鐘登華，張琴婭，杜榮祥，佟大威，石志超

（天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300072）

基于CATIA的心墻堆石壩施工動態(tài)仿真

鐘登華，張琴婭，杜榮祥，佟大威，石志超

（天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072）

目前堆石壩施工動態(tài)仿真研究多是基于施工仿真結果構建三維可視化系統(tǒng)，然而系統(tǒng)中三維模型不易被修改，且提供的施工信息量有限，針對此問題，本文提出了以CATIA為基礎的堆石壩施工動態(tài)仿真構架.首先，采用參數(shù)化技術建立堆石壩三維模型，實現(xiàn)了三維模型的快速修改更新；同時，利用CATIA的二次開發(fā)功能建立了具有擴展屬性的堆石壩三維模型，這不僅提供了施工場景，還提供了大壩的形體參數(shù)、道路節(jié)點信息等施工信息；最后，以實際工程為例，結合離散事件仿真方法，建立了基于CATIA的心墻堆石壩施工仿真模型及系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了堆石壩施工過程的三維動態(tài)表達及4D模型的遠程交互，可為堆石壩施工管理提供重要理論與技術支持.

CATIA；施工動態(tài)仿真；參數(shù)化技術；擴展屬性；堆石壩

大型水電工程的建筑物類型眾多，施工作業(yè)種類繁多，對于堆石壩而言，道路布置及其他建筑物的布置也錯綜復雜，二維圖紙不僅難以準確而直觀地表達設計意圖，而且也難以解決施工期時間和空間沖突等問題.國外很多學者應用施工動態(tài)仿真的方法來有效地解決施工過程中的各種沖突問題和評價施工進度方案的可行性.Al-Hussein等［1］在2006年以土木工程建設為例，在3DS MAX環(huán)境下結合三維可視化與塔機仿真，分析了塔機的運行仿真結果；Chen等［2］在2013年提出了以增強現(xiàn)實為基礎的三維虛擬模型，并將其成功運用到一個典型的交通運輸?shù)碾x散事件仿真中；Wang等［3］在2014年將建筑信息模型BIM與施工仿真相結合，考慮施工工期的不確定性得到工程施工的進度計劃，建立了以BIM為基礎的4D模型.目前國外有關施工動態(tài)仿真的研究主要是集中于交通運輸和土木建筑這些領域中，有關水電工程的堆石壩施工動態(tài)仿真方面的研究很少.

目前，國內的施工動態(tài)仿真主要集中在大壩施工仿真的三維建模方法和可視化等方面，鐘登華等［4］和尹習雙等［5］在2005年對水電工程的三維可視化進行了研究，開發(fā)了三維動態(tài)可視化仿真系統(tǒng)，展現(xiàn)了水利水電工程可實時交互的虛擬仿真場景；陳小橋等［6］在2010年針對水電工程施工階段的施工管理問題，以丹江口大壩加高工程為例，在網(wǎng)絡基礎設施的基礎上實現(xiàn)了分布式的水電施工過程的虛擬仿真系統(tǒng)；李紅亮等［7］在2011年建立了以動態(tài)循環(huán)網(wǎng)絡技術為基礎的面板堆石壩施工實時動態(tài)仿真系統(tǒng)，并利用OGRE引擎實時渲染工程三維面貌，實現(xiàn)了施工過程的三維可視化；李小帥等［8］在2012年以CATIA與3DS MAX 軟件為平臺，與CG知識庫相結合，搭建了水電工程的三維可視化仿真場景.

