基于BIM的土石坝施工进度动态可视化仿真方法与流程

本发明属于水利水电工程施工仿真领域，具体涉及一种应用于土石坝施工进度动态可视化仿真的方法。

背景技术：

土石坝是一种由坝址附近开采的土石料或混合料以碾压等施工方式填筑的挡水坝。土石坝是目前应用最为广泛的坝型，其具有结构设计简单、工程造价低、对变形和地基的适应性强、施工工艺要求低等特点。然而，土石坝施工进度受料场、运输道路、填筑方式和周围环境变化的综合影响，如何在时间、空间上实现对填筑进度的有效管控和施工方案的科学安排，是土石坝施工管理人员极为关注的问题。目前最有效的分析方式是应用可视化技术对土石坝施工全过程进行动态可视化仿真分析。

土石坝施工是一个复杂的随机动态过程，传统的施工方案制定方法是通过施工组织设计进度的安排计算平均的填筑强度和机械配置，进而分析各项施工衡量指标，如运输道路过流量、车辆平均流量、机械设备利用率等。该方法不仅耗时、费力，而且缺乏系统的定量计算分析，编制的施工方案难以保障土石坝施工各阶段的进度要求。因此，有必要采取科学和先进的技术进行土石坝施工全过程的进度仿真，实现施工方案的快速优化和比选，从而指导土石坝现场施工决策。

国内外针对土石坝施工进度仿真进行了大量研究，johnw.leonard^[1]于20世纪70年代首先提出了土石坝施工仿真技术的研究，在仿真模型中针对大坝填筑的各个施工阶段应用不同的施工机械设备并考虑设备的利用率，通过对坝体的各填筑分区进行定量研究科学地分析施工方案。其后，天津大学的朱光熙、孙锡衡^[2]等在国内首次提出采用系统仿真的方法对土石坝施工过程进行仿真的研究方法，并成功应用于龙滩面板堆石坝，得出坝体施工过程中的各分区上坝强度、机械利用情况等参数，并能够根据输入的工期和机械设备利用率仿真计算机械设备的配套方案等。在上述研究成果的基础上，天津大学的钟登华等^[3,4]提出了土石坝填筑过程中的运输系统和填筑系统的耦合协调关系，并建立了土石坝施工一体化仿真系统，以三维可视化的形式输出土石坝施工全过程的仿真结果。

李家亮^[5]等考虑坝面施工机械作业要求和技术特性，将土石坝的坝体填筑过程离散化为多层多工作段填筑过程，基于动态顺序随机循环网络模型对心墙堆石坝施工过程进行仿真研究。程严^[6]在堆石坝施工系统仿真中考虑施工交通运输系统进行模拟的影响，通过进度约束条件计算上坝卸料点数量，进而通过卸料点个数与仓面施工区域可卸料点的比例确定施工分段和填筑工序，以此修正土石坝仿真过程中的分段数量。高震^[7]考虑面板堆石坝相邻填筑分区的施工逻辑关系，以施工强度均匀协调为目标，对施工过程进行仿真研究。张春燕^[8]在特定工期的施工方案下基于运输强度推算仓面施工机械配置，并对堆石坝碾压和运输作业的施工进行动态显示，建立通用性的堆石坝填筑施工仿真模型。张琴娅^[9]和石志超^[10]分别结合离散事件仿真和参数全局灵敏度建立心墙堆石坝施工仿真结果的三维可视化系统，实现大坝填筑过程的动态展示和信息检索；贾晓旭^[11]提出了心墙堆石坝的4d施工信息模型(4dconstructioninformationmodeling，简称4dcim)，将施工信息与模型关联，实现了大坝不同剖面的模型展示和施工信息查询。王志宁^[12]通过高精度定位和惯性测量单元技术相结合的相机注册方法实现基于增强现实(ar)的心墙堆石坝施工进度可视化仿真。

