基于DELMIA的碾壓混凝土拱壩施工過程仿真

宋永軍 李厚峰 毛擁政 王云濤 鄭華波 王建寧

摘要：采用DELMIA軟件將施工仿真應用到碾壓混凝土拱壩，將施工過程可視化和數據化。采用這種仿真模擬技術對施工過程進行仿真，變更參數、修改方案比較容易，可優化施工機械配置、施工技術參數和施工方案。DELMIA的DPM模塊充分利用“數字樣機”的三維數據，實現在三維基礎上的3D方案規劃，并對項目施工過程、資源分配、節點管控等進行三維可視化模擬并驗證。可視化仿真創建方法實現了仿真建模、模型處理、仿真過程和仿真結果的可視化。DELMIA的QUEST模塊用離散事件動態系統網絡模型來動態仿真，將系統工程中的排隊理論和實際邏輯約束相結合，得到與實際情況基本一致的仿真結果。研究了基于DELMIA的高碾壓混凝土拱壩施工過程仿真與優化的理論方法及其應用。通過DELMIA的DPM模塊研究實現了碾壓混凝土拱壩施工過程的動態可視化仿真;通過施工安全仿真，促進施工輔助設施的設計，保障了人員操作的安全;實現了施工計劃的三維關聯和查詢。利用DELMIA的QUEST模塊建立了混凝土施工交通運輸系統排隊網絡仿真模型，利用離散分析技術解決了混凝土運輸的排隊問題。

關鍵詞：碾壓混凝土拱壩;可視化;離散事件;動態仿真

中圖分類號：TV642.2;TV511 文獻標志碼：A

可視化仿真（Visual Simulation）技術是計算機可視化技術和系統仿真技術相結合形成的一種新型仿真技術，其實質是采用圖形或圖像方式對仿真計算過程進行跟蹤、控制和結果處理，同時實現仿真軟件界面的可視化，具有迅速、高效、直觀、形象的特點。可視化仿真技術在土石壩、常態混凝土壩（重力壩和拱壩）以及碾壓重力壩等常規壩型的施工仿真方面應用較多[1-4]，但將其應用到三河口水利樞紐這樣的高碾壓混凝土拱壩施工仿真在國內水利工程尚屬首例。三河口水利樞紐項目采用的可視化仿真軟件是引進法國達索Dassault公司開發的DELMIA-DPM、DELMIA-QUEST。QUEST解決物料規劃問題，可有效地解決離散事件仿真，DPM解決工藝仿真問題，DPE解決工藝規劃問題，底層由數據庫Oracle支持。DELMIA涵蓋了諸多工業領域，但關于其在混凝土大壩工程上應用的文獻較少。

水利水電工程施工過程可視化仿真，是對水利水電工程各個工序的施工過程進行模型建立和仿真計算，實現仿真結果的動態化、可視化，直觀顯示施工的整個過程，通過調整參數進行方案優化，為合理決策提供支持的一種方法。高碾壓混凝土拱壩施工是一個復雜的多任務系統[5]，該系統的各個環節變數較多，例如混凝土運輸設備、混凝土運輸道路、混凝土拌和系統及設備狀況等都存在不確定因素。而混凝土運輸強度與大壩的施工進度、施工資源的配備密切相關，因此必須采用系統分析的方法進行全過程分析。鑒于此，筆者探索將可視化仿真技術應用于高碾壓混凝土拱壩，結合現場施工進行仿真研究，實現高碾壓混凝土拱壩的施工過程仿真。

