（水工结构工程专业论文）小湾工程大坝混凝土浇筑施工计算机仿真系统研究.pdf

中文摘要高混凝土坝施工系统是一个复杂的系统，施工过程中存在一些不确定因素的影响，致使机械效率不能正常发挥以致影响施工进度。为了使施工项目按期、高质量的完成，需要制定合理的机械布置方案，监测实际施工进程，评估实际施工效果，分析影响施工进程的因素，调整后阶段的施工计划，对旌工过程机械实施有效的管理和控制。本文主要研究以下几方面的问题。首先用系统仿真的基本原理对混凝土坝施工系统进行分析。用系统的观点，从系统的角度来看，混凝土坝施工是一个系统。首先通过对混凝土坝施工系统存在问题状况的分析，确定该系统的目标，然后确定系统的构成部件及其功能、部件间的关系，系统的影响因素，最后提出混凝土坝施工系统计算机模拟的辅助决策模型。然后利用面向对象方法( o o m ) 建立了小湾混凝土坝施工系统的计算机模拟模型。由于面向对象的方法更符合人类认识客观世界的方式，o o m中的对象、类及类继承、封装等概念与现实世界贴近，这为模拟模型的构造提供了方便。在系统分析的基础上，通过分析传统结构化方法的不足，重新研究了小湾混凝土坝施工系统的构模。分析了小湾工程缆机联合浇筑规则和缆机干扰控制的重合度规则，对充裕度的概念和规则进行了定义，并分析了充裕度与重合度之间的关系。对小湾混凝土浇筑计算机仿真系统进行设计，提出了设计原则、结构、所需模型和数据。建立了小湾混凝土浇筑计算机仿真系统。结合小湾工程实例对大坝施工进行模拟计算，并对计算结果进行了详尽的分析。关键词：混凝土坝施工，系统分析，面向对象方法，计算机仿真，充裕度a b s t r a c ti nt h ec o n c r e t e - d a mc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h e r ea r em a n yu n c e r t a i n t i e si n f l u e n c i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，w h i c hr e s u l t si nt h el o we f f i c i e n c yo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e s t h e r e f o r et h ec o n c r e t e d a mc o n s t r u c t i o ni sac o m p l i c a t e ds y s t e m i no r d e rt oc o m p l e t et h ec o n s t r u c t i o np r o j e c to ns c h e d u l e ，i ti sn e c e s s a r yt om a k et h er i g h ts c h e m eo fm a c h i n e sd e p l o y m e n t ，e v a l u a t et h ee f f e c to fa c t u a lc o n s t r u c t i o n ，a n a l y z et h ef a c t o r si n f l u e n c i n gc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，f o r e c a s tt h ec o n s t r u c t i o nd e v e l o p m e n tt r e n d ，a n da d j u s tt h ec o n s t r u c t i o np l a no fl a t e rw o r k s ，m a n a g ea n dc o n t r o lt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s se f f e c t i v e l y t 1 1 i sp a p e rs t u d i e dt h eq u e s t i o n sa sf o l l o w s f i r s t l y , i no r d e rt om o d e lt h ec o n c r e t e d a mc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h ec o n c r e t e d a mc o n s t r u c t i o ns y s t e mh a sb e e na n a l y z e du s i n gs i m u l a t i o nt h e o r y b a s e do nt h es y s t e mt h e o r y , t h ec o n c r e t e d a mc o n s t r u c t i o ni sab i gs y s t e m a n a l y z i n go fa c t u a lc o n d i t i o no fc o n c r e t e d a mc o n s t r u c t i o ns