基于BIM的时空碰撞检查技术在水电工程施工中的应用

2018-05-17，，，，

长江科学院院报 2018年5期

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(1.中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北宜昌 443002； 2.中国能建工程研究院水电施工设计研究所，湖北宜昌 443002)

1 研究背景

工程项目的建设是一个复杂、庞大的系统工程，立体交叉作业多，由施工现场空间布局与实践安排的矛盾和冲突引起设施碰撞等不安全状态时有发生，甚至发生安全事故[1]。相对于房建、市政工程而言，水电工程在施工过程中需要投入更多的施工设备，通常这些设备呈立体交错布置，且彼此的工作范围多有重叠现象[2];而且水电工程施工内容复杂、项目庞杂，是一个高度动态的过程，随着工程规模不断扩大，施工项目管理变得极为复杂[3]，施工过程中各作业面之间的影响更明显，发生碰撞的可能性更大。

传统的碰撞检测方法不能实现施工全过程的动态碰撞检测，也难以与施工管理集成。而4D时空模型描述了场地设施在施工全过程中的外形表现和空间占有情况，因此能在进行4D施工过程模拟和管理的同时，支持设施之间、设施与结构之间的全过程动态碰撞检测[4]。这种基于BIM(Building Information Model)的4D施工过程模拟中的动态碰撞检测技术即为时空碰撞检查技术。

2 时空碰撞检查技术的实现机理

2.1 时空碰撞问题的特点

常规碰撞检查方法主要用于设计BIM模型阶段，是为了使多专业协同设计成果更精确、更有深度、更满足施工标准与现实生产的方法[5]。其重点在于提前发现设计中存在的问题，减少“错、漏、碰、缺”和设计变更，提高设计效率和质量。

而时空碰撞问题是施工BIM模型阶段的产物，在设计阶段难以预见，却实际发生于施工过程之中。时空碰撞检查技术与常规碰撞检查方法最显著的区别在于，它主要用于施工BIM模型阶段，常规碰撞检查主要解决多专业之间的碰撞问题，而时空碰撞检查技术主要针对某个具体项目可能发生的施工冲突问题进行检测，实施难度更高。

2.2 时空碰撞问题的产生

时空碰撞类型主要分为硬碰撞和软碰撞，软碰撞又包含间隙碰撞和副本碰撞等。比如施工设备运行时彼此干扰，或设备规划受到周围建筑物、已有设备的空间限制等，此类碰撞类型为硬碰撞，碰撞对象为2个及2个以上施工设备或施工设备与建筑物；而平行洞室开挖时掌子面错距问题，以及大坝相邻坝块施工的高差约束问题等碰撞类型则为间隙碰撞，当其相互距离未能满足安全距离要求时即视为发生碰撞，碰撞对象为受到空间距离制约的双方或多方(相互之间不必接触)。

时空碰撞检查依托于具体项目而实施，不同的项目发生时空碰撞的原因也有所不同。下面列举2例说明。

例1：平行洞室群开挖一般按奇偶号洞分两序施工，掌子面错开距离应遵循相应设计要求。在开挖施工过程中，资源配置及工效、地质条件、安全支护、水电能源供应等因素都会影响施工进度，成为时空碰撞的诱因。当掌子面错距小于允许值时，可能导致地层应力在某一范围过度集中，影响洞室群整体稳定性，造成塌方等灾害。

例2：在对大坝混凝土工程施工后期需要补充的大型施工设备进行规划时，补充设备受到周围建筑物和已有大型设备的空间限制，这一类时空碰撞问题跟工程形象、工程进度密切相关，且影响因素较多，若不提早进行设备选型、联系设备租用和设备运输等，可能存在一定的进度风险。解决这类问题，要根据施工需要确定设备布置部位，弄清补充设备布置和运行的空间需求，将补充设备对周围坝体上升和附近施工设备运行产生的影响降至最低。

