基于CATIA的引水隧洞施工动态可视化仿真

王晓玲，区丽雯，任炳昱，赵梦琦，肖　尧，刘　震

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点试验室，天津　300072）

1　研究背景

由于引水隧洞施工中存在施工条件多样、施工环境隐蔽、施工强度高等难点，这些施工难点给进度计划的合理制定与工序间时空关系的准确表达带来了难度，因此，有必要采用科学的仿真技术和先进的动态可视化方法全面系统地分析引水隧洞施工过程和准确直观地展示仿真成果，以使施工组织设计与施工管理更加科学与高效。

国外很多学者采用施工动态可视化仿真的方法来展示工程施工面貌，从而解决施工过程中时间和空间冲突等问题，如 Wei-Chih Wang［1］、Mohammed Mawlana［2］、P.P.A.Zanen［3］，但是这些研究主要集中于房屋建筑与交通建设中。国内水电工程地下洞室施工动态可视化仿真研究主要形成了：基于OpenGL和GIS的地下洞室群施工全过程三维动态演示系统和基于三维地质模型的地下洞室群施工全过程动态可视化分析方法［4-5］。但是，一方面上述研究未采用参数化建模方法，所建立的模型不易修改、在实际操作中重复建模次数较多、建模效率不高；另一方面这些研究以预制动画的形式展示地下洞室施工过程面貌，可视化成果不能随着仿真成果的更新而同步更新，并且未能实现交互仿真。

目前，在水电工程施工领域采用参数化建模方法进行施工动态可视化仿真研究方面，林伟等［6］利用BIM系列软件，对小南海水电工程进行了施工进度4D模拟和施工动画制作；姬忠凯［7］采用Inventor建立了混凝土坝三维模型，并基于Navisworks软件对大坝浇筑过程进行了施工仿真，且实现了浇筑信息的实时查询；王子成［8］根据仿真分析成果，利用Inventor建立的Hydro-BIM模型，对土石坝填筑进度进行了施工动态可视化模拟，直观地展示了大坝施工过程面貌，同时实现对Hydro-BIM模型的交互式信息查询；张超［9］采用Revit软件建立了高土石坝工程Hydro-BIM模型，并基于Hydro-BIM可视化平台实现土石坝工程施工进度动态可视化及多信息查询可视化。上述研究主要集中在大坝施工中，这些研究采用参数化建模方法实现施工动态可视化仿真以及施工信息查询；但是大多是基于Inventor或Revit进行参数化建模，在Navisworks平台上实现施工动态可视化仿真，这些方法无法使三维建模与施工动态可视化在同一平台上实现，结果导致可视化成果修改仍然存在一定的困难。因此，钟登华等［10］运用计算机图形辅助三维互动式建模软件CATIA（Computer Aided Tri-Dimensional Interactive Application），建立堆石坝三维参数化模型，并结合离散事件仿真，在CATIA平台上建立了堆石坝施工4D模型，实现了同一平台下的堆石坝三维建模与施工过程三维动态表达。这一方法主要应用于大坝施工可视化仿真中，然而未采用CATIA自带的知识工程技术创建进度计划与三维模型之间的关联，建立4D模型的过程较为复杂。

综上所述，现有的施工动态可视化仿真研究中，静态的建筑物模型与动态的可视化仿真成果都存在修改困难的问题。针对上述问题，本文首先以引水隧洞施工过程为研究对象，采用参数化设计方法建立了基于CATIA的引水隧洞三维参数化模型，该模型具有便于修改及建模效率高的特点；其次，结合施工进度仿真方法，通过运用CATIA知识工程技术将进度计划与三维参数化模型关联起来，建立了引水隧洞施工4D模型，该方法建立的4D模型可以实现引水隧洞施工动态可视化交互仿真，并且该可视化仿真成果便于修改；最后，通过CATIA二次开发技术实现了施工信息的查询。

2　基于CATIA的引水隧洞施工动态可视化仿真研究框架

基于CATIA的引水隧洞施工动态可视化仿真研究主要包括4个部分，引水隧洞3D参数化建模、施工进度仿真、引水隧洞施工4D可视化以及施工仿真信息查询，如图1所示。

图1　基于CATIA的引水隧洞施工动态可视化仿真框架图

首先，根据引水隧洞施工组织设计中的三维几何信息，从中提取控制引水隧洞的主要参数，然后在CATIA环境下建立引水隧洞三维参数化模型，该模型可以通过修改参数实现更新；此外，将已经建立好的模型存储为引水隧洞模板，调用模板即可建立相似模型，避免了重复建模，提高了建模效率。其次，结合引水隧洞施工特点，根据施工组织设计中的施工方案以及各施工工序的衔接关系与相互制约条件，运用耦合CPM（Critical Path Method）方法和CYCLONE（Cycle Operation Network）技术的系统仿真技术对引水隧洞各施工工序进行分析研究，并建立引水隧洞施工进度仿真模型。再次，运用知识工程技术实现引水隧洞三维参数化模型与施工进度计划之间的关联，从而建立引水隧洞施工4D模型，进行施工4D可视化。最后，通过CATIA二次开发技术建立施工仿真信息查询系统。

