基于3DE的混凝土壩施工進度仿真動態(tài)可視化

摘要：混凝土壩施工進度常采用計算機仿真技術進行模擬，一般以大壩三維模型作為可視化表達載體，設計和施工仿真階段模型顆粒度要求不同，模型數據和仿真結果交互不便，施工進度仿真可視化交互性不強。為實現不同階段混凝土壩模型快速建模、模型屬性和仿真數據關聯應用、進度仿真可視化展示的高度集成和交互，提出了一種基于3DE的混凝土壩施工進度仿真動態(tài)可視化方法，并研發(fā)了混凝土壩模型快速分割、屬性批量計算提取與數據交互、施工進度仿真動態(tài)展示等工具，最后以旭龍水電站混凝土拱壩為例進行實際應用并取得了良好的效果。結果表明：此方法具有操作簡單、數據無損復用和可視化效果好的優(yōu)勢，可為混凝土壩施工仿真進度動態(tài)可視化研究提供新的思路。

關 鍵 詞：混凝土壩；施工進度仿真；動態(tài)可視化；3DE；旭龍水電站

中圖法分類號：TV642

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.08.019

0 引 言

混凝土壩施工過程受地形氣象、壩體結構和分縫分塊方式、混凝土分塊澆筑順序、施工工藝要求、機械設備與材料供應等諸多影響因素制約^［1-2］，需綜合考慮各種因素作用以獲取合理的施工方案。在各種限制及約束條件影響下，采用常規(guī)的工程進度分析方法找到某種適宜的大壩澆筑順序和合理工期存在耗時、費力、靈活性差等問題?，F有解決方案多是使用計算機技術進行施工進度仿真模擬^［3-5］，國內外眾多研究機構、學者先后進行了大量的理論研究與實踐應用^［6-10］，成果豐碩。通常，混凝土壩施工進度仿真需進行經濟、技術及目標的綜合評價比選^［11-14］，在施工強度等系統(tǒng)屬性參數均衡合理的基礎上，評價不同施工方案的優(yōu)劣，形成既滿足工程整體目標設計以及階段的導流、度汛等進度要求，又兼顧施工經濟的大壩動態(tài)澆筑順序，輔助施工組織設計決策^［15-16］。

現有混凝土壩施工進度仿真過程多以大壩三維模型作為可視化表達載體，以提高仿真系統(tǒng)直觀性和交互性。主流的BIM三維軟件如Revit、Microstation和CATIA等，均有被用于建立混凝土壩模型的案例。不同軟件各有特點及適用范圍：Revit軟件多用于工民建行業(yè)，在復雜曲面建模方面存在短板，結合Dynamo插件一定程度上可提升其參數化曲面建模能力；Microstation軟件常用于工業(yè)建筑設計和基礎設施領域；CATIA軟件在復雜的異形曲面構件參數化建模方面表現優(yōu)越，多用于水利水電行業(yè)。在設計、施工不同階段，混凝土壩三維模型所需傳遞信息的顆粒度不同，模型精細度要求不同，不同階段需進行深化處理。為滿足基于離散事件系統(tǒng)模擬思想的施工進度仿真可視化需求，混凝土壩三維模型經深化處理后，應能形成滿足大壩跳倉選塊過程的澆筑塊模型，這對BIM軟件處理模型形體、無損繼承構件附屬信息的綜合能力提出了較高要求。

若使用不同BIM軟件進行混凝土壩三維建模與深化處理，模型數據源格式的差異將不可避免地導致轉換過程中發(fā)生模型屬性信息丟失、模型缺乏繼承性等問題。此外，混凝土壩施工進度仿真系統(tǒng)計算獲取的仿真結果通常是以數據和二維圖表的形式呈現，存在展示效果不直觀、交互性不強、可視化程度不高的特點。除此之外，混凝土壩BIM模型擴展關聯施工仿真結果時，需要通過接口轉換或聯合使用其他軟件，這對使用者的專業(yè)技術水平提出了較高要求。因此，本文提出了一種能保持各階段模型數據同源、實現模型快速構建與處理、支持模型屬性信息拓展并能動態(tài)可視化展示施工進度全過程的方法。