y s t e m ，t h es y s t e m so b j e c t i v e sw e r ed e t e r m i n e d ，t h es y s t e m ss t r u c t u r ea n df u n c t i o no fe a c hs t r u c t u r ew a sd e f i n e d ，t h er e l a t i o nb e t w e e ns t r u c t u r e sw a sr e v e a l e d ，a n dt h e nas i m u l a t i o nm o d e lo fc o n c r e t e d a mc o n s t r u c t i o ns y s t e mw a sp r e s e n t e d w ea p p l i e dt h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ( o o m ) t oe s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fx i a ow a nc o n s t r u c t i o ns y s t e m t h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ( o o m ) i si na c c o r dw i t ht h em a n n e ri nw h i c hm a n k i n du n d e r s t a n dt h ew o r l d n l ec o n c e p f i o n so fo o ms u c ha so b j e c t ，c l a s s ，i n h e r i ta n de n c l o s ea r ec l o s et ot h er e a l i t ya n dw h i c hm a k et h em o d e l i n gp r o c e s se a s y a f t e rt h es y s t e ma n a l y s i so f t h e ，c o n s t r u c t i o ni nc h a p t e r2 ，w er e s t u d i e dt h em o d e l i n go fc o n c r e t e d a mc o n s t r u c t i o ns y s t e m ，e s t a b l i s h i n gam o d e lo fc o n c r e t e d a mc o n s t r u c t i o ns y s t e ms i m u l a t i o nb a s e do nt h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ，w h i c ho v e r c o m et h es h o r t a g eo f t r a d i t i o n a ls t r u c t u r a lm e t h o d w ea n a l y z e dt h ef o r m u l ao ft h ec r a n em a c h i n e sw o r k f l o wa n dt h es u p e r p o s i t i o nd e g r e eu s i n gi nc o n f l i c t sc o n t r o lw h e nm a n yc r a n e sm a c h i n ew o r k i n gt o g e t h e r a b u n d a n ti n t e n s i t yi sd e f i n e da n ds o m ec h a r a c t e r so f t h ec o n c e p t i o ni sr e v e a l e d t h e ns o m ed i s c u s s i o n sa r em a d ei nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h es u p e r p o s i t i o nd e g r e ea n da b u n d a n ti n t e n s i f y x i a ow a nd a mc o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o ns y s t e m sd e s i g np r i n c i p l e ，d e s i g nm e t h o d ，s y s t e ms t r u c t u r e ，m o d e l i n ga p p r o a c ha n dd a t ao r g a n i z a t i o na r ea l s os p e c i f i e dt os o m ee x t e n t x i a ow 抽d a mc