基于DELMIA的碾压混凝土拱坝施工过程仿真

宋永军 李厚峰 毛拥政 王云涛 郑华波 王建宁

摘要：采用DELMIA軟件将施工仿真应用到碾压混凝土拱坝，将施工过程可视化和数据化。采用这种仿真模拟技术对施工过程进行仿真，变更参数、修改方案比较容易，可优化施工机械配置、施工技术参数和施工方案。DELMIA的DPM模块充分利用“数字样机”的三维数据，实现在三维基础上的3D方案规划，并对项目施工过程、资源分配、节点管控等进行三维可视化模拟并验证。可视化仿真创建方法实现了仿真建模、模型处理、仿真过程和仿真结果的可视化。DELMIA的QUEST模块用离散事件动态系统网络模型来动态仿真，将系统工程中的排队理论和实际逻辑约束相结合，得到与实际情况基本一致的仿真结果。研究了基于DELMIA的高碾压混凝土拱坝施工过程仿真与优化的理论方法及其应用。通过DELMIA的DPM模块研究实现了碾压混凝土拱坝施工过程的动态可视化仿真;通过施工安全仿真，促进施工辅助设施的设计，保障了人员操作的安全;实现了施工计划的三维关联和查询。利用DELMIA的QUEST模块建立了混凝土施工交通运输系统排队网络仿真模型，利用离散分析技术解决了混凝土运输的排队问题。

关键词：碾压混凝土拱坝;可视化;离散事件;动态仿真

中图分类号：TV642.2;TV511 文献标志码：A

可视化仿真（Visual Simulation）技术是计算机可视化技术和系统仿真技术相结合形成的一种新型仿真技术，其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程进行跟踪、控制和结果处理，同时实现仿真软件界面的可视化，具有迅速、高效、直观、形象的特点。可视化仿真技术在土石坝、常态混凝土坝（重力坝和拱坝）以及碾压重力坝等常规坝型的施工仿真方面应用较多[1-4]，但将其应用到三河口水利枢纽这样的高碾压混凝土拱坝施工仿真在国内水利工程尚属首例。三河口水利枢纽项目采用的可视化仿真软件是引进法国达索Dassault公司开发的DELMIA-DPM、DELMIA-QUEST。QUEST解决物料规划问题，可有效地解决离散事件仿真，DPM解决工艺仿真问题，DPE解决工艺规划问题，底层由数据库Oracle支持。DELMIA涵盖了诸多工业领域，但关于其在混凝土大坝工程上应用的文献较少。

水利水电工程施工过程可视化仿真，是对水利水电工程各个工序的施工过程进行模型建立和仿真计算，实现仿真结果的动态化、可视化，直观显示施工的整个过程，通过调整参数进行方案优化，为合理决策提供支持的一种方法。高碾压混凝土拱坝施工是一个复杂的多任务系统[5]，该系统的各个环节变数较多，例如混凝土运输设备、混凝土运输道路、混凝土拌和系统及设备状况等都存在不确定因素。而混凝土运输强度与大坝的施工进度、施工资源的配备密切相关，因此必须采用系统分析的方法进行全过程分析。鉴于此，笔者探索将可视化仿真技术应用于高碾压混凝土拱坝，结合现场施工进行仿真研究，实现高碾压混凝土拱坝的施工过程仿真。

1 工程概况

三河口水利枢纽为引汉济渭工程的两个水源之一。坝址位于佛坪县与宁陕县交界的子午河峡谷段，在椒溪河、蒲河、汶水河交汇口下游2km处。三河口水利枢纽由拦河大坝、泄洪建筑物、下游供水系统等组成。碾压混凝土拱坝体型采用抛物线双曲拱坝，拱坝坝顶高程为646.0m，坝底高程为501.0m，最大坝高145.0m，坝顶宽9.0m，坝底厚37.0m，坝顶上游弧长500.9m。泄洪建筑物由坝身泄洪表孔、泄洪底孔及下游消能防冲建筑物等组成。泄洪表孔及泄洪底孔均布置在拱坝坝身。采用“三表孔两底孔”间隔布置的格局。表孔堰顶高程为628.0m，孔口尺寸15m×15m（宽×高）：底孔高程为550.0m，孔口尺寸4m×5m（宽×高）。坝下游布置长200m的钢筋混凝土消力塘。供水系统由进水口、压力管道、厂房、供水阀室、尾水系统、连接洞组成。大坝浇筑分块见图1。

