基于VB二次開發技術的混凝土壩澆筑仿真模型構建

王仁超,張 樂,尹志洋,王 馳

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072;2.中水北方勘測設計研究有限公司,天津 300222)

運用計算機仿真技術分析混凝土壩澆筑過程,確定混凝土壩澆筑順序,論證澆筑施工機械配套方案,輔助工程設計人員進行施工組織設計,在我國已有20余年的歷史。這一技術的運用有力地促進了諸如三峽、小灣、龍灘等一批超大型工程的設計速度、質量和建設。但是以往開發的混凝土壩澆筑仿真軟件,在建模速度、建模精度以及工程設計人員理解和運用方面存在一定的不足[1-3]。隨著我國三維設計技術、BIM(Building Information Modeling)在水利水電工程設計中應用,工程設計成果多以三維形式表達[4-6]。為此,作為輔助施工組織設計的施工過程計算機仿真,也需要適應這一變化。

對于混凝土澆筑仿真模型構建問題,將系統仿真技術與AutoCAD技術相結合,不僅有利于加快系統仿真建模速度,提高模型的精確性,而且也便于工程設計人員對于仿真的理解應用。

本文采用VB.NET為開發語言,通過對混凝土壩澆筑仿真模型構成分析,探討了混凝土壩澆筑仿真與AutoCAD技術結合的方式,建立了具有擴展屬性的混凝土壩三維實體模型,實現了大壩模型自動劃分功能。

1 混凝土壩澆筑模型構成分析

從系統分析的角度,可以把混凝土壩的澆筑施工看作一個排隊服務系統,在該系統中,澆筑塊和澆筑機械是主要的實體對象,其中顧客為澆筑塊,服務臺為澆筑機械[7]。因此,系統可以劃分為大壩形體子系統、機械子系統和施工控制子系統。根據系統劃分,將混凝土壩澆筑模型分為大壩形體子模型、機械子模型和施工控制子模型。各個模型都由若干參數構成,模型參數可以根據是否與空間位置有關劃分為位置參數和非位置參數,非位置參數又可分為位置關聯參數和位置無關參數。以此對混凝土澆筑模型構成進行分解。

(1)大壩形體子模型

由于橫縫將壩體分為若干壩段,各壩段獨立工作,功能有所不同,結構形式也不盡相同,因此不同壩段剖面的控制點個數也不同。構成壩體模型的控制點均具有固定的空間位置,歸為位置參數。

(2)機械子模型

機械子系統主要包括澆筑機械與拌合機械。拌合機械主要的參數包括所屬拌合系統、各月份拌合能力等。澆筑機械的主要參數包括機械運行參數、澆筑范圍控制、澆筑能力、機械聯合與干擾規則等。

(3)施工控制模型

壩體澆筑施工工序繁多,過程復雜,因此仿真模擬時需設定約束條件對澆筑過程進行控制,以便能夠真實地反映大壩施工面貌。約束條件都劃分為非位置參數,其中,相鄰高差限制、澆筑優先順序、壩段關系控制為位置關聯參數;有效工作時間、混凝土初、終凝時間、層間間歇期、降雨隨機因素等為位置無關參數。

混凝土壩澆筑模型一般采用參數化方法建立。參數化建模方法需要采集大量的信息,以建立壩體模型為例,系統需要用戶輸入大壩二維剖面的控制點坐標,然后按照橫縫、縱縫位置進行分壩段、分倉,從而構成壩段、柱塊等對象。而一個剖面的控制點坐標少則五、六個,多則十幾個,因此要建立整個壩體模型,需要輸入系統的數據量非常大,造成了建模效率低下。程序建立模型時,對一些形體復雜部位(如壩基面)通常采用線性內插法,將一些復雜輪廓近似為梯形處理,造成模型的精度不夠,而且像溢流面、閘墩等由于澆筑順序要求,模型需要單獨建立,增加了建模時間。

AutoCAD為工程界所通用,操作、理解均很容易,其本身具有強大的建模功能,因此,對于由位置參數組成的模型直接利用CAD命令進行可視化建模,不僅加快了建模速度,而且保證了模型的精度;同時結合參數化建模方法,采用常規的文本框輸入模式或利用CAD二次開發技術,將模型所需的非位置參數作為屬性進行存儲,以建立既有外部形體參數,又具備內部仿真參數的混合模型,可以直接參與仿真計算。