综上所述，目前针对土石坝施工进度仿真主要通过施工组织设计和现场施工数据建立仿真模型，并结合先进技术对大坝施工全过程进行动态仿真和可视化展示。然而现有的土石坝施工进度可视化仿真方法，未实现仿真参数和可视化模型参数动态同步地自动更新，且模型与仿真信息匹配关联度低，导致土石坝仿真计算成果的更新难以直接驱动大坝模型的更新、仿真结果的可视化采用预制动画形式、仿真信息难以精确交互查询等问题。因此，基于土石坝监控系统的实时数据，动态更新仿真模型参数与边界条件；并建立精细分层、分仓的参数化模型，使之与仿真信息匹配关联，构成基于bim的土石坝施工进度动态仿真系统，保证仿真贴近实际施工，实现对施工进度的精确预测和仿真信息的准确查询和编辑。

参考文献：

[1]johnw.l.,plantandprocedureconceptsforrapidconstructionofconcretedam,eleventhinternationalcongressonlargedams,1973.

[2]朱光熙，孙锡衡，龙滩面板堆石坝施工系统仿真研究专题报告，天津大学水资源与港湾工程系，1988.

[3]钟登华，胡程顺，张静，高土石坝施工计算机一体化仿真，天津大学学报，2004，37(10)：872～877.

[4]钟登华，张发瑜等，面向对象的堆石坝施工系统仿真与优化研究，水力发电，2003，33(3)：87～89.

[5]李家亮，李玉珠等，心墙堆石坝施工仿真系统研究及应用，水力发电，2010，36(1)：17～19.

[6]程严，周宜红，基于计算机仿真的堆石坝坝面流水施工方案研究，基建优化，2005，26(1)：43～46.

[7]高震，高面板堆石坝施工系统协调仿真研究：[硕士学位论文]，天津；天津大学，2008.

[8]张春燕，混凝土面板堆石坝坝体填筑施工过程动态模拟研究：[博士学位论文]，武汉；武汉大学，2005.

[9]张琴娅.基于catia的心墙堆石坝施工仿真建模理论与技术[d].天津大学,2014.

[10]石志超.rm高心墙堆石坝施工系统仿真及参数全局灵敏度研究[d].天津大学,2016.

[11]贾晓旭.心墙堆石坝4d施工信息模型及应用研究[d].天津大学,2017.

[12]王志宁.基于增强现实的心墙堆石坝施工进度可视化仿真研究[d].天津大学,2018.

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于bim的土石坝施工进度动态可视化仿真，不仅能够通过土石坝监控信息提高仿真参数的准确性，也能够使得用户通过bim平台与动态仿真的结果可视化交互。技术方案如下：

一种基于bim的土石坝施工进度动态可视化仿真方法，包括如下内容：

1)通过土石坝实时监控系统和gps定位技术感知土石坝施工现场的实时施工数据，包括大坝施工进度信息、施工资源配置和填筑信息，获得碾压高程和碾压面积等施工进度信息，其中，填筑信息包括碾压遍数、仓面厚度和碾压速度，并通过无线网络将监控的实时施工数据传输至土石坝实时监控系统数据库；

2)开发土石坝施工动态仿真系统与土石坝实时监控系统数据库的数据接口，基于实时监控的数据进行土石坝施工动态仿真：在土石坝施工动态仿真计算前，将当前监控时间设置为仿真开始时间并将监控的大坝施工进度信息、施工资源配置、填筑信息作为仿真初始条件，更新仿真参数；土石坝施工动态仿真计算中，采用cyclone(cycleoperationnetwork)模型描述从土石料开采、运输上坝到坝面填筑三个部分的施工过程，将大坝分区分期逐层施工作为最小单元推进仿真进程；土石坝施工动态仿真计算结果包含土石坝分区、分期的各层仓面的开始填筑时间、结束填筑时间、填筑高程、施工强度进度计划信息；

3)构建施工信息、仿真信息与尺寸属性统一的土石坝bim模型：基于catia平台开发土石坝三维精细参数化建模程序，利用土石坝设计数据、土石坝实时监控系统感知的施工数据和土石坝施工动态仿真系统输出的预测数据，计算获得各个施工单元的控制点坐标，建立土石坝三维bim模型；

4)通过数据库将施工信息、仿真信息与bim模型关联：通过统一的命名格式将土石坝三维bim模型、土石坝实时监控系统数据库和土石坝施工动态仿真系统数据库关联，并开发数据调用接口，通过对应数据库的同步操作实现对施工信息、仿真信息和bim模型信息的同步读取或编辑，使bim模型与施工信息、仿真信息构成信息统一的4dbim模型；

