（水工结构工程专业论文）水利水电工程施工中的空间分析模型研究及应用.pdf

中文摘要 空间分析技术( s p a t i a la n a l y s tt e c h n o l o g y ) 是近年来发展起来的一个新型交 叉学科，它综合了拓扑学、几何学、统计学等相关领域的知识，并且与实际工程 关系紧密。本文在传统的空间分析技术的基础上，针对水利水电工程的特点，在 空间分析理论上进行了发展，重新探讨了施工空间的建模、空间冲突和空间冲突 识别解决机制等，开发了空间分析软件，并成功的应用于大坝仓面备仓施工的空 间分析中。本论文主要探讨内容如下： 1 ) 施工空间的建模：利用面向对象的方法对施工系统进行分析，将施工系 统根据空间分为施工人员空间、施工机械空间、施工对象空间、临时设备空间、 保护空间和危险空间。再根据不同的对象对空间上的不同要求将空间分为实体空 i w 、安全空间和工作空间。本文在对空间的相关概念的探讨基础上，对空间的重 要属性和不同空间之间的关系进行了探讨。本文还针对施工通道、材料堆放点进 行了一定的探讨。 2 ) 空间冲突识别机制和空间冲突解决机制：在水利工程中存在的大量的高 概率、高危害、高损失的事故大多数是由于空间冲突所致。本文在传统的空问冲 突的分类分级的基础上，用定性和定量的方法对空间冲突进行重新分类和分级。 传统的空间冲突解决机制很难满足工程施工的复杂性和多样性，针对这种情况， 本文提出了一种新的空间冲突解决机制，它是建立在工程空间系统分析的基础上 的，并且根据当前计算机技术的发展情况进行了细化，因而具有更大的可操作性。 3 ) 软件的开发：施工中存在空间冲突一方面会严重影响施工效率，另一方 面也可能带来经济损失甚至是造成施工事故，影响工程的安全生产。系统目的在 于消除或者尽量减少施工中存在的空间冲突，以提高施工效率、减少经济损失以 及避免施工事故的发生。本文针对施工空间进行建模，运用崭新的m i c r o s o f t n e t 平台，对施工空间进行分析，从而发现施工中存在的空间冲突，并且软件还针对 不同种类的空间冲突结合进度计划提出可行解决方案。 论文最后将本系统成功的应用到某水利水电工程施工中。在水利水电工程 中，大坝仓面各仓是大坝施工的一项重要内容，仓面能否按时各仓将直接影响到 该浇注块的浇筑是否能够按期进行，进而影响到整个大坝工程的进度。大坝各仓 活动工序繁多，空间资源又十分有限，因此往往会造成空间冲突。论文将本系统 应用到大坝仓面的备仓施工中，通过结合工程实例的分析，可以看出：空间分析 是工程旅工中避免空间冲突和对空间进行优化布置的一种重要的方法，有效的应 用这种方法，能够加快和满足施工进度，避免工程延期减少工程中不必要的经 济损失。 关键词：空间分析，水利工程施工，空间冲突，空间规划，路径分析 a b s t r a c t s p a t i a la n a l y s tt e c h n o l o g yi san e w l yd e v e l o p i n gc o m p r e h e n s i v es u b j e c t ，w h i c h i n t e g r a t e sw i t ht h ek n o w l e d g ef r o mi n t e r r e l a t e df i e l d 。s u c h8 8t o p o l o g y , g e o m e t r y , s t a t i s t i c sa n ds oo n a n di ti sap r a c t i c a ls t u d yw h i c hi sb a s e do nt h el a r g e - s c a l e c o n s t r u c t i o n p r o j e c t b a s e d o nt h et r a d i t i o n a l s p a c ea n a l y s i st e c h n o l o g y , t h e d i s s e r t a t i o nd e v e l o p st h es p a t i a la n a l y s tt h e o r yt h r o u g hd i s c u s s i n gt h es p a c et y p e s ， s p a c ec o n f l i c t sa n ds p a c ec o n f l i c t ss o l u t i o n t oa d a p tt ot h ec o n s t r u c t i o no ft h e h y d r a u l i ca n dh y d m p o w e re n g i n e e r i n g f o u n d e do nt h et h e o r ya b o v eac o r r e s p o n d i n g s o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e da n di ti ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h es p a t i a la