3　引水隧洞施工动态可视化仿真模型与方法

引水隧洞工程不仅施工工作面有限、施工工艺复杂，而且施工环境隐蔽、施工空间封闭，洞室之间布置纵横交错，因此，对引水隧洞进行施工动态可视化仿真，合理安排施工进度计划，形象直观地展示施工工序在时间、空间上的冲突显得尤为重要。基于CATIA的引水隧洞施工动态可视化仿真模型包括以下4个部分：（1）引水隧洞三维参数化模型；（2）引水隧洞施工进度仿真；（3）施工4D可视化；（4）施工仿真信息查询。

3.1引水隧洞施工动态可视化仿真数学模型为了更清楚地表达引水隧洞施工动态可视化仿真各个部分之间的逻辑关系，本文建立了如图2所示的数学模型。

模型包括6个部分：

（1）定义了施工动态可视化仿真模型的方法集M。包括参数化设计方法（MPD）、CYCLONE仿真建模方法（MCO）、CPM建模方法（MCM）、知识工程技术（MKBE）以及二次开发技术（MSD）。

（2）定义了MPD的参数集PPD，输入参数（IPD）包括位置（ILO）、长（IL）、宽（IW）、高（IH），输出参数为参数化模型（OPDM）。

（3）为参数化设计的概念。式中，G(g1，g2，…，gn)表示一系列参数方程，n为方程的数量，D(d1，d2，…，dn)为函数G的变量，表示结构尺寸之间的约束关系；X(x1，x2，…，xm)为函数G的变量，表示结构的位置、尺寸大小等。

（4）定义了MCO与MCM的参数集PCO与PCM，以及MCO与MCM的关系f1。其中，PCO是MCO的参数集，输入参数（ICO）包括循环进尺（ILL）、结构参数（ISP）、爆破参数（IB）、机械参数（IE）、时间参数（ID），输出参数（OCO）包括各循环进尺持续时间（OD）、循环次数（OI）、机械效率（OE）；PCM是MCM的参数集，输入参数（ICM）包括仿真工序（ISIM）、非仿真工序（IO）、工序间的逻辑关系（IR），输出参数（OCM）包括进度计划（OS）、总工期（OTT）、开挖强度（OEST）。

（5）定义了MKBE的参数集PKBE，以及MKBE与MPDM的关系f2、MKBE与MCM的关系f3。其中，PKBE的输入参数为参数化模型（IPDM）、进度计划（IS）；输出参数施工4D模型（O4D）。

（6）定义了MSD的参数集PSD，以及MSD与MCM的关系f4。其中，PSD的输入参数为总工期（IT）、横道图（IG）、关键路线（IK）、开挖强度（IES）和总开挖量（IEV），输出参数为总工期（OT）、横道图（OG）、关键路线（OK）、开挖强度（OES）和总开挖量（OEV）。

图2　引水隧洞施工动态可视化仿真分析数学模型

3.2引水隧洞三维参数化模型引水隧洞是水电站重要的输水建筑物，其洞轴线布置、断面型式及尺寸的选择应综合考虑地质条件、水力条件和施工条件等因素，其施工方案需要在比选后确定；然而，在设计过程中，洞轴线、断面型式或尺寸的变化都会引起模型的变化；因此，在设计阶段模型需要不断地调整以适应不同的设计方案。针对采用传统方法所建立的模型存在修改困难的不足，本文采用参数化设计方法，基于CATIA平台建立引水隧洞三维参数化模型，通过参数的修改实现模型的更新；同时，模型的主要控制参数还可以存储在设计表中，通过修改设计表中的参数驱动参数化模型更新；此外，引水隧洞断面主要有城门洞形、圆形、马蹄形和高拱形等4种型式，这使得在建模过程中需要反复建立相似的模型，基于CATIA平台建立的引水隧洞三维参数化模型可以根据断面型式将参数化模型保存为模板，以便在重复性建模时进行调用，提高建模效率。