o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o ns y s t e ma p p l i c a t i o ni sd e v e l o p e d w eu s e dt h ex i a ow a np r o j e c ta sa ne x a m p l et ot e s tt h ea p p l i c a t i o n t h es i m u l a t i o no f t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s si sd o n ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l th a sb e e na n a l y z e di nd e t a i li nt h i sp a p e r k e y w o r d ：c o n c r e t e - d a mc o n s t r u c t i o n ，s y s t e ma n a l y s i s ，o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，a b u n d a n ti n t e n s i t y独创性声明本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。靴敝储獬钐签字日期：沙y 年月r 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权垂注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：够签字日期：俨y 年7 月r 日导师签名：私越签字日期：泸笋年月归第一章绪论第一章绪论1 1 研究背景混凝土坝在高坝中占的比重较大，特别是重力坝和拱坝最普遍。混凝土坝浇筑施工是水利水电工程建设过程中的主要环节，其施工速度和质量直接影响着工程建设的工期和质量。由于受到结构形式、自然环境、温度控制、资源等各种因素的影响，需要制定切实可行的大坝浇筑施工计划并在实施过程中分析各种因素的影响。混凝土坝施工系统是一个复杂的系统，如何考虑各种因素的影响，以及对大坝浇筑旋工阶段对机械布置实施有效的管理与控制是设计与施工管理人员时刻面临的问题。尤其是对施工管理人员来说，既要时刻了解产生差异的原因、预测未来施工发展趋势、调整未来的施工计划，又要控制实施过程中各种因素对于旌工进程的影响。目前国内外普遍采用以网络计划技术为基础的控制方法和手段。网络计划技术在发现某单项工程或工序是否拖延，发现其对相关工作的影响及对总工期的影响方面具有优越性。但是网络计划的基础数据即某单项工程或工序的持续时间的确定是一个复杂、涉及面十分广泛的问题，它是根据经验或参考已建工程的统计资料，经分析判断确定的。影响工作持续时间的最基本因素是工作量、资源投入、资源组合方案和工效，在施工实施之前，这些都是靠预测确定。水利水电工程具有单件性，没有任何一个工程与其它工程完全相同，加上水文、气象等不确定因素的影响，这种事前预测的数据往往偏差较大，致使施工阶段的控制出现困难。混凝土坝施工过程中，如何合理的安排施工机械的布置，最大限度的发挥机械的利用率，使工程能够按期高质量的完成，是当前所面临的问题，也是本文的主要研究内容。1 2 计算机技术在工程施工管理与控制中的应用计算机从产生以来就持续飞速发展且性能迅猛提高，目前已经广泛地应用到各个领域。1 2 1 计算机模拟技术在水利水电工程施工中的应用随着计算机科学和系统模拟技术的迅速发展，使得计算机模拟技术广泛应用于各个领域的复杂过程中。与此同时，计算机模拟技术在水利水电工程施工中也得到了应用。1 9 7 3 年第十一届国际大坝会议上d h b a s s g o n 结合混凝土重力坝提出了混凝土坝浇筑模拟 1 】。国内天津大学水利系旌工系统分析与管理研究室朱光熙教授等人结合工程实际首先进行了计算机模拟技术在水利水电工程施工中的应用研第一章绪论究，分析、考虑在各种施工影响因素的情况下，建立了施工系统的数学逻辑模型，开发了混凝土重力坝、拱坝、碾压混凝土坝、土坝等一系列坝型施工和施工场内交通运输的模拟软件成果，取得了好的效果，并基于系统模拟技术探讨了水利水电工程施工过程的管理与控制问趔1 】【3 l 】。混凝土坝施工过程计算机模拟具有以下特点【l 】：快速进行多种方案的比较；廉价：可靠性高。因为国内一些设计院和施工单位己采纳施工模拟方法和软件成果在旖工组织设计阶段制定施工计划，并应用于施工阶段管理与控制施工过程。但是以往的施工模拟系统都是采用结构化方法开发。传统结构化方法开发的模拟系统的数据和功能块分离，针对一个工程开发的软件系统不宣移植到其它项目中，且模型通用性、扩充性差，难以维护。随着计算机硬件系统的飞速发展、性能迅猛提高，软件系统的应用逐渐趋于大规模复杂化，人们对软件系统不断提出新的要求，如软件系统的通用性及开发中的重用性等。传统的结构化方法开发的系统具有代码可重用性及系统可扩充、可移植、易维护性等特点 2 1 。由于面向对象技术的应用，使得模拟模型获得很大的发展，发展起了面向对象模拟i 引、面向对象的模拟模型构造h 】【5 j 【6 l ，一体化模拟、动画模拟的先进模拟技术与模拟方法1 7 1 等等。