n a l y s i so f t h ep r e p a r a t i v ec o n s t r u c t i o no fd a ms i l o s o m ed i s c o s s i o n sa n di m p r o v e m e n t sa r e a c h i e v e da sf o i l o w s ： d i g i t a lm o d e lo f t h ec o n s t r u c t i o n s p a c e ：b a s e d o nt h e a n a l y s i s o ft h e c o n s t r u c t i o ns y s t e mu s i n gt h eo b j e c t - o r i e n tm e t h o d ，t h ec o n s t r u c t i o ns p a c ei sd i v i d e d i n t ot h ec o n s t r u c t i o np a r t i c i p a t o r ss p a c e ，c o n s t r u c t i o nf a c i l i t i e ss p a c e ，w o r k i n go b j e c t s s p a c e ，t e m p o r a lf a c i l i t i e ss p a c e ，p r o t e c t i o ns p a c e ，m e n a c es p a c e a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tu s a g eo fs i t es p a c e ，t h ec o n s t r u c t i o ns p a c ei sd i v i d e di n t ot h ee n t i t ys p a c e ， s a f e t ys p a c e ，w o r k i n gs p a c e t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ei m p o r t a n ta t t r i b u t e so ft h e s p a c ea n dt h er e l a t i o n sa m o n gd i f f e r e n ts p a c e w h a t sm o r e ，t h i sp a p e rd e a l sw i t h c o n s t r u c t i o nc h a n n e l sa n dm a t e r i a ls t o r a g ep l a c e s s p a c ec o n f l i c t s f i n d e ra n d s p a c ec o n f l i c t s s o l u t i o n ：b e c a u s eo ft h es p a c e c o n f l i c t s ，t h e r ea r eag r e a td e a lo fh i g h - p r o b a b i l i t y , h i g h - h a r ma n dh i 【g h l o s sa c c i d e n t s i nt h ec o n s t r u c t i o no ft h eh y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e ro n g i n e e f i n g an e ws p a c e c o n f l i c tc l a s s i f i c a t i o ni sm a d ei naq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ew a yi n t h i sp a p e r b e c a u s eo ft h ec o m p l i c i t ya n di m p r a c t i c a l i t yo ft h et r a d i t i o n a ls p a c ec o n f l i c t ss o l u t i o n ， an e w s p a c ec o n f l i c ts o l u t i o nm e c h a n i s mb a s e do nt h ec o n s t r u c t i o ns y s t e ma n a l y s i si s p r o p o s e d ，w h i c hi sm o r ec o n v e n i e n tt ob ed e v e l o p e di n t ot h es o f t w a r e s ot h a t t h i s m e c h a n i s mh a sm u c hm o r em a n e u v e r a b i l i t y s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ：t