1 3DE平臺

3DE平臺是目前主流三維一體化平臺之一（圖1），由達索公司使用云端技術，基于瀏覽器開發(fā)^［17-18］。該平臺實現了前臺和后臺的雙重整合，前臺的各應用模塊基于同一個3D圖形引擎，后臺的所有數據存儲在同一套數據庫內，平臺底層為單一數據源架構，不同人員、不同軟件模塊可以共享同一數據。平臺集成了ENOVIA、CATIA、DELMIA和SIMULIA 4類主要應用模塊，其中，CATIA模塊在三維建模方面功能強大，支持參數化建模和骨架關聯設計，方便用戶快速建立復雜曲面構件三維模型；DELMIA模塊提供了虛擬裝配仿真技術，可用于施工進度動態(tài)模擬。此外，3DE平臺還提供了眾多二次開發(fā)功能，如Interactive User Defined Feature（交互式自定義特征）、 Knowledge Ware（智能構件）、Automation API（ 自動化接口）和CAA API等（表1），方便用戶進行個性化需求開發(fā)。

3DE平臺因其強大的支持體系，為基于同一平臺實現混凝土壩建模與處理、數據無損復用和動態(tài)可視化展示提供了一條可行的技術路線。然而，若僅使用3DE平臺原生功能進行混凝土壩施工進度仿真，仍存在模型分割、數據交互傳遞、進度仿真動態(tài)模擬的問題。用戶使用CATIA模塊原生功能進行模型分割處理時，需花費大量時間手動進行重復性操作，效率低下。若使用Knowledge Ware開發(fā)技術編制功能模板，能一定程度上提高模型分割效率，但需要用戶具備較高開發(fā)水平。當方案修改導致模型分割要求變化時，用戶仍需重復進行類似操作，導致模型分割效率提升優(yōu)勢不明顯。此外，用戶使用DELMIA模塊進行施工進度可視化模擬時，需提前進行各施工模塊制造和施工過程規(guī)劃，按照進度仿真結果逐項裝配排序，才能確定進度仿真流程。該過程需用戶進行成百上千次重復性的操作，而且當施工仿真方案調整時又需重復大量裝配操作，這并不利于施工進度仿真的多方案比選。

3DE平臺提供的CAA API開發(fā)技術，能處理從簡單到復雜的二次開發(fā)工作，使用嵌入式開發(fā)方法生成的功能模塊可以和原系統(tǒng)緊密結合，有利于系統(tǒng)功能模塊集成。本文利用3DE的CAA API開發(fā)技術，進行混凝土壩施工進度仿真可視化研究，主要解決以下問題：① 如何優(yōu)化混凝土壩三維模型分割效率，形成滿足大壩分縫分層規(guī)則的澆筑塊模型；② 如何快速批量計算模型幾何屬性，實現與施工進度仿真系統(tǒng)數據無損交互；③ 如何在3DE平臺擴展施工仿真可視化模塊，增強仿真可視化展示的集成度和交互性，為混凝土壩施工組織設計決策活動提供有效的評價信息。

針對問題①，研發(fā)滿足混凝土壩分縫分層規(guī)則的快速分割工具，實現以規(guī)則表單預定義的數據驅動工具自動運行，快速獲取編碼規(guī)則有序的混凝土壩澆筑塊模型，實現模型分割精度和效率的優(yōu)化。

針對問題②，研發(fā)混凝土壩澆筑塊模型特征屬性計算提取與數據交互工具，實現模型屬性高效計算，為施工進度仿真系統(tǒng)提供基礎數據。將仿真計算獲取的結果數據關聯到大壩模型，實現模型仿真屬性擴展與應用。