5)基于bim平台在三维场景下对土石坝施工信息和仿真信息精细查询及动态可视化交互；基于bim平台的开发将施工信息、仿真信息赋予对应的bim模型，基于bim平台展示的bim模型可直接在三维场景下交互查询各个分区的施工仓面模型和对应的仿真信息、施工信息、三维尺寸设计等信息；同时，在bim平台可视化显示土石坝在任意时刻的三维进度面貌和模型信息，大坝三维外形面貌随施工过程的推进而动态变化。

本发明优点：1、基于实时监控系统建立土石坝动态仿真系统，通过监控信息的自动读取，更新仿真模型参数和边界条件，进而动态更新仿真计算成果，保证仿真计算与实际施工的一致性并提高施工进度预测精确性；2、基于bim平台建立土石坝精细分层、分仓参数化模型，通过参数化建模软件的二次开发，使参数化三维模型的尺寸属性和数量随仿真输出的信息动态调整；3、构建施工、仿真信息与尺寸属性统一的4dbim模型，将施工信息、仿真信息与参数化模型关联，使得施工和仿真信息的更新直接驱动bim模型的调整；4、基于bim平台建立三维场景下的土石坝施工仿真信息精细查询及结果的动态可视化交互平台，解决传统可视化仿真采用预制动画展示而难以动态调整的缺陷，也能够使得用户在三维场景下直接精确查询大坝各仓面的仿真和施工信息及三维设计信息和模型位置关系。

附图说明

图1为基于bim的土石坝施工进度动态可视化仿真架构。

图2为土石坝动态仿真流程图。

图3为土石坝三维精细化参数建模流程。

图4为土石坝心墙区三维模型与几何参数关联的关系图。

图5为可视化仿真交互内部逻辑。

具体实施方式

土石坝通常工程量巨大、施工环境复杂且施工过程受天气等外部自然坏境影响，施工进度存在很多不确定性。由于其施工过程具有较强的不确定性、二维设计图纸和图表数据难以直观反应实际情况，故决策者往往需通过可视化仿真对施工组织设计方案的做出有效判断。然而，目前现有的土石坝施工进度可视化仿真难以根据现场施工情况动态更新参数并输出仿真结果，更新的仿真结果也无法直接驱动三维模型的更新和动态调整，导致仿真结果的可视化通常采用预制动画的形式展示、计算结果难以在三维场景精细交互查询等问题。

为解决以上问题，本发明提出了一种基于bim的土石坝施工进度动态可视化仿真方法，整体架构如图1所示，动态仿真流程图和可视化交互逻辑分别如图2和3所示，具体实施方式如下：

1、通过土石坝施工实时监控系统感知的实时数据包括大坝施工进度信息、施工资源配置和填筑信息等。包括大坝施工进度信息、施工资源配置、填筑信息等，通过无线网络将监控数据实时传输至数据库。

a)利用土石坝实时监控系统获取大坝填筑施工进度和填筑信息。大坝填筑完成进度是施工进度仿真的初始条件，填筑信息是仿真计算的重要输入参数，监控系统通过gps定位技术可以获得碾压高程和碾压面积等施工进度信息，以及碾压遍数、仓面厚度、碾压速度等填筑信息。现场施工一般要求碾压速度不大于3km/h，碾压仓面厚度一般为0.3m～0.5m，碾压遍数至少为8遍。

2、基于实时监控系统建立土石坝动态仿真系统，动态仿真流程图如图2所示。

b)开发仿真程序与系统数据库的数据接口，在仿真计算开始后，将当前监控时间设置为仿真开始时间并读取监控系统中各分区填筑高程、分区填筑方量、分区填筑层厚和数量；运输上坝汽车行驶速度、路径、道路长度和容量、机械配置；施工单元平面和高程、坝面作业方式、工序、碾压遍数、碾压层厚、碾压机行走速度等数据，更新仿真参数。

c)土石坝施工进度仿真采用cyclone(cycleoperationnetwork)模型描述从土石料开采、运输上坝到坝面填筑三个部分的施工过程，将大坝分区分期逐层施工作为最小单元推进仿真进程。仿真过程的状态转移方程如式(1)所示。

h(i,t+1)＝h(i,t)+δh(t),t＝1,2,...,t(1)

