基于VB二次开发技术的混凝土坝浇筑仿真模型构建

王仁超,张 乐,尹志洋,王 驰

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;2.中水北方勘测设计研究有限公司,天津 300222)

运用计算机仿真技术分析混凝土坝浇筑过程,确定混凝土坝浇筑顺序,论证浇筑施工机械配套方案,辅助工程设计人员进行施工组织设计,在我国已有20余年的历史。这一技术的运用有力地促进了诸如三峡、小湾、龙滩等一批超大型工程的设计速度、质量和建设。但是以往开发的混凝土坝浇筑仿真软件,在建模速度、建模精度以及工程设计人员理解和运用方面存在一定的不足[1-3]。随着我国三维设计技术、BIM(Building Information Modeling)在水利水电工程设计中应用,工程设计成果多以三维形式表达[4-6]。为此,作为辅助施工组织设计的施工过程计算机仿真,也需要适应这一变化。

对于混凝土浇筑仿真模型构建问题,将系统仿真技术与AutoCAD技术相结合,不仅有利于加快系统仿真建模速度,提高模型的精确性,而且也便于工程设计人员对于仿真的理解应用。

本文采用VB.NET为开发语言,通过对混凝土坝浇筑仿真模型构成分析,探讨了混凝土坝浇筑仿真与AutoCAD技术结合的方式,建立了具有扩展属性的混凝土坝三维实体模型,实现了大坝模型自动划分功能。

1 混凝土坝浇筑模型构成分析

从系统分析的角度,可以把混凝土坝的浇筑施工看作一个排队服务系统,在该系统中,浇筑块和浇筑机械是主要的实体对象,其中顾客为浇筑块,服务台为浇筑机械[7]。因此,系统可以划分为大坝形体子系统、机械子系统和施工控制子系统。根据系统划分,将混凝土坝浇筑模型分为大坝形体子模型、机械子模型和施工控制子模型。各个模型都由若干参数构成,模型参数可以根据是否与空间位置有关划分为位置参数和非位置参数,非位置参数又可分为位置关联参数和位置无关参数。以此对混凝土浇筑模型构成进行分解。

(1)大坝形体子模型

由于横缝将坝体分为若干坝段,各坝段独立工作,功能有所不同,结构形式也不尽相同,因此不同坝段剖面的控制点个数也不同。构成坝体模型的控制点均具有固定的空间位置,归为位置参数。

(2)机械子模型

机械子系统主要包括浇筑机械与拌合机械。拌合机械主要的参数包括所属拌合系统、各月份拌合能力等。浇筑机械的主要参数包括机械运行参数、浇筑范围控制、浇筑能力、机械联合与干扰规则等。

(3)施工控制模型

坝体浇筑施工工序繁多,过程复杂,因此仿真模拟时需设定约束条件对浇筑过程进行控制,以便能够真实地反映大坝施工面貌。约束条件都划分为非位置参数,其中,相邻高差限制、浇筑优先顺序、坝段关系控制为位置关联参数;有效工作时间、混凝土初、终凝时间、层间间歇期、降雨随机因素等为位置无关参数。

混凝土坝浇筑模型一般采用参数化方法建立。参数化建模方法需要采集大量的信息,以建立坝体模型为例,系统需要用户输入大坝二维剖面的控制点坐标,然后按照横缝、纵缝位置进行分坝段、分仓,从而构成坝段、柱块等对象。而一个剖面的控制点坐标少则五、六个,多则十几个,因此要建立整个坝体模型,需要输入系统的数据量非常大,造成了建模效率低下。程序建立模型时,对一些形体复杂部位(如坝基面)通常采用线性内插法,将一些复杂轮廓近似为梯形处理,造成模型的精度不够,而且像溢流面、闸墩等由于浇筑顺序要求,模型需要单独建立,增加了建模时间。

AutoCAD为工程界所通用,操作、理解均很容易,其本身具有强大的建模功能,因此,对于由位置参数组成的模型直接利用CAD命令进行可视化建模,不仅加快了建模速度,而且保证了模型的精度;同时结合参数化建模方法,采用常规的文本框输入模式或利用CAD二次开发技术,将模型所需的非位置参数作为属性进行存储,以建立既有外部形体参数,又具备内部仿真参数的混合模型,可以直接参与仿真计算。

2 基于AutoCAD的混凝土坝浇筑仿真模型

2.1 具有扩展属性的混凝土坝三维实体模型

混凝土坝三维实体模型属于静态的物理实体模型。建立混凝土坝三维实体模型一般分为数据准备、空间转换、模型生成以及模型修正四步。首先根据提供的坝段二维剖面图建立面模型,然后将面模型旋转、移动至三维空间,根据坝体结构数据进行放样、挤出等操作,得到坝体初步模型,再利用切割、布尔运算等操作对初步模型进行修正,从而得到坝体的准确模型[8]。