由于面向对象技术中类和类继承的概念贴近现实世界，这为模拟模型的构造提供了方便途径，能够解决以往模型模拟较难构造的问题【3 4 1 。1 2 2 智能管理和决策技术在水利水电工程中的应用随着计算机技术的发展，计算机应用广泛渗透到各个行业，同样对工程建设管理带来了影响。8 0 年代中期，我国一些建筑企业开发出了首批实用软件，主要是数据库管理软件，主要用于各种台帐、统计报表管理【8 】。到了9 0 年代中期，计算机应用已涉及到施工企业的各个层面，主要集中于工程预算、财务会计管理、劳动人事工资管理、网络计划、材料设备管理等，形成一系列的管理系统、专家系统、综合管理信息系统。水利行业的计算机应用也日趋普及，首先在辅助设计、人事管理、档案管理、工资和财务管理等方面有了较为广泛的应用。针对水利水电工程施工管理这一特殊和复杂的管理工作，为了实现对工程建设全过程和全方位的信息管理与控制，开发了一些管理信息系统【9 】【1 0 。同时对于单项工程施工也开发了一些管理系统。但是水利水电工程施工过程中由于存在很多不确定因素的影响，如何针对这些不确定因素，对工程工期、质量、投资进行有效的管理与控制，对施工决策形成支持，这部分工作值得深入研究。2第一章绪论1 3 计算机仿真在建筑工程施工中研究现状建筑工程施工系统是带有众多随机因素的复杂系统，难以用解析的方法对其进行分析研究。计算机仿真技术的发展为建筑工程施工过程分析与决策提供了有效的工具。早先的施工仿真技术主要是循环网络仿真技术，它将排队理论和计算机仿真技术应用到网络计划技术中，对旌工循环过程和随机时间进行模拟，从而反映施工的循环运行过程。随后，循环网络仿真技术成功地应用于高层建筑工程、路桥工程、土方运输工程、管道工程、隧洞开挖工程、水利和港口工程施工中，并逐步发展形成了仿真软件系统c y c l i co p e r a t i o n n e t w o r k l l 2 ( h a l p i n ，1 9 7 7 年) ，即c y c l o n e 。在美国和加拿大，已经有2 0 多所大学c y c l o n e 作为门必修课，向学生介绍施工仿真的基本概念和理论。将随着计算机技术的不断发展，施工仿真技术得到迅猛的发展，在c y c l o n e 的基础上，又相继开发出了几种施工仿真软件如u m c y c l o n e ”】( i o a n n o u ，1 9 8 9 年) 和m i c r o c y c l o n e ”j( h a l p i n ，1 9 9 0 年) 。同时也出现了一些新的施工仿真软件包括i n s i g h t ”】( p a u l s o n ，1 9 7 8 年) 、r e s q u e 【l 叫( c h a n g ，1 9 8 7 年) 、c o o p s 【1 7 1 ( l i u a n d i o a n n o u ，1 9 9 2 年) 、d i s c o “j ( h u a n g ，1 9 9 4 年) 、c i p r o s l “1 ( o d e he ta 1 1 9 9 2 年) 、s t r o b o s c o pe 【2 0 1 ( m a r t i n e z a n d i o a n n o u ，1 9 9 4 年) 等。这些软件的开发和应用，促进了计算机仿真技术的发展及其在建筑工程领域中的应用和推广。虽然计算机仿真在工程领域中取得了一定的研究成果，但是大部分都局限在大学校园中的理论研究上，而仿真技术在施工企业中的应用还是有限的。仿真方法的复杂性以及施工管理人员缺少仿真理论知识和技术是仿真在施工管理中应用比较少的两个主要原因。随着计算机技术和软件技术的发展，为了推广和促进仿真技术在施工中的应用，a b o u r i z k 和r u w a n p u r a 提出了特定目的仿真( s p s )方法【2 ”。这种仿真方法不要求使用者对仿真技术有深入的了解和认识，只要他精通被仿真领域的知识就可以很容易的模拟那个领域的一个工程项目。a b o u r i z k同时开发了一个特定目的施工仿真建模的工作平台s i i n p h o n y 【2 2 1 ，它提供了许多强大的功能，可以使开发者易于控制开发工具中的各种行为，诸如：仿真行为、图形描述、数理统计以及动画等。这些开发工具( 或是模板) 为用户( 建筑工程师) 提供了构造模块，使他们不需很高的仿真技巧就可以为不同建筑领域建立仿真模型。s h i ，j 和a b o u r i z k 同时在1 9 9 7 年为特定类型旌工过程提出了一种基于资源的建模方法( r b m ) 【2 3 】，并开发了一个土方工程的自动建模系统。s h i ，j 还提出了基于活动的施工( a b c ) 建模与仿真方法1 2 ”，采用单一元素，如活动来建立施工过程模型，为施工仿真建模提供了一种简单可行的方法。在国内，天津大学在施工系统仿真建模方面走在了全国的前列。1 9 8 6 年，第一章绪论天津大学与成都水利水电勘测设计院首先将计算机模拟技术应用于二滩水电站双曲拱坝浇筑施工模拟。