針對問題③，研發(fā)混凝土壩施工進度仿真動態(tài)可視化交互窗口，實現大壩施工進度仿真全過程動態(tài)模擬、控制性節(jié)點形象面貌展示和關鍵信息查詢，仿真結果以動畫、圖表等形式直觀高效呈現，增強仿真可視化展示的集成度和交互性。

2 基于3DE的施工進度仿真動態(tài)可視化技術

2.1 總體設計方案

本文設計的基于3DE的混凝土壩施工進度仿真動態(tài)可視化方法，其技術路線如圖2所示。主要分為以下部分：

（1）混凝土壩三維模型快速分縫分層。建立大壩三維模型，結合分縫構造要求，制定分縫規(guī)則并以參數化表單形式進行描述，根據分縫規(guī)則和澆筑層厚，表單參數自動生成壩段和倉位分割面、分層分割面，對大壩模型進行實體分割，形成混凝土壩澆筑塊模型。當分縫分層方案改變時，只需修改參數化表單對應數據，即可重新劃分大壩三維模型，獲取新方案的澆筑塊模型。

（2）混凝土壩澆筑塊模型特征屬性計算提取與數據交互。不同于常規(guī)的混凝土壩澆筑塊幾何形體參數近似計算，獲取混凝土壩澆筑塊模型后，此方法自動計算澆筑塊的高程、體積和角點坐標等特征屬性，為混凝土壩施工進度仿真系統(tǒng)提供基礎數據。仿真計算后將結果以表單形式關聯到3DE數據庫，使混凝土壩澆筑塊模型自動擴展仿真屬性。當多種施工進度仿真方案進行比選時，重復上述流程，即可快速獲取不同方案的仿真結果。

（3）混凝土壩施工進度仿真動態(tài)可視化交互。研發(fā)進度仿真交互窗口，展示混凝土壩施工進度仿真全過程和關鍵仿真結果，方便用戶快捷獲取進度仿真關鍵信息，對比不同方案的仿真結果，為施工組織設計決策活動提供有效的數據信息。

2.2 具體實施方式

本文提出的方法，各部分設計內容具體實施方式闡釋如下。

2.2.1 建立混凝土壩整體三維設計模型

根據設計資料，在CATIA模塊中設置混凝土壩建模坐標系，坐標原點在拱壩底部上游拱圈的中心位置，X軸垂直水流方向從左岸指向右岸，Y軸順大壩中心線指向下游，Z軸通過原點垂直向上。利用骨架關聯設計技術參數化建模功能，建立混凝土壩三維設計模型。

2.2.2 混凝土壩模型快速分縫分倉分層

根據混凝土壩設計規(guī)范的構造要求，綜合考慮壩體結構布置、混凝土溫控防裂和混凝土施工等因素，分別制定拱壩和重力壩分縫分層規(guī)則。

對于混凝土拱壩，考慮到為避免壩底應力集中產生裂縫而設置轉折縫，轉折縫與橫縫不在同一平面，需分段設置分縫面規(guī)則，每段分橫縫參數包括壩段高程值H、方位角α、截距L和轉折縫夾角θ。對于混凝土重力壩，橫縫分割面形式簡單，通過兩個特征點的坐標參數（x_i，y_i）和（x_j，y_j）定義分割面，創(chuàng)建分橫縫規(guī)則表單。設置縱縫時，通過兩個特征點坐標參數、設置轉折縫高程值H及轉折縫夾角θ，創(chuàng)建重力壩分縱縫規(guī)則表單。壩段分層表單參數包括壩段編號、倉位編號、底高程、頂高程和層厚。

基于3DE提供的CAA API開發(fā)方式，以C++命令流方式自動編譯執(zhí)行操作，具體步驟主要為：調用CATIGSMUseLine、CATIGSMUseLoft等API接口，根據分縫分層規(guī)則表單中定義的參數創(chuàng)建對應的軸線和多截面曲面等機械特征，批量生成混凝土壩各類分割面；調用CATIGSMUseSplit接口，驅動生成的分割面自動對壩體進行實體分割；通過API接口和規(guī)則表單的聯合運用，可以實現混凝土壩模型快速分割操作。