綜上所述，目前國內的現(xiàn)有研究多是基于大壩施工仿真結果構建三維動態(tài)可視化系統(tǒng)，水電工程三維模型多是基于3DS MAX等商業(yè)軟件建立的，因此模型較難以修改，不利于重復利用，而且三維模型也只提供了比較有限的施工信息，少數(shù)采用CATIA與3DS MAX 軟件為平臺進行了水電工程三維可視化仿真研究，研究未結合大壩施工仿真模型，因此未能實現(xiàn)大壩施工動態(tài)仿真.基于上述研究的局限性，本文首先提出了以CATIA為平臺的堆石壩施工動態(tài)仿真構架，在CATIA V5的環(huán)境下完成心墻堆石壩三維模型的建模，該三維模型具有易被修改的優(yōu)點；其次，利用接口程序與數(shù)據(jù)庫相結合構建了具有擴展屬性的心墻堆石壩三維模型，具有擴展屬性的三維整體模型不僅能夠提供施工場景，還能提供大壩形體參數(shù)和道路的節(jié)點信息；最后結合實際工程進行了以CATIA為平臺的堆石壩施工動態(tài)研究，建立了堆石壩施工動態(tài)仿真4D模型，可為堆石壩的施工管理提供重要的理論與技術支持.

1　基于CATIA的堆石壩施工動態(tài)仿真構架

施工動態(tài)仿真主要是將施工仿真在輔助實時決策方面的優(yōu)勢與真實施工場景下的仿真相結合，直觀而形象地表現(xiàn)心墻堆石壩的施工過程，是一種有效的輔助管理決策工具.堆石壩施工動態(tài)仿真是通過將大壩主體、施工場地、樞紐建筑物以及其他基礎配套設施的三維模型與進度計劃相連接，形成4D模型.在CATIA環(huán)境下建立的三維模型具有參數(shù)化的特點和按照規(guī)則變形的能力，再將施工仿真進度計劃以及有關的資源信息與CATIA三維模型相結合，建立基于CATIA的堆石壩施工過程4D模型.所形成的4D模型不僅實現(xiàn)了堆石壩施工全過程的仿真，有助于提前發(fā)現(xiàn)施工期間的沖突問題；而且也有助于空間沖突問題的分析以及施工整體布置的優(yōu)化.基于CATIA的堆石壩施工動態(tài)仿真可分為4個部分，三維模型建模子系統(tǒng)、施工進度仿真子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)和4D動畫子系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1　基于CATIA的心墻堆石壩施工動態(tài)仿真構架Fig.1Framework of dynamic construction simulation for core rock-fill dam based on CATIA platform

堆石壩施工動態(tài)仿真的關鍵在于各個子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的收集、儲存和轉換.首先是在CATIA V5環(huán)境下完成復雜施工場景的三維地表、樞紐建筑物和施工配套設施的建模、裝配和管理，來表現(xiàn)堆石壩施工的真實環(huán)境，并建立三維模型過程中可以直接調用CATIA三維模型的模板庫，該模板庫通過使用輸入端和幾何參照進行參數(shù)修改，能夠很好地適應各種需求，可以快速地完成各種重復三維建模工作，解決三維建模的重復利用問題；其次，根據(jù)堆石壩施工仿真的要求，通過VB構建具有擴展屬性的堆石壩施工三維整體模型，實現(xiàn)大壩形體參數(shù)、壩體填筑道路的單元回路信息等施工仿真基礎數(shù)據(jù)的存儲；此外，通過施工仿真計算得到施工進度計劃，由共享數(shù)據(jù)庫將施工進度計劃與CATIA 三維模型進行整合，使其帶有時間屬性，動態(tài)調用數(shù)據(jù)庫形成4D動畫，表現(xiàn)堆石壩施工的動態(tài)過程，方便技術和管理人員了解三維模型信息和施工進度計劃，為施工管理提供有力的理論與技術支持.

