雷萬(wàn)君，王 飛，潘 勇，崔 博

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072;2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

1 前 言

水利水電工程施工總布置是對(duì)工程施工場(chǎng)地在施工期間進(jìn)行的空間規(guī)劃，它是根據(jù)施工場(chǎng)地的地形、地貌、水文、地質(zhì)、氣象、及樞紐建筑物布置等，為滿足施工期間的分期、分區(qū)、分標(biāo)的方案要求，加快工程施工進(jìn)度和降低工程造價(jià)、保證工程施工安全及工程質(zhì)量等要求而創(chuàng)造的環(huán)境條件。由于水利水電工程施工場(chǎng)地布置幾乎包括了地上、地下已有的建筑物;地上和地下擬建的建筑物;為施工服務(wù)的臨時(shí)性建筑物(如沙石加工系統(tǒng)、混凝土系統(tǒng)等)，因此布置過(guò)程非常復(fù)雜。對(duì)總布置施工全過(guò)程進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)施工總布置視景仿真，進(jìn)行施工總布置的巡航和施工總布置全過(guò)程三維動(dòng)態(tài)演示，形象的反映各建筑物之間的關(guān)系，不僅能直觀顯示總布置施工組織設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)成果，而且將極大地方便工程施工總布置決策及管理。

2 工程概況

2.1 樞紐建筑物布置

長(zhǎng)河壩水電站樞紐擋水建筑物為礫石土心墻壩，壩頂高程為1 697.00m，心墻最低建基面高程為1 457.00m，最大壩高240.0m。壩頂寬度為16.0m，壩頂長(zhǎng)度497.94m。

泄洪建筑物由三條泄洪洞和一條放空洞組成，均布置在右岸山體內(nèi)。從左至右依次為深孔泄洪洞、1號(hào)開(kāi)敞式泄洪洞、2號(hào)開(kāi)敞式泄洪洞和放空洞，三條泄洪洞平行布置，洞軸線水平間距60.0m，放空洞布置在2號(hào)開(kāi)敞式泄洪洞右側(cè)，軸線間距80.0～115.0m。

主機(jī)間、副廠房和安裝間按“一”字型布置，安裝間和副廠房分別布置在主機(jī)間的兩端。主機(jī)間長(zhǎng)147.0m，安裝間長(zhǎng)60.9m，副廠房長(zhǎng)20.9m，主副廠房總長(zhǎng)228.8m，主變室斷面為圓拱直墻型，開(kāi)挖跨度為 18.80m，開(kāi)挖高度為 25.7m，總長(zhǎng)度為150.0m。

尾水系統(tǒng)采用“二機(jī)一室”布置方案，共設(shè)置兩個(gè)長(zhǎng)條形圓拱直墻型阻抗式調(diào)壓室，總長(zhǎng)139.0m，中間用15m厚巖柱隔開(kāi)。

主機(jī)間內(nèi)安裝4臺(tái)650MW水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬機(jī)電設(shè)備，機(jī)組安裝高程1 463.45m，機(jī)組間距33.8m。

2.2 施工總布置分區(qū)規(guī)劃

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地形條件，及工程施工特點(diǎn)，長(zhǎng)河壩水電站工程按以下分區(qū)進(jìn)行施工總布置安排:

(1)金湯河口工區(qū)。主要布置有石料開(kāi)采場(chǎng)、反濾料加工廠及1號(hào)供水站。

(2)右岸上游工區(qū)。主要布置有石料開(kāi)采場(chǎng)、響水溝渣場(chǎng)、反濾料備料場(chǎng)、1號(hào)混凝土拌和系統(tǒng)、3號(hào)混凝土拌和系統(tǒng)及3號(hào)供水站。

(3)野壩、小河壩工區(qū)。主要布置有石料開(kāi)采場(chǎng)、2號(hào)混凝土拌和系統(tǒng)及4號(hào)混凝土拌和系統(tǒng)、木材加工廠、鋼筋加工廠、施工變電站、機(jī)械修配廠、汽車修配廠、施工機(jī)械設(shè)備停放場(chǎng)、鋼管及金屬結(jié)構(gòu)拼裝場(chǎng)、機(jī)電安裝場(chǎng)、轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場(chǎng)加工廠、機(jī)電設(shè)備庫(kù)、綜合倉(cāng)庫(kù)、4號(hào)供水站、生活區(qū)及業(yè)主營(yíng)地。