此后，计算机仿真在水利水电工程施工应用的范围不断拓宽，天津大学、武汉水利电力大学、大连理工大学等高校先后将计算机仿真技术应用于混凝土重力坝和拱坝浇筑、土石坝填筑、地下厂房系统开挖、地下洞室群开挖、溢洪道开挖等系统中，其中天津大学将引进的循环网络计算机模拟方法在二滩工程成功的应用于地下厂房系统模拟【2 5 j ；还开发了c o n s 循环网络模拟程序，在研究二滩地下厂房开挖和龙滩地下厂房开挖系统中与网络计划技术( c p m ) 结合实现了地下洞室群开挖的综合模拟【2 “，将排队网络模型与计算机模拟技术结合实现了水利水电工程场内交通系统的模拟【2 ”。武汉水利电力大学对天生桥一级电站溢洪道开挖系统进行了方案优选的模拟【2 ”，并对碾压混凝土浇筑及施工机械配套进行了仿真研究，其成果对于降低造价、保证工期具有重要意义j 。四川i 大学开发了t u n n e l 模拟系统，并将其用于小湾地下厂房洞室群开挖，为开挖提供了优化的施工方案1 3 0 j 。2 0 世纪9 0 年代初期，天津大学将计算机模拟技术与自适应控制系统结合，建立了堆石坝施工过程管理与施工控制模型，实现了模拟系统与模拟模型的自调整，使模拟模型参数可以根据实际施工情况自动调整，进一步使模拟模型能够反映实际，从而提高了计算机模拟结果作为控制目标的可靠性。大连理工大学对三峡大坝混凝土浇筑进行了实时仿真计算【3 2 】。随着计算机技术、数据库技术、软件技术、虚拟现实技术的发展，武汉水利电力大学在龙滩工程碾压混凝土坝仿真计算中将数据库引入模拟模型，并将三维动画技术用于混凝土施工仿真中，对混凝土大坝分块浇筑仿真的三维动画建模方法和实施手段进行了探讨，实现了混凝土浇筑的三维动画仿真田j 。天津大学在三峡大坝二期混凝土坝施工决策支持系统中将计算机模拟、数据库技术、三维动画技术、面向对象建模、控制理论结合用于三峡大坝混凝土浇筑过程模拟与控制取得了良好的效果【3 4 1 1 35 1 。另外还将计算机模拟与地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m , 即g i s ) 结合开发了地下厂房和隧洞开挖系统模拟可视化演示系统【3 6 】【3 7 1 。纵观近3 0 年来计算机仿真在建筑工程施工的研究成果可以发现，计算机仿真在施工中的应用范围从辅助施工组织设计扩展到结构设计、三维动态显示等；从仿真单一的混凝土浇筑到仿真土石坝填筑施工、导截流施工、地下工程施工等。应用目标从静态的方案优选发展到动态的实时控制等；从最初把仿真成果仅仅作为一种不重要的决策参考，逐渐发展成建筑工程、尤其是大型水电工程规划、设计和施工管理中不可缺少的技术手段1 3 8 l 。1 4 小湾拱坝施工特点与研究目的4第一章绪论小湾水电站大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高为2 9 2 米，坝体混凝土浇筑工程量达8 3 5 万方左右，是我国目前开工的最高的双曲拱坝。目前，施工组织设计确定的大坝浇筑施工方案采用缆机承担大坝施工过程中全部的混凝土浇筑、设备物资的调运工作，因此，缆机布置、浇筑过程中缆机工作状况直接决定大坝浇筑施工进度；另一方面，大坝混凝土浇筑过程中，存在工艺、温度控制、施工管理等诸多方面的要求，为了协调众多影响因素之间的关系，缆机在整个施工期间工作状态和工作条件是不一样的，由于进度要求布置5 台以上缆机，各个缆机的运行在空间、时间上必然会受到其他缆机的影响，即存在一定的干扰，而且，随着大坝的上升缆机的工作条件也发生变化，也就是说，不同的浇筑面貌缆机之间的干扰状况也是不同的。为了确定一个合理、可行的大坝浇筑施工进度计划，确保小湾电站大坝施工有节奏、快速、高质量地实旌，有必要以系统的观点，通过建立一定的系统模型，来分析施工过程中各个要素之间的相互影响、相互制约关系，根据小湾大坝浇筑施工特点，本文的主要目的就是研究确定目前的缆机布置方案对大坝施工进度的影响，为最终选择缆机布置方案提供有说服力的依据。1 5 小湾拱坝计算机仿真系统设计思想研究方法混凝土坝浇筑施工存在诸多影响因素，这些因素之间相互制约、相互影响，要研究大坝浇筑施工进度，需要了解系统运行特征。根据科学方法论，要研究一个系统的动态特征，存在三种方法，其一是数学分析方法，例如，通过系统分析，将各个系统要素之间的关系表达成动态数学物理方程，通过求解得到系统的动态特征，这种方法，在处理非常复杂的系统时，有时是行不通的，例如，或者建立不了方程，或者建立的方程无法求解；另一种方法则是物理实验方法，物理实验方法是将系统特征经过相似化处理，通过实验确定系统的特征，这种方法有时也是无法实现的：第三种方法是结合以上两种方法，利用计算机进行实验的数学仿真方法。数学仿真方法常常被用来研究大型复杂系统。鉴于小湾工程施工特点和计算机仿真在国内许多大型电站大坝施工研究中的成功运用，本研究仍然采用系统仿真方法。计算机仿真小湾电站大坝总体混凝土工程量约8 3 5 万方，平均月浇筑强度在1 4 万方左右，考虑施工强度不均衡，月最大混凝土浇筑强度约为1 8 2 2 万方，混凝土施工工艺及浇筑面的工作情况对施工进度影响非常大，缆机数量约需要4 5 台，缆机之间的相互干扰影响可能较大，另外，考虑到施工过程中坝面所有物资、设备也第一章绪论需要缆机吊装，为了反映这些特点，在计算机仿真模型中需要将缆机之间的干扰模型化。另外，需要采用适宜的模拟机制，以便反映仓面吊装对大坝施工进程的影响。因此，系统仿真机制采用按时间步长递增的模拟方法。