將上述功能封裝并形成快速分割工具，以功能按鈕的形式集成到CATIA工具欄中（圖3）。用戶輸入分割規(guī)則表單即可驅動分割工具自動運行，獲取混凝土壩澆筑塊模型。所有澆筑塊在CATIA模塊的結構樹上按照預先設定的編碼規(guī)則依次排列，便于用戶快速檢索。

2.2.3 混凝土壩澆筑塊模型特征屬性計算提取與數據交互

大壩各澆筑塊模型按照“壩段號”+“-”+“倉位號”+“-”+“澆筑層號”的形式進行命名和排序。調用CATIMeasurableInContext等接口，研制澆筑塊模型屬性計算與提取工具，集成到CATIA工具欄。采用遍歷循環(huán)方式自動計算各澆筑塊的特征屬性，如壩段編號、倉位編號、澆筑層號、底高程、頂高程、澆筑層厚、倉面面積、倉面寬度、倉面長度、澆筑層體積、澆筑層上下左右4個角點坐標、重心點坐標等，其蘊含的數據信息能準確表征模型幾何屬性及空間位置。將澆筑塊特征屬性數據按預定義字段的數據表導出，作為混凝土壩施工仿真系統(tǒng)的基礎數據參與仿真計算，輔助提升仿真計算分析效率。

根據施工規(guī)范、大壩基礎約束區(qū)、脫離基礎約束區(qū)澆筑塊的澆筑層厚和對應的間歇期、相鄰壩塊允許高差、相鄰壩段高差限制、夏冬季施工間歇時間差值等限制條件，綜合判斷各壩塊的可澆筑性，仿真計算后確定壩塊動態(tài)澆筑順序。

研制施工進度仿真系統(tǒng)和3DE平臺的數據交互工具，集成到CATIA工具欄中（圖4）。根據澆筑塊編碼的唯一性，基于澆筑塊唯一編碼建立仿真數據和模型特征屬性數據之間的映射關系，將壩塊澆筑時間、層間間歇、澆筑強度、機械澆筑效率和接縫灌漿進度等關鍵仿真信息，批量導入3DE平臺數據庫。澆筑塊模型自動獲取仿真信息，實現仿真數據和特征屬性數據無損交互及共享。

當大壩施工方案調整變化時，對不同施工方案進行仿真比選。施工方案的調整有兩種情況：第一種是對階段仿真或區(qū)域仿真方案的調整，當施工過程中分層方案、壩段區(qū)間或一定高程范圍內仿真邊界條件發(fā)生變化時，可對關心的某時段、某區(qū)域內的部位再次進行仿真。在當前混凝土壩已澆筑形象的基礎上，使用快速分縫分層工具，獲取調整方案對應的剩余尚未澆筑的混凝土壩澆筑塊模型；使用屬性計算提取與數據交換工具，獲取剩余尚未澆筑的混凝土壩澆筑塊幾何特征屬性信息，調整仿真參數數值，重新進行施工仿真模擬，迭代調整階段仿真或區(qū)域仿真方案對應的澆筑塊模型、施工進度仿真結果，更新兩者耦合的數據信息。第二種是對整體施工方案的調整，當混凝土壩分縫分層方案發(fā)生改變或新增需要進行分割的壩段倉位時，重復大壩快速分割、模型屬性計算提取與數據交互操作，更新混凝土壩模型分割結果、施工進度仿真結果以及兩者耦合的數據信息。

分析比較不同施工方案的仿真結果，選取各指標相對較優(yōu)的方案，將施工方案仿真結果與混凝土壩澆筑塊模型進行融合，實現優(yōu)選方案和仿真信息數據動態(tài)耦合關聯。