h es p a t i a lc o n f l i c t si nt h ec o n s t r u c t i o nn o to n l ys l o w e r d o w nt h ep r o j e c te f f i c i e n c y , b u ta l s om a k ec a p i t a ll o s se v e nb r i n gi ns e r i o u sa c c i d e n t s s oas o f t w a r ei sd e v e l o p e d ，w h i c ha i ma tr e d u c i n go re l i m i n a t i n gt h es p a c ec o n f l i c t ， a n di tc a nf i n a l l ym a k et h ee f f i c i e n c yi n c r e a s e d ，e x p e n s ec u td o w n ，a n da c c i d e n t s a v o i d e d i nt h i ss o f t w a r e ，n e ts t u d i oi su s e da sap l a t f o r m ，t h ed i g i t a lm o d e l si sb u i l t f o rt h ec o n s t r u c t i o ns p a c e ，a n dt h ec o n s t r u c t i o ns p a c ea n a l y s i si sm a d et of i n dt h e s p a c ec o n f l i c t s w h a t m o r e ，t h es o l u t i o ni sm a d et os o l v et h ed i f f e r e n tc o n f l i c t sw i t h i h ec o n s t r u c t i o ns c h c d u l e f i n a l l y , a na p p l i c a t i o no ft h es p a t i a la n a l y s i st h e o r ya n ds o f t w a r ei sp r e s e n t e di n ah y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e rc n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n t h ep r e p a r a t i v ec o n s t r u c t i o no f d a ms i l oi si m p o r t a n tf o rt h ed a mc o n s t r u c t i o n b e c a u s ei t sc o m p l e t et i m ei sd i r e c t l y r e l a t e dt ot h ec o m p l i c a t i o no ft h ed a ms i l o sc o n c r e t ep o u r i n g , t h e p r e p a r a t i v e c o n s t r u c t i o no fd a ms i l o si sc r i t i c a lt od a m sc o n c r e t ep o u r i n ga n di na d d i t i o ni to f t e n c a u s e st h es p a c ec o n f l i c t sb e c a u s eo fi t sc o m p l e x i t ya n dt h es p a c er e s o u r c er a r i t y t h e s o f t w a r em e n t i o n e da b o v ei sa p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nt h ep r e p a r a t i v ec o n s t r u c t i o no f d a ms i l oi nl a s tc h a p t e ro fd i s s e r t a t i o n i nc o n c l u s i o n ，w ec a nm a k eac o n s i d e r a t i o n t h a tt h es p a t i a la n a l y s i si sa l l i m p o r t a n tm e t h o dt oa v o i dt h es p a c ec o n f l i c t s ，t o o p t i m i z et h es i t es p a c ei nt h ec o n s t r u c t i o n ，t os p e e dt h ep