1 工程概況

三河口水利樞紐為引漢濟渭工程的兩個水源之一。壩址位于佛坪縣與寧陜縣交界的子午河峽谷段，在椒溪河、蒲河、汶水河交匯口下游2km處。三河口水利樞紐由攔河大壩、泄洪建筑物、下游供水系統等組成。碾壓混凝土拱壩體型采用拋物線雙曲拱壩，拱壩壩頂高程為646.0m，壩底高程為501.0m，最大壩高145.0m，壩頂寬9.0m，壩底厚37.0m，壩頂上游弧長500.9m。泄洪建筑物由壩身泄洪表孔、泄洪底孔及下游消能防沖建筑物等組成。泄洪表孔及泄洪底孔均布置在拱壩壩身。采用“三表孔兩底孔”間隔布置的格局。表孔堰頂高程為628.0m，孔口尺寸15m×15m（寬×高）：底孔高程為550.0m，孔口尺寸4m×5m（寬×高）。壩下游布置長200m的鋼筋混凝土消力塘。供水系統由進水口、壓力管道、廠房、供水閥室、尾水系統、連接洞組成。大壩澆筑分塊見圖1。

2 基于DELMIA的可視化仿真建模

壩體模型分區與施工緊密相關，對建模過程中系統各種因素進行詳細分析，建立施工模型的邏輯輸入。

DPM為數字化制造流程，可以對碾壓混凝土大壩施工工藝流程中的一些基本狀況進行模擬，由此可以判斷是否發生碰撞及資源短缺等情況，為工藝方案的優化提供充分的理論依據。

結合拱壩的施工時段進行道路系統和運輸能力定量分析。QUEST軟件把車輛（裝貨/卸貨/岔道）需滯留的時間設置在各個實際車輛實體中，而將所有投入運行的車輛、線路及壩體碾壓視為符合實際運作邏輯的隨機事件的綜合。通過對施工模型參數的調整（如改變施工設備類型、設備數量及運輸路線等），再在QUEST軟件中進行仿真計算，得出不同工藝方案所仿真出來的不同施工進度結果，以及拱壩不同施工時段的混凝土運輸強度指標，從而評估計劃的可行性及施工方案的優劣。

通過QUEST的仿真，還能直觀地檢測到工序之間的相互關系，查看工序瓶頸（如道路擁堵、倉庫容積過小、車輛太多等），從而優化施工工藝，達到提高產能、節約成本的目的。

3 基于DELMIA的可視化仿真工程應用

3.1 實現施工計劃的三維關聯和查詢

碾壓混凝土大壩施工不僅包含復雜的機械設備及種類繁多的物資、人力資源，而且受自然條件和社會環境等各種因素的影響，碾壓混凝土壩施工系統的復雜性決定了施工組織設計與管理難度大。為實現碾壓混凝土壩施工機械化、程序化、標準化及專業化，需要編制合理的施工進度計劃，施工進度計劃不僅與施工組織設計的其他組成部分（施工方法、技術供應、導流度汛）相協調，而且與工藝水平和組織方式密切相關。在施工組織中，只有充分考慮各種因素、各個系統的相互聯系，才能制定行之有效的施工進度和合理的施工方案。

在碾壓混凝土壩施工組織設計中，傳統的方法是根據初擬的施工方案及設備計算出月澆筑強度及資源需要。這種粗略的處理方法缺乏系統分析論證，精度不高，任意時刻的量化問題得不到解決，在進行多方案比選時，每種方案需要不斷調整參數，耗時費力。

基于DELMIA對碾壓混凝土拱壩施工過程和各人倉方式的混凝土運輸強度進行仿真分析，可為大壩施工進度分析提供一個直觀簡便的可視化工具。CATIA模型在幾何信息層面上是3D的，本次研究把時間這個維度加入到CATIA模型中去，就能夠得到一個4D的模型，可直觀反映施工過程中復雜的時空邏輯關系，揭示施工系統仿真內部動態行為特征，可以預測任意時刻大壩的施工面貌、進度和工期情況。當模擬施工到達某一步驟時，這一步驟所有的人、材、機資源配置信息將與模型施工進度完全吻合。輸入任意時間節點，能直觀展示該節點的工程面貌，實現直觀查看施工計劃調整后的工程面貌。

利用QUEST的仿真數據，對各個工序進行仿真，根據工序計劃的澆筑順序，及實際的工程約束，推算各塊澆筑的最快可能澆筑日期，編程進行模擬，進行可視化進度展示與查詢。根據推算的結果，匯總每個月總的上壩混凝土量，計算計劃強度、生產運輸強度，繪制圖2所示的柱狀圖。