(4)江咀工區(qū)。左岸主要布置石料開(kāi)采場(chǎng)、磨子溝渣場(chǎng)、明挖料回采渣場(chǎng)及洞挖料回采渣場(chǎng)。右岸布置混凝土人工骨料加工系統(tǒng)及5號(hào)供水站。

(5)牛棚子工區(qū)。主要布置前期混凝土天然骨料加工廠、2號(hào)生活區(qū)及6號(hào)供水站。

(6)渣場(chǎng)布置。工程施工區(qū)范圍內(nèi)山高坡陡，適合于堆渣的場(chǎng)地十分有限。從地形條件看只有上游的響水溝、下游的磨子溝及磨子溝出口江咀灘地可以堆渣，故本工程設(shè)響水溝及磨子溝兩個(gè)渣場(chǎng)及江咀明挖和洞挖渣料兩個(gè)回采渣場(chǎng)，在磨子溝渣場(chǎng)內(nèi)設(shè)壩體堆石料備料區(qū)。

3 施工總布置三維可視化仿真研究方法

3.1 基于GIS的可視化技術(shù)

基于GIS的可視化技術(shù)是將GIS技術(shù)和可視化技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，將其應(yīng)用于水利水電工程施工場(chǎng)地布置研究工作，以及將研究結(jié)果直觀的表達(dá)出來(lái)，對(duì)于水利水電工程施工場(chǎng)地布置方案的決策有著重要的指導(dǎo)意義。

3.1.1 GIS技術(shù)

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是一種采集、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。地理信息系統(tǒng)提供了一種認(rèn)識(shí)和理解地理信息的新方式，從而使地理信息系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展成為一門處理空間數(shù)據(jù)的學(xué)科。

地理信息系統(tǒng)技術(shù)為水利水電工程施工場(chǎng)地布置決策提供了強(qiáng)大的輔助決策工具，它把現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)象的空間位置和相關(guān)屬性有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，滿足用戶對(duì)空間信息的管理，并借助其特有的空間分析功能和可視化表達(dá)，進(jìn)行各種輔助決策。

3.1.2 可視化技術(shù)

可視化(Visualization)即科學(xué)可視化(Scientific Visualization)，是對(duì)計(jì)算及數(shù)據(jù)進(jìn)行探索，以獲得對(duì)數(shù)據(jù)的理解與洞察，實(shí)現(xiàn)把計(jì)算中所涉及的和所產(chǎn)生的數(shù)字信息轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的、以圖像或圖形信息表示的、隨時(shí)間和空間變化的物理現(xiàn)象或物理量呈現(xiàn)在研究者面前，使其能夠觀察到模擬和計(jì)算過(guò)程，即看到傳統(tǒng)意義上不可見(jiàn)的事物或現(xiàn)象，并提供與模擬和計(jì)算的視覺(jué)交互手段。

3.2 基于GIS的建模方法和三維可視化過(guò)程

3.2.1 基于GIS的建模方法

3.2.1.1 三維模型構(gòu)造方法

對(duì)于規(guī)則物體，其三維模型構(gòu)造方法只有描述形體表面的邊界表示法(B－rep)和計(jì)算實(shí)體幾何法(CSG)等，以及既能反映形體表面又能表現(xiàn)其內(nèi)部屬性特征的空間分解法(如八叉樹(shù))等。三維實(shí)體模型是基本體元的組合，可通過(guò)集合運(yùn)算(如差、并、交等)和基本變形操作(如平移、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切、反射等)來(lái)構(gòu)造。

對(duì)于一般的不規(guī)則物體可采用曲面建模方法。曲面建模是從離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)重構(gòu)連續(xù)變化的曲面。曲面通常采用一組網(wǎng)格多邊形來(lái)表示，即把曲面離散成許多小平面片，用平面逼近曲面，一般使用許多四邊形或三角形來(lái)逼近曲面，曲面被離散的愈細(xì)，逼近曲面的精度就愈高。

3.2.1.2 三維模型建模技術(shù)

(1)CAD實(shí)體建模技術(shù)。CAD實(shí)體建模技術(shù)是指給定一組幾何元素和一系列描述它們之間關(guān)系的約束條件，求解滿足這些約束條件的這組幾何元素。整個(gè)建模過(guò)程借助CAD軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)屏幕上直接繪制或通過(guò)CAD自帶的編程語(yǔ)言繪制實(shí)體，也可以利用模型庫(kù)中已有的元件通過(guò)“交”、“差”、“并”等幾何體的正則運(yùn)算拼合成實(shí)體空間模型。

