常昊天，钟登华，王双起，陈永兴

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

耦合动态合仓的碾压混凝土坝施工进度全过程仿真

常昊天，钟登华，王双起，陈永兴

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

为了提高碾压混凝土坝施工仿真模型的可信度，以适应其大面积、多坝段合仓浇筑的特点，运用三维实体建模技术、数据库技术等，在碾压混凝土坝施工进度全过程仿真中耦合了动态合仓的模拟方法，即：在仿真过程中综合考虑了各项约束条件，实现可浇筑坝块的动态选择与施工仓面的动态划分．同时，以VC++为开发平台，引入面向对象的仿真建模思想和方法，结合循环网络模拟技术以及排队服务系统建模技术，实现了面向对象的施工动态仿真和施工过程的一体化仿真，使仿真结果更贴近实际施工．研究成果应用于云南某水电站工程中，为该工程的设计与施工提供了决策依据．

碾压混凝土坝；施工全过程仿真；动态合仓；面向对象技术；一体化仿真

碾压混凝土坝施工工艺的多坝段合仓、连续、快速浇筑的突出特点使其成为当今坝工界的主要坝型之一．中国在1986年建成的坑口重力坝中开始采用碾压混凝土筑坝技术，时至今日，我国无论在碾压混凝土坝的设计、施工还是科研等方面的先进性均处于世界领先水平．起初，碾压混凝土坝浇筑的进度计划安排主要是基于工程类比，或是依据资源平均强度采用趋势外推的进度预测方法，这种传统的做法缺乏科学性，难以提供及时可靠的决策信息；并且，由于碾压混凝土坝施工过程是一个复杂的随机动态过程，是一个半结构化问题，难以通过数学解析模型来分析．随着计算机技术、系统仿真技术的发展与应用，碾压混凝土坝施工进度仿真研究为解决此类问题提供了可靠手段[15]．

20世纪90年代，王仁超等[6]借鉴常态混凝土坝的施工模拟，建立了能够反映碾压混凝土坝施工特点的计算机仿真模型，并应用于龙滩工程；21世纪，郑家祥[7]将计算机数字模拟技术成功运用于高碾压混凝土拱坝施工管理与进度控制领域，采用深度缓冲区消隐技术对沙牌碾压混凝土拱坝施工过程进行了真三维仿真模拟；吴康新等[8-9]开发了碾压混凝土坝施工三维动态可视化仿真系统，借助地理信息系统(GIS)平台显示大坝浇筑的三维动态上升过程，且成功应用于金安桥工程中；赵长明等[10]采用面向过程的仿真方法，按照事件的进程对碾压混凝土坝施工进行了动态仿真．针对混凝土大面积合仓浇筑问题，赵春菊等[11]建立了基于碾压混凝土坝体施工过程动态仿真的仓面规划模型，根据坝体上升过程中坝段动态属性的实时变化进行仓面规划方案的优化．如今，如何完善仿真建模理论，提高模型精度，充分反映碾压混凝土坝的施工工艺特点，确保仿真模型对原型系统描述的可靠性，提高仿真结果的可信度，已经成为碾压混凝土坝体施工组织设计和决策管理发展的方向[12-17]．

传统的仿真分析在处理碾压混凝土浇筑合仓问题时，大都主要根据机械入仓强度、混凝土初凝时间和碾压层厚度反算出最大可合仓面积，并据此确定合仓坝段数，没有充分反映碾压混凝土坝的施工工艺特点．近年来，国内有学者通过多次仿真实验来完成对仓面规划方案和施工组织方案的优选，但并没有真正将施工合仓的动态模拟引入到施工进度的全过程仿真系统当中．针对此问题，本文结合三维实体建模技术和数据库技术等，通过系统分析影响坝块选择和仓面划分的各种因素，综合考虑了各项有关坝体上升、进度控制的原则约束，实现了耦合动态合仓模拟方法的碾压混凝土坝施工全过程动态仿真．

