高拱壩倉(cāng)面施工沖突類型分析與建模研究

毛重陽(yáng)

摘 要：面對(duì)高拱壩在倉(cāng)面澆筑時(shí)可能出現(xiàn)的施工沖突問題，本文對(duì)倉(cāng)面施工中的各種對(duì)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(duì)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(duì)這些沖突的調(diào)整機(jī)制。通過實(shí)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(cè) 倉(cāng)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(gè)極其重要而又復(fù)雜的過程，其施工工期長(zhǎng)、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(shí)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(shí)，在實(shí)際水電工程中，為追求提前發(fā)電效益，還會(huì)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(shì)必會(huì)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(jì)優(yōu)化與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)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(gè)壩體施工的順利實(shí)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(cè)系統(tǒng)；吳斌平等針對(duì)在高拱壩施工過程中選擇纜機(jī)時(shí)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(shí)別技術(shù)提出了在多種施工條件下處理纜機(jī)澆筑時(shí)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(cāng)面施工中可能產(chǎn)生的時(shí)空沖突問題，我們需要對(duì)倉(cāng)面施工的過程進(jìn)行具體的分析，可以從倉(cāng)面施工的設(shè)備與工藝入手，對(duì)整個(gè)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(gè)倉(cāng)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(cāng)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(cāng)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(cāng)面內(nèi)物體在實(shí)際施工作業(yè)時(shí)易發(fā)生交叉和干擾的特點(diǎn)。而沖突的產(chǎn)生不僅會(huì)降低施工效率，甚至可能引起安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.1對(duì)于倉(cāng)面施工中各單位的分析與分類

在對(duì)倉(cāng)面實(shí)體沖突進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究時(shí)，依據(jù)施工系統(tǒng)實(shí)體的特征，可將倉(cāng)面實(shí)體分為施工設(shè)備、施工人員、施工材料與施工對(duì)象四類。其中，施工設(shè)備主要有纜機(jī)、塔機(jī)、平倉(cāng)機(jī)等，施工人員可分為指揮人員、倉(cāng)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(duì)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(cè)中的施工單元分析

在碰撞檢測(cè)系統(tǒng)中，由于計(jì)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(duì)象的分類方式對(duì)其進(jìn)行碰撞檢測(cè)。根據(jù)碰撞檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們可以將其分為兩大類，即相對(duì)場(chǎng)景靜止的物體與會(huì)頻繁產(chǎn)生位移的物體，來進(jìn)行檢測(cè)。繼而在進(jìn)行碰撞檢測(cè)時(shí)，我們就只用針對(duì)三情況進(jìn)行檢測(cè)：主動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的物體間的沖突檢測(cè)、靜止物體間的沖突監(jiān)測(cè)、主動(dòng)運(yùn)動(dòng)物體與靜止物體間的沖突檢測(cè)。

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

2.倉(cāng)面施工沖突監(jiān)測(cè)

在虛擬的施工場(chǎng)景中，上文所述的任意一種實(shí)體都有可能與其他的實(shí)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(cè)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(cāng)面沖突檢測(cè)模擬

為了是倉(cāng)面施工的模擬具有準(zhǔn)確性與科學(xué)依據(jù)，我們需要對(duì)整個(gè)倉(cāng)面施工的過程進(jìn)行模擬。而時(shí)間步長(zhǎng)是根據(jù)倉(cāng)面中各個(gè)實(shí)體當(dāng)時(shí)的狀態(tài)的改變而推進(jìn)的，又因?yàn)槠錉顟B(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(duì)不同類別的施工單位，來進(jìn)行倉(cāng)面虛擬施工碰撞檢測(cè)。我們?cè)谶M(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可將施工單位按類型分為靜-靜檢測(cè)、動(dòng)-靜檢測(cè)與動(dòng)-動(dòng)檢測(cè)三類。具體流程見圖6與圖7。

通過分析，雙動(dòng)物體碰撞檢測(cè)在流程上與一動(dòng)一靜兩物體的碰撞檢測(cè)相似，只是在獲取實(shí)體時(shí)變?yōu)楂@取兩個(gè)不同的動(dòng)實(shí)體，所以在檢測(cè)時(shí)我們將動(dòng)-靜檢測(cè)與動(dòng)-動(dòng)檢測(cè)兩類合并為一類，即非雙靜物體碰撞檢測(cè)。

3.實(shí)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(jí)開發(fā)的一個(gè)梯級(jí)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(kù)區(qū)通航等綜合效益。我們根據(jù)上文的方法，對(duì)其某一倉(cāng)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(cè)

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(chǎng)配置，使堆料區(qū)與倉(cāng)邊模板重疊并進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)系統(tǒng)的結(jié)果可信。

3.2非雙靜物體檢測(cè)

通過導(dǎo)入施工方案與各項(xiàng)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(cè)時(shí)，產(chǎn)生了倉(cāng)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(cāng)面施工模擬順利完成。所以，上文提及的非雙靜物體檢測(cè)系統(tǒng)也是可行的。

4.總結(jié)

本文針對(duì)高拱壩倉(cāng)面施工中沖突問題為研究對(duì)象，首先對(duì)倉(cāng)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(duì)倉(cāng)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(dòng)方式進(jìn)行分類的方法，針對(duì)不同類型的沖突，建立了相應(yīng)的沖突檢測(cè)機(jī)制。最后以某實(shí)際工程倉(cāng)面澆筑過程進(jìn)行了驗(yàn)證分析，表明本文所建立的沖突監(jiān)測(cè)方法能夠有效的為工程施工方案決策提供科學(xué)依據(jù)。

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