桥梁工程施工实时动态仿真研究

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一、引言

大型桥梁结构复杂，组成部分多，各部分的施工工艺多种多样，施工工序重叠交织多，因此施工进度难以用图表和量化数值来表示。目前大型桥梁的施工方案的预期建设成果一般表现为二维的平面图、三维图像、断面图等形式，这些并不能反映施工情况，并且很难做到对大型桥梁工程施工过程宏观上的直观控制。计算机三维动态实时可视化仿真为大型桥梁工程的施工管理提供了更直观、更有效的方法。这项研究不仅仅停留在桥梁工程施工进度控制中动态仿真的实现上，还将桥梁工程动态仿真施工过程中加入带有时间轴的时空数据，以及桥梁工程施工进度控制、工程实体和施工控制中复杂的动态时空逻辑关系等动态数据及信息转化为可视化的动态图形。本文将P3软件及计算机仿真技术应用于大型桥梁工程施工的仿真过程，提出了桥梁工程施工实时动态仿真方法，为大型桥梁工程施工控制和管理提供了一种更加形象和有效的方法。

二、P3软件适用性

P3软件是使用最为广泛的网络进度计划软件，特别适合用于工程项目规模大、施工工序多、逻辑关系复杂的工程。大型桥梁工程施工具有分标多、施工工序多、工程量大、工期紧、施工技术复杂等特点，这些因素决定了大型桥梁工程的施工进度控制必须实行分层管理、动态控制，利用P3软件就很好地解决了这方面的问题。

三、工程施工优化

桥梁的施工根据施工工艺的不同可以制定不同的施工顺序，但要协调好各单项工程项目的施工进度，保证工程项目的顺利衔接，这就要建立一个工程施工优化系统。建立这个系统也是进行大型桥梁工程施工实时动态仿真的基础，能更准确、逼真地描绘施工过程。

1.假设条件。

在建立这个工程施工优化系统时必须进行一些假设，使之变成一个理想的工作模型。（1）施工材料的供应是连续的；（2）施工过程连续不断，工序的衔接顺利不中断；（3）施工队的施工能力满足施工工艺的要求。

2.桥梁工程数据库。

要使桥梁工程施工实时动态仿真更为逼真，就要求建立一个完整详尽的原始工程数据库。数据交互式输入是否正确是系统正确、合理运行的基础；另外，这些桥梁施工数据是基础积累原始数据，对今后施工有借鉴意义，因此符合真实和科学的数据对本数据库的运行最为关键。工程数据库应包括以下一些内容：（1）桥梁所采用的形式；（2）施工形体数据：桥梁上部结构和下部结构各构件的尺寸，这部分数据在施工图上会准确反映，可以参见施工图；（3）以桥梁工程结构具体施工数据为基础，利用软件系统生成仿真范围内所有施工结构模型代号、混凝土方量、模板数量、钢筋量、空间位置等原始数据；（4）劳动力安排，施工日志文件等；（5）机械设备及设施的性能和布置参数；吊车、发电机、混凝土自动计量配料机、混凝土自动计量拌和机、混凝土输送车、混凝土泵车、变压器、钢筋弯曲机、钢筋切割机、闪光对焊机、捣固铲、捣固棒、高压水枪、水泵、角磨机、驳船等的运行参数、生产率等，临时码头、钢筋加工场、混凝土拌和楼、预制构件场等的生产规模和布置情况，以及供料线的布置情况；（6）桥梁施工规范数据；预应力梁张拉和放张的受力情况，锚固长度，不同季节施工间歇时间、立模时间、钢筋绑扎时间、混凝土浇筑时间、混凝土构件蒸汽养护时间、允许拆模时间等数据；（7）施工方案数据、各种施工机械数量、施工机械的台班数、施工机械装拆时间、施工平台的安装时间、各种施工机械承担施工范围等。

3.施工优化模型。

桥梁工程各结构所采取的施工工艺直接影响工程施工工期、场地、材料、质量等，所以在进行大型桥梁工程施工实时动态仿真时，要对各工程施工进行优化组合，协调好工程施工的关系，保证各相关工程的施工进度，使工程施工在最优化状态下进行。桥梁的上、下部结构施工在施工方案和施工能力允许的条件下尽量采取平行施工，利用P3的强大功能建立一个多层次的项目数据库，便于协调好各工程之间的主次关系。