其中，i为心墙堆石坝分区号，h(i，t)为大坝在t时刻第i分区的高程，δh(t)为t时刻到t+1时刻大坝填筑的高度，即该层仓面的厚度。

通过上述仿真计算得到土石坝分区、分期的各层仓面的开始填筑时间、结束填筑时间、填筑高程、施工强度等进度计划信息。

3、构建施工、仿真信息与尺寸属性统一的土石坝4dbim模型。

d)构建与施工信息和仿真信息匹配的土石坝三维精细参数化bim模型。bim模型的参数关联和对象语义关联是构建bim模型的基本要素，因而需构建精细的参数化模型，使模型细度满足对象语义关联匹配的要求。本发明提出一种土石坝三维精细化参数建模流程如图3所示，首先基于设计图纸提取土石坝典型截面的控制点，利用施工实时监控系统感知的实时数据和仿真程序输出的未来时刻预测数据；然后基于catia平台开发土石坝三维精细参数化建模程序，通过设计参数和仿真监控数据计算获得各个分区仓面的二维截面形状和仓面控制点坐标，通过二维草图绘制和截面的投影拉伸，建成土石坝三维仓面模型，并基于尺寸和坐标约束建立三维仓面模型与几何参数的关联；最后，通过装配结构树进行参数传递，将相邻仓面的坐标和尺寸参数作为全局传递参数，将仓面按照逻辑定位和参数引用进行装配，使得全局参数的修改能够同时驱动多个仓面对象尺寸和坐标和同时更新。

其中，以大坝心墙区为例，土石坝心墙区三维模型与几何参数关联的关系如图4所示，通过大坝设计图纸获取二维典型剖面内少数控制点坐标，即图中a～f点。为建立心墙堆石坝分层三维参数化模型，需计算所有分层的仓面控制点坐标。其计算方法是通过施工组织设计或施工仿真数据获得大坝所有分区每层仓面的厚度δh，然后结合控制点坐标按式(1)至(5)迭代求得所有分层的控制点坐标。

式中，pn⁽ⁱ⁾(xn⁽ⁱ⁾，yn⁽ⁱ⁾，zn⁽ⁱ⁾)表示第n层仓面第i个点，分别为第n层仓面第i个点沿坝轴线方向、顺水流方向和高程方向的坐标；n为大坝分区的分层总数量，n＝1,2,…,n-1；δhn为第n层仓面的厚度；其余各符号表示的点和角度的含义如图4所示。

e)通过数据库将施工信息、仿真信息与参数化模型关联，可采用如图5所示逻辑。在数据库分别建立统一命名格式的施工信息、仿真信息与参数化模型，并开发数据调用接口使得系统访问数据时通过命令分解进行对应的数据库操作，对施工信息、仿真信息和参数化模型信息提取或编辑模型参数驱动模型调整，进而使得修改的信息反馈至仿真程序和参数化模型上，使参数化3d模型与施工信息、仿真信息关联匹配，构成信息统一的4dbim模型。

4、基于bim平台建立三维场景下的土石坝施工仿真信息精细查询及结果的动态可视化交互平台。

f)交互平台架构如图1所示。基于bim平台开发将bim模型与时间属性关联匹配后，将施工信息、仿真信息赋予对应的参数化模型，用户基于平台展示的bim模型可直接精细查询分仓、分层模型对应的仿真信息、施工信息、三维设计信息等。

g)交互平台可视化显示土石坝在任意时刻的三维面貌和模型信息，大坝三维外形面貌随施工过程的推进而动态变化。在t时刻的土石坝三维整体面貌v(t)应包含所有在t时刻以前完成的仓面的三维面貌的集合，大坝三维整体面貌与各仓面的关系可表示为：

其中，n为大坝分区总数；zi(t)为大坝第i个分区在t时刻的三维面貌；ci(ts)为第i个分区中计划完成时间为ts的仓面的三维面貌。