邕寧水利樞紐一期臨時(shí)土石圍堰施工仿真及BIM可視化

李 瑛，林楚凌，惠建偉，賀昌海

(1.中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司，西安 710016；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

系統(tǒng)仿真又稱系統(tǒng)模擬，G W Morgenthler[1]首次提出了仿真的概念并對(duì)其做了技術(shù)解釋。隨后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用系統(tǒng)仿真技術(shù)在混凝土壩施工、土石壩施工、地下工程施工、高邊坡施工等方面進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了豐碩成果[2]。20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土石壩的施工系統(tǒng)進(jìn)行了研究，針對(duì)壩體填筑和物料運(yùn)輸子系統(tǒng), 考慮機(jī)械配置、運(yùn)輸設(shè)備生產(chǎn)率、施工工期等要求，對(duì)壩體填筑過程進(jìn)行仿真研究，并應(yīng)用于瀑布溝等高土石壩工程，取得了良好效果[3]。21世紀(jì)初，利用多種方法對(duì)土石壩等進(jìn)行了更加深入的研究。例如，陳先明等[4]針對(duì)土石壩施工運(yùn)輸系統(tǒng)存在的模糊性，提出了基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的施工運(yùn)輸系統(tǒng)的模糊仿真方法，將運(yùn)輸系統(tǒng)的時(shí)間、空間和系統(tǒng)行為有機(jī)聯(lián)系起來，形象、直觀、精確地完成運(yùn)輸系統(tǒng)的仿真。鐘登華等[5]對(duì)土石壩施工中的運(yùn)輸上壩子系統(tǒng)和壩面填筑子系統(tǒng)的施工過程進(jìn)行了系統(tǒng)描述，提出將二者有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行一體化仿真方法。劉珊珊等[6]在傳統(tǒng)的堆石壩全過程施工仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立了施工實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真模型，用數(shù)值仿真技術(shù)、循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫動(dòng)態(tài)連接技術(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)了堆石壩施工模擬起點(diǎn)的任意性。舒華英等[7]建立了施工截流運(yùn)輸系統(tǒng)的賦時(shí)Petri網(wǎng)模型，并研究了其仿真實(shí)現(xiàn)方法。近10年來，仿真研究更加精細(xì)化，更加貼近實(shí)際施工。例如，鐘登華等[8]針對(duì)高心墻堆石壩壩面碾壓系統(tǒng)，提出了以填筑單元為仿真單位的碾壓施工仿真理論，建立了反映碾壓過程中不確定因素的精細(xì)化仿真模型，并應(yīng)用于糯扎渡心墻堆石壩工程。針對(duì)瀝青混凝土心墻壩，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的施工數(shù)據(jù)融入仿真模型，從而高了仿真的可靠性[9]。堆石壩傳統(tǒng)的施工仿真將倉面碾壓施工簡(jiǎn)化為單一的、確定的過程，為此，杜榮祥等[10]提出了考慮倉面實(shí)時(shí)監(jiān)控厚度影響的倉面施工仿真方法。在三維建模及仿真結(jié)果可視化方面，早期主要利用GIS和3D-MAX等軟件[11]，但是，隨著BIM在工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用[12-14]，水電工程施工仿真領(lǐng)域發(fā)展迅速。例如，針對(duì)基于GIS等軟件構(gòu)建三維模型精度不高、不易修改等問題，鐘登華等[15]建立了基于CATIA的心墻堆石壩施工仿真系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于堆石壩施工場(chǎng)景的遠(yuǎn)程交互。針對(duì)混凝土壩澆筑仿真建模效率不高的問題，王仁超等[16,17]提出了基于BIM的混凝土壩澆筑仿真智能建模方法。

總的來說，系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展較快，成果豐碩，但是針對(duì)水利工程圍堰施工，特別是結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)其進(jìn)行研究的仿真成果較為罕見。本文以邕寧水利樞紐一期臨時(shí)土石圍堰為例，考慮圍堰施工工期非常緊張，從精細(xì)化施工的目的出發(fā)，建立圍堰施工運(yùn)輸系統(tǒng)模型，優(yōu)選施工方案，并利用BIM實(shí)現(xiàn)圍堰施工可視化，研究具有重要的實(shí)際意義。

