基于BIM可视化的高拱坝施工全生命周期动态仿真分析方法

摘要

本发明公开了一种基于BIM可视化技术的高拱坝施工全生命周期动态仿真分析方法，主要包括：1)建立高拱坝施工信息、仿真信息统一的BIM系统；2)根据已经完成的施工信息，在仿真系统中进行参数更新，更新施工仿真进度，产生进度方案，对于施工方案进行优化，同时将重新预测的施工方案在BIM系统中生成可视化模型；3)施工进度控制：阶段性工程施工时，利用BIM系统实时监控施工参数，并且与预定工期进行对比；4)阶段性工程结束后，利用BIM系统快速生成成果的三维形象面貌，并且更新预测值。本发明能够有效控制施工进度，监督施工质量，保证施工效率。

说明书

技术领域

本发明涉及高拱坝坝体浇筑施工领域，具体的是一种基于BIM(建筑信息模型)可视化技术的高拱坝施工全生命周期动态仿真分析方法。

背景技术

高拱坝施工在水利水电工程建设中占有重要地位，其施工质量和施工速度直接影响到工程的安全和建设工期。由于高拱土坝施工过程受自然环境、结构形式、工艺技术、组织方式、浇筑机械与建筑材料等诸多因素的影响，使得计划安排、进度控制和资源优化配置十分复杂；同时高拱坝施工时间跨度大、高峰期浇筑强度高，在浇筑施工过程中还要考虑导流、度汛、坝体挡水及蓄水发电等阶段性目标要求，给施工组织、计划安排及进度控制带来相当大的困难和潜在风险。在实际水利水电工程中，为追求提前发电效益，又往往要求加快大坝施工进程，缩短施工工期。因此，对高拱坝施工过程进行实时仿真分析对保证施工工期和施工质量具有重要的意义。

目前，高拱坝施工仿真分析技术还存在很多不足的地方：一是，系统的仿真过程和成果表达不够直观，仿真过程交互性不强，不易于被工程技术人员所接受，工程人员面对繁琐的系统操作界面和复杂的仿真结果数据，往往不知从何下手，因而系统不能得到很好的利用；二是，BIM在很多情况下只是被当作三维模型来进行使用，对于BIM信息表达的应用还不充分，水利水电工程的BIM编码方式标准化程度不高，使得水利工程施工仿真控制的各个系统之间信息联通共享存在困难；三是，高拱坝施工仿真分析过程表现形式比较单一，主要是通过表格图表的方式进行表达，不能直观地表现出施工方案的优劣以及实时的施工偏差情况；四是对于施工仿真分析多是单向研究，对于实际施工情况的对比和反馈较少，表现形式也不够直观。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于BIM可视化技术的高拱坝施工全生命周期动态仿真分析方法，以实现利用BIM系统和施工仿真技术对大坝浇筑施工进行全过程的分析与控制，以保证大坝浇筑质量和按期完工。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于BIM可视化的高拱坝施工全生命周期动态仿真分析方法，主要包括：建立高拱坝浇筑BIM、基于BIM数据的施工仿真分析和实现施工进度控制；内容分别如下

步骤一、建立高拱坝浇筑BIM，包括：

1-1)根据设计资料建立大坝的三维模型，并划分为不同坝段；以施工实际要求以及仿真计划为基础将坝段划分为不同坝块；根据设计资料进行接缝灌浆区域划分；

1-2)将划分的坝块及灌浆区域进行编号，编号规则如下：

坝块编号：DB-BDXX-BKXX-XXXXEL-XX，大坝-坝段编号-坝块编号-起始高程-坝块高度；

灌浆区域编号：JF-GQXX-GFXX-XXXXEL-XX，其中每段字符依次表示的是：接缝-灌区编号-灌缝编号-起始高程-灌区高度；

1-3)通过高拱坝施工过程实时监控系统实时采集大坝施工信息，所述大坝施工信息包括施工进度信息、施工资源配置和浇筑信息，所述施工进度信息包括坝块浇筑数据与灌浆进度数据，所述施工资源配置包括缆机运行过程数据，并将以上信息建立编码，编码规则是：Target-Object-Attribute-Time-Value-Unit，其中每段字符依次表示的是：施工对象-观测对象-观测属性-观测时间-观测值及单位；

1-4)确定步骤1-1)所建立的大坝的三维模型与大坝施工信息的数据接口，以施工对象为连接，将步骤1-3)获得的大坝施工数据与所述三维模型融合，构建所述三维模型、利用高拱坝施工动态仿真系统获得的仿真信息及利用高拱坝施工过程实时监控系统获得的大坝施工信息三者数据结构统一的高拱坝浇筑BIM；