此外，现有的碾压混凝土坝施工仿真大都采用结构化设计和面向过程的编程方式，这种采用搭积木的方式组成整个系统，忽视了碾压混凝土坝施工系统内部的联系，其结果通常可读性差，不便维护，尤其是具体工程改变后，系统需要修改或重新开发，可重用性差．为解决以上问题，本文在碾压混凝土坝施工进度的全过程动态仿真中引入了面向对象的系统仿真技术；碾压混凝土坝施工系统由混凝土运输和仓面浇筑两个子系统组成，以往认为混凝土运输子系统中不同上坝运输机械组合的入仓强度近似符合正态分布，通过可视化界面将根据传统经验和工程类比得到的参数手工输入到系统中，然后在模拟过程中依据概率统计产生的入仓强度对仓面浇筑子系统进行仿真．本文以循环网络模拟技术为基础，将混凝土运输和仓面浇筑2个子系统有机地结合起来进行一体化仿真，以各时刻的运输上坝方量代替近似入仓强度，较逼真地预演了碾压混凝土坝的施工过程．

1 面向对象的碾压混凝土坝施工全过程动态仿真

面向对象仿真的本质并不在于采用了某种面向对象的程序设计语言，而在于它引入了一种新的仿真建模思想和方法，因而有其独特的一套仿真建模框架体系，它不依赖于任何编程语言[18]．由于面向对象的方法的分析、设计和实现系统的观点与人们认识世界的思维方式极为一致，因而将它应用于计算机仿真领域增强了仿真研究的客观性，易于理解，同时又具有可扩展性和可重用性[19]．文中采用面向对象的方法和Visual C++6.0开发平台，研发了碾压混凝土坝施工仿真系统(roller compacted concrete dam construction simulation software，RCCDCSS)．

1.1 面向对象分析

按照面向对象的软件开发步骤，建立碾压混凝土坝施工全过程动态仿真模型需要对仿真系统进行面向对象分析(object-oriented analysis，OOA)，即进行识别对象和划分层级．按照仿真模型属性，系统模型包括实际映像类模型和支持控制类模型．实际映像类模型是指作为碾压混凝土坝实际施工过程映像的模型对象，支持控制类模型是指与描述系统结构、支持逻辑关系以及控制仿真过程相关的模型对象．另外，还需定义各个类的属性和相互之间的操作，设计一个符合规范的接口，从而实现模型对象之间系统结构和逻辑关系的确定，以及它们之间通过发送消息进行的交互．

碾压混凝土坝施工动态仿真模型的系统分类和层级结构如图1所示．

1.2 面向对象设计

面向对象设计(object-oriented design，OOD)阶段的主要任务是在OOA阶段所建立的模型系统的基础上，综合考虑有关系统实现的各种因素，完成对象的设计和系统体系的确定，主要包括对象设计和系统设计．对象设计主要是设计每个类特有的属性结构和行为过程，例如每个属性的数据结构和行为的实现算法．系统设计是为了使软件系统形成逻辑清晰的层次结构．本系统分为模型参数、方案设计、仿真计算以及成果展示4个大模块，系统的层次结构如图2所示．

图1 模型的系统分类和层级结构示意Fig.1 Classification and hierarchy of the model

图2 RCCDCSS系统结构示意Fig.2 System structure diagram of RCCDCSS

2 碾压混凝土坝施工全过程的一体化仿真

碾压混凝土坝施工由混凝土运输和仓面浇筑2个子系统组成．混凝土运输子系统(以其中最主要的自卸汽车直接上坝入仓方案为例)是由装料、运料、卸料、空返等组成，是循环的周而复始的运行过程．而循环网络模拟技术(simulation technique of cy-clic network)把排队理论、计算机仿真技术与网络计划技术结合起来，正适用于模拟具有循环特征的建设生产过程．本文采用了上述技术，用一个离散事件动态系统网络模型对混凝土运输上坝过程进行描述，节点用来表示车辆在运行过程中的滞留活动，矢线表示车辆的流动方向和各滞留活动发生的次序．另外，碾压混凝土坝仓面浇筑子系统是一种特殊的、复杂的、多级的随机有限源排队服务系统(其中，以浇筑机器为“服务台”，以施工仓块为“服务对象”)．由于碾压混凝土坝多坝段合仓浇筑的特点，系统构建排队服务规则时，要充分考虑各浇筑仓位的空间层次关系、混凝土入仓手段和分期分段的施工工序等因素，同时还要结合仓面的规划方案来判断坝段是单独接受施工机械的浇筑服务，还是等待相邻坝段合为同一浇筑仓后共同接受服务．