1 工程簡(jiǎn)介

邕寧水利樞紐工程按水庫庫容劃分屬大型水庫，樞紐工程等別為Ⅱ等，主要建筑物包括攔河壩、13孔閘壩、發(fā)電廠房等，正常蓄水位67 m，總庫容7.1 億m3。

工程施工采用分期導(dǎo)流方法，一期導(dǎo)流包括一期臨時(shí)土石圍堰和一期度汛圍堰。一期臨時(shí)圍堰由上、下游橫堰和縱堰組成，堰體均采用土石結(jié)構(gòu)型式。在不考慮護(hù)坡、二級(jí)子堰等次要部位的情況下，其主要分為上、下游橫向圍堰、縱向圍堰、裹頭四個(gè)重要組成部分，這四部分又細(xì)分為土石區(qū)及塊石區(qū)。一級(jí)堰體填筑高程63.60 m，總長(zhǎng)度981.90 m，最大堰高20.64 m，堰體頂寬46.84 m，填筑量約136 萬m3，塊石區(qū)填筑總量46.83 萬m3，土石區(qū)填筑總量89.14 萬m3。一期臨時(shí)土石圍堰平面布置和特性見圖1和表1，堰體填筑見圖2。

圖1 一期臨時(shí)土石圍堰平面布置圖Fig.1 Layout of the 1st stage temporary cofferdam

2 方案擬定

一期臨時(shí)土石圍堰具有施工工期緊、施工強(qiáng)度高、水深大等特點(diǎn)，堰體及裹頭的組成部分和材料分區(qū)選擇性較大，施工次序的安排較復(fù)雜。以上特點(diǎn)對(duì)圍堰整體填筑過程施工組織設(shè)計(jì)方案提出了較高要求，初步擬定三種施工方案進(jìn)行優(yōu)化研究。

表1 一期臨時(shí)土石圍堰特性Tab.1 The characteristics of the temporary cofferdam

圖2 堰體填筑平面示意圖Fig.2 Sketch of the cofferdam filling

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及工程特點(diǎn)，初步設(shè)定：運(yùn)輸過程保持4～6 m安全距離；為防沖刷，施工開始時(shí)控制土石區(qū)工作面滯后塊石區(qū)工作面2個(gè)工作日；日有效工作時(shí)間20 h，月有效工作時(shí)間28～30 d；裝載臺(tái)數(shù)按料場(chǎng)最大值容納值取3，堤頭卸料點(diǎn)數(shù)取4；自卸汽車總數(shù)40，并根據(jù)不同方案對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行配置。

2.1 順序填筑方案

施工方法：上下游同步施工，合龍后再填筑裹頭(表2)。

表2 順序填筑方案機(jī)械配置參數(shù)Tab.2 Parameters of the mechanical configuration for the sequential filling scheme

2.2 并序填筑方案1

施工方法：上游施工至橫堰，機(jī)械分流一半至裹頭處；裹頭完成后，上游施工強(qiáng)度及機(jī)械配置恢復(fù)直至合龍；下游施工強(qiáng)度及機(jī)械配置不變(表3)，部分對(duì)稱區(qū)域在表中僅列出單側(cè)。

表3 并序填筑方案1機(jī)械配置參數(shù)表Tab.3 Parameters of the mechanical configuration for the parallel filling scheme 1

2.3 并序填筑方案2

施工方法：上游施工至橫堰后，全機(jī)械填筑裹頭；裹頭完成后，上游縱堰開始填筑至合龍；下游施工強(qiáng)度及機(jī)械配置不變(表4)，部分對(duì)稱區(qū)域在表中僅列出單側(cè)。

表4 并序填筑方案2機(jī)械配置參數(shù)表Tab.4 Parameters of the mechanical configuration for the parallel filling scheme 2

3 仿真計(jì)算

3.1 模型假定

為了降低模型構(gòu)造難度，方便計(jì)算和分析，對(duì)實(shí)際工程系統(tǒng)做以下簡(jiǎn)化。

①假定相近料場(chǎng)為同一料源地，且料場(chǎng)供應(yīng)充足；②圍堰可以同時(shí)進(jìn)行各區(qū)填筑，道路相對(duì)獨(dú)立、互不干擾，根據(jù)施工穩(wěn)定性要求，施工開始時(shí)，土石區(qū)工作面滯后塊石區(qū)工作面2個(gè)工作日；③假定圍堰各區(qū)施工地質(zhì)條件基本一致，不考慮圍堰周圍不良地質(zhì)情況的限制；④連續(xù)施工，每個(gè)有效工日取20 h；⑤為方便施工而布置的運(yùn)輸輔道，可不計(jì)入仿真工期；⑥不考慮初期準(zhǔn)備工作不完善對(duì)進(jìn)度產(chǎn)生的影響；⑦填筑系統(tǒng)相對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)距離較短，并非圍堰施工仿真系統(tǒng)的主導(dǎo)因素，不考慮填筑系統(tǒng)偶然性造成的影響。