步骤二、基于BIM数据的施工仿真分析，包括：

2-1)基于步骤一建立的高拱坝浇筑BIM，确定所述高拱坝施工动态仿真系统与所述高拱坝施工过程实时监控系统的数据接口，所述高拱坝浇筑BIM获取大坝施工信息；

2-2)所述高拱坝施工动态仿真系统将大坝施工信息进行统计分析，得到施工参数数据；采用贝叶斯更新方法，分别计算得到施工参数数据的先验概率和似然函数，再计算后验概率，得到更新后的仿真施工参数数据，实现所述高拱坝施工动态仿真系统施工参数的实时更新；

2-3)基于步骤2-2)实时更新的仿真施工参数数据，利用所述的高拱坝施工动态仿真系统进行仿真分析计算，从而建立高拱坝施工进度方案，同时对该方案的接缝灌浆时段、灌区高度、最大悬臂高度、孔口部位分层方案、浇筑层厚、缆机台数进行优化分析，得到仿真分析结果即为所述的仿真信息；

2-4)将步骤2-3)获得的仿真分析结果存入至仿真信息数据库，所述的高拱坝浇筑BIM根据仿真数据库中的仿真信息进行数据更新；

步骤三、施工进度控制，包括：

3-1)将步骤1-3)实时采集到的大坝施工信息中的施工进度信息与原定施工计划的施工进度信息进行比较，并根据步骤2-3)的仿真分析结果评价进度偏差对工期的影响；

3-2)根据步骤3-1)对于施工进度偏差的评价结果进行动态调整和优化仿真，生成下阶段施工的调整方案和进度计划。

进一步讲，本发明步骤一中，建立的高拱坝三维模型与施工信息、仿真信息采用统一的编码方式，编码规则包括：

坝块编号：DB-BDXX-BKXX-XXXXEL-XX，表示为：大坝-坝段编号-坝块编号-起始高程-坝块高度；

灌浆区域编号：JF-GQXX-GFXX-XXXXEL-XX，表示为：接缝-灌区编号-灌缝编号-起始高程-灌区高度；

施工信息编码：Target-Object-Attribute-Time-Value-Unit，表示为：施工对象-观测对象-观测属性-观测时间-观测值-单位；

施工仿真信息编码：Target-Object-Attribute-Time-Value-Unit，表示为：施工对象-观测对象-观测属性-观测时间-观测值-单位。

所述的步骤1-3)大坝施工信息分为进度类和参数类，运用步骤1-3)中提到的编码规则进行编码，包括：

进度类：坝段编号-开始时间-结束时间-方量-缆机编号；

灌浆区编号-开始时间-结束时间-面积；

参数类：机械编号-参数类型-分布类型-参数均值-参数方差-单位。

步骤3-1)的具体内容包括：将大坝施工信息与仿真信息整理到一个面板进行对比分析，采用前锋线法对大坝浇筑进度进行跟踪，其前锋点的确定采用剩余时间法，过程如下：运用仿真计算所得的预期剩余工期，以原计划工期横道图中的终点，按预期剩余工期的时间长度来逆向确定前锋点；如果该点落在检查线的左侧，则说明累计到当前时刻的进度落后于计划进度；反之，进度提前，如果该点落在检查线上，说明实际进度与计划一致；如果还要进一步判别预期工期的截止时间，则把前锋点移到检查线上，以仿真所得的预期剩余工期时间长度正向绘制横道图，其终点对应时刻为大坝施工预期完工时间；将对比分析结果在BIM中进行可视化展示，采用不同颜色标记有进度延误部分和需要调整和优化的部分。

步骤3-2)内容如下：根据设计要求初步拟定若干优化方案，施工仿真系统模拟不同施工方案的浇筑过程和进度，分析不同施工方案和仿真信息中的施工参数对施工进度的影响程度，选出最优方案，将该最优方案重新与三维模型进行融合。

进一步讲，本发明中，为了实现更加逼真的BIM模型和实时动画，将大坝施工数据按照统一的IFC标准格式进行转换，非结构数据转换为结构数据，对接到BIM数据库中以实现大坝施工信息与大坝三维模型融合，运用IFC属性扩展机制对施工实时动态进行动画描述，进而运用Open GL技术进行渲染，实现更加逼真的BIM模型和实时动画。

通过开放数据库互联(ODBC)技术，采用C#语言开发数据标准、模型制作、编码规范、交互标准统一的数据接口，将大坝施工信息数据库、仿真信息数据库以及BIM数据库进行互联，实现集中管理运行数据和数据共享。