面向对象建模考虑到小湾工程大坝仿真系统需要能够处理多种混凝土浇筑机械，为了提高系统的可维护性、可移植性，需要采用面向对象的建模方法。仿真计算与控制考虑到目前小湾已有多个缆机布置方案，因此，为了为工程提供有益的参考，系统模型应该具有良好的可操作性，系统输入界面应该友好。以往的计算机模拟模型往往一次输入数据，然后模拟整个浇筑施工过程，鉴于工程实施过程中，往往根据工程已经形成的面貌调整施工方案、改变施工措施，本系统应该能够反映这一特点，因此本系统采用分阶段模拟方法。可视化功能为了更好地反映小湾大坝施工过程，在模拟过程中除了利用常规的图表表示模拟结果之外，还应利用可视化技术，实现大坝浇筑过程的三维显示；应该实现模拟全过程的查询。小湾大坝施工仿真软件的特点归结以上介绍，本系统存在以下特点：( 一) 软件开发特点1 、全面采用v i s u a lc + + 开发平台，软件操作简便；t2 、采用面向对象技术，使得本系统可以简便的处理多种类型的浇筑机械。3 、三维动画技术的运用，可以直观看出大坝上升过程：4 、采用w i n d o w s 界面，让使用者应用灵活。( 二) 软件的工程特点1 、提出了重合度的概念，运用重合度的概念将缆机的干扰控制数量化，利用充裕度的概念可以将缆机干扰、联合与仓面浇筑混凝土摊铺结合起来，使得缆机干扰、联合控制在仿真模型中得以很好实现。6第一章绪论2 、提出了分阶段模拟思想，使得可以在模拟过程中根据模拟面貌随时调整模拟规则和参数，以体现不同施工组织方案可能达到的效果，有利于在施工组织设计阶段尽可能多地研究大坝不同旌工时期的特征，分阶段模拟的另一个重要贡献是：当大坝施工过程中实际进度与计划进度出现偏差时，可以根据实际运行参数重新调整实际进度计划，并进一步模拟，研究赶进度所需要采取的措施。1 6 本文研究的问题混凝土坝施工系统是一个复杂的系统，如何考虑各种因素的影响，以及大坝浇筑施工阶段对机械布置实施有效的管理与控制是设计与施工管理人员时刻面临的问题。本文拟研究以下几方面的问题。第二章利用系统仿真的基本原理对混凝土坝施工系统进行分析。用系统的观点，从系统的角度来看，混凝土坝施工是一个系统。首先分析混凝土坝施工系统的特征，然后确定系统的构成部件及其功能、部件间的关系，分析系统所处的环境，系统的影响因素，最后提出混凝土坝施工系统计算机模拟的辅助决策模型。利用面向对象方法( o o m ) 建立了小湾混凝土坝施工系统的计算机模拟模型。面向对象的方法更符合人类认识客观世界的方式，o o m 中的对象、类及类继承、封装等概念与现实世界贴近，这为模拟模型的构造提供了方便。在第二章系统分析的基础上，通过分析传统结构化方法的不足，重新研究了小湾混凝土坝施工系统的构模。第三章分析了小湾工程缆机联合浇筑规则和缆机干扰控制的重合度规则，对充裕度的概念和规则进行了定义，并分析了充裕度与重合度之间的关系。第四章对小湾混凝土浇筑计算机仿真系统进行设计，提出了设计原则、结构、所需模型和数据。第五章建立了小湾混凝土浇筑计算机仿真系统。结合小湾工程实例对大坝施工进行模拟计算，并对计算结果进行了详尽的分析。7第二章大坝浇筑施工计算机仿真的基本原理第二章大坝浇筑施工计算机仿真的基本原理2 1 系统仿真的特点系统仿真是在不干扰真实系统运行的情况下，为研究系统的性能而构造并在计算机上按照特定的规则运行表示真实系统模型的一种技术。系统模拟的优点表现在它不影响和破坏真实系统，同时，能够反映真实系统的某些行为，与物理实验相比，它具有易改变、成本低的特点，另一方面，当真实系统的某些因素具有不可实验性时，模拟系统照样可以建立；与解析模型相比，模拟模型可以考虑众多因素，尤其当这些因素的作用机理非常复杂时，模拟模型的优越性就更加突出。因此，系统模拟是解决某些复杂系统的最为有效手段之一。按照系统状态的变化与时间的关系，可将系统分为连续系统和离散系统，连续系统是指系统状态随时间呈连续性的变化，离散系统是指系统状态仅在离散的时间点上发生跳跃性的变化。模拟技术应用到这两类系统中就产生连续系统模拟和离散系统模拟。研究混凝土坝施工系统模拟时，所关心的是各浇筑块在各个时间点上的高程、状态和各台机械在各时间点上的状态、服务对象、累积浇筑方量等，而这些变量都是随时间呈非连续的变化，故可看作离散系统进行模拟研究。2 2 系统仿真的基本原理2 2 1 离散事件系统模拟的基本概念( 1 ) 实体与主导实体：一个系统边界内部的对象称为实体，如坝体浇筑块、施工机械等，某个实体状态的改变直接影响整个系统状态的改变，这样的实体被称为主导实体。例如，大坝浇筑系统中柱状体实体。( 2 ) 属性：系统内实体的特性。( 3 ) 状态：系统状态是指在不同时间点上对系统实体、属性的描述。( 4 ) 活动：导致系统状态发生变化的过程称为活动。( 5 ) 事件：指系统状态发生变化的瞬间事变，如系统实体属性值的改变、实体状态的变化、一项活动的开始或结束。第二章大坝浇筑施工计算机仿真的基本原理( 6 ) 时钟：在模拟进行中，用来跟踪模拟时间当前值，并把模拟时间从一个值推进到下一个值的“机构”或变量。时钟有总时钟和子时钟之分，采用面向事件的模拟机制时，须对模拟系统设置一个总时钟和对每个实体设置一个子时钟；采用面向时间的模拟机制时，则只须设置一个系统总时钟。2 2 2 模拟时钟推进方法在离散系统中，系统状态的变化发生在离散时刻，是状态突变。