混凝土运输和仓面浇筑是2个相对独立却又相互影响和制约的子系统，联系两者的桥梁与纽带就是混凝土运输上坝方量．碾压混凝土坝施工过程如图3所示．由图3可见，混凝土运输子系统卸料的结束即是仓面浇筑子系统混凝土摊铺的开始．如果混凝土的运输入仓强度不能满足仓面浇筑碾压的需求，则会延误仓面的施工；相反，如果仓面浇筑强度达不到运输的上坝方量，则会要求混凝土运输子系统减少入仓方量．可见，保证两者的协调一致是进行碾压混凝土坝施工过程一体化仿真的关键．

图3 碾压混凝土坝施工过程示意Fig.3 Sketch of construction process for roller compacted concrete dam

为了能够对2个子系统进行一体化仿真，本文采用了最小事件步长时钟推进法．在程序中设置了2个主导实体：一个是自卸汽车，用来在混凝土运输子系统中推进仿真时钟的运行；另一个是各施工仓面上的碾压铺层，用来控制坝体的上升．仿真中，当进行仓面混凝土施工时，仿真时钟的控制权属于混凝土铺层；当仓面的施工工艺结束后，控制权被移交给运输子系统中的汽车实体．控制权在2个主导实体之间交替变换，循环往复，直至整个仿真过程结束．

3 基于碾压混凝土坝施工全过程仿真的动态合仓

碾压混凝土坝施工工艺的突出特点为多坝段合仓、连续和快速浇筑．在仓面浇筑子系统中，仓面划分方案随着坝体的不断升高具有动态变化性和后效性，即每一个浇筑仓位接受浇筑服务后对其他仓位的状态和边界条件会产生影响，每一次浇筑服务完成后，都要重新调整合仓规划．优化坝段组合，使仓面划分合理的目的是使大坝施工的各项关键指标(包括混凝土浇筑工期、坝体施工强度的均衡度以及浇筑机械的利用率等)达到协调较优[20]．本文在进行碾压混凝土坝施工全过程进度仿真与动态优化研究过程中综合考虑各项限制条件的约束，对碾压混凝土坝的施工仓面进行动态划分，即动态合仓．

3.1 数据采集与处理(仿真前处理)

由图2可知，仿真模型的参数包括综合参数、形体参数、体积参数、机械参数、时间参数和施工参数．在进行施工仿真的前处理时，获取形体参数和体积参数的方法就是根据CAD资料中的地形、坝基开挖、各类型坝段的剖面尺寸和混凝土分区情况，在三维建模工具Rhino中，利用非均匀有理B样条(nonuniform rational B-splines，NURBS)数据结构，构造出坝体的三维精细模型，如图4所示．利用Rhino VBScript编程工具，以铺层为基本单元对坝体进行布尔切割后，可以得到各铺层不同混凝土浇筑区域的控制点坐标、面积和体积等基础参数．仿真所需的其他参数也可通过可视化界面手工输入到系统中．

图4 某碾压混凝土坝溢流坝段三维模型Fig.4 3D model of a roller compacted concrete dam’s overflow section

获得基础数据后，还需要进行进一步的处理，来构造仿真系统的实体对象．本系统采用动态分层分块的方法，机械对象是在仿真计算之前构造，而坝块是在仿真过程中动态创建的．为了能动态创建对象，需要将对象的属性数据存储到数据库中，铺层对象的属性包括编号、类型属性、起止高程、控制点坐标、混凝土量、入仓浇筑机械、所属的约束区类型以及铺层状态等，其数据分别从属性参数和铺层形体参数中取得后，存入Microsoft Office Access数据库．有了铺层数据库，就可以在仿真中动态地调用铺层数据来构造浇筑坝块．

3.2 可浇筑坝块的动态选择

可浇筑坝块就是混凝土大坝施工中符合浇筑条件的坝块．施工过程中的同一时刻面貌下，考虑各种影响因素和限制条件(例如：坝体结构形式、施工机械的种类与利用程度、混凝土间歇时间、廊道施工干扰、金属结构及设备安装工程影响、天气气候状况等，且很多因素都是随机变化的)，只能选择部分仓块进行浇筑．在仿真计算过程中，如何确定这些坝块，并进一步选择即将浇筑坝块是大坝混凝土浇筑仓位进度安排的一个重要问题．