2　心墻堆石壩施工動態(tài)仿真

2.1心墻堆石壩施工仿真的數(shù)學模型

心墻堆石壩施工是一個土石料從料場開采，經(jīng)道路運輸?shù)綁蚊?，再壩面填筑的過程，因此可以將心墻堆石壩施工劃分為填筑料開挖子系統(tǒng)、道路運輸子系統(tǒng)以及壩面填筑子系統(tǒng)3部分［9］（如圖2所示）：①填筑料開挖子系統(tǒng)，包括石料場料物儲量、最終開采量，每個料場的開采工作面數(shù)量、月開采強度、開采機械配置；②道路運輸子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)指的是土石料的運輸，對于堆石壩而言，上壩的主要運輸工具為自卸汽車，道路運輸子系統(tǒng)主要包括自卸汽車的數(shù)量、車輛的行使密度及岔口等待車輛數(shù)量等；③壩面填筑子系統(tǒng)，包括上下游堆石料、反濾料、過渡料和心墻料的填筑作業(yè)，壩面填筑是指鋪料、平土、灑水、碾壓和質檢等作業(yè).這3個子系統(tǒng)既相互獨立又相互制約，共同協(xié)調構成了心墻堆石壩施工的有機整體.填筑料開挖子系統(tǒng)和道路運輸子系統(tǒng)通過開采強度和上壩強度緊密聯(lián)系；壩面填筑子系統(tǒng)和道路運輸子系統(tǒng)通過上壩強度與填筑強度緊密聯(lián)系，當上壩強度大于填筑強度時，會造成上壩車輛的滯工，而當上壩強度過小時，不能滿足填筑作業(yè)的填料需求，會造成壩體的填筑效率低，從而影響工期.

心墻堆石壩施工仿真是壩體施工工序邏輯關系的基礎，綜合考慮降雨、施工作業(yè)方式、機械配套設施、施工工藝和日上升高差約束等因素，對心墻堆石壩施工過程進行了模擬和研究，可以用隨機動態(tài)數(shù)學邏輯關系模型來描述這個過程，即狀態(tài)轉移方程為

式中：t=1，2，…，T，T表示有效的工作時間；H（i，t）為第i區(qū)t時刻的高程；ΔH（t）為t-1到t期間鋪層的厚度；i表示堆石壩的分區(qū)號，i=1，2，3，…，N，N為堆石壩的分區(qū)個數(shù).

目標函數(shù)為

式中：fd（X）為工期的目標函數(shù)；fu（X）為機械利用率的目標函數(shù)；fr（X）為施工場內交通運行情況；向量X表示施工方案.面對設計階段的心墻堆石壩施工仿真的目標，是找到滿足施工進度計劃的較短工期、較優(yōu)的機械利用率和施工場內交通壓力較小的施工方案.

綜合約束條件為

式中：W為外部約束；N為內部約束.W和N的表達式為

圖2　心墻堆石壩施工過程分解示意Fig.2 Schematic diagram of core rock-fill dam construction

式中：Ri為降雨概率；V為壩體汛前高程；d為施工導流；c為道路能力限制；A為施工場內整體布置情況；Td為施工方案的工期；Ts為計劃工期；ha、hb為相鄰填筑區(qū)的填筑高度；H為相鄰高差的規(guī)定值；Δh為日上升高度；hd為日上升高度的限制值.

2.2基于CATIA的心墻堆石壩三維模型

依據(jù)工程的地形等高線圖、平面布置圖和樞紐建筑物設計等資料，運用CATIA的零部件設計、創(chuàng)成式設計、自由曲面設計以及知識工程模塊，分別建立地表模型、樞紐建筑物模型、引水發(fā)電建筑物模型以及施工配套設施的三維模型.其中，零部件設計主要是建立三維實體模型，創(chuàng)成式設計以及自由曲面設計主要是建立三維曲面模型.然后運用紋理映射技術給三維模型附上與真實環(huán)境相似的材質，將所有模型進行合理的拼接和裝配，并在三維場景中模擬出各種光影效果，構成了心墻堆石壩施工場景［10］.建立三維模型關鍵技術如下.

1） 數(shù)字地形模型建模技術

施工場地的地表模型不僅僅是整個施工三維模型的重要組成部分，也是施工各種建筑物布置和施工過程中開挖的基礎［4］.水電工程地形地貌多以數(shù)字地形模型（DTM）的形式表現(xiàn).對于所研究的水電工程地形起伏較大，地表的構建采用TIN模型（不規(guī)則三角網(wǎng)模型），TIN模型由離散的地形散點利用三角剖分算法，按照一定的規(guī)則生成一系列不相交的Delaunay三角網(wǎng)，如圖3所示.