在这类系统的模拟中，并不需要详细描述两个离散时刻之间所发生的细节，只需要知道各个事件的发生时间并按事件发生的顺序描述各时间点上的系统状态，即可掌握系统的动态变化过程。模拟时钟推进方法有下次事件时间推进法和固定增量时间推进法两种。( 1 ) 下次事件时间推进法：在模拟过程中每一事件发生时即确定下一个事件发生的时间，同时模拟时钟推进到最临近的将来事件( 第一个事件) 发生的时间，系统状态发生变化。此时，在系统状态改变的时问点上，第一个事件成为事实，根据此事件又计算出下一个事件发生的时间，模拟时钟继续推进，系统状态继续改变。( 2 ) 固定增量时间推进法：首先确定模拟时钟每次推进的时钟步长t ，时钟每次由t 推进t 到达t + a t 后就检查一次是否有事件发生，若有事件发生，相应地改变系统中相关实体的状态，并认为相应事件发生在t + a t 时刻。这种方法视时钟步长t 的大小可能会使模拟的信息不很准确或丢失一些发生在t 至t + a t 时段内的信息。但随着计算机性能、计算速度的飞速提高，可以将模拟时钟步长取得很小，使模拟达到所要求的精度。在混凝土坝浇筑施工中，采用固定增量时间推进法具有优越性。它可以使模拟过程统一在一个模拟时钟控制之下，在模拟时钟推进过程中，扫描所有筑块和机械，若其状态有变化则作为发生的事件记录下来。这种方法可以根据对模拟过程描绘的详细程度而设置固定时钟步长t 的大小。2 3 大坝浇筑施工系统分析9第二章大坝浇筑施工计算机仿真的基本原理作为大体积混凝土的坝体，由于混凝土凝结特性和凝结过程力学特性的影响，为了防止坝体开裂，往往采用分缝分块浇筑形式施工。这样大坝浇筑过程实际上是一个筑块间断、有节奏的上升过程，在这个过程里，混凝土拌和系统将骨料生产系统生产的骨料和水泥、水以及各种添加材料、掺合材料拌和形成混凝土，然后通过运输机械运至坝面上，最后坝面上的浇筑机械按照设计要求将混凝土吊装入仓、铺平振实，形成预定的( 平面上的模板限制的范围和高度上的设计高度范围) 浇筑块。混凝土坝施工过程除受到结构形式、工艺技术、组织方式及混凝土供应、浇筑设备能力和效率的影响和制约，还受到施工过程中不确定性的自然环境因素的影响。从而可以把混凝土坝施工看作一个系统。这个系统是处在一定的环境之中，具有一定的内部结构。一个混凝土坝浇筑施工系统可以用以下示意图2 - 1 来表示。从图2 一l 可看出，混凝土坝施工过程是一个从混凝土制备、混凝土运输到混凝土浇筑的过程，可据此将混凝土坝施工系统划分为混凝土拌和子系统、混凝土运输子系统和混凝土浇筑子系统三个子系统。拌和系统拌和混凝土，在装料处将混凝土装车，而运输车辆将混凝土运至浇筑系统的卸料处，由此可见，运输系统可以看成一个固定服务台与固定目标的有限元服务系统，因为拌和系统的自动化程度较高可以不作为考虑的重点，而运输系统的运输主要取决于浇筑的混凝土需求量。各系统既可以为它的下一个环节提供服务，又可以接受上一个环节子系图2 - 1 混凝土坝浇筑系统示意图l o第二章大坝浇筑施工计算机仿真的基本原理统的服务，例如，水平混凝土运输子系统接受拌和子系统的服务，同时为垂直混凝土运输系统提供服务。在这个服务系统中，所有各级服务综合的服务对象为设计的大坝子系统。在大坝浇筑这个服务系统中，由于各个环节存在相互协调、相互影响，同时还受到施工系统所处的环境因素的影响，为此可以用系统模拟的方法，模拟系统的行为。并通过模拟了解大坝浇筑过程中的信息，从而为制定大坝具体浇筑进度计划、实施施工管理与控制提供服务。l 混凝土浇筑叫浇筑机械j尊l 混凝土拌和叫拌和机械i图2 2 混凝土坝施工服务系统影响水电工程大坝浇筑的因素众多，对大坝浇筑各个环节不分主次进行模拟是不现实的，也是没有必要的。为此，需要在系统分析的基础上对那些不影响系统状态变化或影响系统状态变化程度很小的因素进行适当的简化，对重点系统进行构模，而对非重点系统进行一定的假设，简化系统之间的制约关系。在研究中，取大坝浇筑子系统、混凝土运输予系统和混凝土拌和子系统为研究对象，重点是研究大坝上升过程行为。2 4 浇筑施工系统模拟模型混凝士坝浇筑旌工模拟模型由模拟机制、数学逻辑模型和模拟规则构成。2 4 1 模拟机制为了能够反映大坝浇筑过程模拟中的细节，采用了面向时钟的模拟机制，模拟过程以固定时钟步长向前推进。该模拟机制的基本思想是：首先确定模拟时钟每次推进的时钟步长t ，时钟每次由t 推进t 到达t + a t 后就检查一次是否第二章大坝浇筑施工计算机仿真的基本原理有事件发生，若有事件发生，相应地改变系统中相关实体的状态，并认为相应事件发生在t + a t 时刻。这种方法视时钟步长t 的大小可能会使模拟的信息不很准确或丢失一些发生在t 至t + a t 时段内的信息。但随着计算机性能、计算速度的飞速提高，可以将模拟时钟步长取得很小，使模拟达到所要求的精度。采用这种机制只需设定一个总时钟值来跟踪模拟的进程，在这里用有效工作时间的序数值作为时钟计数器，设确定的一个时钟值为t ，对于时刻t ，根据确定的模拟规则( 由模拟对象的行为特征所决定) 预测t 时间的一个时间增量( 时问步长) at 内系统中各个对象活动将发生的状态变化，记录t + a t 时刻各个对象活动状态的变化，则完成一个过程的模拟。如此进一步增加时间步长，可以了解某一个时间段内系统的行为特征。