通过可视化方法建立的是坝体三维几何模型,而混凝土坝三维实体模型作为仿真计算过程中的研究对象,要求其不仅具有几何坐标参数,而且每一个实体都要包含作为一个混凝土柱块所应具有的坝段号、所属仓号等内部仿真参数。因此,需要将坝段号、所属仓号等仿真参数作为属性赋予坝体三维几何模型。AutoCAD中提供一种扩展字典机制,通过扩展字典可以使用关键字来保存和检索相应的实体对象[9]。

将坝段号、仓号等不同数据类型的仿真参数通过不同的组码值保存到扩展字典当中,如果该仿真参数参与仿真计算,则直接从扩展字典中读取即可。读取数据时,首先获得扩展字典,然后找到“SimuInfor”扩展记录,然后利用GetXRecordData方法来读取具体参数。

这样通过扩展字典就将三维几何模型与坝体仿真模型联系起来,建立了具有扩展属性的混凝土坝三维实体模型。

2.2 坝体模型的自动剖分

对混凝土坝浇筑施工过程进行模拟,一般是将坝体模型离散为很多个浇筑块,坝体浇筑过程就可以看作浇筑块的产生过程。浇筑层厚度受温度控制等的限制,并不是固定值,这就决定了仿真模拟时浇筑块的厚度须根据当前仿真条件来自动判断获取。

借鉴有限元软件的模型网格自动剖分思想,利用AutoCAD二次开发技术来实现坝体模型的自动剖分。要获得当前浇筑块,需要对坝段模型进行剖切,CAD中每一个实体对象均具有唯一标识值-句柄,通过读取句柄值即可获取当前坝段模型,而且每次剖切得到位于剖切面正法向侧的实体的句柄与原坝段实体保持一致。如图1所示,当前浇筑块将坝段模型分为三部分,分别在当前浇筑高程处和此筑块浇筑完毕高程处建立剖切平面,对坝段模型进行两次剖切即可获得当前浇筑块。如此,每次在程序中读取当前可浇柱块、当前高程和当前浇筑层厚,按照此算法即可实现坝段模型的自动剖分。

图1 获得浇筑块示意图

2.3 系统模型建立

2.3.1 模拟规则

一般将大坝混凝土浇筑系统按照离散事件系统来对待,在筑块浇筑进程中,筑块是主导实体,筑块的事件会引起机械等其他实体的活动,而且,筑块是坝体浇筑活动服务链的最终产品,因此,坝体筑块行为模拟规则是最重要的规则[10]。主要规则如下:

(1)时间约束。为了满足坝体混凝土的温控要求,以及相邻浇筑层之间的层面结合要求,筑块的浇筑受到混凝土初、终凝时间和层间间歇期的约束。

(2)高差约束。包括最大高差约束和至少高差约束。最大高差约束是为了满足温度控制的要求,以使得应力分布均匀,减少裂缝;至少高差约束是为了满足立模板的要求。

(3)施工工艺约束。各坝段功能不尽相同,结构形式有所差异,因此不同坝段的施工工艺也会有所不同,坝体浇筑需要满足不同的施工工艺约束。

(4)浇筑面貌控制约束。在对坝体不同坝段部位进行浇筑时,为了满足诸如坝体稳定性要求,立模板方便,特殊部位(如底孔部位)施工的限制,要求坝体浇筑面貌呈现高低相间上升或阶梯状上升的面貌。

2.3.2 模拟流程

大坝浇筑过程模拟引入仿真时钟,采用时间步长法推进机制。混凝土坝浇筑仿真计算过程是以浇筑机械与筑块交替、反复选择活动的过程,基于AutoCAD的大坝浇筑仿真流程中的机械浇筑活动即为对CAD实体模型进行剖分,当有筑块满足浇筑条件时,便根据剖分算法生成浇筑块,同时将该筑块的浇筑信息直接存储到扩展字典当中。仿真流程如图2所示。

图2 模拟流程图

3 系统开发

本文以VB.NET作为开发工具,运用面向对象的方法进行系统开发,由于采用对象、类和继承等概念,使得系统具有可移植、可扩充和易维护的特点[11]。系统的构架采用了Windows软件的多文档和多视图结构,并将AutoCAD作为子窗体嵌入到系统当中;建立了数据库连接,用以存储和管理从CAD模型中获取的数据信息和用户输入的仿真参数等。