圖3　Delaunay三角網(wǎng)Fig.3 Delaunay triangle network

根據(jù)施工場地的特點和復雜程度確定點云的密度，由地形的點云的疏密程度來決定地形的真實性，TIN模型可以有效地避免數(shù)據(jù)的冗余，又便于地形的分析和計算，較好地反映水電工程的實際地形信息.對于初始生成的TIN，進行適當?shù)膬炔寮毣韵c云過密或信息采集缺乏而形成的細小狹長的三角形，形成高精度的DTM.具體步驟包括首先將地形圖進行分析整理，通過二次開發(fā)工具將地形資料數(shù)據(jù)轉化成點云數(shù)據(jù)，然后在digitized shape editor模塊下導入點云數(shù)據(jù)，根據(jù)點云的疏密程度和重點區(qū)域，過濾一定數(shù)量的點云，根據(jù)點云構建mesh地表面，然后分析檢查mesh面，最后進行優(yōu)化處理形成地表模型.

2） 參數(shù)化技術

參數(shù)化設計（parametric design）是指將影響設計者建立模型的各種要素進行分類，將這些要素變成一系列函數(shù)的變量，并關聯(lián)函數(shù)體中的變量，因此可以通過改變函數(shù)中一系列變量取值，來得到不同的函數(shù)值，獲得相同函數(shù)所涵蓋的不同設計方案.參數(shù)化設計的概念可用如下公式來描述

式中：F（f1，f2，…，fn）是一系列參數(shù)方程，n表示方程的個數(shù)；D（d1，d2，…，dn）是F函數(shù)的變量，表示幾何尺寸之間的約束關系；X（x1，x2，…，xn）是F函數(shù)的變量，表示幾何尺寸大小、幾何位置和特征點的坐標等.

參數(shù)化建模能夠利用數(shù)學公式和幾何拓撲約束建立靈活的幾何模型，參數(shù)化的模型不僅僅建立易被修改的幾何模型，而且可以在模型被修改時進行自動更新，提高模型進行修改時的效率.參數(shù)化建模的優(yōu)越性表現(xiàn)在：①模型的可變性：傳統(tǒng)的建模大多數(shù)都是利用已知的數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)的建模過程中，尺寸的變化可能會導致大部分設計的修改.參數(shù)化的設計方法應用設計過程中，提高了建模的效率.②模型的重復利用性：很多新建的建筑物是與原有的比較類似，差別不大，修改一些參數(shù)，模型就可以重復利用.③支持并行設計：有一些模型是有嚴格的先后關系的，很多后續(xù)的工作是依靠前面設計的數(shù)據(jù)，參數(shù)化設計可以有效支持并行設計.④從上到下的設計：在初級設計階段，通常只知道粗略的輪廓，一般都假定一系列的尺寸來完成設計，通常，這些假定尺寸需要調整，這樣的調整會帶來大量的重復工作，從上到下的設計方法可以有效避開這些缺陷.

如圖4所示，參數(shù)化設計首先是以二維草圖為基礎，草圖是使用CATIA三維建模的基礎，二維草圖主要是由一些點、線、圓弧及曲線組成，這些草圖的尺寸不是非常精確，只是模型大致的輪廓布置，然后通過約束條件及尺寸角度的定義來形成設計的幾何實體模型.其中，約束包括水平、垂直、長度、角度、距離、相切、相合、對稱約束以及接觸約束、固聯(lián)約束和自動約束.尺寸以及角度的約束不僅可以通過固定的值來進行約束，也可以通過建立參數(shù)以及數(shù)學公式來關聯(lián)，當其中一個定義的參數(shù)發(fā)生變化時，其他相關聯(lián)的參數(shù)也隨機發(fā)生改變，最后整個模型會自動更新.

圖4　參數(shù)化建模流程Fig.4 Process of parametric modeling

3） 知識工程技術

知識工程技術可以嵌入在設計和施工仿真的很多環(huán)節(jié)，應用知識工程技術可以很好地解決建模過程中很多相似模型的重復利用問題，提高建模的速度.知識工程技術主要包括參數(shù)化的關聯(lián)設計、方程法設計以及知識工程規(guī)則設計.其中參數(shù)化的關聯(lián)設計是知識工程建模的基礎，把建模過程中需要控制的尺寸以參數(shù)的方式建立并保持關聯(lián)，可以方便模型尺寸和位置的調整；其次，方程法設計主要是曲線的設計，可以利用法則定義溢洪道的曲面等，使模型更精確；知識工程規(guī)則設計是利用參數(shù)關聯(lián)設計加以一定規(guī)則定義，使模型能按照一定的規(guī)則進行變形或參數(shù)選擇.