r o j e c tp r o g r e s s ，t oa v o i d p r o j e c tp o s t p o n e m e n t ，a n da l s ot or e d u c et h eu n n e c e s s a r yl o s so ft h ep r o j e c t k e yw o r d s ：s p a t i a la n a l y s i s ，h y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e rc o n s t r u c t i o n ，s p a c e c o n f l i c t ，s p a c el a y o u t ，p a t h sa n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈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，也不包含为获得鑫鲞盘鲎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。 ) 瞀做作者签名 签字日期：l 叼卜年月 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鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅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 月一日 别磁名1 仁逸 签字日期：开年月，) 同 第一章绪论 1 1 空间分析技术概述 第一章绪论 1 1 1 空间分析技术的诞生及其在国内外的研究现状 空间分析技术( s p a c ea n a l y s tt e c h n o l o g y ) 是近年来发展起来的一个新型交 叉学科，它综合了拓扑学、几何学、统计学等相关领域的知识，并且与实际工程 关系紧密【l l 【2 1 。空间分析技术的发展与人们对空间资源的重视程度的提高是密切 相关的【3 】。 当前，空间分析技术分为两个主要的发展方向一宏观空间( m a c r o 1 e v e l s p a c e s ) 分析技术和微观空间( m i c r o 1 e v e ls p a c e s ) ：4 1 。宏观空间分析技术， 主要是一种基于统计学和空间拓扑学的分析方法，针对大量的数据，分析这些数 据之间的拓扑关系和这些数据背后的一些统计规律，从而发现更加有价值的信 息。比如，根据大量的污染点数的位置和相关属性，来估计造成污染的原因，污 染源点的坐标位置，推算污染的可能发展趋势。当前广泛应用的地理信息系统 ( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ，g i s ) 软件大多都有空间分析模块，其运用的空 间分析技术一般就是这种宏观空间分析技术。微观空间分析技术，主要是针对某 个活动或者几个活动中存在的对象在空间和时间上的关系，研究它们的不同时空 关系对活动的进行带来的影响。比如，在土木工程中，有施工人员、施工机械、 施工对象、辅助设备等对象，研究这些对象在工程的进行中，在空间上对工程进 度的影响就是一种微观空间分析技术。在7 0 年代后期，由于土木工程管理方式 的进一步发展，人们发现空间资源对工程的影响非常大，因此这种立足于工程的 微观空间分析技术得到了长足的发展。本文所研究的水利水电工程施工中的空间 分析模型也是基于这种微观空间分析技术，所以在后文中所提到的“空间分析技 术”，没有特别注明的，都是指微观空间分析技术。 空间分析技术( 微观空间分析技术) 在土木工程中的应用是当前空间分析技 术的一个重要的发展方向【5 】。但是，由于土木工程具体施工中存在大量的对象， 而且每一个对象又有不同的特点，因此这种空间分析的数据量非常大，由于受到 了当前计算机技术发展的制约，当前这种理论大多应用到了市政工程的建设中， 而由于水利水电工程中每个工程之间差异较大，因此当前将这种理论成功的应用 到水利水电工程的施工中的例子还不多。空间分析技术起源最早可以追溯到上个 世纪7 0 年代，有一些美国学者对空间分析技术从理论上进行了一些探讨，但是， 它真难的发展和大量应用是从8 0 年代开始的。在8 0 年代，许多学者在空问分析 技术的完善和应用上做出了大量的宝贵的探索。s a n v i d o 建立了建筑工程中的 s a n v i d o 模型( 1 9 8 4 ) ，o g l e s b y 建立了h o w e l l 模型( 1 9 8 9 ) ，h e t r i c k 和k h a y y a l 建立 第一章堵论 了工程进展空间分析模型。但是，这些理论绝大部分只是把空间看着一种与工程 机械、材料等相类同的资源，而忽略了空间资源与其它资源相比具有的特点，低 估了空间因素在实际工程中的影响力。在实际工程中，由于工程的完工的提前将 带来巨大的经济效益，业主对于缩短工程进度的要求日益强烈，这就造成了空间 因素不只是一种简单的资源，而是一种重要的影响工程进度的控制因素。由于工 程进度的提前，往往会使得施工活动在单位时间上的需要更充裕的空间。