3.2 相關(guān)參數(shù)

假定該工程的隨機(jī)變量服從正態(tài)分布。

道路運(yùn)輸用時(shí)：取自卸汽車的空返速度為40 km/h和重運(yùn)速度為30 km/h。方差根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定為0.2，均值為：

(1)

式中：L為行駛距離，km；依據(jù)圍堰分區(qū)略有不同，根據(jù)設(shè)計(jì)施工方案進(jìn)行選取；V為汽車在不同情況下的行駛速度，km/h，考慮汽車重運(yùn)和空返兩種情況。

卸料用時(shí)：自卸汽車在堤頭卸料受操作人員的熟練程度和精神狀態(tài)、車輛性能及工作面上的指揮協(xié)調(diào)等多方面因素的影響。卸料用時(shí)由工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境決定，塊石區(qū)卸車平均用時(shí)5 min，土石區(qū)2 min，方差取0.2。裝料用時(shí)：裝料用時(shí)的影響因素與卸料用時(shí)類似。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一輛自卸汽車裝料用時(shí)均值取8.5 min，方差取0.5。

自卸汽車平均利用率：

(2)

式中：QT為自卸汽車平均利用率；NT為自卸汽車數(shù)量；TT為自卸汽車工作時(shí)間，即：除去排隊(duì)等待時(shí)長(zhǎng)后，裝料過程、重運(yùn)過程、卸料過程和空返過程的所用時(shí)長(zhǎng)的累計(jì)；T為區(qū)段用時(shí)。

裝載臺(tái)利用率為：

(3)

式中：QU為自卸汽車?yán)寐剩籒U為裝載臺(tái)數(shù)量；TU為裝載機(jī)工作時(shí)間。為各個(gè)車輛的服務(wù)時(shí)間累積之和；T為區(qū)段用時(shí)。

堤頭卸料點(diǎn)利用率：

(4)

式中：QD為卸料點(diǎn)利用率；ND為允許同時(shí)卸料汽車數(shù)量；TD為卸料總時(shí)長(zhǎng)；T為區(qū)段用時(shí)。

3.3 模型建立

對(duì)于圍堰施工這種離散系統(tǒng)進(jìn)行分析，往往使用基于蒙特卡洛原理的隨機(jī)仿真法。其核心思路是通過“仿真鐘”具象化“仿真時(shí)間”的推進(jìn)過程，針對(duì)實(shí)際工程特點(diǎn)，采用事件步長(zhǎng)法更具有優(yōu)越性，模擬流程參見圖3。

圖3 事件步長(zhǎng)法模擬流程Fig.3 Simulation process of the event step method

3.4 程序設(shè)計(jì)

使用C語言編程。首先，定義了活動(dòng)對(duì)象，即自卸汽車數(shù)組、裝載臺(tái)數(shù)組、堤頭卸料點(diǎn)數(shù)組，并給每一個(gè)對(duì)象進(jìn)行了編號(hào)，用以區(qū)別不同的車次和服務(wù)臺(tái)。其次，定義了自卸汽車的6個(gè)狀態(tài)：等待裝料裝料、自卸汽車重運(yùn)、等待卸料、卸料、自卸汽車空返，方便后續(xù)程序統(tǒng)計(jì)自卸汽車各個(gè)狀態(tài)的時(shí)長(zhǎng)。最后，定義了裝料臺(tái)和堤頭卸料點(diǎn)的兩個(gè)不同狀態(tài)：工作及空閑，用以統(tǒng)計(jì)各個(gè)服務(wù)臺(tái)的工作時(shí)長(zhǎng)及排隊(duì)時(shí)長(zhǎng)。此外，考慮到道路運(yùn)輸過程的安全車距，加入最小發(fā)車時(shí)長(zhǎng)，從而控制車輛安全間隔；考慮到隨機(jī)變量的影響，對(duì)每輛車和每個(gè)服務(wù)臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間均設(shè)置了服從正態(tài)分布，即每次計(jì)算結(jié)果都不是定值，且都在分布范圍內(nèi)波動(dòng)；考慮到計(jì)算過程的高效性，增添了批量處理功能；考慮到仿真計(jì)算有時(shí)可能需要校核計(jì)算過程，加入了顯示計(jì)算過程的計(jì)算功能，方便對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行核驗(yàn)。