2.3具有擴展屬性的堆石壩三維整體模型

針對目前的堆石壩施工仿真中未能將三維整體模型直接結合到仿真計算中的問題，本文構建了具有擴展屬性的三維整體模型.該模型不僅提供了施工場景，還提供了大壩的體型參數(shù)、施工道路節(jié)點信息等施工信息.首先三維模型能夠提供模型的幾何數(shù)據(jù)，包括堆石壩各個階段的填筑高程和填筑量；其次通過CATIA的二次開發(fā)讀取、儲存大壩及道路的幾何和非幾何屬性信息.施工道路信息包含各路段的編號、名稱、等級、長度、起點節(jié)點和終點節(jié)點，以及連接各路段的節(jié)點，節(jié)點可分為岔口節(jié)點、運輸節(jié)點、裝料節(jié)點以及卸料節(jié)點.具有擴展屬性的堆石壩三維模型結構如圖5所示.

圖5　具有擴展屬性的堆石壩三維模型結構Fig.5 Structural diagram of 3D model for rock-fill dam with extended attributes

構建具有擴展屬性的三維整體模型，關鍵在數(shù)據(jù)的讀取與轉換.CATIA具有強大的二次開發(fā)功能，對CATIA進行二次開發(fā)在進程內通過visual basic scripting edition（VBScript）腳本或者visual basic for application（VBA）來訪問，在進程外通過OLE自動化對象來訪問.首先利用VB.NET通過進程外的OLE自動化對象來訪問CATIA，讀取三維模型的幾何和非幾何信息，然后通過ADO（activeX data object）技術，將VB.net與外部數(shù)據(jù)庫Access進行連接，在VB環(huán)境中直接對Access數(shù)據(jù)庫進行操作，將大壩的體型參數(shù)、道路節(jié)點信息存儲到仿真數(shù)據(jù)庫中，作為施工仿真的基礎數(shù)據(jù).壩體的體型參數(shù)包括大壩分期分區(qū)的填筑量，每個單元層的高程和填筑量.其中部分代碼如下：

對于心墻堆石壩上壩子系統(tǒng)而言，心墻堆石壩施工場內交通道路布置復雜，將各路段的編號、名稱、等級、起點節(jié)點和終點節(jié)點，連接各路段的節(jié)點信息、堆石壩的填筑量以及其他的料物數(shù)量儲存到ACCESS數(shù)據(jù)庫中，從裝料點和卸料點之間尋找出最優(yōu)路線來建立單元回路模型，放入到仿真數(shù)據(jù)庫中可以有效地支持堆石壩施工仿真.單元回路模型作為施工仿真的基礎數(shù)據(jù)，施工仿真單元回路模型是指一輛運輸機械在完成一次運料卸料過程中所依次經(jīng)歷的各個交通設施或服務節(jié)點.依據(jù)已知的裝料點、卸料點等建?；A數(shù)據(jù)，對目標運輸路徑進行尋優(yōu)，最優(yōu)路線通常是裝料點和卸料點之間的最短路徑.本文通過開發(fā)CATIA的接口程序，尋找出裝料點和卸料點之間的最短路徑.在CATIA平臺上中交互式地通過選擇路徑的起始點和終點，程序輸出節(jié)點之間最短的路徑編號，再根據(jù)最優(yōu)運輸路徑建立單元回路模型，并放入到仿真數(shù)據(jù)庫.

2.4堆石壩施工過程4D模型構建

心墻堆石壩施工4D模型是以基于CATIA的堆石壩施工場景三維模型為基礎的，結合心墻堆石壩施工仿真實現(xiàn)的.堆石壩施工仿真是利用離散事件仿真的方法進行仿真，所以得到的施工仿真信息也是離散的，可以按天、周、月、季為單位顯示.根據(jù)施工仿真進度計劃，對應堆石壩的施工面貌及屬性，生成堆石壩施工單元i對應的任意時刻t的施工面貌vi（t），則t時刻的堆石壩整體面貌可以表示為

式中：j為總單元數(shù)；vi（t）=fi（Xi，Yi，Zi，t）表示施工過程中施工單元的面貌隨時間的變化.