然而，整个坝体的坝块成千上万，影响因素和限制条件复杂多变，可浇筑坝块的安排是一项即复杂又困难的工作．根据均衡施工、优先选择低高程坝块等原则，在计算机仿真程序中构建逻辑判断模型做可浇筑坝块的扫描和初选，即进行概括性的施工进程编排，其选择流程如图5所示．然后调用内嵌的专家系统(expert system，ES)来调整仿真控制参数以适应随机变化的边界约束，辅助可浇筑坝块的动态决策和安排．这样在满足控制性计划和资源合理分配的前提下，既实现了计算机的快速高效处理，又科学地利用了领域内专家的知识和经验，同时体现了设计施工中决策的灵活性．

3.3 施工仓面的动态划分(动态合仓)

在基于动态合仓的施工仿真过程中，根据模拟时钟的当前面貌，动态仿真模型首先选定了优先值最高的可浇筑坝块，分别向左右相邻坝段扫描，调用合仓控制模块进行合仓判断，决定是否需要添加合仓约束进行合仓等待，具体的动态合仓流程如图6所示．当相邻可浇筑坝段经判断满足高差相等或接近、混凝土入仓手段类型相同等条件，且合仓后所需上坝入仓强度小于当前时刻系统剩余供应强度时，则可进行合仓施工．仿真模型系统以各浇筑仓块为主导实体，以其施工状态的循环变迁为主线，采用下一事件推进法驱动系统状态的不断更新，直至仿真结束．

图5 可浇筑坝块选择流程Fig.5 Flow chart of the choice of the dam block which can be poured

图6 碾压混凝土坝施工动态合仓流程Fig.6 Flow chart of dynamic combination for working units in roller compacted concrete dam construction

为了使仿真模拟更加贴近碾压混凝土坝的实际浇筑过程，基于动态合仓的施工仿真需要考虑多项边界条件的约束．

(1) 入仓方式可控制最大仓面面积．进行碾压混凝土的合仓规划，要考虑不同浇筑时段、不同施工部位、不同高程仓面大小，不同季节不同气候条件下混凝土的初凝时间，不同的铺料层厚等各种因素．推算最大可控合仓面积计算公式为

式中：maxS为最大可控仓面面积；P为各时刻对应混凝土运输子系统中的上坝方量；st为碾压混凝土的初凝时间；tΔ为辅助作业时间(例如铺设冷却水管)；H为铺料层厚．同时，仓面划分面积不能太大，仓面太大运输机械布置较多，而且要求的混凝土系统的生产强度较大，所以根据工程类比，规定合仓浇筑面积不超过设定的最大值．

(2) 合仓坝段之间的高差限制．当前面貌下的相邻的几个碾压混凝土坝段只有其高差为零或者在允许范围之内时，才能合并为同一仓块共同进行浇筑．

(3) 合仓坝段类型约束．多坝段大面积合仓连续浇筑是碾压混凝土坝施工工艺的独特之处，同为碾压混凝土坝段才可进行合仓．

(4) 碾压混凝土入仓方式约束．为了尽量缩短运输距离和减少运输时间，从而达到高质、高效的快速施工，坝体施工过程中往往会综合采用多种混凝土入仓运输方式，而可合仓坝段的入仓方式必须相同，且可提供足够的强度．

(5) 碾压混凝土生产系统设置规模的限制．相应拌合楼设置的单位时间碾压混凝土的生产能力是否满足合仓坝块浇筑强度的要求，是制约坝体薄层大面积连续浇筑上升的重要因素之一．

(6) 其他限制因素．除了上文提到的影响因素外，施工仿真动态合仓还要考虑坝体的特殊结构形式、仓块的浇筑工艺相同与否、其他项施工干扰(例如厂房引水隧洞施工)、导流程序、控制性节点工期、混凝土温控以及当地自然环境因素等．

4 实例应用

云南省某大型水电工程位于澜沧江上游河段，该梯级为澜沧江上游河段规划7个梯级中的第5个梯级，电站以发电为主，兼顾其他综合效益．该工程碾压混凝土重力坝最低建基面高程1,422,m，坝顶高程1,625,m，最大坝高203,m，坝顶长464,m，共分20个坝段．