2 4 2 混凝土坝浇筑施工的数学逻辑模型( 1 ) 模拟状态变量混凝土坝浇筑模拟过程中的主要实体有大坝浇筑块、浇筑机械、拌和机械，故主要描述这些实体的属性及其随时间的变化过程。( 1 ) 某坝块浇筑高程c u r e l 及累计浇筑方量c u m u v a l u ec u r e l = c u r e l + b l k h i g hc u m u v a l u e ：c u m u v a l u e + b l k v a l u e坝块浇筑持续时间：d u r a t i o n = b l k v a l u e a 1 1 a b i l i t y坝块高程约束：f o u n d e l c u r e l t o p e l其中：b l l 【i i g h 坝块浇筑层厚b 1 k v a l u e 坝块方量a l l a b i l i t y 浇筑机械合计浇筑能力f o u n d e l 、t o p e l 坝块基础高程、顶高程( 2 ) 某机械工作时间和浇筑( 拌和) 方量浇筑机械工作过程：p l a c e t i m e = p 1 a c e t i m e + d u r a t i o n拌和机械拌和时间：m i x e r t i m e = m i x e r t i m e + d u r a t i o n1 2第二章大坝浇筑施工计算机仿真的基本原理累计浇筑方量：p l a c e v a l u e = p l a c e v a l u e + p l a c e a b i l i t y * d u r a t i o n累计拌和方量：m i x e r v a l u e = m i x e r v a l u e + m i x a b i1i t y * d u r a t i o n其中：p l a c e a b i l i t y 、m i x a b i l i t u 浇筑能力、拌和能力( 2 ) 模拟决策变量( 1 ) 选择浇筑机械：按空闲机械工作时间最短的原则选择投入浇筑的机械。( p l a c e t i m e ) fm i n ( p l a c e t i m e ) 。对空闲机械= l2 ”( 2 ) 确定浇筑块：坝体最低块上升原则：( c u r e l ) 。= m i n ( c u r e l ) ，j = 1 2 “机械浇筑范围约束：对缆机y m i n y y x 。x x 。对其他机械d i s t a n c e 一 l e n g t h其中：y y 。缆机垂直坝轴线方向浇筑范围上、下限k 。x 。缆机沿坝轴线方向浇筑范围的上下限x 、y 缆机沿坝轴线方向和垂直坝轴线方向浇筑范围l e n g t h 浇筑机械的回转臂长d i s t a n c e 浇筑块与浇筑机械中心的距离( 3 ) 浇筑时间约束：对基础块c u r c l o c k f o u n d f i n i s h对已经浇筑块c u r c l o c k p l a c e t i m e + i n t e r v a l 2特殊部位坝块c u r c l o c k p l a c e t i m e + i n t e r v a l 3其中：f o u n d f i n i s h 基础处理完毕时问i n t e r v a l 2 、i n t e r v a l 3 已经浇筑块、特殊部位坝块的间歇时间( 4 ) 相邻块高差约束：第二章大坝浇筑施工计算机仿真的基本原理不同坝段间c u r e l ( i ) + b l k h i g h c u r e l ( j ) + m a x h i g h相同坝段间：c u r e l + b l k h i g h 一 c u r e l + p o s i h i g h ( 对上游块)c u r e l + b l k h i g h c u r e l + n e g a h i g h ( 对下游块)m a x h i 曲最大高差p o s i h i g h 、n e g a h i g h 最大正高差、最大反高差( 5 ) 机械运行干扰约束：总体以安全距离控制，不同机械类型有不同的控制规则，关于小湾工程情况在本论文的后面章节介绍。2 4 3 模拟规则系统中各个对象有各自的行为特征和运动方式，但是，这些对象的运动并不是彼此无关的，实际上，他们是彼此相关、互相协调，共同控制系统的行为。因此，建立模拟模型模拟系统的行为特征很重要的一点是：通过研究系统中各个对象的联系和系统中每个对象的行为特征，建立系统和每个对象的活动特征约束规则。( 1 ) 系统的行为特征模拟规则系统的行为特征主要体现在系统中各个对象的协同作用上，其基本规则如下：服务机制规则：作为一个离散事件系统和多级服务系统，系统行为的变化必须遵守一定的服务规则，采用的服务规则是“先到先服务”。这里的“先到先服务”规则的含义与通常的含义有所不同，坝块本身是静态的，但这里把它看作一个“动态”对象，所谓“先到”是指最先满足被服务( 浇筑) 条件的坝块，其中最先满足浇筑条件包含以下内容：一是工程计划人员确定的优先上升筑块顺序条件；二是坝体均衡上升条件，即通常所说的高程最低筑块优先上升准则；三是筑块上升的约束条件，诸如，高差限制、间歇期限制、工艺限制等。服务机构规则：一个活动的实现只能在具有服务