但是， 施工活动的空间范围往往是有限的，这就在客观上造成容易发生空间冲突。在上 世纪9 0 年代到现在，对于空间冲突的研究是空间分析技术的一个研究重点。其 中最有影响的要数斯坦福大学的b u r c ua k i n c i ，m a r t i nf i s h e r 等研究团队，它们不 仅在空间冲突的模型建立上有所突破，而且还将这种发展成功的应用到工程实际 中。【6 】f 7 】【b 】【9 】 空间分析技术在国内的发展较晚，在7 0 、8 0 年代几乎是一片空白，进入9 0 年代后，清华大学在空间分析理论的引用上做出了大量的贡献。近些年，由于工 程发展的需要，空间分析技术在土木工程中的应用得到了进一步的重视。清华大 学和中建一局的张建平、邢林涛曾针对民用建筑施工利用空间分析技术研究了施 工场地的布置问题。但是，与目前国内大量应用的宏观空间分析技术相比，微观 空间分析技术的探讨在国内还比较少、应用范围也比较狭窄。 1 1 2 当前空间分析技术的几种研究方法 由于空间分析技术是一种应用型的技术，应用领域的差异性导致了研究方法 的差异性。当前国内外，空间分析技术研究方法可以分为以下四种1 1 0 j ( 见图1 1 ) ： 1 ) 静态空间规划分析法。在工程的施工空间中，根据一定的约束条件和规则， 把每个施工活动的施工空间在施工实际可利用空间中进行规划布置，以得到一个 在某一时间点上最优的空间规划。这是一种粗略的分析方法，其规划是由研究人 员定义的一些规则和约束来控制。对于一个具体的施工活动，它由许多施工要素 构成，如施工人员、施工机械、施工对象等构成，每一个施工对象又因为有不同 的空间要求而存在不同的类型的空间，静态空间规划分析法很难对这种多对象多 空间的情况进行规划和分析。 2 ) 区域分析法，有人又称之为平衡线分析法。对于一个工程工作面区域分析法 用一系列的线将这个工作面划分成不同的区域。一个施工活动，在不同的时问点 上，可以从一个施工区域转到另一个施工区域。这种方法一般用于在施工中的材 料堆放点和废弃物堆放点的规划中。 3 ) 路径分析法，路径分析法是根据一定的限制条件，为某一特定的运动体寻找一 2 第一章绪论 条不存在或者尽量减少空间冲突的移动路径。比如，在一个施工面中，材料的运输 路线，人员的行走路线，都可以利用这种方法生成。另外，在发生火灾等灾情时， 人员需要一个撤退路线，这个路线的分析也可以用这种方法在大部分情况下，路 径分析认为它的施工实体是固定的，其位置和空间分布在箍个分析过程中具有不 变性，当施工实体随着时间变动时。将产生不同的路径，这使得这种分析将变得非 常复杂。 柏辅女 静i 二口 l ! ! 塑f l 划 圈阿 自掣口* i j t 雇 道i 赦置场蚓 划圈 酗 ! 一析，f i uj 琶 m u ? 1 n 计辱亨 i 活动j 所需的时间 j 器 j _ 麴 一十b 。一 图1 1 空间技术研究方法 4 ) 空间时序安排法，t o m m e l e i n 在空间时序安排法的研究中做出了重要的贡献 【l l 】。时序安排法强调工程施工的不同工序所需的不同种类空间的建模。它根据施 工活动中存在的对象，把施工空间分为施工人员空间、施工机械空间、施工对象 空间、保护空间、危险空间。这种分析法假设在分析开始之前，研究者先定义好 各种施工活动中的各种对象的所需要的空间存在的位置和它对应的在统一坐标 下的x ，y ，z 上的长度，这种分析只是在这种基础上分析出一种施工工序安排来消 誊一 圈 第一章绪论 除潜在的空问冲突问题，从而形成一个指导施工的旌工工艺网络图。本论文在空 间模型的建立上和这种空间分析法有类似之处，但本论文的研究进一步拓展了空 间分类的方法，将施工人员、施工机械、施工对象等三种施工活动中最重要的对 象的空间进行进一步的划分，形成实体空间、安全空间、效率空间三种空间种类。 1 。2 问题的提出 综观国内外的工程旋工空间分析方面的研究，研究对象大部分是市政土木工 程。这主要是因为国外发达国家在上个世纪8 0 年代之前已经完成大部分水利工 程的修建，然而空间分析理论的真正大量的应用始于8 0 年代。国内有部分学者 对空间分析理论的引入研究，也大部分局限于市政土木工程，如清华大学和中建 一局的张建平、邢林涛曾针对民用建筑施工研究了施工场地布置问题。有个别研 究人员在水利水电工程的空间分析理论应用的进行了一些探索，但也仅仅局限在 工程的设计规划方面。目前，还没有人将空间分析理论应用到水利水电工程施工 中。【1 2 】【1 3 】【1 4 】 然而，在实际施工活动中，空间冲突是普遍存在的，由空间冲突带来的事故 和争吵也是常有的。据有关资料统计，1 9 9 4 - 1 9 9 9 年发生的水利水电施工活动中 的工伤事故计1 4 5 5 起，高概率、高危害、高损失的事故大多集中在机械伤害、 高空坠落、触电等。这些“三高”事故表面的原因都好像是人为所致，然而究其 深层次原因，决大多数都是施工空间的不足和施工空间的不合理安排有关。1 ) 首先，对于水利水电工程一般修建于高山峡谷之中，施工空间资源十分有限，然 而其施工活动却非常多，极容易造成空间冲突。一般的水利工程中都存在着隧洞 丌挖、围堰修筑、岸坡开挖、基坑开挖、大坝及厂房浇筑、机电安装等施工单项 工程，这些工程的施工在时间和空间上互相交错，难免会存在空间上的互相干扰。 