在系統(tǒng)中設置一個動畫步長，按時間順序讀取施工仿真數(shù)據(jù)庫中的進度信息，不斷地更新變量值，從而不斷更新施工面貌，形成以CATIA為平臺的堆石壩施工4D模型.

傳統(tǒng)的施工動態(tài)仿真一般需要建立一個專門的顯示平臺，為了方便用戶異地查詢和分析，實現(xiàn)施工場景的遠程交互顯得尤為重要.由于堆石壩三維模型的數(shù)據(jù)量巨大，信息讀取慢，采用3D XML作為模型數(shù)據(jù)間的交換工具.3D XML是用元素和屬性來描述數(shù)據(jù)，通過引用及嵌套的方式指定元素間的結構層次關系，以結構樹來儲存每個節(jié)點對應到文件中，通過結構樹的節(jié)點實現(xiàn)模型分類.利用3D XML作為數(shù)據(jù)轉換工具，不僅有利于數(shù)據(jù)的讀取，而且易于CATIA所建立的堆石壩三維模型發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)中.網(wǎng)絡環(huán)境下堆石壩施工4D模型實現(xiàn)框架如圖6所示.

圖6　網(wǎng)絡環(huán)境下堆石壩施工4D模型實現(xiàn)框架Fig.6 Framework of 4D model for rock-fill dam under network environment

網(wǎng)絡環(huán)境下堆石壩施工4D模型是從模型的信息共享數(shù)據(jù)庫讀取堆石壩施工場景等信息，通過改變施工場景中節(jié)點的域值來達到動態(tài)的效果.Web分為相對分離的4層，即服務層、引擎層、邏輯層和應用層［11］.服務層主要將堆石壩施工場景所需的三維模型、施工信息和動態(tài)數(shù)據(jù)等信息存儲在數(shù)據(jù)庫中.引擎層主要是對施工場景的管理，對紋理貼圖、燈光效果、漸變等顯示的支持.邏輯層主要處理施工場景中的邏輯關系和各種規(guī)則，以及碰撞后觸發(fā)事件的處理、動作的判斷等.應用層主要處理系統(tǒng)的顯示部分.運用3DVIA Player ActiveX插件將文件嵌入到HTML頁面中，頁面集成了對三維模型的旋轉縮放、樞紐建筑物和典型施工形象面貌的查看、4D動畫的播放.心墻堆石壩施4D模型形象地展示堆石壩施工填筑過程，發(fā)布到網(wǎng)頁進行4D漫游和典型施工面貌的交互查看，為堆石壩施工管理提供有力的支持.

3　工程實例

以西南地區(qū)某心墻堆石壩為例，大壩共分為7區(qū)，包括心墻區(qū)、上下游反濾區(qū)、上下游過渡區(qū)和上下游堆石區(qū).大壩堆石料、過渡料、反濾料主要來自于4號石料場、溢洪道開挖、防沖消能開挖和有用料堆場.大壩填筑的開工日期為第4年4月，大壩共分為6期進行填筑.考慮參數(shù)改變對大壩形體參數(shù)的影響，加快修改三維模型速度，在CATIA平臺上建立了大壩的參數(shù)化模型如圖7所示，當參數(shù)改變時，模型可以進行更新，減少了方案變化帶來的重復工作.提取了施工仿真計算所需的大壩形體參數(shù)、道路節(jié)點信息，錄入到仿真數(shù)據(jù)庫中.

