高拱壩倉面施工沖突類型分析與建模研究

毛重陽

摘 要：面對高拱壩在倉面澆筑時可能出現的施工沖突問題，本文對倉面施工中的各種對象進行了分析與建模，并根據各種沖突產生的類型對沖突的模式進行了分類、整理，分析了澆筑過程中施工沖突的產生機理、分類及影響效應，后構建了應對這些沖突的調整機制。通過實例分析，本文所進行的分析與建模具有可行性。

關鍵詞：高拱壩 沖突監測 倉面施工模擬

混凝土高拱壩通常位于地質條件復雜多變的高山峽谷地區，其地形陡峻、地應力高，且空間資源有限。因此，混凝土高拱壩的施工是一個極其重要而又復雜的過程，其施工工期長、混凝土澆筑量大、易出現施工干擾、機械布置困難，澆筑進度同時受到多方面因素影響，如自然環境、結構形式、工藝技術、組織方式、以及澆筑機械與供料能力等。同時，在實際水電工程中，為追求提前發電效益，還會有加快大壩施工進程，縮短施工工期這樣的要求。在這樣的環境下，勢必會出現高強度混凝土澆筑與大壩快速施工間的沖突，給高拱壩施工設計優化與動態實時控制提出了更高的要求。

通過專家學者的研究，我們不難看到，施工組織方案的合理與否直接關系著整個壩體施工的順利實施。其中，胡振中等提出了集成BIM和4D技術的施工沖突安全檢測系統；吳斌平等針對在高拱壩施工過程中選擇纜機時出現的隨機性和不確定性，提出了基于邊緣有限準則和空間沖突模擬的纜機選擇機制；王仁超等則通過使用空間分析和沖突識別技術提出了在多種施工條件下處理纜機澆筑時的干擾與聯合等問題的模擬規則。

通過上述專家、學者的研究，要深入分析高拱壩在倉面施工中可能產生的時空沖突問題，我們需要對倉面施工的過程進行具體的分析，可以從倉面施工的設備與工藝入手，對整個施工方案進行過程上的分析與模擬，從而可以得出沖突產生的類型與原因，進而為整個倉面施工的方案進行方案分析并提出科學依據。

1.高拱壩倉面施工系統分析

混凝土高拱壩通常建立于地質條件復雜多變的高山與峽谷地區，那里地形陡峻、河谷深切、地應力較高，并且空間有限。因此，高拱壩的澆筑倉面往往有著空間狹窄，施工機械種類豐富，施工工藝復雜，倉面內物體在實際施工作業時易發生交叉和干擾的特點。而沖突的產生不僅會降低施工效率，甚至可能引起安全風險。

1.1對于倉面施工中各單位的分析與分類

在對倉面實體沖突進行系統分析和研究時，依據施工系統實體的特征，可將倉面實體分為施工設備、施工人員、施工材料與施工對象四類。其中，施工設備主要有纜機、塔機、平倉機等，施工人員可分為指揮人員、倉面作業人員、機械操作人員等，施工材料有冷卻水管、鋼筋、模板等，施工對象可分為壩塊、鋼模板、預制塊等。具體情況見圖1。

1.2碰撞檢測中的施工單元分析

在碰撞檢測系統中，由于計算機的局限性，我們不能單純的按照上文中施工設備、施工人員、施工材料、施工對象的分類方式對其進行碰撞檢測。根據碰撞檢測系統的特點，我們可以將其分為兩大類，即相對場景靜止的物體與會頻繁產生位移的物體，來進行檢測。繼而在進行碰撞檢測時，我們就只用針對三情況進行檢測：主動進行運動的物體間的沖突檢測、靜止物體間的沖突監測、主動運動物體與靜止物體間的沖突檢測。

為此，我們應將倉面施工中的單位重新按照場景靜止的物體與會頻繁產生位移的物體來進行分類。而在會頻繁產生位移的物體中，我們又可以根據其運動特性，將其分為單純位移、單純旋轉與多種運動模式結合三類。具體分類情況見圖2。

2.倉面施工沖突監測

在虛擬的施工場景中，上文所述的任意一種實體都有可能與其他的實體發生沖突，為了避免這些沖突的產生，我們需要建立一種沖突監測方法。

2.1不同類別施工單位的包圍盒模型

單純位移類物體

2.2虛擬倉面沖突檢測模擬

為了是倉面施工的模擬具有準確性與科學依據，我們需要對整個倉面施工的過程進行模擬。而時間步長是根據倉面中各個實體當時的狀態的改變而推進的，又因為其狀態的變化遵循著一定的規律，是由一系列施工工序流程演變而來，所以我們可以針對不同類別的施工單位，來進行倉面虛擬施工碰撞檢測。我們在進行檢測時，可將施工單位按類型分為靜-靜檢測、動-靜檢測與動-動檢測三類。具體流程見圖6與圖7。

通過分析，雙動物體碰撞檢測在流程上與一動一靜兩物體的碰撞檢測相似，只是在獲取實體時變為獲取兩個不同的動實體，所以在檢測時我們將動-靜檢測與動-動檢測兩類合并為一類，即非雙靜物體碰撞檢測。

3.實例分析

某型水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，是金沙江下游干流河段梯級開發的一個梯級電站，具有以發電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運條件和發展庫區通航等綜合效益。我們根據上文的方法，對其某一倉面的施工過程進行了模擬，以分析上文所述方法是否具有可行性。

3.1雙靜物體檢測

將施工方案與施工機械配置等數據導入系統后進行模擬，未發現沖突產生。后更改施工現場配置，使堆料區與倉邊模板重疊并進行檢測，系統發現沖突并指出為堆料區與模板發生沖突，提示施工方案不可行。至此，我們認為此雙靜物體檢測系統的結果可信。

3.2非雙靜物體檢測

通過導入施工方案與各項施工設施屬性進行模擬，我們發現，在進行非雙靜檢測時，產生了倉面施工機械與材料堆砌區的沖突，詳情見圖8。

在重新進行路徑規劃后，問題得到了解決，倉面施工模擬順利完成。所以，上文提及的非雙靜物體檢測系統也是可行的。

4.總結

本文針對高拱壩倉面施工中沖突問題為研究對象，首先對倉面施工單位的類別進行了分析與建模，并在此基礎上對倉面沖突產生的類型進行了分析并提出了按照施工單元的運動方式進行分類的方法，針對不同類型的沖突，建立了相應的沖突檢測機制。最后以某實際工程倉面澆筑過程進行了驗證分析，表明本文所建立的沖突監測方法能夠有效的為工程施工方案決策提供科學依據。

參考文獻：

[1]鄭家祥，閻士勤，李翔，尹習雙. 300m級高拱壩施工方案和進度[J].水電站設計，2013，29（04）： 1-3.

[2]王仁坤.我國特高拱壩的建設成就與技術發展綜述[J].水利水電科技進展， 2015， 35（05）： 13-19.

[3]吳康新.混凝土高拱壩施工動態仿真與實時控制研究[D].天津大學，2008.

[4]胡振中，張建平，張新.基于四維時空模型的施工現場物理碰撞檢測[J].清華大學學報（自然科學版），2010，50（06）：820-825.

[5]吳斌平，任炳昱，鐘登華.基于邊緣優先和空間沖突的拱壩澆筑仿真研究[J].系統仿真學報，2013，25（07）：1560-1567.

[6]王仁超，王晨旭.混凝土壩澆筑仿真中的纜機干擾與聯合問題研究[J].水資源與水工程學報，2015，26（02）：195-199.