2.2.4 混凝土壩施工進度仿真動態(tài)可視化交互

調用3DE平臺CAA應用架構的3DViewer控件和Filter功能，創(chuàng)建混凝土壩施工進度仿真三維動態(tài)可視化交互窗口，集成到CATIA工具欄中（圖5）?？梢暬翱谥饕峁┦┕みM度仿真動態(tài)澆筑全過程、控制性節(jié)點對應的大壩靜態(tài)形象面貌、混凝土澆筑強度圖表、接縫灌漿展示、展示查詢及數據篩選過濾統(tǒng)計分析等多項仿真成果內容，為用戶提供直觀具象、可視化的仿真分析結果，實現大壩施工進度仿真三維動態(tài)可視化全過程展示。

3 應用實例

旭龍水電站為Ⅰ等大（1）型工程，樞紐工程主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)和過魚設施等建筑物組成，擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩。

3.1 混凝土拱壩快速分割

根據設計資料，使用骨架設計結合模板實例化模式，建立拱壩三維模型。拱壩劃分21個壩段，設置20條橫縫，橫縫形式包括鉛直平面縫、分段鉛直平面縫和轉折縫，如圖6所示。每條橫縫的各段分縫面通過壩段高程值H、方位角α、截距L和轉折縫夾角θ等4個參數定義規(guī)則，形成拱壩分橫縫規(guī)則參數化表單。通過表單數據驅動壩體分橫縫工具分割壩體，獲取拱壩分壩段模型。該工程拱壩不設置縱縫，不考慮壩段分倉。各壩段的分層分割面通過壩段編號、倉位編號、底高程、頂高程和層厚5個參數定義規(guī)則，形成壩段分層參數化表單。通過表單數據驅動混凝土壩分層工具進行批量化分割，獲取拱壩壩段分層模型。

拱壩各壩段澆筑塊在結構樹上有序、規(guī)則排列，共形成926個澆筑塊（圖7）。分割用時大約1 min，相較于CATIA模塊原生手動分割用時（約3 h）及Knowledge Ware開發(fā)分割模板用時（約1 h），耗時大幅縮短。模型分割結果準確、精度高，操作簡單，實現了預期的分割優(yōu)化效果。

3.2 模型屬性計算提取與數據交互

使用屬性計算提取工具自動測算拱壩各澆筑塊的特征屬性，共生成926條數據記錄，計算用時約1 min。這些特征屬性作為對象語義，自動關聯到對應澆筑塊模型中。按照預定義的幾何特征屬性表樣式，導出Excel數據表，為施工進度仿真系統(tǒng)提供基礎數據（圖8）。當拱壩澆筑層厚方案改變時，重復使用模型屬性計算提取工具，快速獲取不同方案對應的澆筑塊模型特征屬性。

針對拱壩施工進度可能影響較大的層間最小間歇、相鄰壩段最大高差、最大允許懸臂高度、年度有效施工時長和澆筑層厚等因素，擬定多種仿真方案，不同方案對應的施工進度結果不同。在施工進度仿真系統(tǒng)中進行計算分析，綜合考慮各種因素作用以獲取合理的施工仿真方案。從仿真結果中篩選出壩塊澆筑時間、層間間歇、澆筑強度、機械澆筑效率和接縫灌漿進度等仿真信息，通過數據交互工具導入3DE平臺數據庫，賦予拱壩澆筑塊模型仿真信息，使之擴展仿真屬性，為拱壩施工進度可視化表達提供數據支撐。

3.3 施工進度仿真動態(tài)可視化交互

混凝土拱壩施工進度動態(tài)可視化展示與屬性查詢如圖9所示。在混凝土壩施工進度仿真動態(tài)可視化交互窗口，用戶設置要展示的拱壩數據節(jié)點、壩段范圍、高程范圍和展示時間段，窗口左側即可根據仿真結果確定的澆筑順序依次、連貫、有序地顯示壩段動態(tài)澆筑進度。窗口界面支持任意拖動進度時間條，展示對應的拱壩進度形象面貌，也可以連續(xù)動態(tài)播放拱壩施工進度全過程。窗口右側二維圖表跟隨展示拱壩澆筑強度和累計澆筑強度。