3.2.1参数化设计方法参数化技术由于可以在建模过程中嵌入专业知识，因此逐渐发展成为一种高效的建模方式［11］。参数化设计的基本原理是通过建立参数与模型之间的一一对应关系，并根据尺寸约束，将参数的变化与尺寸的变化相关联，再将尺寸的变化转化为模型结构的变化，以此直接通过参数控制模型的形状特征，从而使得通过对参数的重新设置快速建立不同的模型成为可能［12］。

引水隧洞的参数化设计研究包括洞轴线的布置、断面型式及尺寸的确定两个部分。洞轴线确定隧洞的位置与走向；断面型式决定断面的形状、尺寸参数控制断面的大小。与洞轴线相关的控制参数主要有起点坐标（X，Y，Z）、方向N、平段距离L、转弯半径R以及纵坡降i等；城门洞形断面的引水隧洞控制参数为顶拱半径R，断面宽度W以及洞高H；圆形断面的隧洞控制参数为半径R；马蹄形断面的隧洞控制参数为R1与R2；高拱形断面的隧洞控制参数为R1、R2与R3。参数化建模能够利用数学公式和几何约束关系建立参数化模型，参数化模型不仅方便修改，而且可以随着控制参数的修改而自动更新；因此，模型的修改效率得到了提高。引水隧洞参数化设计的主要控制参数如表1所示，参数化建模的主要流程如图3所示。

表1　引水隧洞参数化设计主要控制参数

图3　引水隧洞三维参数化建模流程

3.2.2设计表驱动引水隧洞模型CATIA知识工程设计表通过外部参数控制模型几何形状，因此结构相似而参数不同的模型可以通过设计表创建和管理，用户只需要修改设计表参数就可以自动生成新的模型［13］。

设计表驱动模型的关键是正确建立模型参数与设计表参数之间的对应关系［14］。如图4所示，利用提取的引水隧洞断面半径、洞室长度等模型参数创建设计表参数，在设计表中修改参数驱动三维模型更新。

3.2.3模板技术在建模过程中往往需要重复建立相似的模型，此时，可以将已经建立好的参数化模型保存为模板，再次建模时只需要确定洞轴线，即可调用模板完成建模。利用模板技术创建的特征、零件等模板可以将设计知识集成到这些模板中进行实例化，并通过正确的输入和几何参照对其进行修改。模板技术能够很好地适应多种设计情况，并快速完成重复性的设计工作［15］。图5为4种常见断面型式的引水隧洞模板，插入模板时修改控制参数，以建立新的特征模型。

图4　设计表驱动引水隧洞三维参数化模型更新

图5　常见断面型式引水隧洞模板

3.3施工进度仿真引水隧洞由于施工空间有限、施工相互干扰大、地质条件复杂，并且由于受到地形条件的限制，施工支洞布置困难；故其施工过程极其复杂。此外，隧洞施工是一个由钻孔、爆破、通风散烟、安全检查、初期支护、出渣等作业环节组成的循环过程，在整个施工过程中需要反复循环进行［16］。因此，为了降低仿真计算建模的复杂性和提高建模效率，故基于层次化、模块化建模的思想将引水隧洞施工进度仿真模型划分为控制层模型和实施层模型两个层次。控制层采用CPM网络模型来描述，实施层采用CYCLONE模型来描述［17］。通过仿真计算可以得到施工总工期、进度计划、关键路线、横道图、开挖强度、总开挖量等信息。引水隧洞仿真模型如图6所示。

3.4引水隧洞施工4D可视化引水隧洞施工4D模型不仅可以形象、逼真地模拟隧洞施工任一工序i在任意时刻t的三维面貌Si(t)，而且可以在施工方案变动时，自动且快速地更新施工面貌，无需重新建立模型与进度计划的关联，从而提高了施工动态可视化仿真的效率。通过将同一时刻各个工序的施工面貌Si(t)结合，得到t时刻引水隧洞施工的整体三维面貌：

式中：n为总的工序数，Si(t)=fi(Xi，Yi，Zi，t)，Xi、Yi、Zi为工序i的空间位置，表示在施工过程中包含了时间信息的施工工序i的几何形状，其施工面貌随时间的变化而变化。