2 基于AutoCAD的混凝土壩澆筑仿真模型

2.1 具有擴展屬性的混凝土壩三維實體模型

混凝土壩三維實體模型屬于靜態的物理實體模型。建立混凝土壩三維實體模型一般分為數據準備、空間轉換、模型生成以及模型修正四步。首先根據提供的壩段二維剖面圖建立面模型,然后將面模型旋轉、移動至三維空間,根據壩體結構數據進行放樣、擠出等操作,得到壩體初步模型,再利用切割、布爾運算等操作對初步模型進行修正,從而得到壩體的準確模型[8]。

通過可視化方法建立的是壩體三維幾何模型,而混凝土壩三維實體模型作為仿真計算過程中的研究對象,要求其不僅具有幾何坐標參數,而且每一個實體都要包含作為一個混凝土柱塊所應具有的壩段號、所屬倉號等內部仿真參數。因此,需要將壩段號、所屬倉號等仿真參數作為屬性賦予壩體三維幾何模型。AutoCAD中提供一種擴展字典機制,通過擴展字典可以使用關鍵字來保存和檢索相應的實體對象[9]。

將壩段號、倉號等不同數據類型的仿真參數通過不同的組碼值保存到擴展字典當中,如果該仿真參數參與仿真計算,則直接從擴展字典中讀取即可。讀取數據時,首先獲得擴展字典,然后找到“SimuInfor”擴展記錄,然后利用GetXRecordData方法來讀取具體參數。

這樣通過擴展字典就將三維幾何模型與壩體仿真模型聯系起來,建立了具有擴展屬性的混凝土壩三維實體模型。

2.2 壩體模型的自動剖分

對混凝土壩澆筑施工過程進行模擬,一般是將壩體模型離散為很多個澆筑塊,壩體澆筑過程就可以看作澆筑塊的產生過程。澆筑層厚度受溫度控制等的限制,并不是固定值,這就決定了仿真模擬時澆筑塊的厚度須根據當前仿真條件來自動判斷獲取。

借鑒有限元軟件的模型網格自動剖分思想,利用AutoCAD二次開發技術來實現壩體模型的自動剖分。要獲得當前澆筑塊,需要對壩段模型進行剖切,CAD中每一個實體對象均具有唯一標識值-句柄,通過讀取句柄值即可獲取當前壩段模型,而且每次剖切得到位于剖切面正法向側的實體的句柄與原壩段實體保持一致。如圖1所示,當前澆筑塊將壩段模型分為三部分,分別在當前澆筑高程處和此筑塊澆筑完畢高程處建立剖切平面,對壩段模型進行兩次剖切即可獲得當前澆筑塊。如此,每次在程序中讀取當前可澆柱塊、當前高程和當前澆筑層厚,按照此算法即可實現壩段模型的自動剖分。

圖1 獲得澆筑塊示意圖

2.3 系統模型建立

2.3.1 模擬規則

一般將大壩混凝土澆筑系統按照離散事件系統來對待,在筑塊澆筑進程中,筑塊是主導實體,筑塊的事件會引起機械等其他實體的活動,而且,筑塊是壩體澆筑活動服務鏈的最終產品,因此,壩體筑塊行為模擬規則是最重要的規則[10]。主要規則如下:

(1)時間約束。為了滿足壩體混凝土的溫控要求,以及相鄰澆筑層之間的層面結合要求,筑塊的澆筑受到混凝土初、終凝時間和層間間歇期的約束。

(2)高差約束。包括最大高差約束和至少高差約束。最大高差約束是為了滿足溫度控制的要求,以使得應力分布均勻,減少裂縫;至少高差約束是為了滿足立模板的要求。

(3)施工工藝約束。各壩段功能不盡相同,結構形式有所差異,因此不同壩段的施工工藝也會有所不同,壩體澆筑需要滿足不同的施工工藝約束。

(4)澆筑面貌控制約束。在對壩體不同壩段部位進行澆筑時,為了滿足諸如壩體穩定性要求,立模板方便,特殊部位(如底孔部位)施工的限制,要求壩體澆筑面貌呈現高低相間上升或階梯狀上升的面貌。

2.3.2 模擬流程

大壩澆筑過程模擬引入仿真時鐘,采用時間步長法推進機制?；炷翂螡仓抡嬗嬎氵^程是以澆筑機械與筑塊交替、反復選擇活動的過程,基于AutoCAD的大壩澆筑仿真流程中的機械澆筑活動即為對CAD實體模型進行剖分,當有筑塊滿足澆筑條件時,便根據剖分算法生成澆筑塊,同時將該筑塊的澆筑信息直接存儲到擴展字典當中。仿真流程如圖2所示。