(2)特征建模技術(shù)。特征建模技術(shù)是基于一組預(yù)定義特征，在系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)先形成特征庫(kù)和特征分類，并組織成層次化的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，用戶根據(jù)需要交互輸入特征類型，然后通過(guò)定義尺寸約束，添加位置約束，完成特征約束模型的建立和求解。

(3)參數(shù)化實(shí)體建模技術(shù)。參數(shù)化實(shí)體建模技術(shù)是一種通過(guò)相關(guān)幾何關(guān)系組合一系列用參數(shù)控制的特征部件而構(gòu)造整個(gè)幾何結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)。參數(shù)化實(shí)體建模與實(shí)體CAD圖形建模的不同之處在于，前者側(cè)重于實(shí)體模型形態(tài)的完全參數(shù)化，用戶與模型的交互只能通過(guò)修改參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn);而后者則側(cè)重于實(shí)體建模過(guò)程的用戶參與，用戶借助CAD軟件系統(tǒng)，能夠交互控制實(shí)體的位置、結(jié)構(gòu)及其操作。

3.2.2 基于GIS的三維可視化過(guò)程

在GIS中要實(shí)現(xiàn)空間實(shí)體的三維可視化表達(dá)，就是要實(shí)現(xiàn)形體數(shù)據(jù)到三維圖形的變換。GIS三維可視化過(guò)程分為三個(gè)子過(guò)程:

(1)數(shù)據(jù)處理(Data Manipulation)，主要完成數(shù)據(jù)的過(guò)濾，使原始數(shù)據(jù)(如CAD數(shù)據(jù))得到細(xì)化或增強(qiáng)，并轉(zhuǎn)化為適合后續(xù)可視化操作的表示形式，包括網(wǎng)格化、插值、梯度計(jì)算以及格式轉(zhuǎn)化等。

(2)可視化映射(Visualization Mapping)，將數(shù)據(jù)過(guò)濾導(dǎo)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為抽象可視化對(duì)象(Abstract Visualization Object，AVO)。AVO用來(lái)描述各種時(shí)空對(duì)象，其屬性包括幾何、時(shí)間、顏色、透明度、光照、反射系數(shù)及表面紋理等。

(3)三維顯示(3D Displaying)，AVO經(jīng)三維變換，變換到屏幕坐標(biāo)系中，再利用光照模型和面繪制算法進(jìn)行隱藏面和隱藏線消除，計(jì)算光照強(qiáng)度并且設(shè)置物體投影角度，生成形象逼真的三維圖形。

4 長(zhǎng)河壩水電站施工總布置三維可視化仿真

4.1 長(zhǎng)河壩水電站施工總布置可視化方案

長(zhǎng)河壩水電站施工總布置可視化方案:首先，將表達(dá)信息所需數(shù)據(jù)收集整理之后進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)化成GIS可以調(diào)用的數(shù)據(jù)形式或文件格式。然后，將這些數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入GIS中，經(jīng)GIS有關(guān)模塊轉(zhuǎn)換成其內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式，利用該系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)來(lái)組織施工總布置動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合復(fù)雜實(shí)體造型技術(shù)，如參數(shù)化建模方法等，生成施工總布置動(dòng)態(tài)三維數(shù)字模型，此模型融合了施工總布置相關(guān)的所有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)，是各種數(shù)據(jù)可視化的基礎(chǔ)。

由于長(zhǎng)河壩水電站工程施工總布置的復(fù)雜性，為科學(xué)、系統(tǒng)地分析與研究，將其視為一個(gè)大系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)分解與協(xié)調(diào)模式，施工總布置可分解為大壩施工、渣場(chǎng)堆存回采、場(chǎng)內(nèi)道路交通、地下建筑物施工、動(dòng)態(tài)水流等幾個(gè)子系統(tǒng)。施工過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)可視化也相應(yīng)地分成這幾個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1、2 所示。

圖1 施工總布置子系統(tǒng)示意

圖2 施工過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)示意

4.2 長(zhǎng)河壩水電站施工總布置三維可視化建模

(1)地形。長(zhǎng)河壩水電站施工場(chǎng)地地表DTM(數(shù)字地形模型)的建立是整個(gè)施工總布置三維數(shù)字建模的基礎(chǔ)，所有工程水工樞紐與施工總布置建筑物均布置其上，而且為后續(xù)的地形填挖創(chuàng)造條件。