在步骤3-1)中，高拱坝浇筑BIM将更新优化后的仿真数据结果可视化，同时将所述的仿真数据结果与大坝施工信息对应的施工情况进行对比，为施工偏差分析与优化提供依据，实现施工仿真与BIM的双向耦合数据分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)解决了传统高拱坝施工仿真分析手段单一、信息化程度低、效率低下的问题；

(2)提出了高拱坝施工仿真分析的BIM统一编码方式，实现了施工仿真系统、施工实时监控系统和BIM模型的互通互联和数据共享；

(2)利用三维可视化技术、数据库技术、BIM技术、施工仿真技术，实现了海量、多源数据的集成管理，数据的自动统计与分析，提高了施工仿真分析的效率；

(3)实现了从浇筑前、浇筑中到浇筑后全过程的分析，突破了原有的仅仅在浇筑完成后对浇筑成果进行分析的局限性，更好地控制浇筑施工质量。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2是施工动态仿真流程图；

图3是进度偏差影响分析流程图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于BIM可视化技术的高拱坝施工全生命周期动态仿真分析方法，其设计思路是：首先，建立高拱坝施工信息、仿真信息统一的BIM系统；然后，根据已经完成的施工信息，在仿真系统中进行参数更新，更新施工仿真进度，产生进度方案，对于施工方案进行优化，同时将重新预测的施工方案在BIM系统中生成可视化模型；阶段性工程施工时，利用BIM系统实时监控施工参数，并且与预定工期进行对比，从而实现施工进度控制；阶段性工程结束后，利用BIM系统快速生成成果的三维形象面貌，并且更新预测值。本发明能够有效控制施工进度，监督施工质量，保证施工效率。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种基于BIM可视化的高拱坝施工全生命周期动态仿真分析方法，主要是，根据高拱坝初始施工设计信息进行参数化建模，利用高拱坝施工过程实时监控系统采集大坝施工信息，通过高拱坝施工动态仿真系统进行仿真，将上述两系统数据上传至相应数据库中,采用Unity 3D可视化技术对整个施工的场景进行可视化，具体步骤如下：

1)建立高拱坝浇筑BIM模型：

1-1)根据设计资料建立大坝的三维模型，并划分为不同坝段；以施工实际要求以及仿真计划为基础，将坝段划分为不同坝块；根据设计资料，进行接缝灌浆区域划分。

根据初始设计要求，分割坝块时，一般坝块为3m高，在靠近底部及安装金结部位的坝块一般为1m高，根据仿真要求，每一坝块分割成0.1m的坝块层。

1-2)将坝块及灌浆区域进行编号，编号规则为：

坝块编号：DB-BDXX-BKXX-XXXXEL-XX，表示为：大坝-坝段编号-坝块编号-起始高程-坝块高度；

灌浆区域编号：JF-GQXX-GFXX-XXXXEL-XX，表示为：接缝-灌区编号-灌缝编号-起始高程-灌区高度。

1-3)通过高拱坝施工过程实时监控系统实时感知大坝施工数据，包括施工进度信息(包括坝块浇筑数据与灌浆进度数据)、施工资源配置(包括缆机运行过程数据)以及浇筑信息，以上信息建立相关编码规则：

Target-Object-Attribute-Time-Value-Unit，表示为：施工对象-观测对象-观测属性-观测时间-观测值-单位。

实时监控系统的监测设备有无人机、位移传感器、三维激光扫描仪以及具有拍照和摄像功能的设备等，同时通过自动录入的方法，将采集到的数据实时回传，将信息统计到相应的表中。

1-4)开发三维模型与大坝施工数据接口，以施工对象为连接，将施工过程数据与大坝三维模型融合，构建三维模型与仿真信息、施工信息统一的BIM系统。

2)基于BIM数据的施工仿真分析，施工动态仿真流程如图2所示：仿真开始，将仿真参数及状态初始化，判断大坝浇筑块是否浇筑完成，若未完成，则选择浇筑机械，选择浇筑坝块，确定开浇时间及浇筑历时，然后刷新系统参数和状态进行下一循环；若浇筑完成则进行统计分析与成果输出，仿真结束，将仿真分析结果数据传入数据库中供BIM模型调用，然后进入下一循环。基于BIM数据的施工仿真分析的具体过程如下：

2-1)基于BIM系统，开发高拱坝施工动态仿真系统与施工实时监控系统的数据接口，获取施工过程数据。

2-2)仿真系统将实际施工数据进行统计分析，得到施工参数数据，采用贝叶斯更新方法，分别计算得到施工参数的先验概率和似然函数，再计算后验概率，得到更新后的施工参数，实现高拱坝仿真施工参数的实时更新。