2.3 时空碰撞问题的解决方法

时空碰撞问题的解决思路、方法与步骤如下：

(1)判断可能发生冲突的对象，确定碰撞类型，分析碰撞原因和造成的后果。

(2)构建冲突对象的三维模型，根据实际碰撞问题对三维模型进行剖分并划分任务单元。

(3)在三维建模的同时，找到施工进度计划编制的依据，围绕冲突对象编制进度计划，根据三维模型任务单元细分程度确定进度计划的精细程度，在进度计划中要体现碰撞原因对施工进度的影响。

(4)整合三维模型与施工进度计划，合理选择任务类型并确定公差(即碰撞距离)，执行碰撞检查，导出碰撞检查报告。

(5)分析碰撞检查结果，根据碰撞发生的时段、部位、碰撞距离，提出针对具体时空碰撞问题的预警或解决方案。

3 应用实例

3.1 平行洞室群开挖时掌子面错距问题

3.1.1 洞室群三维建模及施工进度计划编制

平行洞室群开挖时，冲突对象为相邻洞室开挖时各自的掌子面，碰撞类型为软碰撞(间隙碰撞)，根据时空碰撞检查流程，先构建平行洞室三维模型并划分任务单元，同时编制施工进度计划。

3.1.1.1 平行洞室群三维建模

平行洞室群开挖时掌子面错距问题实际上牵涉到2个平面之间的距离。结合现场实际，将每个循环进尺长度作为1个三维模型任务单元，对洞室三维模型进行剖分，通过计算2个三维模型单元体顶面之间的距离来反映掌子面错开的距离。

平行洞室群三维模型采用实体建模方法构建，为便于实施碰撞检查，将洞室群空腔处(设计开挖轮廓范围内)绘制为三维实体，洞室围岩则不再建模。首先根据开挖分层分别绘制洞室内各层空腔结构三维模型，然后根据地质剖面图及围岩等级范围，结合开挖断面、开挖方法初步确定各层开挖进尺，并按照进尺长度对各层空腔结构三维模型进行剖分，每个循环进尺剖分为1个任务单元，为每个三维模型任务单元建立图层并命名，如3#洞顶层(第1层)第15个循环进尺所在图层命名为：C3-1-15。在实际施工中，洞室群开挖进尺根据当前揭露地质情况等因素而定，当围岩变化时及时调整，以确保围岩稳定。开挖进尺调整时，三维模型分块亦相应调整。

3.1.1.2 施工进度计划编制要点

由于地下洞室群开挖施工方案、资源供应、施工环境等不确定因素的影响，施工工序的持续时间往往是不确定的，导致施工进度计划的不确定性。在编制施工进度计划过程中至少应遵循以下原则：

(1)工期进度满足关键线路、关键工序要求。

(2)平行洞室群开挖工作掌子面错距满足设计要求。

(3)与洞室群开挖施工资源配置、现场实际施工强度、设备工效等相适应。

(4)为安全处理、设备检修等预留工期。

(5)与现场紧密联系，随时了解各洞室、各开挖分层施工动态。

(6)根据现场实际情况(如必须在规定的时间进行爆破等)合理安排施工程序，必要时加大投入，缩短单位循环进尺时间。

编制平行洞室群开挖施工进度计划时，将每个循环进尺均设定为1个任务单元，由于施工人员采取倒班制，可认定施工期间实行全工作日制度，每个工作日工作时间均采用24 h制，任务单元完成时间以小时为单位计算。

3.1.2 洞室时空碰撞的检查方法

将平行洞室群施工进度计划及三维模型导入碰撞检查软件，根据施工进度计划任务单元名称与三维模型任务单元名称的一一对应关系，使施工进度计划与所有三维模型任务单元对象自动关联。

