長河壩水電站施工總布置三維動態可視化仿真介紹

雷萬君，王 飛，潘 勇，崔 博

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072;2.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

1 前 言

水利水電工程施工總布置是對工程施工場地在施工期間進行的空間規劃，它是根據施工場地的地形、地貌、水文、地質、氣象、及樞紐建筑物布置等，為滿足施工期間的分期、分區、分標的方案要求，加快工程施工進度和降低工程造價、保證工程施工安全及工程質量等要求而創造的環境條件。由于水利水電工程施工場地布置幾乎包括了地上、地下已有的建筑物;地上和地下擬建的建筑物;為施工服務的臨時性建筑物(如沙石加工系統、混凝土系統等)，因此布置過程非常復雜。對總布置施工全過程進行分析，并在此基礎上實現施工總布置視景仿真，進行施工總布置的巡航和施工總布置全過程三維動態演示，形象的反映各建筑物之間的關系，不僅能直觀顯示總布置施工組織設計的設計成果，而且將極大地方便工程施工總布置決策及管理。

2 工程概況

2.1 樞紐建筑物布置

長河壩水電站樞紐擋水建筑物為礫石土心墻壩，壩頂高程為1 697.00m，心墻最低建基面高程為1 457.00m，最大壩高240.0m。壩頂寬度為16.0m，壩頂長度497.94m。

泄洪建筑物由三條泄洪洞和一條放空洞組成，均布置在右岸山體內。從左至右依次為深孔泄洪洞、1號開敞式泄洪洞、2號開敞式泄洪洞和放空洞，三條泄洪洞平行布置，洞軸線水平間距60.0m，放空洞布置在2號開敞式泄洪洞右側，軸線間距80.0～115.0m。

主機間、副廠房和安裝間按“一”字型布置，安裝間和副廠房分別布置在主機間的兩端。主機間長147.0m，安裝間長60.9m，副廠房長20.9m，主副廠房總長228.8m，主變室斷面為圓拱直墻型，開挖跨度為 18.80m，開挖高度為 25.7m，總長度為150.0m。

尾水系統采用“二機一室”布置方案，共設置兩個長條形圓拱直墻型阻抗式調壓室，總長139.0m，中間用15m厚巖柱隔開。

主機間內安裝4臺650MW水輪發電機組及其附屬機電設備，機組安裝高程1 463.45m，機組間距33.8m。

2.2 施工總布置分區規劃

根據現場的地形條件，及工程施工特點，長河壩水電站工程按以下分區進行施工總布置安排:

(1)金湯河口工區。主要布置有石料開采場、反濾料加工廠及1號供水站。

(2)右岸上游工區。主要布置有石料開采場、響水溝渣場、反濾料備料場、1號混凝土拌和系統、3號混凝土拌和系統及3號供水站。

(3)野壩、小河壩工區。主要布置有石料開采場、2號混凝土拌和系統及4號混凝土拌和系統、木材加工廠、鋼筋加工廠、施工變電站、機械修配廠、汽車修配廠、施工機械設備停放場、鋼管及金屬結構拼裝場、機電安裝場、轉輪現場加工廠、機電設備庫、綜合倉庫、4號供水站、生活區及業主營地。

(4)江咀工區。左岸主要布置石料開采場、磨子溝渣場、明挖料回采渣場及洞挖料回采渣場。右岸布置混凝土人工骨料加工系統及5號供水站。

(5)牛棚子工區。主要布置前期混凝土天然骨料加工廠、2號生活區及6號供水站。

(6)渣場布置。工程施工區范圍內山高坡陡，適合于堆渣的場地十分有限。從地形條件看只有上游的響水溝、下游的磨子溝及磨子溝出口江咀灘地可以堆渣，故本工程設響水溝及磨子溝兩個渣場及江咀明挖和洞挖渣料兩個回采渣場，在磨子溝渣場內設壩體堆石料備料區。

3 施工總布置三維可視化仿真研究方法

3.1 基于GIS的可視化技術

基于GIS的可視化技術是將GIS技術和可視化技術有機的結合起來，將其應用于水利水電工程施工場地布置研究工作，以及將研究結果直觀的表達出來，對于水利水電工程施工場地布置方案的決策有著重要的指導意義。

