模型，以此為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行整體性優(yōu)化設(shè)計(jì)與模擬，從而提升施工質(zhì)量。

3.2 在場(chǎng)地平整中的應(yīng)用

采用Civil 3D 軟件中的曲面建模功能，能夠快速獲取高鐵梁場(chǎng)場(chǎng)地三維地形，并得到土方三維效果、平面圖開(kāi)挖以及填方線的具體示意圖，自動(dòng)化完成對(duì)場(chǎng)地平整土方的計(jì)算，具體流程：（1）采用航拍提供的專(zhuān)業(yè)化地形資料，構(gòu)建高鐵梁場(chǎng)初始地形模型的曲面。（2）采用Civil 3D 軟件中的專(zhuān)業(yè)放坡功能，依據(jù)高鐵梁場(chǎng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地進(jìn)行平整，獲取經(jīng)過(guò)平整后的地形曲面模型。（3）依據(jù)場(chǎng)地平整前與平整后的曲面模型，采用Civil 3D 軟件中的土方分析功能，獲取高鐵梁場(chǎng)平整的土方工程數(shù)量，并生成計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。

3.3 在工程量計(jì)算中的應(yīng)用

工程量計(jì)算是高鐵梁場(chǎng)預(yù)算編制的基礎(chǔ)，同時(shí)也是項(xiàng)目投資建設(shè)的主要依據(jù)，所以需要確保工程量計(jì)算準(zhǔn)確性，才能夠確保投資充足，同時(shí)提升經(jīng)濟(jì)效益。在高鐵梁場(chǎng)仿真模型建設(shè)完成后，按照高鐵梁場(chǎng)的仿真模型，對(duì)工程中的工程數(shù)量進(jìn)行計(jì)算；對(duì)高鐵梁場(chǎng)中的土方工程、制作與存儲(chǔ)梁臺(tái)座、場(chǎng)坪道路、辦公區(qū)域以及綠化區(qū)域等構(gòu)建仿真構(gòu)件模型，能夠快速且準(zhǔn)確地獲得對(duì)應(yīng)的構(gòu)件模型工程數(shù)量，以此為基礎(chǔ)對(duì)投資進(jìn)行預(yù)算，能夠提升預(yù)算結(jié)果準(zhǔn)確性。

3.4 梁場(chǎng)布設(shè)與仿真漫游

在高鐵梁場(chǎng)傳統(tǒng)的建設(shè)模式下，一般采用施工平面布置圖的方式，以平面圖紙將工程設(shè)計(jì)成果進(jìn)行展現(xiàn)，但是二維圖紙存在著一定的缺陷問(wèn)題，難以直觀、清晰地展現(xiàn)出高鐵梁場(chǎng)的實(shí)際情況，從而會(huì)對(duì)后續(xù)的施工建設(shè)造成負(fù)面影響。在高速鐵路項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模與復(fù)雜程度提升的情況下，傳統(tǒng)二維圖紙對(duì)于高鐵梁場(chǎng)建設(shè)的指導(dǎo)存在局限性，無(wú)法滿足實(shí)際建設(shè)需求，所以需要加強(qiáng)對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效補(bǔ)充傳統(tǒng)模式下存在的問(wèn)題，進(jìn)而為高鐵梁場(chǎng)建設(shè)提供支持，主要應(yīng)用要點(diǎn)包括：（1）構(gòu)建高鐵梁場(chǎng)地形模型，同時(shí)構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)既有的建筑物仿真模型，能夠有效解決高鐵梁場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)與周?chē)h(huán)境、建筑物沖突的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。（2）采用Revit 中族庫(kù)內(nèi)的單元構(gòu)件，靈活設(shè)置高鐵梁場(chǎng)中各功能分區(qū)與工裝設(shè)施，按照地形三維模型實(shí)現(xiàn)高鐵梁場(chǎng)仿真實(shí)體模型的建設(shè)。（3）將動(dòng)態(tài)時(shí)間屬性給予各個(gè)仿真實(shí)體模型，能夠完成對(duì)各對(duì)象的實(shí)時(shí)交互，按照時(shí)間屬性構(gòu)件4D 高鐵梁場(chǎng)模型。（4）對(duì)仿真實(shí)體模型中的各個(gè)實(shí)體位置、造型等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保其能夠與高鐵梁場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)際情況更加符合；采用仿真模型漫游可視化的功能，能夠確?，F(xiàn)場(chǎng)布局、設(shè)計(jì)不合理之處及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而能夠避免由于設(shè)計(jì)方案存在問(wèn)題在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤情況，提升高鐵梁場(chǎng)建設(shè)質(zhì)量[4]。

