长河坝水电站施工总布置三维动态可视化仿真介绍

雷万君，王 飞，潘 勇，崔 博

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072;2.天津大学建筑工程学院，天津 300072)

1 前 言

水利水电工程施工总布置是对工程施工场地在施工期间进行的空间规划，它是根据施工场地的地形、地貌、水文、地质、气象、及枢纽建筑物布置等，为满足施工期间的分期、分区、分标的方案要求，加快工程施工进度和降低工程造价、保证工程施工安全及工程质量等要求而创造的环境条件。由于水利水电工程施工场地布置几乎包括了地上、地下已有的建筑物;地上和地下拟建的建筑物;为施工服务的临时性建筑物(如沙石加工系统、混凝土系统等)，因此布置过程非常复杂。对总布置施工全过程进行分析，并在此基础上实现施工总布置视景仿真，进行施工总布置的巡航和施工总布置全过程三维动态演示，形象的反映各建筑物之间的关系，不仅能直观显示总布置施工组织设计的设计成果，而且将极大地方便工程施工总布置决策及管理。

2 工程概况

2.1 枢纽建筑物布置

长河坝水电站枢纽挡水建筑物为砾石土心墙坝，坝顶高程为1 697.00m，心墙最低建基面高程为1 457.00m，最大坝高240.0m。坝顶宽度为16.0m，坝顶长度497.94m。

泄洪建筑物由三条泄洪洞和一条放空洞组成，均布置在右岸山体内。从左至右依次为深孔泄洪洞、1号开敞式泄洪洞、2号开敞式泄洪洞和放空洞，三条泄洪洞平行布置，洞轴线水平间距60.0m，放空洞布置在2号开敞式泄洪洞右侧，轴线间距80.0～115.0m。

主机间、副厂房和安装间按“一”字型布置，安装间和副厂房分别布置在主机间的两端。主机间长147.0m，安装间长60.9m，副厂房长20.9m，主副厂房总长228.8m，主变室断面为圆拱直墙型，开挖跨度为 18.80m，开挖高度为 25.7m，总长度为150.0m。

尾水系统采用“二机一室”布置方案，共设置两个长条形圆拱直墙型阻抗式调压室，总长139.0m，中间用15m厚岩柱隔开。

主机间内安装4台650MW水轮发电机组及其附属机电设备，机组安装高程1 463.45m，机组间距33.8m。

2.2 施工总布置分区规划

根据现场的地形条件，及工程施工特点，长河坝水电站工程按以下分区进行施工总布置安排:

(1)金汤河口工区。主要布置有石料开采场、反滤料加工厂及1号供水站。

(2)右岸上游工区。主要布置有石料开采场、响水沟渣场、反滤料备料场、1号混凝土拌和系统、3号混凝土拌和系统及3号供水站。

(3)野坝、小河坝工区。主要布置有石料开采场、2号混凝土拌和系统及4号混凝土拌和系统、木材加工厂、钢筋加工厂、施工变电站、机械修配厂、汽车修配厂、施工机械设备停放场、钢管及金属结构拼装场、机电安装场、转轮现场加工厂、机电设备库、综合仓库、4号供水站、生活区及业主营地。

(4)江咀工区。左岸主要布置石料开采场、磨子沟渣场、明挖料回采渣场及洞挖料回采渣场。右岸布置混凝土人工骨料加工系统及5号供水站。

(5)牛棚子工区。主要布置前期混凝土天然骨料加工厂、2号生活区及6号供水站。

(6)渣场布置。工程施工区范围内山高坡陡，适合于堆渣的场地十分有限。从地形条件看只有上游的响水沟、下游的磨子沟及磨子沟出口江咀滩地可以堆渣，故本工程设响水沟及磨子沟两个渣场及江咀明挖和洞挖渣料两个回采渣场，在磨子沟渣场内设坝体堆石料备料区。

3 施工总布置三维可视化仿真研究方法

3.1 基于GIS的可视化技术

基于GIS的可视化技术是将GIS技术和可视化技术有机的结合起来，将其应用于水利水电工程施工场地布置研究工作，以及将研究结果直观的表达出来，对于水利水电工程施工场地布置方案的决策有着重要的指导意义。