3.5 結(jié)果分析

在圍堰施工過程中，不同施工材料區(qū)段堤頭卸料點(diǎn)卸料時(shí)間存在較大區(qū)別，為了保證仿真的真實(shí)性，分為塊石區(qū)和土石區(qū)分別進(jìn)行仿真計(jì)算。將各個(gè)工況的裝載時(shí)長(zhǎng)和卸料時(shí)長(zhǎng)參數(shù)，以及各個(gè)方案中不同區(qū)段的運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)輸入程序計(jì)算，3個(gè)比選方案的裝載工作時(shí)間及堤頭卸料點(diǎn)工作時(shí)間基本不變，但在各個(gè)區(qū)域受運(yùn)輸材料和施工進(jìn)度控制影響略有不同，各區(qū)域服務(wù)臺(tái)時(shí)間參數(shù)詳見表5。

表5 服務(wù)臺(tái)時(shí)間參數(shù) min

順序填筑方案填筑總量為136 萬m3。從2015年9月25號(hào)開始，至2015年11月26日結(jié)束，歷時(shí)約62 d，順序填筑方案仿真計(jì)算成果見表6，部分對(duì)稱區(qū)域在表中僅列出單側(cè)。

表6 順序填筑方案仿真計(jì)算成果Tab.6 Simulation results of the sequential filling scheme

并序填筑方案1仿真計(jì)算成果見表7，部分對(duì)稱區(qū)域在表中僅列出單側(cè)。該方案從2015年9月25號(hào)開始，至2015年11月18日結(jié)束，歷時(shí)約54 d。

表7 并序填筑方案1仿真計(jì)算成果Tab.7 Simulation results of the parallel filling scheme 1

并序填筑方案2仿真計(jì)算成果見表8，部分對(duì)稱區(qū)域在表中僅列出單側(cè)。 從2015年9月25號(hào)開始，至2015年11月25日結(jié)束，歷時(shí)約61 d。

表8 并序填筑方案2仿真計(jì)算成果Tab.8 Simulation results of the parallel filling scheme 2

從工期角度考慮，3個(gè)方案工期依次為：62，54，61 d。其中，并序填筑方案1比順序填筑方案節(jié)省8 d，比并序填筑方案2節(jié)省7 d。3個(gè)方案的裝料臺(tái)效率基本一致。從自卸汽車?yán)寐实慕嵌瓤紤]，并序填筑方案1優(yōu)于并序填筑方案2，并序填筑方案2優(yōu)于順序填筑方案。

因此，綜合考慮工期、服務(wù)臺(tái)效率、機(jī)械設(shè)備利用率，并序填筑方案1是3種施工方案中比較優(yōu)秀的施工方案，并序填筑方案2次之，順序填筑方案則較差。故確定并序填筑方案1為優(yōu)選方案。

4 配置優(yōu)化

在優(yōu)選施工方案后，進(jìn)一步對(duì)裝料臺(tái)和堤頭卸料點(diǎn)的配置進(jìn)行研究。

4.1 裝載臺(tái)配置優(yōu)化

備料場(chǎng)實(shí)際裝載臺(tái)數(shù)量可容納1～3臺(tái)。分別對(duì)裝載臺(tái)為1、2、3這3種情況，進(jìn)行仿真計(jì)算，并分析其對(duì)工期、設(shè)備用率以及圍堰平均填筑強(qiáng)度的影響。

表9 1裝載臺(tái)方案仿真計(jì)算成果Tab.9 Simulation results of 1 load station scheme

表10 2裝載臺(tái)方案仿真計(jì)算成果Tab.10 Simulation results of 2 load stations scheme

表11 3裝載臺(tái)方案仿真計(jì)算成果Tab.11 Simulation results of 3 load stations scheme

4.2 堤頭卸料點(diǎn)配置優(yōu)化

堤頭卸料點(diǎn)的配置優(yōu)化主要針對(duì)土石區(qū)。這是因?yàn)榭紤]到塊石區(qū)工作面限制，故塊石區(qū)卸料點(diǎn)為2，故可優(yōu)化的區(qū)域僅在土石區(qū)。此外，在實(shí)際施工過程中，各個(gè)區(qū)段的卸料點(diǎn)間存在一定的距離，當(dāng)?shù)填^卸料點(diǎn)少于2時(shí)，會(huì)給施工帶來很大的不便，因此土石區(qū)堤頭卸料點(diǎn)數(shù)量最少為2。綜上所述，堤頭卸料點(diǎn)配置優(yōu)化是在并序填筑方案1的基礎(chǔ)上對(duì)土石區(qū)堤頭卸料點(diǎn)為2、3、4(對(duì)應(yīng)的總卸料點(diǎn)分別為4、5、6)3種情況進(jìn)行研究。