3.1.1 GIS技術

地理信息系統(Geographic Information System，GIS)是一種采集、存儲、管理、分析、顯示與應用地理信息的計算機系統，是分析和處理海量地理數據的通用技術。地理信息系統提供了一種認識和理解地理信息的新方式，從而使地理信息系統進一步發展成為一門處理空間數據的學科。

地理信息系統技術為水利水電工程施工場地布置決策提供了強大的輔助決策工具，它把現實世界中對象的空間位置和相關屬性有機的結合起來，滿足用戶對空間信息的管理，并借助其特有的空間分析功能和可視化表達，進行各種輔助決策。

3.1.2 可視化技術

可視化(Visualization)即科學可視化(Scientific Visualization)，是對計算及數據進行探索，以獲得對數據的理解與洞察，實現把計算中所涉及的和所產生的數字信息轉變為直觀的、以圖像或圖形信息表示的、隨時間和空間變化的物理現象或物理量呈現在研究者面前，使其能夠觀察到模擬和計算過程，即看到傳統意義上不可見的事物或現象，并提供與模擬和計算的視覺交互手段。

3.2 基于GIS的建模方法和三維可視化過程

3.2.1 基于GIS的建模方法

3.2.1.1 三維模型構造方法

對于規則物體，其三維模型構造方法只有描述形體表面的邊界表示法(B－rep)和計算實體幾何法(CSG)等，以及既能反映形體表面又能表現其內部屬性特征的空間分解法(如八叉樹)等。三維實體模型是基本體元的組合，可通過集合運算(如差、并、交等)和基本變形操作(如平移、旋轉、錯切、反射等)來構造。

對于一般的不規則物體可采用曲面建模方法。曲面建模是從離散的數據點重構連續變化的曲面。曲面通常采用一組網格多邊形來表示，即把曲面離散成許多小平面片，用平面逼近曲面，一般使用許多四邊形或三角形來逼近曲面，曲面被離散的愈細，逼近曲面的精度就愈高。

3.2.1.2 三維模型建模技術

(1)CAD實體建模技術。CAD實體建模技術是指給定一組幾何元素和一系列描述它們之間關系的約束條件，求解滿足這些約束條件的這組幾何元素。整個建模過程借助CAD軟件系統來實現，利用鼠標在計算機屏幕上直接繪制或通過CAD自帶的編程語言繪制實體，也可以利用模型庫中已有的元件通過“交”、“差”、“并”等幾何體的正則運算拼合成實體空間模型。

(2)特征建模技術。特征建模技術是基于一組預定義特征，在系統內部預先形成特征庫和特征分類，并組織成層次化的結構，在設計過程中，用戶根據需要交互輸入特征類型，然后通過定義尺寸約束，添加位置約束，完成特征約束模型的建立和求解。

(3)參數化實體建模技術。參數化實體建模技術是一種通過相關幾何關系組合一系列用參數控制的特征部件而構造整個幾何結構模型的技術。參數化實體建模與實體CAD圖形建模的不同之處在于，前者側重于實體模型形態的完全參數化，用戶與模型的交互只能通過修改參數來實現;而后者則側重于實體建模過程的用戶參與，用戶借助CAD軟件系統，能夠交互控制實體的位置、結構及其操作。

3.2.2 基于GIS的三維可視化過程

在GIS中要實現空間實體的三維可視化表達，就是要實現形體數據到三維圖形的變換。GIS三維可視化過程分為三個子過程:

(1)數據處理(Data Manipulation)，主要完成數據的過濾，使原始數據(如CAD數據)得到細化或增強，并轉化為適合后續可視化操作的表示形式，包括網格化、插值、梯度計算以及格式轉化等。

(2)可視化映射(Visualization Mapping)，將數據過濾導出的數據轉換為抽象可視化對象(Abstract Visualization Object，AVO)。AVO用來描述各種時空對象，其屬性包括幾何、時間、顏色、透明度、光照、反射系數及表面紋理等。

(3)三維顯示(3D Displaying)，AVO經三維變換，變換到屏幕坐標系中，再利用光照模型和面繪制算法進行隱藏面和隱藏線消除，計算光照強度并且設置物體投影角度，生成形象逼真的三維圖形。