3.5 在運(yùn)架梁施工中的應(yīng)用

在預(yù)制梁仿真信息模型基礎(chǔ)上，附加施工建設(shè)過(guò)程、施工流程等基本數(shù)據(jù)，能夠?qū)Ω哞F梁場(chǎng)施工建設(shè)流程進(jìn)行可視化模擬；仿真模擬箱梁的預(yù)制、搬運(yùn)以及架設(shè)施工技術(shù)，全面采用仿真模擬對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，能夠提升施工方案準(zhǔn)確性，確保施工過(guò)程中存在的問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)。在本次高鐵梁場(chǎng)項(xiàng)目中，采用仿真模擬后，發(fā)現(xiàn)部分環(huán)節(jié)采用既有的施工技術(shù)無(wú)法完成，因此對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于一些優(yōu)化后依然無(wú)法完成的施工項(xiàng)目，對(duì)施工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，從而避免后期施工遇到問(wèn)題時(shí)臨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，有效提升了高鐵梁場(chǎng)建設(shè)效率，還避免由于返工引起的成本浪費(fèi)問(wèn)題。同時(shí)，在高鐵梁場(chǎng)模型中增加450t 提梁機(jī)與900t 提梁機(jī)以及龍門(mén)吊等施工設(shè)備的運(yùn)行路徑和工作狀態(tài)信息，對(duì)提梁上橋的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行模擬，有效避免機(jī)械設(shè)備之間的干擾問(wèn)題，使得各項(xiàng)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行路徑得以優(yōu)化，從而提升施工協(xié)調(diào)性，按照設(shè)計(jì)方案對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行提供指導(dǎo)。

3.6 在構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用

本次高鐵梁場(chǎng)項(xiàng)目中，除了基礎(chǔ)的生產(chǎn)設(shè)施之外，還存在著大量的構(gòu)筑物，為了能夠提升整體項(xiàng)目質(zhì)量，需要加強(qiáng)對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)用。在高鐵梁場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用數(shù)字手段與虛擬仿真技術(shù)，能夠幫助工作人員更加明確各區(qū)域的配合方式，使得工作人員對(duì)高鐵梁場(chǎng)的內(nèi)部構(gòu)成情況更加清晰，工作人員在高鐵梁場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，則能夠依據(jù)構(gòu)筑物的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，進(jìn)而能夠提升實(shí)際施工質(zhì)量。由此可以看出，仿真技術(shù)在高鐵梁場(chǎng)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò) 輸入構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)參數(shù)的方式，能夠構(gòu)建立體化構(gòu)筑物模型，為高鐵梁場(chǎng)構(gòu)筑物施工打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，能夠有效提高高鐵梁場(chǎng)構(gòu)筑物施工質(zhì)量，確保施工順利開(kāi)展。通過(guò)采用仿真技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程化指導(dǎo)，使得高鐵梁場(chǎng)設(shè)計(jì)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開(kāi)展，打破了傳統(tǒng)模式下受到的空間限制，為設(shè)計(jì)人員提供更加充足的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，且采用仿真技術(shù)構(gòu)建構(gòu)筑物模型后，施工人員對(duì)于構(gòu)筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)掌握將會(huì)更加充分，能夠在仿真環(huán)境中對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行施工模擬，具有良好的應(yīng)用效果，是仿真技術(shù)具有的重要優(yōu)勢(shì)[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，仿真技術(shù)在現(xiàn)代高鐵工程建設(shè)中具有重要的作用，將其應(yīng)用在梁場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)中，能夠有效解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，對(duì)梁場(chǎng)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，提升生產(chǎn)工作效率，所以需要不斷完善梁場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)功能，充分發(fā)揮仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。