圖2 模擬流程圖

3 系統開發

本文以VB.NET作為開發工具,運用面向對象的方法進行系統開發,由于采用對象、類和繼承等概念,使得系統具有可移植、可擴充和易維護的特點[11]。系統的構架采用了Windows軟件的多文檔和多視圖結構,并將AutoCAD作為子窗體嵌入到系統當中;建立了數據庫連接,用以存儲和管理從CAD模型中獲取的數據信息和用戶輸入的仿真參數等。

3.1 連接AutoCAD

在數據采集過程中,需要與AutoCAD進行多次交互操作,因此考慮將AutoCAD嵌入系統,方法是調用Windows API函數SetParent將AutoCAD設置為當前窗體的子窗體,這樣既可以實現建模仿真一體化,又可以簡化數據輸入。

3.2 系統構成

系統主要由三個模塊構成,即模型參數模塊,仿真計算模塊和結果輸出模塊[12-13]。

(1)模型參數模塊

用于對構建模擬模型以及運行所必須的參數進行編輯,此模塊劃分為形體相關參數部分、機械參數部分和施工控制三個主要部分。其中,形體相關參數部分由于直接將在AutoCAD中建立的具備擴展屬性的壩體模型作為研究對象而得到很大程度的簡化,僅需要輸入相關仿真參數即可。

(2)仿真計算模塊

該模塊是系統的核心,實現大壩澆筑過程的仿真計算及同步三維演示。系統后臺調用相關算法進行程序計算,前臺在AutoCAD三維視圖中動態顯示壩體模型自動剖分過程即壩體澆筑上升情況。

(3)結果查詢與輸出模塊

將仿真計算得出的澆筑信息以簡捷、直觀的方式輸出。系統建立了Access數據庫連接,用以保存澆筑信息。結合二次開發,在AutoCAD本身查詢功能的基礎上,實現拾取任意筑塊即可顯示其澆筑信息功能。

4 簡要實例

4.1 概況

該工程混凝土壩壩頂高程為1139.000 m,壩頂總長度為838.035 m。本次計算取大壩右岸標段為研究對象,壩段分布為24-25壩段為明渠溢流壩段,28-30壩段為岸邊溢流壩段,26-27,31-35為右岸擋水壩段。

4.2 約束條件

澆筑塊厚度與間歇期的安排如下:強約束區內塊厚1 m,間歇期5 d;弱約束區內塊厚為1.5 m,間歇期6 d;脫離約束區塊厚3 m,間歇期為6 d。

相鄰壩段間最大高差約束為12 m,至少高差為3 m,壩體上升總體控制高差為20 m。

4.3 模擬結果查詢與輸出

通過仿真計算,可以在AutoCAD平臺上查看壩體的澆筑面貌,而且壩體剖分所得到的筑塊均包含澆筑信息,可以點擊任意筑塊來查看其澆筑信息。同時也可將澆筑信息輸入到數據庫中,進行總體澆筑信息的查詢。月澆筑方量及方量累計如圖3所示,澆筑完工面貌及任意筑塊信息查詢如圖4所示,總體澆筑信息如表1所示。

圖3 月澆筑方量及累計曲線

圖4 澆筑結束面貌及任意筑塊澆筑時間

表1 澆筑信息統計表

5 結 語

本文對混凝土壩澆筑模型進行分解分析,提出將AutoCAD與仿真系統軟件相結合,并利用CAD二次開發技術,建立了具備擴展屬性的三維實體模型,簡化了數據輸入過程;實現了壩體模型的自動剖分功能,同時將系統外部運行參數可視化,增強了系統的通用性。

[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]周宜紅,定 蘭,趙春菊.碾壓混凝土壩施工澆筑系統仿真模型研究[J].水電能源科學,2006,24(1):50-51,89.

[5]邱世明,張立勇,王仁超.混凝土壩施工過程管理與控制研究[J].水力發電,2003,29(2):36-39.

[6]趙衛軍.AutoCAD二次開發在水利工程設計中的應用[J].水利與建筑工程學報,2011,9(1):101-103.

[7]孫錫衡,齊東海.水利水電工程施工計算機模擬與程序設計[M].北京:中國水利水電出版社,1997.

[8]申明亮,熊碧露,肖 宜.基于OpenGL的混凝土壩施工三維動態圖形仿真[J].中國農村水利水電,2005,(5):85-86.

[9]張 帆,鄭立楷,盧擇臨.AutoCAD VBA二次開發教程[M].北京:清華大學出版社,2006.

[10]王仁超,石 英,李名川,等.混凝土高拱壩澆筑施工仿真[J].天津大學學報,2005,38(7),625-629.

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

[12]劉藻珍,魏華梁.系統仿真[M].北京:北京理工大學出版社,1998.

[13]張 萌.基于AutoCAD平臺的混凝土壩澆筑仿真初探[D].天津:天津大學,2010.