4 長河壩水電站施工總布置三維可視化仿真

4.1 長河壩水電站施工總布置可視化方案

長河壩水電站施工總布置可視化方案:首先，將表達信息所需數據收集整理之后進行預處理，轉化成GIS可以調用的數據形式或文件格式。然后，將這些數據文件導入GIS中，經GIS有關模塊轉換成其內部的數據格式，利用該系統特有的數據組織結構來組織施工總布置動態仿真數據的數據結構，結合復雜實體造型技術，如參數化建模方法等，生成施工總布置動態三維數字模型，此模型融合了施工總布置相關的所有動態和靜態數據，是各種數據可視化的基礎。

由于長河壩水電站工程施工總布置的復雜性，為科學、系統地分析與研究，將其視為一個大系統，根據系統分解與協調模式，施工總布置可分解為大壩施工、渣場堆存回采、場內道路交通、地下建筑物施工、動態水流等幾個子系統。施工過程動態仿真數據可視化也相應地分成這幾個部分來實現，如圖1、2 所示。

圖1 施工總布置子系統示意

圖2 施工過程動態仿真數據可視化系統示意

4.2 長河壩水電站施工總布置三維可視化建模

(1)地形。長河壩水電站施工場地地表DTM(數字地形模型)的建立是整個施工總布置三維數字建模的基礎，所有工程水工樞紐與施工總布置建筑物均布置其上，而且為后續的地形填挖創造條件。

(2)壩體。先通過仿真計算得到大壩各壩塊的形體信息，然后將各壩塊按照其相互拓撲關系組合在一起形成大壩模型。大壩模型得到后，根據大壩壩基開挖的資料，在地形DTM上進行開挖，得到與真實地形無縫吻合的大壩模型。

(3)渣場。渣場與地面的交線沒有規律可言，只要渣場的形體面達到足夠與地面相交，露在地面以上的渣場就可以很清楚地顯現出與地面的不規則交線，這樣將渣場和地形做cutfill操作，可得到與真實地形無縫吻合的渣場模型。

(4)道路。根據交通道路的設計，可在施工場地對內對外施工交通樞紐布置圖中得到各條道路的中軸線，然后轉化為GIS系統所能識別的文件格式導入GIS中，調用路面和路坡繪制程序，將得到的道路坡面模型與地形做cutfill操作，然后組合到一起，形成整段道路模型。

(5)臨時設施。對施工臨時設施的各種場地如炸藥庫、機械裝備場等建模，涉及到場地平整。針對場地平整，分為場地開挖及回填兩個步驟，其建模方法和上述建立道路模型方法相似。

4.3 長河壩水電站施工總布置可視化仿真的實現

按照邊坡填挖處理過的施工場地地形DTM以及施工總布置其它建筑物模型之間的空間拓撲關系，將各模型變換到統一的地理空間坐標系中，就得到了施工總布置整體模型。

對三維模型經過投影(正射投影或透視投影)設置觀察視點，進行各種變換(平移、旋轉)，就可以顯示到計算機屏幕上，得到長河壩水電站工程施工總布置虛擬場景，并具有逼真的視覺效果。長河壩水電站工程施工總布置虛擬場景得到后，即可進行總布置虛擬場景的巡航:首先，獲取巡航場景內所有實體的特征數據并生成實體對象，然后根據視點信息對實體對象做相應的變換后進行繪制，最后按照既定的光照模型進行渲染。

4.4 長河壩水電站施工總布置可視化仿真成果

通過以上方案完成了長河壩水電站工程施工總布置可視化仿真的實現，得到了水電站工程施工總布置虛擬場景，并實現了長河壩水電站工程施工總布置虛擬場景和總布置施工過程的三維動態可視化演示。主要成果見圖3、4。

圖3 整體面貌

圖4 施工期大壩面貌

5 結 語

我國大江大河很多(如長江、黃河、紅水河、瀾滄江、金沙江等)，在大江大河上建壩(如長江三峽、小浪底、溪洛渡、糯扎渡等)，其施工總布置設計與決策是一項十分復雜的工作，需要花費大量人力物力，計算機輔助設計是人們長期以來追求的目標。所以，本項目研究不僅給施工總布置設計與決策提供一個科學簡便、形象直觀的可視化分析手段，而且有助于推動水電設計工作的智能化、現代化發展，具有較大的推廣應用價值。