2 基于DELMIA的可视化仿真建模

坝体模型分区与施工紧密相关，对建模过程中系统各种因素进行详细分析，建立施工模型的逻辑输入。

DPM为数字化制造流程，可以对碾压混凝土大坝施工工艺流程中的一些基本状况进行模拟，由此可以判断是否发生碰撞及资源短缺等情况，为工艺方案的优化提供充分的理论依据。

结合拱坝的施工时段进行道路系统和运输能力定量分析。QUEST软件把车辆（装货/卸货/岔道）需滞留的时间设置在各个实际车辆实体中，而将所有投入运行的车辆、线路及坝体碾压视为符合实际运作逻辑的随机事件的综合。通过对施工模型参数的调整（如改变施工设备类型、设备数量及运输路线等），再在QUEST软件中进行仿真计算，得出不同工艺方案所仿真出来的不同施工进度结果，以及拱坝不同施工时段的混凝土运输强度指标，从而评估计划的可行性及施工方案的优劣。

通过QUEST的仿真，还能直观地检测到工序之间的相互关系，查看工序瓶颈（如道路拥堵、仓库容积过小、车辆太多等），从而优化施工工艺，达到提高产能、节约成本的目的。

3 基于DELMIA的可视化仿真工程应用

3.1 实现施工计划的三维关联和查询

碾压混凝土大坝施工不仅包含复杂的机械设备及种类繁多的物资、人力资源，而且受自然条件和社会环境等各种因素的影响，碾压混凝土坝施工系统的复杂性决定了施工组织设计与管理难度大。为实现碾压混凝土坝施工机械化、程序化、标准化及专业化，需要编制合理的施工进度计划，施工进度计划不仅与施工组织设计的其他组成部分（施工方法、技术供应、导流度汛）相协调，而且与工艺水平和组织方式密切相关。在施工组织中，只有充分考虑各种因素、各个系统的相互联系，才能制定行之有效的施工进度和合理的施工方案。

在碾压混凝土坝施工组织设计中，传统的方法是根据初拟的施工方案及设备计算出月浇筑强度及资源需要。这种粗略的处理方法缺乏系统分析论证，精度不高，任意时刻的量化问题得不到解决，在进行多方案比选时，每种方案需要不断调整参数，耗时费力。

基于DELMIA对碾压混凝土拱坝施工过程和各人仓方式的混凝土运输强度进行仿真分析，可为大坝施工进度分析提供一个直观简便的可视化工具。CATIA模型在几何信息层面上是3D的，本次研究把时间这个维度加入到CATIA模型中去，就能够得到一个4D的模型，可直观反映施工过程中复杂的时空逻辑关系，揭示施工系统仿真内部动态行为特征，可以预测任意时刻大坝的施工面貌、进度和工期情况。当模拟施工到达某一步骤时，这一步骤所有的人、材、机资源配置信息将与模型施工进度完全吻合。输入任意时间节点，能直观展示该节点的工程面貌，实现直观查看施工计划调整后的工程面貌。

利用QUEST的仿真数据，对各个工序进行仿真，根据工序计划的浇筑顺序，及实际的工程约束，推算各块浇筑的最快可能浇筑日期，编程进行模拟，进行可视化进度展示与查询。根据推算的结果，汇总每个月总的上坝混凝土量，计算计划强度、生产运输强度，绘制图2所示的柱状图。