3.1 连接AutoCAD

在数据采集过程中,需要与AutoCAD进行多次交互操作,因此考虑将AutoCAD嵌入系统,方法是调用Windows API函数SetParent将AutoCAD设置为当前窗体的子窗体,这样既可以实现建模仿真一体化,又可以简化数据输入。

3.2 系统构成

系统主要由三个模块构成,即模型参数模块,仿真计算模块和结果输出模块[12-13]。

(1)模型参数模块

用于对构建模拟模型以及运行所必须的参数进行编辑,此模块划分为形体相关参数部分、机械参数部分和施工控制三个主要部分。其中,形体相关参数部分由于直接将在AutoCAD中建立的具备扩展属性的坝体模型作为研究对象而得到很大程度的简化,仅需要输入相关仿真参数即可。

(2)仿真计算模块

该模块是系统的核心,实现大坝浇筑过程的仿真计算及同步三维演示。系统后台调用相关算法进行程序计算,前台在AutoCAD三维视图中动态显示坝体模型自动剖分过程即坝体浇筑上升情况。

(3)结果查询与输出模块

将仿真计算得出的浇筑信息以简捷、直观的方式输出。系统建立了Access数据库连接,用以保存浇筑信息。结合二次开发,在AutoCAD本身查询功能的基础上,实现拾取任意筑块即可显示其浇筑信息功能。

4 简要实例

4.1 概况

该工程混凝土坝坝顶高程为1139.000 m,坝顶总长度为838.035 m。本次计算取大坝右岸标段为研究对象,坝段分布为24-25坝段为明渠溢流坝段,28-30坝段为岸边溢流坝段,26-27,31-35为右岸挡水坝段。

4.2 约束条件

浇筑块厚度与间歇期的安排如下:强约束区内块厚1 m,间歇期5 d;弱约束区内块厚为1.5 m,间歇期6 d;脱离约束区块厚3 m,间歇期为6 d。

相邻坝段间最大高差约束为12 m,至少高差为3 m,坝体上升总体控制高差为20 m。

4.3 模拟结果查询与输出

通过仿真计算,可以在AutoCAD平台上查看坝体的浇筑面貌,而且坝体剖分所得到的筑块均包含浇筑信息,可以点击任意筑块来查看其浇筑信息。同时也可将浇筑信息输入到数据库中,进行总体浇筑信息的查询。月浇筑方量及方量累计如图3所示,浇筑完工面貌及任意筑块信息查询如图4所示,总体浇筑信息如表1所示。

图3 月浇筑方量及累计曲线

图4 浇筑结束面貌及任意筑块浇筑时间

表1 浇筑信息统计表

5 结 语

本文对混凝土坝浇筑模型进行分解分析,提出将AutoCAD与仿真系统软件相结合,并利用CAD二次开发技术,建立了具备扩展属性的三维实体模型,简化了数据输入过程;实现了坝体模型的自动剖分功能,同时将系统外部运行参数可视化,增强了系统的通用性。

[1]Byung Kwon O,Beishan Jie.An object-oriented approach to simulation model[J].Construction for CIM System,1996,66(2):93-105.

[2]Roberts C A,Dessouky Y M.An overview of object oriented simulation[J].Simulation,1998,70(6):359-368.

[3]TamotsuKamigaki,Nobuto Nakamura.Anobject-orientedvisual model-building and simulation,system for FMS control[J].Simulation,1996,67(6):373-385.

[4]周宜红,定 兰,赵春菊.碾压混凝土坝施工浇筑系统仿真模型研究[J].水电能源科学,2006,24(1):50-51,89.

[5]邱世明,张立勇,王仁超.混凝土坝施工过程管理与控制研究[J].水力发电,2003,29(2):36-39.

[6]赵卫军.AutoCAD二次开发在水利工程设计中的应用[J].水利与建筑工程学报,2011,9(1):101-103.

[7]孙锡衡,齐东海.水利水电工程施工计算机模拟与程序设计[M].北京:中国水利水电出版社,1997.

[8]申明亮,熊碧露,肖 宜.基于OpenGL的混凝土坝施工三维动态图形仿真[J].中国农村水利水电,2005,(5):85-86.

[9]张 帆,郑立楷,卢择临.AutoCAD VBA二次开发教程[M].北京:清华大学出版社,2006.

[10]王仁超,石 英,李名川,等.混凝土高拱坝浇筑施工仿真[J].天津大学学报,2005,38(7),625-629.

[11]Booch G.Object-oriented development[J].IEEE Trans on Software Engineering,1986,12(2):211-221.

[12]刘藻珍,魏华梁.系统仿真[M].北京:北京理工大学出版社,1998.

[13]张 萌.基于AutoCAD平台的混凝土坝浇筑仿真初探[D].天津:天津大学,2010.