3.1.1 GIS技术

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。地理信息系统提供了一种认识和理解地理信息的新方式，从而使地理信息系统进一步发展成为一门处理空间数据的学科。

地理信息系统技术为水利水电工程施工场地布置决策提供了强大的辅助决策工具，它把现实世界中对象的空间位置和相关属性有机的结合起来，满足用户对空间信息的管理，并借助其特有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。

3.1.2 可视化技术

可视化(Visualization)即科学可视化(Scientific Visualization)，是对计算及数据进行探索，以获得对数据的理解与洞察，实现把计算中所涉及的和所产生的数字信息转变为直观的、以图像或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使其能够观察到模拟和计算过程，即看到传统意义上不可见的事物或现象，并提供与模拟和计算的视觉交互手段。

3.2 基于GIS的建模方法和三维可视化过程

3.2.1 基于GIS的建模方法

3.2.1.1 三维模型构造方法

对于规则物体，其三维模型构造方法只有描述形体表面的边界表示法(B－rep)和计算实体几何法(CSG)等，以及既能反映形体表面又能表现其内部属性特征的空间分解法(如八叉树)等。三维实体模型是基本体元的组合，可通过集合运算(如差、并、交等)和基本变形操作(如平移、旋转、错切、反射等)来构造。

对于一般的不规则物体可采用曲面建模方法。曲面建模是从离散的数据点重构连续变化的曲面。曲面通常采用一组网格多边形来表示，即把曲面离散成许多小平面片，用平面逼近曲面，一般使用许多四边形或三角形来逼近曲面，曲面被离散的愈细，逼近曲面的精度就愈高。

3.2.1.2 三维模型建模技术

(1)CAD实体建模技术。CAD实体建模技术是指给定一组几何元素和一系列描述它们之间关系的约束条件，求解满足这些约束条件的这组几何元素。整个建模过程借助CAD软件系统来实现，利用鼠标在计算机屏幕上直接绘制或通过CAD自带的编程语言绘制实体，也可以利用模型库中已有的元件通过“交”、“差”、“并”等几何体的正则运算拼合成实体空间模型。

(2)特征建模技术。特征建模技术是基于一组预定义特征，在系统内部预先形成特征库和特征分类，并组织成层次化的结构，在设计过程中，用户根据需要交互输入特征类型，然后通过定义尺寸约束，添加位置约束，完成特征约束模型的建立和求解。

(3)参数化实体建模技术。参数化实体建模技术是一种通过相关几何关系组合一系列用参数控制的特征部件而构造整个几何结构模型的技术。参数化实体建模与实体CAD图形建模的不同之处在于，前者侧重于实体模型形态的完全参数化，用户与模型的交互只能通过修改参数来实现;而后者则侧重于实体建模过程的用户参与，用户借助CAD软件系统，能够交互控制实体的位置、结构及其操作。

3.2.2 基于GIS的三维可视化过程

在GIS中要实现空间实体的三维可视化表达，就是要实现形体数据到三维图形的变换。GIS三维可视化过程分为三个子过程:

(1)数据处理(Data Manipulation)，主要完成数据的过滤，使原始数据(如CAD数据)得到细化或增强，并转化为适合后续可视化操作的表示形式，包括网格化、插值、梯度计算以及格式转化等。

(2)可视化映射(Visualization Mapping)，将数据过滤导出的数据转换为抽象可视化对象(Abstract Visualization Object，AVO)。AVO用来描述各种时空对象，其属性包括几何、时间、颜色、透明度、光照、反射系数及表面纹理等。

(3)三维显示(3D Displaying)，AVO经三维变换，变换到屏幕坐标系中，再利用光照模型和面绘制算法进行隐藏面和隐藏线消除，计算光照强度并且设置物体投影角度，生成形象逼真的三维图形。