该仿真碾压混凝土工期比计划工期提前了半年，表孔常态混凝土工期比计划工期提前了2个月。因为该仿真未考虑仓面空间、仓面作业时间及自然条件的影响等，所以碾压混凝土及常态混凝土浇筑仿真计算结果比计划工期有所提前。分析仿真结果认为，其与计划工期基本相符，说明该软件开发是成功的，所取施工参数和边界条件符合三河口拱坝施工实际，能用于指导后续拱坝施工，并进行合理、准确的进度预测。

3.2 实现拱坝施工关键工艺三维仿真

碾压混凝土大坝施工与机械设备配置、物料供应、施工工艺等因素有关。混凝土入仓的运输路径、设备的选型比较繁琐，工程建设现场承建单位及作业面众多，施工过程中难免水平、垂直多个维度交叉作业。通过三维仿真展示作业面工作情况，利用三维仿真环境在施工组织阶段定义和预演建设流程，可以直观清楚地看到整个工艺过程的实施情况，提前发现问题并找到解决办法，避免在施工过程中才发现问题，影响施工进度，从而大大提高工作效率，减少真实施工中的变更，合理安排施工资源，验证设备布置和施工程序的合理性。

本次施工關键工艺仿真，分别对514m以下、514～550m、550～570m、570m以上等高程段不同的碾压混凝土入仓路径、入仓方式及表孔、底孔、进水口等常态混凝土进行了DELMIA施工仿真模拟，浇筑方案见图3～图6。通过这些仿真模拟，对施工方案进行了验证，及时发现了有关场地规划布置合理性、设备空间碰撞干涉、设备有效操作可达范围等问题，并据此对方案进行了优化。

图3～图6展示了514m以下、514～550m、550～570m、570m以上高程碾压混凝土的入仓方式、碾压混凝土从料场到坝前平台的运输过程以及机具设备的配合施工，还展示了表孔常态混凝土梭式布料机入仓方式，底孔常态混凝土入仓方式，进水口常态混凝土人仓方式的施工。经过模拟，得出以下结论：514m高程以下自卸汽车入仓是可行的，道路设计满足施工要求，仓面上各种设备的配合是合理的;514～550m、550～570m高程道路设计满足施工要求，皮带机布置位置合理，机具设备衔接流畅，皮带机倾角合理;570m高程以上满管溜槽位置布置合理，角度合适，满足施工要求;进水口坝前牛腿常态混凝土拖泵MZQ1000门机布置合理;底孔坝前、后牛腿拖泵、M1500塔机布置合理。表孔常态混凝土梭式布料机入仓方式，布设两台梭式布料机进行浇筑时，在原布设位置下，表孔的4个角一部分以及进水口、电梯井浇筑不到，而在布设了臂长达到70m的塔机后，所有部位均可覆盖到。从模拟场景来看，塔机似乎在5#横缝位置再往左岸方向略移，浇筑范围更合理。

4 结语

通过可视化仿真，可以提高碾压混凝土坝施工组织的科学化、现代化及进度管理的信息化和精细化水平[5]，为该工程现场施工组织与控制提供技术支持;有助于提高设备利用率、优化施工方案、节约工程投资和保证项目的可实施性，满足现代施工组织及管理发展的要求。施工过程仿真已经由一种辅助设计工具逐渐转变为碾压混凝土拱坝工程施工规划、施工组织设计及施工管理中不可缺少的技术手段。计算机仿真技术在高碾压混凝土拱坝施工中的应用前景广阔，进一步丰富了高碾压混凝土拱坝施工过程仿真系统软件的实用功能，对提高碾压混凝土拱坝施工组织和管理水平有着十分重要的意义。

参考文献：

[1]WANG Qianwei，ZHONG Denghua，WU Binping，et al.Construction Simulation Approach of Roller-Compacted Con-crete Dam Based on Real-Time Monitoring[J].Journal ofZhejiang University-Science A（Applied Physics&ngineer-ing），2018，19（5）：367-383.

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[5]赵春菊，周宜红.碾压混凝土坝施工智能仿真原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2012;6-7.