浅谈某水利工程施工中计算机仿真技术的应用

　　摘要：结合某水利工程施工过程中计算机仿真技术的应用实际，对该技术的特点和实现过程，以及在实际水利工程施工中使用时边界条件的确定进行了相应探讨，对类似工程的施工具有一定的参考价值。
　　关键词：水利工程，计算机仿真技术，施工模拟，混凝土
　　一、概述
　　水利工程施工通常是一项复杂而系统的工程，传统的依靠设计蓝图和二维变形图形的施工方式又不够直观，难以对工程施工的全过程进行宏观把握。在上世纪70年代初，水利建设领域便开始引入并成功应用计算机仿真技术，在奥地利的施立格修建混凝土坝时，通过采用确定性数字模拟仿真技术对缆机浇筑混凝土的方案进行优化选择，结果通过模拟计算出的浇筑速度和进度与施工实际具有很高的吻合度[1]。随着仿真技术的不断发展和完善，其在水利工程施工中的应用也越发普遍，本文就计算机仿真技术在某水利工程施工中的应用进行相应的探讨。
　　二、计算机仿真技术的特点
　　（1）可快速对多种施工方案进行比较：如对于某个混凝土坝工程的浇筑施工模拟，通过计算机仿真技术可在短时间内就能仿真模拟出若干个可行性施工方案，施工技术人员在分析模拟结果的基础上，再分析判断出对工程浇筑施工有较大影响的因素，获得浇筑施工过程中的关键时期阶段信息，据此便可提前做好充分的预防准备措施。
　　（2）成本相对较低，与进行真实的模型试验不同，计算机仿真模拟技术是对原型结构进行虚拟模拟，不需要制作真实的原型结构模型，只需要相应的软件购买费用，而且购买一个软件后可相对的长期进行多方案的模拟计算，软件的重复使用率较高，使得应用成本低。
　　（3）模拟结果的可靠性较高，计算机的高准确性决定了在软件系统模型设置正确，以及软件程序编制正确的前提下，工程相应的施工模拟仿真分析就会满足在进行模型的模拟仿真分析前预先考虑到的各种约束条件。
　　（4）实用性强，计算机仿真技术可应用的领域极为广泛，只要能用数学方式进行表达和描述的问题模型，基本上都能够用计算机进行相应的仿真模拟计算。
　　三、仿真模拟技术的实现过程
　　计算机仿真模拟技术是以数学理论为基础逐渐发展起来的一门技术，对于客观现实的事物和问题，计算机并不能直接对其进行分析和处理，而是需要建立一个能反映待研究事物或问题的本质特征，同时还要求能被计算机所分析处理的”模型”。计算机仿真模拟技术的实现流程主要如下：研究对象特征分析，建立数学模型，计算机分析处理，获得仿真结果。在实际应用过程中通常表现为以下步骤。
　　（1）建立模型：根据具体的研究目的和研究对象的特征，在进行计算机仿真模拟计算前，应先根据实际问题的特征确定一个适当的分析系统，并结合实际工程参数确定系统的约束条件和边界条件。再利用相关的数学、力学及其他相应学科的有关理论，把抽象出来的分析系统用一个数学模型表达式描述出来，即建立了相应研究问题的“数学建模”，模型建立的准确程度决定着仿真模拟计算结果与工程实际情况相符合的程度。
　　（2）输入模型：模型的输入过程即是对上一步骤建立的“数学建模”结合软件的功能特点转化为计算机能够识别和处理的形式，这种形式所体现的模型内容，即是相应的“计算机仿真模拟模型”。建立和输入模型是进行计算机进行仿真模拟计算的关键环节。
　　（3）仿真计算分析：将上面输入计算机的仿真模型载入相应的计算机计算模块中，按照预先设置的各种施工方案，来进行相应的仿真模拟计算，这便是所谓的“计算机模型的仿真计算”过程。
　　（4）仿真模拟计算结果分析：仿真模拟计算的目的是为了反映一个问题的发展状况，仿真模拟计算的结果包含着系统对输入模型运行处理的信息，对这些信息的分析和评估是进行计算机仿真模拟研究的最终目标，因此我们应充分结合工程的实际情况，结合经验来分析和处理仿真计算的结果，使防止模拟能够指导真实的实际工程施工。
　　四、计算机仿真技术在水利施工中的应用
　　4.1工程概况
　　某大型水电站混凝土拱坝，其坝高最高处高158m，混凝土浇筑量约450万m3。该大坝的混凝土工程浇筑工艺复杂，施工难度相对较大。如何优质、高效地组织进行大坝混凝土的浇筑施工，科学合理地安排好各个浇筑工序，对整个混凝土工程乃至大坝工程的施工质量和工程进度都有着决定性的影响。为直观反映该大坝混凝土工程的施工进度，采用三维建模技术进行建模，并对该工程进行仿真模拟计算，以对大坝混凝土工程的施工全过程进行相应的仿真模拟分析。
　　4.2建模
　　根据大坝结构设计图纸，获得大坝混凝土拱坝的相关数据，采用CAD制图软件建立相应的三维网格模型，结合大坝结构的真实条件，选取适当的参数，尽可能真实地反应出大坝实际结构各变量间的关系。施工仿真模拟的目的是反应大坝混凝土工程浇筑施工过程中随时间的动态发展变化情况，以便于及时掌握实体大坝结构施工时的基本情况，获得结构施工设计需要的最佳设计参数，以对实体大坝结构设计方案进行优化。实际模拟时，可通过在数据库中大坝各混凝土浇筑块的数据进行统计和计算分析，在建立输入的三维模型中描绘出各施工阶段的筑坝进度曲线，直观地反映出大坝混凝土的混凝土浇筑施工过程变化。
　　4.3施工过程模拟
　　本大坝混凝土施工模拟的主要思路，是对各台缆机所负责的混凝土浇筑块施工进度计划进行优化。在大坝结构尺寸，及混凝土浇筑块分缝确定的前提下，在某种既定的施工机械配置方案下，可根据各种已经确定的约束限制条件，计算出某种特定的分块浇筑方案以获得最短工期。因此，在计算机防止模拟过程中通过分析在不同的浇筑方案和机械配置的组合情况下，在符合施工过程各种约束条件的限制要求和条件的前提下，进行大坝混凝土分块浇筑的施工方案分析，计算出各种方案下的坝块浇筑施工进程，从而获得大坝的最短施工工期[2]。
　　现以对3台和4台缆机不同的方案进行计算比较分析为例对施工仿真分析进行具体说明。仿真计算过程中需考虑如下约束限制条件：（1）每一分段混凝土浇筑的时间约束（2）相邻混凝土分块的最大允许高差（3）相邻分块模板拆卸限制（4）1台缆机最大工作范围的限制（5）相邻缆机施工相互干扰的限制（6）其他存在的约束限制条件，如对于混凝土拱坝施工，部分坝段孔洞需要安装钢衬后才能进行施工，存在相邻分块浇筑需要互相等待到达同一高程才能进行施工的实际问题等。

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