以平行洞室群顶层开挖施工为例，根据顶层开挖掌子面错距要求设置间隙公差。由于软件的工作模式决定了只能自动选择三维模型单元之间相距最近的2点并计算其距离，无法进行定点检测，因此公差设定时应取最小值，以确保第一时间检测到最近的碰撞部位。公差计算公式的确定参照如下情况。

3.1.2.1 平行洞室群公差计算

在平行洞室群顶层开挖掌子面测距时，公差设定要考虑洞室间距及任务单元模型自身尺寸的影响，此时，由勾股定理可得

g2=(s-x)2+d2。

(1)

式中：g为公差；s为设计掌子面错距；x为先挖洞室任务单元进尺；d为洞室间距。

为简化测距，可使洞室三维模型重合布置，重新导入软件，此时洞室间距为0，可得

g=s-x。

(2)

3.1.2.2 近似平行洞室公差计算

在转向角在10°以内的近似平行洞室(原开挖方向平行，后局部在平面或立面方向有小角度转向)顶层开挖掌子面测距时，分2步进行简化:首先利用勾股定理计算局部洞室平面小角度转向后在原方向上的投影长度；然后根据计算结果建立替代模型(即投影模型)，让替代模型重叠，此时洞室间距为0，可得

g=s-x′ 。

(3)

式中x′为先挖洞室任务单元投影进尺。

需要补充说明的是，立面方向的小角度转向一般由洞室扩散段结构和开挖分层导致，投影后不影响公差计算。

3.1.2.3 确定公式中的进尺

洞室开挖进尺根据实际施工情况而调整。正常情况下，采用常规进尺(最大进尺)；围岩软弱地段，采用短进尺。根据式(2)和式(3)，进尺越长，公差越小。因此，上述公式中的“先挖洞室任务单元进尺”取常规进尺为宜。

3.1.2.4 确定公差计算公式

综合以上几种情况，比较式(2)和式(3)。“设计掌子面错距”给定，“先挖洞室任务单元进尺”也已确定为常规进尺，根据勾股定理可知投影进尺小于实际进尺，式(2)计算所得公差小于式(3)计算结果。因此，可以确定公差计算公式为式(2)。

公差确定后，运行软件选择相邻平行洞室进行时空碰撞测试(一条洞室可与其左右两侧相邻的洞室同时检测)，生成碰撞检查报告，碰撞检查报告中包含碰撞部位名称、碰撞部位相隔距离、碰撞发生时间等信息。同理，对其它相邻洞室进行时空碰撞检查，导出检查报告并进行对比，可以迅速找到最早发生时空碰撞的洞室编号、碰撞部位和时间，起到对洞室群施工进度预警的效果。

3.1.3 乌东德尾水支洞群开挖掌子面错距分析

金沙江乌东德水电站左岸地下电站施工招标文件要求：“平行的6条尾水支洞按奇偶号洞分两序施工，掌子面错开距离≥50 m”。我们选取6条尾水支洞顶层开挖施工的掌子面，利用时空碰撞检查技术对其进行研究，提前预警施工过程中可能发生的掌子面错距<50 m的情况，提前采取措施避免碰撞问题的发生。图1为尾水支洞群开挖三维模型。

图1 尾水支洞群开挖三维模型Fig.1 Model of tailrace branch group

按照上述洞室时空碰撞检查方法，对6条尾水支洞各相邻洞室顶层开挖模型施工掌子面进行时空碰撞检查，通过对碰撞检查报告的分析，提出进度预警。表1为碰撞检查结果提取，表2为进度预警。表1中，任务1-2表示对1#、2#洞室循环进尺的时空碰撞检查；任务3-2/4表示3#洞室分别与相邻2#、4#洞室的时空碰撞检查；任务5-4/6表示5#洞室分别与相邻4#、6#洞室的时空碰撞检查，碰撞对象一列无5#与4#洞室的碰撞记录，表明5#与4#洞室未发生时空碰撞。