表12 2卸料點(diǎn)方案仿真計(jì)算成果Tab.12 Simulation results of 2 emptying points scheme

表13 3卸料點(diǎn)方案仿真計(jì)算成果Tab.13 Simulation results of 3 emptying points scheme

4.3 結(jié)果分析

由仿真計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于裝載臺(tái)，在實(shí)際工況允許的條件下，應(yīng)盡可能增加裝載臺(tái)個(gè)數(shù)，裝載臺(tái)為3是優(yōu)選的配置方案。對(duì)于堤頭卸料點(diǎn)，應(yīng)盡可能減少堤頭卸料點(diǎn)個(gè)數(shù)，當(dāng)?shù)填^卸料點(diǎn)數(shù)為4時(shí)，配置方案較為優(yōu)秀。因此，并序施工方案1的服務(wù)臺(tái)配置應(yīng)為：裝載臺(tái)為3；堤頭卸料點(diǎn)為4。此時(shí)，服務(wù)臺(tái)配置將使得施工方案的各個(gè)效率達(dá)到較高水平，且各個(gè)區(qū)段圍堰平均填筑強(qiáng)度高效穩(wěn)定，工期得到有效縮短。

表14 4卸料點(diǎn)方案仿真計(jì)算成果Tab.14 Simulation results of 4 emptying points scheme

5 BIM可視化

利用Revit軟件進(jìn)行地形和圍堰的三維建模，并利用Navisworks軟件進(jìn)行進(jìn)度模擬，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)選方案的BIM可視化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地形建模，依據(jù)圍堰各個(gè)斷面具體情況和具體分區(qū)分塊情況創(chuàng)建圍堰三維模型。各個(gè)圍堰填筑塊具有相應(yīng)的物理意義，例如圍堰填筑塊尺寸、方量、材料等信息。這類帶有真實(shí)物理信息的模型構(gòu)件，按照一定的模型規(guī)則集合拼接，形成的圍堰整體將有助于后續(xù)在創(chuàng)建施工進(jìn)度模擬時(shí)，對(duì)各個(gè)區(qū)段物理信息和填筑日期進(jìn)行精確對(duì)接。模型關(guān)鍵點(diǎn)細(xì)部及其相應(yīng)填筑量參見圖4，圍堰整體三維模型見圖5，導(dǎo)入地形的界面參見圖6。

圖4 上游橫堰細(xì)部構(gòu)造及填筑量三維模型Fig.4 3D model of the detailed structure and filling amount of the upstream transverse cofferdam

圖5 圍堰整體模型Fig.5 Integral model of cofferdam

圖6 圍堰導(dǎo)入地形Fig.6 cofferdam is introduced into terrain

基于優(yōu)選的施工方案所提供的施工進(jìn)度計(jì)劃，在Navisworks使用中利用Timeliner工具，將Revit中已建模型導(dǎo)入，并根據(jù)圍堰施工過程的分區(qū)分塊要求，模擬實(shí)現(xiàn)虛擬建造過程。從而對(duì)優(yōu)選方案的施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行驗(yàn)證。部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的施工模擬動(dòng)畫截圖參見圖7。

圖7 圍堰施工模擬動(dòng)畫截圖Fig.7 Simulation animation screenshot of the cofferdam construction

6 結(jié) 論

本文以邕寧水利樞紐一期臨時(shí)土石圍堰為例，基于施工區(qū)域的地形、地質(zhì)、水文條件以及工程條件，采用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了圍堰施工運(yùn)輸系統(tǒng)仿真模型，開發(fā)了仿真計(jì)算程序，綜合擬定三種圍堰填筑方案，對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行了詳細(xì)的仿真計(jì)算，比選并確定了其中優(yōu)選的填筑方案和機(jī)械配置方案，并對(duì)優(yōu)選方案進(jìn)行了BIM可視化，研究成果為本工程一期臨時(shí)土石圍堰的精細(xì)化施工提供了依據(jù)，對(duì)類似工程圍堰的施工仿真和填筑方案比選具有參考意義。

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