圖7　參數(shù)化的壩體三維模型Fig.7 Parametric 3D model of rock-fill dam

面對設計階段的施工仿真主要是預測不同施工方案下堆石壩的施工參數(shù)和控制參數(shù)，評價施工方案的可行性并為以后的施工管理提供支持.對于設計階段的施工仿真，本文綜合考慮了有效的施工天數(shù)、施工作業(yè)方式、機械配套以及日上升高限制等約束條件，建立了心墻堆石壩施工仿真模型.仿真得到了各碾壓層的起止時間、施工月填筑強度、施工機械利用率以及行車密度等施工參數(shù).圖8為第Ⅲ期月填筑強度，圖9為第Ⅲ期路段623的行車密度.結合施工仿真實現(xiàn)了堆石壩施工動態(tài)仿真4D仿真及遠程交互，如圖10和11所示.

通過仿真計算分析，大壩的填筑工期為109個月，即從第4年4月初至第13年4月中旬，工期安排能夠滿足要求，比初始工期縮短2個月，與初始設計方案的對比如表1所示；堆石壩平均月上升高度為2.89，m，壩體填筑平均月填筑強度為43.26×104，m3，礫石心墻最大月填筑強度為8.10×104，m3，與初始的設計方案對比發(fā)現(xiàn)，壩體的施工強度比初始的設計方案略大.仿真統(tǒng)計了各路段的行車密度，施工仿真中發(fā)生最大行車密度的道路是第Ⅲ期的壩前公路.該路段最大行車密度68輛/h，平均行車密度42輛/h，比初始設計值略小.總的來說，各期上壩道路的行車密度都低于85輛/h（規(guī)范要求），滿足要求.通過合理組織施工，這樣的施工方案是可以實現(xiàn)的.

圖8　第Ⅲ期月填筑強度Fig.8 Monthly filling intensity in the third stage

圖9　第Ⅲ期路段623的行車密度Fig.9 Traffic density of road section 623 in the third stage

圖10　堆石壩施工過程4D仿真Fig.10 4D construction simulation of rock-fill dam

圖11　網(wǎng)絡環(huán)境下的堆石壩施工過程4D仿真Fig.114D construction simulation of rock-fill dam under network environment

表1　仿真結果與初始設計方案的對比Tab.1Comparison between the simulation results and the initial design parameters

4　結 語

針對目前大壩施工動態(tài)仿真研究多是基于大壩施工仿真結果構建三維動態(tài)仿真系統(tǒng)，其三維模型存在不易修改、提供的施工信息量有限等問題，提出了以CATIA為平臺的堆石壩施工動態(tài)仿真構架；建立了參數(shù)化的三維模型，構建了具有擴展屬性的堆石壩三維模型，不僅提供了施工場景，還提供了施工道路節(jié)點信息、各階段填筑量等施工信息；最后結合西南某心墻堆石壩進行了以CATIA為基礎的心墻堆石壩施工動態(tài)仿真研究，獲得了施工進度計劃，實現(xiàn)了堆石壩施工過程4D仿真，為分析堆石壩施工進度的合理性提供了強有力的工具.

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（責任編輯：樊素英）

Dynamic Construction Simulation of Core Rock-Fill Dam Based on CATIA Platform

Zhong Denghua，Zhang Qinya，Du Rongxiang，Tong Dawei，Shi Zhichao
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

At present most studies of dynamic construction simulation establish a 3D visualization system based on the simulation results. On account of the fact that the existing 3D models couldn't be modified easily and only provide limited construction information，a dynamic simulation framework for rock-fill dam was put forward based on CATIA platform. Firstly，the 3D model of rock-fill dam was built by means of parametric technique to solve the difficult issues such as model updating. Then，the 3D model with extended attributes was established based on secondary development，which could provide construction scene as well as shape parameters，road node information and other construction information. Finally，based on an engineering project，a construction simulation model for rock-fill dam using discrete event simulation method was established on CATIA platform. The construction dynamic process of rock-fill dam and the remote interaction of 4D model are achieved，which can offer theoretical and technical support for construction management.

CATIA；dynamic construction simulation；parametric technique；extended attributes；rock-fill dam

TV512

A

0493-2137（2015）12-1118-08

10.11784/tdxbz201406087

2014-06-28；

2014-08-28.

國家創(chuàng)新研究群體基金資助項目（51321065）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2013CB035904）；國家自然科學基金資助項目（51339003）.

鐘登華（1963—），男，博士，中國工程院院士.

鐘登華，dzhong@tju.edu.cn.