4 长河坝水电站施工总布置三维可视化仿真

4.1 长河坝水电站施工总布置可视化方案

长河坝水电站施工总布置可视化方案:首先，将表达信息所需数据收集整理之后进行预处理，转化成GIS可以调用的数据形式或文件格式。然后，将这些数据文件导入GIS中，经GIS有关模块转换成其内部的数据格式，利用该系统特有的数据组织结构来组织施工总布置动态仿真数据的数据结构，结合复杂实体造型技术，如参数化建模方法等，生成施工总布置动态三维数字模型，此模型融合了施工总布置相关的所有动态和静态数据，是各种数据可视化的基础。

由于长河坝水电站工程施工总布置的复杂性，为科学、系统地分析与研究，将其视为一个大系统，根据系统分解与协调模式，施工总布置可分解为大坝施工、渣场堆存回采、场内道路交通、地下建筑物施工、动态水流等几个子系统。施工过程动态仿真数据可视化也相应地分成这几个部分来实现，如图1、2 所示。

图1 施工总布置子系统示意

图2 施工过程动态仿真数据可视化系统示意

4.2 长河坝水电站施工总布置三维可视化建模

(1)地形。长河坝水电站施工场地地表DTM(数字地形模型)的建立是整个施工总布置三维数字建模的基础，所有工程水工枢纽与施工总布置建筑物均布置其上，而且为后续的地形填挖创造条件。

(2)坝体。先通过仿真计算得到大坝各坝块的形体信息，然后将各坝块按照其相互拓扑关系组合在一起形成大坝模型。大坝模型得到后，根据大坝坝基开挖的资料，在地形DTM上进行开挖，得到与真实地形无缝吻合的大坝模型。

(3)渣场。渣场与地面的交线没有规律可言，只要渣场的形体面达到足够与地面相交，露在地面以上的渣场就可以很清楚地显现出与地面的不规则交线，这样将渣场和地形做cutfill操作，可得到与真实地形无缝吻合的渣场模型。

(4)道路。根据交通道路的设计，可在施工场地对内对外施工交通枢纽布置图中得到各条道路的中轴线，然后转化为GIS系统所能识别的文件格式导入GIS中，调用路面和路坡绘制程序，将得到的道路坡面模型与地形做cutfill操作，然后组合到一起，形成整段道路模型。

(5)临时设施。对施工临时设施的各种场地如炸药库、机械装备场等建模，涉及到场地平整。针对场地平整，分为场地开挖及回填两个步骤，其建模方法和上述建立道路模型方法相似。

4.3 长河坝水电站施工总布置可视化仿真的实现

按照边坡填挖处理过的施工场地地形DTM以及施工总布置其它建筑物模型之间的空间拓扑关系，将各模型变换到统一的地理空间坐标系中，就得到了施工总布置整体模型。

对三维模型经过投影(正射投影或透视投影)设置观察视点，进行各种变换(平移、旋转)，就可以显示到计算机屏幕上，得到长河坝水电站工程施工总布置虚拟场景，并具有逼真的视觉效果。长河坝水电站工程施工总布置虚拟场景得到后，即可进行总布置虚拟场景的巡航:首先，获取巡航场景内所有实体的特征数据并生成实体对象，然后根据视点信息对实体对象做相应的变换后进行绘制，最后按照既定的光照模型进行渲染。

4.4 长河坝水电站施工总布置可视化仿真成果

通过以上方案完成了长河坝水电站工程施工总布置可视化仿真的实现，得到了水电站工程施工总布置虚拟场景，并实现了长河坝水电站工程施工总布置虚拟场景和总布置施工过程的三维动态可视化演示。主要成果见图3、4。

图3 整体面貌

图4 施工期大坝面貌

5 结 语

我国大江大河很多(如长江、黄河、红水河、澜沧江、金沙江等)，在大江大河上建坝(如长江三峡、小浪底、溪洛渡、糯扎渡等)，其施工总布置设计与决策是一项十分复杂的工作，需要花费大量人力物力，计算机辅助设计是人们长期以来追求的目标。所以，本项目研究不仅给施工总布置设计与决策提供一个科学简便、形象直观的可视化分析手段，而且有助于推动水电设计工作的智能化、现代化发展，具有较大的推广应用价值。