該仿真碾壓混凝土工期比計劃工期提前了半年，表孔常態混凝土工期比計劃工期提前了2個月。因為該仿真未考慮倉面空間、倉面作業時間及自然條件的影響等，所以碾壓混凝土及常態混凝土澆筑仿真計算結果比計劃工期有所提前。分析仿真結果認為，其與計劃工期基本相符，說明該軟件開發是成功的，所取施工參數和邊界條件符合三河口拱壩施工實際，能用于指導后續拱壩施工，并進行合理、準確的進度預測。

3.2 實現拱壩施工關鍵工藝三維仿真

碾壓混凝土大壩施工與機械設備配置、物料供應、施工工藝等因素有關。混凝土入倉的運輸路徑、設備的選型比較繁瑣，工程建設現場承建單位及作業面眾多，施工過程中難免水平、垂直多個維度交叉作業。通過三維仿真展示作業面工作情況，利用三維仿真環境在施工組織階段定義和預演建設流程，可以直觀清楚地看到整個工藝過程的實施情況，提前發現問題并找到解決辦法，避免在施工過程中才發現問題，影響施工進度，從而大大提高工作效率，減少真實施工中的變更，合理安排施工資源，驗證設備布置和施工程序的合理性。

本次施工關鍵工藝仿真，分別對514m以下、514～550m、550～570m、570m以上等高程段不同的碾壓混凝土入倉路徑、入倉方式及表孔、底孔、進水口等常態混凝土進行了DELMIA施工仿真模擬，澆筑方案見圖3～圖6。通過這些仿真模擬，對施工方案進行了驗證，及時發現了有關場地規劃布置合理性、設備空間碰撞干涉、設備有效操作可達范圍等問題，并據此對方案進行了優化。

圖3～圖6展示了514m以下、514～550m、550～570m、570m以上高程碾壓混凝土的入倉方式、碾壓混凝土從料場到壩前平臺的運輸過程以及機具設備的配合施工，還展示了表孔常態混凝土梭式布料機入倉方式，底孔常態混凝土入倉方式，進水口常態混凝土人倉方式的施工。經過模擬，得出以下結論：514m高程以下自卸汽車入倉是可行的，道路設計滿足施工要求，倉面上各種設備的配合是合理的;514～550m、550～570m高程道路設計滿足施工要求，皮帶機布置位置合理，機具設備銜接流暢，皮帶機傾角合理;570m高程以上滿管溜槽位置布置合理，角度合適，滿足施工要求;進水口壩前牛腿常態混凝土拖泵MZQ1000門機布置合理;底孔壩前、后牛腿拖泵、M1500塔機布置合理。表孔常態混凝土梭式布料機入倉方式，布設兩臺梭式布料機進行澆筑時，在原布設位置下，表孔的4個角一部分以及進水口、電梯井澆筑不到，而在布設了臂長達到70m的塔機后，所有部位均可覆蓋到。從模擬場景來看，塔機似乎在5#橫縫位置再往左岸方向略移，澆筑范圍更合理。

4 結語

通過可視化仿真，可以提高碾壓混凝土壩施工組織的科學化、現代化及進度管理的信息化和精細化水平[5]，為該工程現場施工組織與控制提供技術支持;有助于提高設備利用率、優化施工方案、節約工程投資和保證項目的可實施性，滿足現代施工組織及管理發展的要求。施工過程仿真已經由一種輔助設計工具逐漸轉變為碾壓混凝土拱壩工程施工規劃、施工組織設計及施工管理中不可缺少的技術手段。計算機仿真技術在高碾壓混凝土拱壩施工中的應用前景廣闊，進一步豐富了高碾壓混凝土拱壩施工過程仿真系統軟件的實用功能，對提高碾壓混凝土拱壩施工組織和管理水平有著十分重要的意義。

參考文獻：

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[5]趙春菊，周宜紅.碾壓混凝土壩施工智能仿真原理與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2012;6-7.