表1 碰撞检查结果提取Table 1 Results of collision check

注：表中提到的时空碰撞是指各相邻洞室循环进尺各自关联的掌子面之间不满足错距要求(即小于临界距离)

表2 进度预警Table 2 Early warning of the schedule

时空碰撞检查技术为尾水支洞群顶层开挖掌子面错距问题提供了一项进度管控与预警机制，当现场施工环境变化时，只需对进度计划进行微调，继续实施检查，就能够预见未来一段时间内是否有碰撞风险发生，以便提前做好防范或拟定对策。通过运用该技术，尾水支洞群开挖施工受地质条件、资源投入、设备工效等因素的负面影响大为降低，掌子面错距始终控制在合理范围内，不仅避免了工期延误，还在保证质量的前提下加快了施工进程。

3.2 大型施工设备安装运行时的空间限制问题

3.2.1 设备三维建模及运行计划编排

大型混凝土施工设备三维建模采用边界描述法(boundary representation，B-rep)描述设备静态下3D实体外形[4]，运行计划主要描述动态下设备活动空间范围。设备三维建模的要点如下。

(1)建模顺序：将设备化整为零，按照从下到上顺序，先绘制基本构件，然后拼装成型。

(2)建模精度：要求粗中有细，大部分结构粗略绘制，但需保证关键性尺寸精确无误。比如在绘制建塔三维模型时，只需确保设备基础底座、标准节、回转部分、臂架等结构竖向高度、平衡臂水平方向的长度精确，其余尺寸近似即可。

设备运行计划由多次任务叠加而成，宜分解为单次任务进行编排，然后汇总。编制设备单次任务运行计划原则上要考虑以下3点。

(1)任务类型：主要为浇筑混凝土和吊杂，任务类型决定了任务的重要性，以及与其它设备运行干扰时是否占据主动。

(2)任务周期：根据所吊材料种类、重量、起落点方位、到位难度，确定完成某一次任务耗费的时间。

(3)运行轨迹：主要由起吊点和落点位置决定。

3.2.2 设备时空碰撞的检查方法

设备时空碰撞的检查方法与洞室时空碰撞的检查方法大体一致，也采用了近似法求解，核心思路是利用多个静态模型来代替连续动态模型实施碰撞检查。每个静态模型均代表设备在某一时刻的空间形态，在空间位置上按一定规律平均分布，能够从一定程度上相对完整地描述设备的运行轨迹变化，或者反映在实施检测的时段内设备在不同方位的工况。

将设备时空碰撞检查涉及的三维模型以及相关进度计划导入软件，使进度计划与三维模型任务单元自动关联。根据设备使用说明书要求并结合实际情况，合理确定2台设备的竖向间距值(或安全距离)，作为设定公差的参考值。最后实施时空碰撞检查，对碰撞检查报告反映的具体问题进行具体分析，提出结论。

3.2.3 向家坝大型起吊设备安装运行工位分析

金沙江向家坝水电站二期基坑进水后，泄洪坝段备仓、门槽埋件安装与二期混凝土浇筑缺乏相应手段。施工方在对基坑进水后泄洪坝段甲块一线施工情况进行分析后，建议在泄洪坝段1#和8#坝段甲块增加2台平头建塔。

本实例涉及大型施工设备安装运行时的空间限制问题，一方面要检测平头建塔与原有塔带机之间可能发生的碰撞，另一方面要检测平头建塔与周边建筑物(主要是大坝结构)之间可能发生的碰撞。目的在于指导建塔合理安装运行，使建塔在达到最大工效的同时，对现场施工的影响降至最低。

根据建筑塔吊使用说明书要求，2台设备必须保证竖向间距E不应<3 m，臂架与标准节之间的距离D不应<2 m。发生冲突的对象碰撞类型为间隙碰撞。在检查平头建塔平衡臂与周围坝块碰撞时，将公差设定为5 m(考虑安全距离3 m、钢筋超出仓面高度2 m)。图2为平头建塔安全运行间距要求，图3为塔带机、平头建塔运行轨迹模拟。