(2)壩體。先通過(guò)仿真計(jì)算得到大壩各壩塊的形體信息，然后將各壩塊按照其相互拓?fù)潢P(guān)系組合在一起形成大壩模型。大壩模型得到后，根據(jù)大壩壩基開(kāi)挖的資料，在地形DTM上進(jìn)行開(kāi)挖，得到與真實(shí)地形無(wú)縫吻合的大壩模型。

(3)渣場(chǎng)。渣場(chǎng)與地面的交線沒(méi)有規(guī)律可言，只要渣場(chǎng)的形體面達(dá)到足夠與地面相交，露在地面以上的渣場(chǎng)就可以很清楚地顯現(xiàn)出與地面的不規(guī)則交線，這樣將渣場(chǎng)和地形做cutfill操作，可得到與真實(shí)地形無(wú)縫吻合的渣場(chǎng)模型。

(4)道路。根據(jù)交通道路的設(shè)計(jì)，可在施工場(chǎng)地對(duì)內(nèi)對(duì)外施工交通樞紐布置圖中得到各條道路的中軸線，然后轉(zhuǎn)化為GIS系統(tǒng)所能識(shí)別的文件格式導(dǎo)入GIS中，調(diào)用路面和路坡繪制程序，將得到的道路坡面模型與地形做cutfill操作，然后組合到一起，形成整段道路模型。

(5)臨時(shí)設(shè)施。對(duì)施工臨時(shí)設(shè)施的各種場(chǎng)地如炸藥庫(kù)、機(jī)械裝備場(chǎng)等建模，涉及到場(chǎng)地平整。針對(duì)場(chǎng)地平整，分為場(chǎng)地開(kāi)挖及回填兩個(gè)步驟，其建模方法和上述建立道路模型方法相似。

4.3 長(zhǎng)河壩水電站施工總布置可視化仿真的實(shí)現(xiàn)

按照邊坡填挖處理過(guò)的施工場(chǎng)地地形DTM以及施工總布置其它建筑物模型之間的空間拓?fù)潢P(guān)系，將各模型變換到統(tǒng)一的地理空間坐標(biāo)系中，就得到了施工總布置整體模型。

對(duì)三維模型經(jīng)過(guò)投影(正射投影或透視投影)設(shè)置觀察視點(diǎn)，進(jìn)行各種變換(平移、旋轉(zhuǎn))，就可以顯示到計(jì)算機(jī)屏幕上，得到長(zhǎng)河壩水電站工程施工總布置虛擬場(chǎng)景，并具有逼真的視覺(jué)效果。長(zhǎng)河壩水電站工程施工總布置虛擬場(chǎng)景得到后，即可進(jìn)行總布置虛擬場(chǎng)景的巡航:首先，獲取巡航場(chǎng)景內(nèi)所有實(shí)體的特征數(shù)據(jù)并生成實(shí)體對(duì)象，然后根據(jù)視點(diǎn)信息對(duì)實(shí)體對(duì)象做相應(yīng)的變換后進(jìn)行繪制，最后按照既定的光照模型進(jìn)行渲染。

4.4 長(zhǎng)河壩水電站施工總布置可視化仿真成果

通過(guò)以上方案完成了長(zhǎng)河壩水電站工程施工總布置可視化仿真的實(shí)現(xiàn)，得到了水電站工程施工總布置虛擬場(chǎng)景，并實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)河壩水電站工程施工總布置虛擬場(chǎng)景和總布置施工過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)可視化演示。主要成果見(jiàn)圖3、4。

圖3 整體面貌

圖4 施工期大壩面貌

5 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)大江大河很多(如長(zhǎng)江、黃河、紅水河、瀾滄江、金沙江等)，在大江大河上建壩(如長(zhǎng)江三峽、小浪底、溪洛渡、糯扎渡等)，其施工總布置設(shè)計(jì)與決策是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，需要花費(fèi)大量人力物力，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是人們長(zhǎng)期以來(lái)追求的目標(biāo)。所以，本項(xiàng)目研究不僅給施工總布置設(shè)計(jì)與決策提供一個(gè)科學(xué)簡(jiǎn)便、形象直觀的可視化分析手段，而且有助于推動(dòng)水電設(shè)計(jì)工作的智能化、現(xiàn)代化發(fā)展，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。