图6　引水隧洞施工进度仿真模型

建立引水隧洞施工4D模型，关键在于建立三维参数化模型与进度计划的关联。这一关联可以通过CATIA知识工程设计表技术实现。CATIA知识工程设计表可以通过外部变量控制参数化模型中的参数，其功能需要Microsoft Excel支持［18］。本文在王帅［19］进行的地下洞室群施工仿真的基础上，在Visual C++平台，将进度计划参数转化为洞室长度参数，作为三维参数化模型的控制参数，存储在Excel文件中，供CATIA直接调用，进而驱动参数化模型更新，建立起引水隧洞施工4D模型。将进度计划参数转化为洞室剩余长度的伪代码如下：

本文利用施工进度仿真得到的进度计划创建设计表，通过这个设计表驱动引水隧洞的模型参数，使参数化模型随着进度计划的更新而不断更新，从而不断更新施工面貌，进而建立起引水隧洞施工4D模型，在建模平台上实现引水隧洞施工动态可视化仿真，如图7所示。在施工动态可视化仿真过程中，不论何时出现不合理的冲突，施工面貌都可以随时停止更新，从而使用户可以及时调整施工方案或三维模型设计方案。这一操作机制使得仿真过程中的交互成为可能。

图7　进度计划设计表驱动引水隧洞三维参数化模型

3.5施工信息查询引水隧洞施工仿真信息存入数据库后，本文通过在Visual Basic环境下对CATIA进行二次开发，实现施工信息的查询。基于CATIA的引水隧洞施工动态可视化仿真不仅可以得到合理的施工进度计划并实现任一时刻施工面貌的展示；而且能够实现施工总工期、关键路线、横道图、开挖强度、总开挖量等施工信息的查询。

4　工程实例

以某电站右岸引水隧洞为例，右岸布置7#～12#6条引水隧洞，单机单洞平行布置，采用圆形断面，开挖直径14.9 m。布置4#和7#两条施工支洞，均为城门洞形断面，断面尺寸（宽×高）分别为8.5 m×6.5 m、4.5 m×5.2 m。

4.1引水隧洞施工4D可视化分析（1）根据工程施工组织设计方案，建立基于CATIA参数化设计的引水隧洞施工4D仿真模型，进行施工动态可视化仿真。图8为不同时刻的施工面貌。利用设计表关联三维模型与进度计划，可以快速展示任一时刻施工面貌，实现施工动态4D可视化仿真，便于发现并解决施工过程中可能存在的冲突，为施工方案的合理制定提供了可靠保障。

图8　初始时刻、T=100d、T=150d、T=200d以及完工时刻的引水隧洞施工面貌

（2）在设计与施工阶段，引水隧洞断面型式、尺寸大小、洞轴线以及施工方案均需要反复修改、优选、验证。因此，需要调整三维模型与施工仿真方案，重新进行施工动态可视化仿真，从而更加直观地判断设计方案的合理性。图9为引水隧洞在不同断面尺寸设计方案下同一施工时刻的施工动态可视化仿真成果。采用参数化设计方法建立的引水隧洞模型不仅可以根据不同设计方案及时修改更新，而且可以根据由方案变化引起的施工进度计划的改变快速更新施工面貌。这些优势不仅提高了模型修改的效率，而且也提高了由模型或施工方案更改而造成的施工动态可视化仿真成果更新的效率，进而提高了方案设计和优化的效率。

图9　不同断面尺寸设计方案在同一施工时刻T=150d的施工面貌

4.2施工信息查询通过施工进度仿真计算，可以得到施工总工期、关键路线、横道图、开挖强度和总开挖量等信息，信息存储至数据库后，通过二次开发技术在CATIA平台上实现施工信息查询。由信息查询可知，该引水隧洞工程施工总工期为662 d，2015年5月16日开工，2017年7月28日完工，总开挖量69.1万m3。图10为施工面貌查询界面，图11为施工横道图查询界面。

图10　T=128d施工面貌及信息

图11　施工横道图

5　结论

本文引入参数化设计方法，提出了基于CATIA参数化设计的施工动态可视化仿真方法，建立了基于CATIA的引水隧洞施工4D参数化模型，并结合仿真得到的施工进度计划对施工过程面貌进行展示，实现了施工动态可视化与施工信息查询。该4D模型不仅可以在设计阶段初期快速建立与修改三维模型；而且能够根据由施工仿真信息或三维几何信息变化所引起的施工进度计划的改变而快速地更新模型。该4D模型避免了重复性的建模工作、提高了建模效率；同时，该模型克服了以往研究因施工动态可视化仿真成果难以修改而无法快速优选施工方案的缺陷。本研究为引水隧洞三维建模以及施工4D可视化仿真分析提供了一种新的高效建模与交互仿真的方法，为合理、科学地制定施工进度计划提供了理论与技术支持。

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