2-3)基于步骤2-2)实时更新的仿真施工参数，进行仿真分析计算，建立高拱坝施工进度方案，同时对该方案的接缝灌浆时段、灌区高度、最大悬臂高度、孔口部位分层方案、浇筑层厚、缆机台数进行优化分析。

2-4)将步骤2-3)中的仿真分析结果返回仿真数据库，BIM模型根据仿真数据库中的仿真信息进行相应的更新。

3)施工进度控制：

3-1)根据步骤1-3)中实时采集到的实时施工信息，将其与原定计划的施工进度进行比较，根据步骤2-3)的仿真结果评价进度偏差对工期的影响。

c.进度偏差的大小及所处的位置不同，对后期进度的影响是不同的，进度偏差影响分析如图3所示，某项工作出现进度偏差后，判断是否在关键线路，若在关键线路则会影响总工期，需要进行进度实时预测分析，采取进度调整措施，将调整措施返回到控制系统；若不在关键线路，则进行下一步；判断是否大于总时差，若大于总时差，则会影响总工期，需要进行进度实时预测分析，采取进度调整措施，将调整措施返回到控制系统；若不大于总时差，则进行下一步；判断是否大于自由时差，若大于自由时差，则会影响后续工作，需要进行进度实时预测分析，采取进度调整措施，将调整措施返回到控制系统；若不大于自由时差，则不影响后续工作，直接返回到进度控制系统。

3-2)根据步骤3-1)中对于施工进度偏差的评价进行动态调整和优化仿真，生成下阶段施工的最佳调整方案和进度计划。

本发明所述的步骤1)中，建立的高拱坝三维模型与施工信息、仿真信息采用统一的编码方式，编码规则为：

坝块编号：DB-BDXX-BKXX-XXXXEL-XX，表示为：大坝-坝段编号-坝块编号-起始高程-坝块高度；

灌浆区域编号：JF-GQXX-GFXX-XXXXEL-XX，表示为：接缝-灌区编号-灌缝编号-起始高程-灌区高度；

施工信息编码：Target-Object-Attribute-Time-Value-Unit，表示为：施工对象-观测对象-观测属性-观测时间-观测值-单位；

施工仿真信息编码：Target-Object-Attribute-Time-Value-Unit，表示为：施工对象-观测对象-观测属性-观测时间-观测值-单位。

本发明所述的步骤1-3)施工信息可分为进度类和参数类，运用步骤1-3)中提到的编码方式，可编码为：

进度类：

坝段编号-开始时间-结束时间-方量-缆机编号

灌浆区编号-开始时间-结束时间-面积

参数类：

机械编号-参数类型-分布类型-参数均值-参数方差-单位。

施工仿真信息于施工信息相似。

本发明所述的步骤1-4)中，将大坝施工数据按照统一的IFC标准格式进行转换，非结构数据转换为结构数据，对接到BIM支撑数据库中以实现施工过程数据与大坝三维模型融合，运用IFC属性扩展机制对施工实时动态进行动画描述，运用Open GL技术对施工动画进行渲染，实现更加逼真的BIM模型和实时动画。

本发明所述的步骤1-4)和2-1)中，通过开放数据库互联(ODBC)技术，采用C#语言开发数据标准、模型制作、编码规范、交互标准统一的数据接口，将施工数据库、仿真数据库以及BIM支撑数据库进行互联，实现集中管理运行数据和数据共享。

本发明所述的步骤2-4)中，BIM模型将更新优化后的仿真方案可视化，同时与实际施工情况进行对比，为施工偏差分析与优化提供依据，实现施工仿真与BIM模型的双向耦合数据分析。

本发明所述的步骤3-1)中，将实际进度信息与仿真计划信息整理到一个面板进行对比分析，采用前锋线法对大坝浇筑进度进行跟踪，其前锋点的确定采用剩余时间法，具体过程为：运用仿真计算所得的预期剩余工期，以原计划工期横道图中的终点，按预期剩余工期的时间长度来逆向确定前锋点。如果该点落在检查线的左侧，则说明累计到当前时刻的进度落后于计划进度；反之，进度提前，如果该点落在检查线上，说明实际进度与计划一致；如果还要进一步判别预期工期的截止时间，可以把前锋点移到检查线上，以仿真所得的预期剩余工期时间长度正向绘制横道图，其终点对应时刻为大坝施工预期完工时间。将对比分析结果在BIM模型中进行可视化展示，采用不同颜色标记有进度延误部分和需要调整和优化的部分。

本发明所述的步骤3-2)中，方案优化的方法为，根据设计要求初步拟定若干优化方案，施工仿真系统模拟不同施工方案的浇筑过程和进度，分析不同施工方案和关键参数对施工进度的影响程度，选出最优方案，将调整之后的最优方案重新与模型进行关联。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。