对于某一具体的单项工程，如大坝施工，其就存在灌浆活动、各仓活动、浇筑活 动等，它们内部的施工活动也是局限在一定范围的空间中，工序之间互相干扰是 常有的事。总之，水利水电中的施工活动之间。施工空间资源十分稀缺，另一方 面又由于水利水电工程投入运营将会带来巨大的经济收益促使业主在客观上要 求工程进行快速施工，这样进一步使这种矛盾的更加突出。2 ) 其次，由于单个 施工活动的施工时间和旖工空间资源的分配不当，也极容易引发空间冲突。传统 的空间资源管理，往往是凭借经验和直觉，没有任何理论依据。然而施工活动的 空间是动态变化的，水利水电工程中的施工活动又种类繁多，传统的空间资源安 排管理方法有欠科学。 4 第一章绪论 一些施工管理人员已经意识到了空间资源科学管理的重要性，然而他们总认 为空间冲突只会带来安全事故，因此也集中精力去避免这种安全事故，绝大部分 施工管理人员会试图去对麓工人员进行安全教育、加强机械的管理方面去着手避 免空问冲突。然而，这是一种“治标不治本”的施工管理方法实质上，空间冲 突的影响不仅仅是表现在安全方面，还会影响工程施工效率和施工质量。另外， 如果不从根本上去解决空间冲突，而仅仅是加强安全管理，往往是在这个活动中 能够消除空间冲突，而另一方面又给别的施工活动带来了安全隐患。空间冲突对 工程的影响包括安全影响，经济性影晌和施工效率影响。下面对这三种影响进行 详细的解释： i ) 安全影响。空间冲突的安全影响是其对工程施工带来的最直接的影响， 也是最突出的影响。 2 ) 经济性影响。大型工程建设过程中出现安全事故会造成很大的经济损失， 这种经济损失是一种“显式”损失，另外空间资源的不合理安排，也会 带来一些经济的损失，这种损失由于表现不直接，往往会被人忽略。 3 ) 施工效率影响。对于某一个特定的施工来讲，其需要的空间资源不仅仅 是其实体空间，他还需要一定的正常工作空间，如果其工作空间非常小， 势必会影响施工的效率。 不管是对于业主还是施工单位，对施工活动进行空间分析，形成一个能够完 全避免或者说减少空间冲突的最优方案，不仅仅是能够形成“文明施工”的好风 气，创造“绿色工程”，而且能够最大限度的减少安全事故、提高经济效益和加 快施工进度。另外，空间分析方法在国外比较成熟，因此将空间分析理论应用到 水利水电施工活动中在技术上是完全可行的。 1 3 本文的主要研究工作 在水利水电工程的建设中，施工活动种类繁多，传统的空间资源安排管理方 法有欠科学，空间冲突普遍存在，本文针对这些情况，将空间冲突理论引入到水 利水电工程的施工活动中，提出了一种面向施工的空间分析方法。本文主要是在 以下方面进行了一些研究和探索。 1 ) 本文研究了施工空间的建模方法。 2 ) 施工方案中空间资源紧张的情况下往往会形成空间冲突。本研究针对水利工 程中的空间冲突的特点，建立了全新的空间冲突识别机制。 3 ) 建立了水利水电工程中的空间冲突的解决机制。 4 ) 建立了一套完整的施工方案空间规划的评价机制，用于评价不同的旋工方案 s 第一章堵论 的安全性、经济性、和施工效率。 5 ) 在以上的理论研究的基础上，应用面向对象开发工具，开发了水利水电工程 的空间分析软件，并成功应用到水利水电工程大坝浇筑的备仓活动中。 6 第= 章工程施工空问的蹙模 第二章工程施工空间的建模 2 1 水利工程施工中的对象分析和空闻划分 面向对象分析法o o m ( o b j c c t o r i e n t e dm c l h o d ) 是在面向对象程序设计的基 础上形成和发展起来的。面向对象的基本方法论认为：客观世界是由许多各种各 样的对象所组成，每种对象有各自的内部属性和运动规律，不同对象相互间的作 用和联系就构成了各种不同的系统构成了我们所面对的客观世界m i 。在对水利 工程施工中的对象分析中我们引入了面向对象的分析方法一方面有利于在分 析上思维更加明晰，另一方面也是为了进行空间分析软件程序设计的更方便的实 现打下基础。 水利工程施工中的对象比较多，既有各种各样的施工机械，还有不同种类的 施工对象、施工辅助设备等。我们在对施工过程进行系统分析的基础上，筛选出 了其中一些对施工影响较大并且与空闻关系紧密的的对象，并对它们进幸亍了分 类。水利工程施工过程中主要存在以下几种类型的对象： 1 ) 施工人员( l a b o u rc - c w ) 。人是施工生产活动中最活跃的要素，也是水 利工程施工系统中最基本的要素。人员作用发挥的好坏，在很大程度上 影响水利工程施工系统的正常运行。在客观上，每个施工人员都需要一 定的空间。如果空问过于狭小，不但会影响施工的效率的发挥，还会造 成一定的安全问题。因此，施工人员是施工系统中的一个重要对象。对 于某一个特定的施工活动来说。其施工人员的配置一般具有相对稳定性 因此，施工人员对象在空间大小上一般具有不变性，但是其位置一般在 一定的范围内动态变化。 2 ) 施工机械。各种施工机械是完成施工任务的必要手段。比如在混凝土人 坝施工中就包括各种门机、塔机、缆机、载重汽车、平仓机、振捣机等 施工机械。按其作业特点和作业对象的移动方向可对它们进行分类，如 l 水平方向平台车等 r 运输机械1 ll 垂直方向门机、塔机等 施工机械 l 浇筑机械平仓机振捣机等 圈2 1 混凝土大坝施工机械构成 图2 i 所示。