高拱坝仓面施工冲突类型分析与建模研究

毛重阳

摘 要：面对高拱坝在仓面浇筑时可能出现的施工冲突问题，本文对仓面施工中的各种对象进行了分析与建模，并根据各种冲突产生的类型对冲突的模式进行了分类、整理，分析了浇筑过程中施工冲突的产生机理、分类及影响效应，后构建了应对这些冲突的调整机制。通过实例分析，本文所进行的分析与建模具有可行性。

关键词：高拱坝 冲突监测 仓面施工模拟

混凝土高拱坝通常位于地质条件复杂多变的高山峡谷地区，其地形陡峻、地应力高，且空间资源有限。因此，混凝土高拱坝的施工是一个极其重要而又复杂的过程，其施工工期长、混凝土浇筑量大、易出现施工干扰、机械布置困难，浇筑进度同时受到多方面因素影响，如自然环境、结构形式、工艺技术、组织方式、以及浇筑机械与供料能力等。同时，在实际水电工程中，为追求提前发电效益，还会有加快大坝施工进程，缩短施工工期这样的要求。在这样的环境下，势必会出现高强度混凝土浇筑与大坝快速施工间的冲突，给高拱坝施工设计优化与动态实时控制提出了更高的要求。

通过专家学者的研究，我们不难看到，施工组织方案的合理与否直接关系着整个坝体施工的顺利实施。其中，胡振中等提出了集成BIM和4D技术的施工冲突安全检测系统；吴斌平等针对在高拱坝施工过程中选择缆机时出现的随机性和不确定性，提出了基于边缘有限准则和空间冲突模拟的缆机选择机制；王仁超等则通过使用空间分析和冲突识别技术提出了在多种施工条件下处理缆机浇筑时的干扰与联合等问题的模拟规则。

通过上述专家、学者的研究，要深入分析高拱坝在仓面施工中可能产生的时空冲突问题，我们需要对仓面施工的过程进行具体的分析，可以从仓面施工的设备与工艺入手，对整个施工方案进行过程上的分析与模拟，从而可以得出冲突产生的类型与原因，进而为整个仓面施工的方案进行方案分析并提出科学依据。

1.高拱坝仓面施工系统分析

混凝土高拱坝通常建立于地质条件复杂多变的高山与峡谷地区，那里地形陡峻、河谷深切、地应力较高，并且空间有限。因此，高拱坝的浇筑仓面往往有着空间狭窄，施工机械种类丰富，施工工艺复杂，仓面内物体在实际施工作业时易发生交叉和干扰的特点。而冲突的产生不仅会降低施工效率，甚至可能引起安全风险。

1.1对于仓面施工中各单位的分析与分类

在对仓面实体冲突进行系统分析和研究时，依据施工系統实体的特征，可将仓面实体分为施工设备、施工人员、施工材料与施工对象四类。其中，施工设备主要有缆机、塔机、平仓机等，施工人员可分为指挥人员、仓面作业人员、机械操作人员等，施工材料有冷却水管、钢筋、模板等，施工对象可分为坝块、钢模板、预制块等。具体情况见图1。

1.2碰撞检测中的施工单元分析

在碰撞检测系统中，由于计算机的局限性，我们不能单纯的按照上文中施工设备、施工人员、施工材料、施工对象的分类方式对其进行碰撞检测。根据碰撞检测系统的特点，我们可以将其分为两大类，即相对场景静止的物体与会频繁产生位移的物体，来进行检测。继而在进行碰撞检测时，我们就只用针对三情况进行检测：主动进行运动的物体间的冲突检测、静止物体间的冲突监测、主动运动物体与静止物体间的冲突检测。

为此，我们应将仓面施工中的单位重新按照场景静止的物体与会频繁产生位移的物体来进行分类。而在会频繁产生位移的物体中，我们又可以根据其运动特性，将其分为单纯位移、单纯旋转与多种运动模式结合三类。具体分类情况见图2。

2.仓面施工冲突监测

在虚拟的施工场景中，上文所述的任意一种实体都有可能与其他的实体发生冲突，为了避免这些冲突的产生，我们需要建立一种冲突监测方法。

2.1不同类别施工单位的包围盒模型

单纯位移类物体

2.2虚拟仓面冲突检测模拟

为了是仓面施工的模拟具有准确性与科学依据，我们需要对整个仓面施工的过程进行模拟。而时间步长是根据仓面中各个实体当时的状态的改变而推进的，又因为其状态的变化遵循着一定的规律，是由一系列施工工序流程演变而来，所以我们可以针对不同类别的施工单位，来进行仓面虚拟施工碰撞检测。我们在进行检测时，可将施工单位按类型分为静-静检测、动-静检测与动-动检测三类。具体流程见图6与图7。

通过分析，双动物体碰撞检测在流程上与一动一静两物体的碰撞检测相似，只是在获取实体时变为获取两个不同的动实体，所以在检测时我们将动-静检测与动-动检测两类合并为一类，即非双静物体碰撞检测。

3.实例分析

某型水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发的一个梯级电站，具有以发电为主，兼有防洪、拦沙、改善下游航运条件和发展库区通航等综合效益。我们根据上文的方法，对其某一仓面的施工过程进行了模拟，以分析上文所述方法是否具有可行性。

3.1双静物体检测

将施工方案与施工机械配置等数据导入系统后进行模拟，未发现冲突产生。后更改施工现场配置，使堆料区与仓边模板重叠并进行检测，系统发现冲突并指出为堆料区与模板发生冲突，提示施工方案不可行。至此，我们认为此双静物体检测系统的结果可信。

3.2非双静物体检测

通过导入施工方案与各项施工设施属性进行模拟，我们发现，在进行非双静检测时，产生了仓面施工机械与材料堆砌区的冲突，详情见图8。

在重新进行路径规划后，问题得到了解决，仓面施工模拟顺利完成。所以，上文提及的非双静物体检测系统也是可行的。

4.总结

本文针对高拱坝仓面施工中冲突问题为研究对象，首先对仓面施工单位的类别进行了分析与建模，并在此基础上对仓面冲突产生的类型进行了分析并提出了按照施工单元的运动方式进行分类的方法，针对不同类型的冲突，建立了相应的冲突检测机制。最后以某实际工程仓面浇筑过程进行了验证分析，表明本文所建立的冲突监测方法能够有效的为工程施工方案决策提供科学依据。

参考文献：

[1]郑家祥，阎士勤，李翔，尹习双. 300m级高拱坝施工方案和进度[J].水电站设计，2013，29（04）： 1-3.

[2]王仁坤.我国特高拱坝的建设成就与技术发展综述[J].水利水电科技进展， 2015， 35（05）： 13-19.

[3]吴康新.混凝土高拱坝施工动态仿真与实时控制研究[D].天津大学，2008.

[4]胡振中，张建平，张新.基于四维时空模型的施工现场物理碰撞检测[J].清华大学学报（自然科学版），2010，50（06）：820-825.

[5]吴斌平，任炳昱，钟登华.基于边缘优先和空间冲突的拱坝浇筑仿真研究[J].系统仿真学报，2013，25（07）：1560-1567.

[6]王仁超，王晨旭.混凝土坝浇筑仿真中的缆机干扰与联合问题研究[J].水资源与水工程学报，2015，26（02）：195-199.