图2 平头建塔安全运行间距要求Fig.2 Safety requirement for flat-head tower

图3 塔带机、平头建塔运行轨迹模拟Fig.3 Simulation of the trajectory of towers and flat-head towers

整合模型并关联进度计划，执行碰撞检查，导出碰撞检查报告。通过分析碰撞检查报告，解决了如下问题：

(1)建塔选型及布置问题,包括建塔型号、布置坐标方位以及首次安装几个标准节等。

(2)设备安装时机问题,包括设备安装及具备投运条件的具体时间等。

(3)设备运行影响问题,包括对周边建筑物施工、其它设备运行的影响和解决方案。

通过运用时空碰撞检查技术对向家坝大型起吊设备安装运行工位进行分析，在四维时空场景下系统分析设备防碰撞等安全问题，帮助工程师们更科学、更高效地制定了建塔安装运行的一整套实施方案，有效缩短了设备租赁使用周期，更重要的是，为大坝基坑进水节点目标的顺利实现和大型设备全施工周期安全运行提供了重要保障。

3.2.4 向家坝水电站塔带机控制坝段浇筑范围分析

向家坝水电站泄洪坝段及右岸非溢流坝段混凝土浇筑手段以2台塔带机为主，按照相关规划，2台塔带机主要承担泄洪坝段1#—右岸非溢流坝段2#共15个坝段高程350 m以下约246万m3混凝土浇筑任务。为精确把握塔带机实际浇筑范围，充分发挥塔带机性能，同时满足招标文件控制性工期、混凝土施工强度等要求，结合混凝土运输及手段布置原则，选取TB2#塔带机作为研究对象，运用时空碰撞检查技术对其控制坝段浇筑范围进行分析。

TB2#塔带机承担泄洪坝段1#—泄洪坝段7#坝段高程350 m以下混凝土的浇筑任务，在浇筑过程中，塔带机布料杆与临近大坝结构等(包括模板或竖向钢筋)之间可能发生的碰撞问题是决定塔带机浇筑范围的关键，因此碰撞类型为硬碰撞。通过分析，选定仓面高程为354 m处所对应的仓位，进行模拟浇筑时的碰撞检查，若满足浇筑条件，则确定塔带机浇筑范围为354 m高程；若不满足，则选定低一层仓位(351～352 m高程)进行分析，如此逐步确定塔带机浇筑的最高高程。图4为布料杆模拟下料工位模型。

图4 布料杆模拟下料工位模型Fig.4 Simulation of feeder position model

在碰撞测试中，设置公差为0，检测混凝土浇筑过程中塔带机布料杆与坝块之间的碰撞，导出碰撞检查结果。分析碰撞检查报告，根据碰撞发生情况，对发生碰撞部位的施工进度计划进行调整，适当改变坝块施工先后顺序或协调其它浇筑手段，在满足控制性工期要求的同时，减少碰撞发生，增加塔带机使用率。对比调整前后的进度，重点检查调整后控制性工期是否满足招标文件要求，发现有偏差则继续调整直至满足。调整后重新进行碰撞检查，得出较为合理的施工进度计划。

通过数次时空碰撞检查的实施和进度计划的微调，最终确定塔带机的最高浇筑范围为351～352 m，该高程以上大坝混凝土浇筑可采取对塔带机进行加高或者协调缆机等其它手段浇筑。

塔带机供料线是向家坝水电站最为重要的施工手段，通过运用时空碰撞检查技术开展超前研究，对塔带机控制坝段浇筑范围进行分析，精确获得塔带机实际浇筑范围，对设备布置方案和项目总体规划有较强的指导意义。同时，利用该技术还有针对性地分析了大坝重点部位混凝土施工强度、浇筑进度、相邻坝块高差、金属结构安装交面等关键问题，对合理组织施工起到了积极作用。