对于某个特定的施工活动来说，其施工机械的配置一般也 具有相对稳定性，因此，其空间大小上一般具有不变性，但是其位置在一 具有相对稳定性，因此，其空间大小上一般具有不变性，但是其位置在一 第二章工程麓工空问的蔓模 第二章工程施工空间的建模 2 1 水利工程施工中的对象分析和空间划分 面向对象分析法o o m ( o b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ) 是在面向对象程序设计的基 础上形成和发展起来的。面向对象的基本方法论认为：客观世界是由许多各种各 样的对象所组成，每种对象有各自的内部属性和运动规律，不同对象相互间的作 用和联系就构成了各种不同的系统，构成了我们所面对的客观世界1 1 5 l 。在对水利 工程施工中的对象分析中。我们引入了面向对象的分析方法，一方面有利于在分 析上思维更加明晰，另一方面也是为了进行空间分析软件程序设计的更方便的实 现打下基础。 水利工程施工中的对象比较多，既有各种各样的施工机械，还有不同种类的 施工对象、施工辅助设备等。我们在对施工过程进行系统分析的基础上，筛选出 了其中一些对施工影响较大并且与空间关系紧密的的对象，并对它们进行了分 类。水利工程施工过程中主要存在以下几种类型的对象： 1 ) 施工人员( l a b o u rc l e w ) 。人是施工生产活动中最活跃的要素，也是水 利工程施工系统中最基本的要素。人员作用发挥的好坏，在很大程度上 影响水利工程施工系统的正常运行。在客观上，每个施工人员都需要一 定的空间。如果空间过于狭小，不但会影响施工的效率的发挥，还会造 成一定的安全问题。因此，掩工人员是施工系统中的一个重要对象。对 于某一个特定的施工活动来说。其施工人员的配置一般具有相对稳定性， 因此，施工人员对象在空间大小上一般具有不变性，但是其位置一般在 一定的范围内动态变化。 2 ) 施工机械。各种施工机械是完成施工任务的必要手段。比如在混凝土大 坝施工中就包括各种门机、塔机、缆机、载重汽车、平仓机、振捣机等 施工机械。按其作业特点和作业对象的移动方向可对它们进行分类，如 r 运输机械1 i 水平方向平台车等 ll 垂直方向门机、塔机等 埯工机械一 l 浇筑机械平仓机振捣机等 图2 1 混凝土大坝施工机械构成 图2 1 所示。对于某一个特定的施工活动来说，其施工机械的配最一般也 具有相对稳定性，因此，其空间大小上一般具有不变性，但是其位置在一 7 第二章工程麓工空间的建模 定的范围内动态变化。 3 ) 施工对象。施工对象又可以称为施工目标，其也是施工活动的是否完成 的考察对象之一。如对于一个大坝浇筑活动，其大坝的浇筑部分就是施 工对象又如仓面备仓中的模板安装活动，其施工对象当然就是所安装 的模板。与施工人员和施工机械不同的是，施工对象一般在空间的大小 上随着施工的进展动态的变化。 4 ) 施工辅助设备。施工辅助设备是指在施工过程中有效的来协调施工人员 或者施工机械对施工对象的有效作用的设备，如施工过程中的脚手架、 施工的风水电设备等都是施工辅助设备。施工辅助设备是施工中的重要 的组成对象，但是其在安全性和对空间的要求方面没有以上三种对象强 烈。不同的施工辅助设备其与空间相关的属性是不一样的，有的施工辅 助设备，如旌工供电设备其空间位置和空间大小一般在施工的过程中不 发生任何变化，但脚手架等施工辅助设备在施工的过程中其空间位置和 空间的大小却在不停的变化。 5 ) 其它对象。在施工过程中，还存在其它的一些与施工空间相关系的对象， 如施工中的保护对象就是这种对象。大坝浇筑中相邻浇筑块的已浇混凝 土，就是旋工保护对象。另外，施工中需要的原材料，预制件等也属于 这类对象。 利用面向对象分析方法，本节对施工系统中的与空间密切相关的对象进行了 分析分类，这种分类使得我们对施工空间进行更深一步的详细划分。根据施工中 对象的分类，可以把施工空间分类如下： 1 ) 施工人员空间。施工人员进行施工时所需要的空间，是一种与施工资源 有关的空间。 2 ) 施工机械空间。施工机械工作时所需要的空间，是一种与施工资源有关 的空间。 3 ) 施工对象空间。施工对象所占有的空间。这种空间与施工资源无关，是 一种固有空间。 4 ) 临时对象空间。一些辅助设备，比如脚手架，在施工的过程中具有临时 性，这种空间叫临时对象空间。与施工资源有关，但是有种临时性， 而且在存在期问位置一般具有不变性。 5 ) 危险空间。某一个特定的对象，如施工辅助设备中的电源设备，在工作 过程中会产生一定的危险的环境，这个危险的环境空间就是危险空间。 这种空间与施工资源之间没有直接的关系。另外，水利工程中的爆破也 会在一定的时间范围内产生危险空间。 8 第二章工程麓工空问的建模 6 ) 保护空间。在特定的施工时间范围内，需要进行保护的空问。这种空间 与施工资源之间没有直接的关系。 对于在施工过程中的某一特定对象，根据其工作的要求和自身保护的要 求，可以将空间进行如下几类： 1 ) 实体空间。又称为物理空间。在施工过程中的任何对象都存在一个由 其自身的几何尺寸决定的空间，称为实体空问。如施工人员、施工机械、 和施工对象等都具有不同的实体空间。