对该碾压混凝土重力坝的施工全过程进行动态可视化仿真计算研究，如图7所示．根据国内外碾压混凝土坝施工经验，结合本工程实际条件，坝体碾压混凝土绝大部分采用自卸汽车入仓至尽可能达到的高程，在形成自卸汽车入仓道路代价太大的部分则采用皮带机(或自卸汽车)+满管泄槽+转坝面汽车方式入仓，并统筹考虑上、下游混凝土系统生产能力平衡综合及仓面规划，碾压混凝土以下游混凝土系统供应入仓为主，上游混凝土系统为辅供应入仓．

仿真开始时间为工程开工后的第4年9月1日(用4-9-1表示，以下类似)，大坝的混凝土总量为369.8×104,m3，仿真计算得到总工期为36个月，至第7年8月底浇筑结束，验证大坝的汛期挡水高程均能满足要求．坝体浇筑的最高强度出现在第5年10月，强度值为20.08×104,m3/月，如图8所示．计算结果符合工程施工规律，各项指标均符合当前国内外大型工程的实际施工水平．

图7 大坝施工过程的三维动态演示Fig.7 3D dynamic demonstration for dam construction processes

仿真结果表明坝体共被分成了1,002个坝块，而浇筑坝块只有564块，可见有近一半的坝块进行了合仓浇筑．限于篇幅，仅将部分的施工仿真明细数据列出．表1为每月月底各坝段的浇筑高程，其中的数据表示对应坝段在施工期各个月底浇筑到的海拔高程，灰色区域表示合仓浇筑的碾压混凝土坝块，例如从第5行可以看出：8#～10#坝段第5年1月从海拔1,441.5,m合仓浇筑到1,450.5,m，从而以简明直观的形式展示出大坝碾压混凝土随高程变化的合仓情况．表2为各浇筑坝块的施工信息．

图8 混凝土浇注强度统计Fig.8 Statistics of concrete construction intensity

表1 每月月底各坝段的浇筑高程Tab.1 Elevation of each section at the end of every month m

表2 浇筑坝块的施工信息Tab.2 Construction information of dam block

5 结 语

在碾压混凝土坝施工进度的全过程动态仿真中耦合了动态合仓的模拟方法，提高了仿真计算的灵活性，并通过对实际工程的分析，验证了基于施工仿真的动态合仓模型的可靠性，为工程的可行性论证和实际施工提供了论据．从而，对提高碾压混凝土坝工程设计水平与效率、指导工程的实际施工有着积极的促进作用．

引入面向对象的仿真方法，改进了碾压混凝土坝施工全过程动态仿真系统的建模理论，提高了仿真建模的效率以及系统维护和扩展的灵活性；提出把碾压混凝土坝施工中相对独立的两个子系统，即混凝土运输子系统和仓面浇筑子系统进行统一的一体化仿真，使仿真成果更符合碾压混凝土坝实际施工的一般规律．

随着计算机技术和系统仿真技术的进步，碾压混凝土坝施工进度仿真的理论研究和推广应用充满了广阔的前景，在水利工程建设中将继续发挥重要的作用．

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Schedule Simulation Coupled with Dynamic Combination of Working Units for Roller Compacted Concrete Dam Construction Processes

Chang Haotian，Zhong Denghua，Wang Shuangqi，Chen Yongxing
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

To fit characteristics of large area and multiple sections combination，the simulation for RCC dam constrution processes is brought out，which is coupled with the method of dynamic combination for working units. The precision of simulation modeling has been improved by using the technology of 3D modeling and database. That is，in the process of simulation，various constraint conditions are considered synthetically，and the dynamic choice of the dam block which can be poured and the dynamic division of concrete working units are realized. Besides，based on VC++，the thought and methodology of object-oriented simulation are introduced，the technology of Cyclic Network and Queue Service System are combined，and object-oriented dynamic simulation and construction integration simulation are realized. Therefore，the simulation results are achieved to be close to that of the actual construction. It is successfully applied in a hydroelectric construction in Yunnan province of China，and is helpful for the decision of its design and construction.

roller compacted concrete dam；simulation for construction processes；dynamic combination of working units；object-oriented technology；integration simulation

TV642.2；TP391.9

A

0493-2137(2013)01-0029-09

2011-09-11；

2012-02-23.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB035904)；国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021004)；天津市应用基础及前沿技术研究计划资助项目(12JCZDJC29200)．

常昊天（1986— ），男，博士研究生，changhaotiancai@126.com.

钟登华，dzhong@tju.edu.cn.