在靜態(tài)形象展示窗口，用戶進行同樣的設置后，窗口左側展示設定時間段內拱壩施工進度控制性節(jié)點對應的三維模型靜態(tài)形象，窗口右側跟隨展示拱壩混凝土已完成澆筑強度和累計澆筑強度。根據顯示的拱壩澆筑強度，獲取對應的混凝土工程量，可作為依據編制詳細的進度計劃和施工形象圖。

在混凝土壩施工接縫灌漿展示窗口，導入仿真結果的接縫灌漿數據，顯示設定時間段內大壩接縫灌漿灌區(qū)澆筑形象面貌及對應累計灌漿強度，獲取年度灌漿工程量計劃并可據此細化月份灌漿計劃以指導施工。

通過屬性類型篩選，實時展示滿足過濾條件的拱壩澆筑塊BIM模型及對應數量。用戶補充仿真計算結果時，通過編輯3DE數據庫可實現澆筑塊BIM語義信息的任意擴展，并支持直接關聯到混凝土壩BIM模型中，從而豐富混凝土壩施工進度仿真模型的數據信息。

基于3DE平臺創(chuàng)建的混凝土拱壩澆筑塊模型，支持以通用的三維數據格式無損導出到渲染軟件。用戶在軟件中疊加該工程區(qū)域的地形數據和衛(wèi)片影像數據，引入機械設備三維模型，能快速構建包含GIS場景在內的、效果逼真的大壩施工進度仿真動態(tài)可視化場景，可用于工程宣傳、方案匯報展示等其他用途（圖10）。

鑒于大壩異形曲面建模困難、設計和施工階段大壩三維模型顆粒度要求不同、模型數據和施工進度仿真數據交互不便、施工進度仿真可視化程度不高等現狀問題，本文創(chuàng)新性地提出了基于3DE的混凝土壩施工進度仿真動態(tài)可視化方法，研發(fā)了模型快速分割、模型屬性批量計算提取和數據交互、施工進度仿真動態(tài)交互等實用工具。研究結果表明：該方法可以有效提高混凝土壩不同階段模型分割效率，優(yōu)化模型屬性計算提取和數據交互方式，大壩施工進度仿真動態(tài)可視化展示過程直觀高效、集成度高、交互性好，仿真結果數據查詢和操作方便，模型數據格式通用，可快速用于其他三維展示場景，實現數據無損復用。研發(fā)的一系列工具人機交互界面指令明確、方便易用，較大程度上降低了使用者的專業(yè)技能要求。本文提出的方法在實際工程中應用效果良好，對混凝土壩施工進度仿真動態(tài)可視化研究具有明顯的應用價值。

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（編輯：胡旭東）

Dynamic visualization for construction progress simulation of concrete dams based on 3DE

ZHOU Zipei，ZHANG Zuyan，JIAN Xingchang，XIE Wei，ZENG Lu

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：Computer simulation technology is often used to simulate the construction progress of concrete dams，in which，a 3D model of dams is generally used as the visual expression carrier.However，in this way the model granularity requirements are different during the design and construction simulation stages，the model data and simulation results are inconvenient to interact，and the visualization of construction progress simulation is not strong.In order to realize the rapid building of concrete dam model in different stages，the correlated application of model attributes and simulation data，and the high integration and interaction of progress simulation visualization display，a dynamic visualization method for concrete dam construction progress simulation based on 3DE was proposed，and tools such as rapid segmentation of concrete dam model，batch calculation and extraction of attributes and data interaction，and dynamic display of construction progress simulation were developed.Finally，the concrete arch dam of Xulong Hydropower Station was taken as an example for practical application.The results showed that this method has the advantages of simple operation，non-destructive multiplexing of data and good visualization effect，which can provide a new idea for the dynamic visualization of concrete dam construction simulation progress.

Key words：concrete dam; construction progress simulation; dynamic visualization; 3DE; Xulong Hydropower Station