这些实体空间中，有的是随着施 工活动的开展，其在空间位置和空间尺寸上是动态变化的，也有的在旌 工过程中在位置或者空间大小上中的一项有变化，另外一种就是在整个 施工过程中在位置和空间大小上始终不变的空间。施工对象，如浇注的 混凝土，随着工程的进行其空间位置和空间尺寸都会动态变化。施工机 械和施工人员，其在空间位置上可能随着施工活动的进行将不停的变化， 但其空间尺寸上一般具有不变性。但如大坝浇筑中的已浇筑块( 属施工 系统中的保护对象) ，在旖工的过程，其空间位置和空间大小不会变化。 2 ) 安全空间，又可称为安全工作空间。施工人员、施工机械在工作过程中， 需要一定的空间使得自身能够安全运行，这就口q 安全空间。比如门机工 作时，它的起重臂的工作范围就是门机的安全空间。安全空间是保证施 工人员和旌工机械等对象进行正常工作的最低空间要求。安全空间比实 体空间大。 3 ) 效率空间。有的文献里干脆称为高效工作空间。对于施工人员或者施工 机械等，在安全空间和它发挥最高生产效率之间的空间，由于其空间大 小的变化，对其效率的大小将产生直接影响，因此，将对象发挥最高生 产效率的空自j 称为效率空间。 这几种空问的关系，可以用图2 2 表示： 第二章工程施工空闯的建模 i 娃i 亨叼 图2 2 实体空间、安全空间和效率空间的关系 一曛 在旌工过程中，所有的对象都有实体空间和安全空间的要求，但有的对 象不具有效率空间，图2 3 将施工中的各种对象、各种对象空间和不同范围 空间的关系表示出来： 施 工 系 统 施工人员 一一一一一一 施功蜮一一一一一一 施b t 肇一一一一一 施丁辅骑漫备一一一一一一一。 一一施工人员空间、 一一一辐鹋辩。 其它对象一一一一一一一一 _ ，女娴，7 。7 实俸空间 安全空削 效率空间 图2 3 旅工中的各种对象、各种对象空间和不同范围空间的关系 第二章工程施工空阅的建模 2 2 施工系统中对象空间的组成要素、空间变换和空问相互关系 不管是实体空间、安全空间还是效率空间，都有其共同要素，这些共同要素 是旅工空间的建模基础。施工系统的对象空间一般具有以下三种组成要素1 1 6 】： 1 ) 空间位置。在具体的对施工空间的建模中，我们都会定义一个原始坐标点为 基础的坐标系，这个坐标系又称为施工空间的整体坐标系，空间位鼍就是在 这个坐标系下的位置坐标。 2 ) 空间尺寸。代表空间的几何尺寸的大小，包括空间的长度、宽度和高度。 3 ) 空间方向。在旋工空间整体坐标系下的方向矢量，一般是为所表达空间的长 度方向上的法向矢量。 图2 4 中用图形进一步解释了这三要素之间的关系： 图2 4 空间位置、空问尺寸和空间方向 在对施工空间进行描述时，我们采用三要素描述方式，使得具体空问与三要 素之间有一一对应的关系，见公式2 - 1 ， v = v ( l o c a t i o n ，o r i c n t a t i o n ，s i z c ) = v ( x ，y , z ，m ，l e n g t h ，w i d t h ，h e i g h t ) ( 2 1 ) 在上式中，x , y , z 为空间位置，m 是指空间方向，l e n g t h ，w i d t h ，h e i g h t 为空间 的长宽高。 对于有的对象空间，其位置或者形状会随着时间不断变动，这种变换简称施 工系统的对象空间变换( 见图2 5 ) 。在图2 5 中，a 为原空间，b 为进行空间变 第二章工程施工空问的建模 换后的空间。为了能够准确丰富的描述这种空间变换，我们建立了一个空间变换 矩阵t 。变换矩阵t 由两个予矩阵构成，( 1 ) ，旋转子矩阵r ，表示b 相对于a 进行的旋转( 2 ) ，位置移动矩阵，表示空间b 相对于空间a 在x , y , z 上的移动。 ( 见公式2 2 ，2 3 ) 图2 5 空间变换 厂；“砷 t = i r 产助 z n ) l oo o1 对于数量很少的几个空间，不管是从从定性上还是从定量上，它们之间的空 间关系是非常容易描述的。但是在实际施工中，由于空间的数目比较多，要辨别 它们的关系，并寻找这些众多关系中的一些规律，难度就很大了。由于定性描述 和定量描述具有不同的优劣，因此，本研究将两个空间的关系用定性和定量相结 合的方式表示出来( 见公式2 4 ) 。 r e l a t i o n = r ( d i s c r i p t i o n ，d i s t a n c e ) ( 2 - 4 ) y ， ，名一 e 斗 o 一 一 、ilj 、i i i _ 、 0 0 l a n 咖 | 兰。 一 q a s n虹 0 ，。l 霉 r 第二章工程t 工空问的t 模 在定量上，空间之间的关系我们用距离来描述，也就是公式2 _ 4 中的d i s t a n c e 。 在对空间的关系的定性( d i s c r i p t i o n ) 描述时，我们分以下几种情况，如图2 6 所示： 定 性 描 述 厂 图2 6 空间关系定性描述的几种情况 2 3 施工通道的建模 在水利工程的施工过程中，作为旖工主体的人，从施工场地外进入施工场地 必须有个通道，另外材料和施工设备的运输也需要一定的路径。如果这些路径 规划不好，很容易跟旖工场地里正在进行的施工活动发生冲突。因此，在进行施 工场地空间分析时，也必须分析出不同的通道以满足场地内交通要求。在一般的 施工场地里，可以将施工通道分为2 类： (