四、施工动态仿真

大型桥梁工程施工实时动态仿真需要综合考虑多方面的因素。桥梁结构各部分施工具备一定的独立性，在仿真过程中又要能有机地结合在一起，实现工程施工实时动态仿真。

1.现场观测。

现场观测是工程施工实时动态仿真的一个重要保证。现场观测包括一些随机数据的测算和施工现场实地调查，这对工程施工实时动态仿真的准确性、逼真性非常重要。桥梁施工过程中有许多随机事件需要进行测算得到一个合理的数值以便在动态仿真过程中精确描绘。例如钢筋笼的吊装、对接的时间；混凝土从搅拌地点运往灌注位置的时间、每车混凝土的浇筑时间和振捣时间；架一片梁的时间等等随机数据。这些都是影响工程施工时间的数据，同时也是实时动态仿真的准确性的约束条件。施工现场实地调查是对施工现场的一些约束工程施工进度的边界条件，例如当地的气候对桥梁工程施工的影响、周围地形的影响等等影响因素。

2.P3软件的进度表达。

首先把桥梁工程的下部结构和上部结构的各单项工程施工工序细化。首先输入各项目的最早开工时间、工期、项目间逻辑关系等基本数据，经过进度计算得出每个项目的关键线路及非关键线路的自由时差，通过控制、管理资源及资源平衡得出较为合理的施工进度，在实际施工中要进行动态跟踪，进度及时更新。计划安排桥梁工程整个项目过程中的时间进度、资源和费用，包括工程目标和工作范围（WBS（工程分解结构））的建立、作业代码的建立、作业分类码、资源代码和日历代码、每个工程项目的施工作业时间（包括计划工期和作业日历）的确定、每个工程施工作业的资源量的确定、项目间逻辑关系的建立、费用预算等，经过进度计算中得出工程完工日期最长的连续的作业路径或自由时差为零的作业线路即为关键线路。在工程实际施工中，实际进度总是与计划进度有一定的出入，需要对实际工程进度进行跟踪，收集并及整理反馈施工现场的信息，发现问题，及时传递工程进展信息。而工程控制的目的是对实际进度与计划进度进行比较，分析和评估当前施工的执行情况，并根据当前施工的实际情况及目前时间坐标提出新的关键线路，为确定工程新计划提出可行性的依据和建议。对工程计划管理过程中出现的示警信息应及时分析形成的原因，研究应对措施，争取主动解决问题。科学合理处理工程变更，将变更信息反馈到P3计划中，并对逻辑关系、资源配置、非关键工作项目进行合理调整，各个工序之间衔接关系修正，优化施工资源配置，在不影响总工期的前提下公正合理地评估工程变更的影响。

3.综合模型。

综合模型主要是完成下列工作内容：（1）数据采集和初始。读取各分部分项工程和单位工程的施工进度、各类工程机械的性能参数和施工能力、桥梁桩基础数据及施工工艺所需满足的一些参数（振捣能力、预应力梁钢筋张拉和放张程度、锚固长度等）。（2）确定仿真相关变量。以桩基处理为整个工程的开工日期为仿真起点，同时在模型中建立多个子项目，输入每个子项目的起讫日期、施工流程和工程量，同时还要与相关工程项目进行协调，保证相关工程的桥梁工程分项工程施工进度。（3）结合施工日志与施工仿真模拟。施工仿真以1d为施工步距，每天起始时，判断该天是否已到仿真终止时间，是则仿真结束，否则继续判断该天是否可以施工，可以施工则继续推进，不可施工则顺延至下一天。（4）每日工程完工情况仿真。根据仿真施工步距和施工进度安排，利用仿真技术把每日施工工程量变成工程实体的三维实时动态仿真，同时还要对各平行施工项目进行仿真。

五、实现三维动态图形模拟

桥梁施工三维仿真模拟结果采用图形来描述施工管理内涵，虽然施工参数列表可提供大量的重要信息，但它无法直观和分析比较，工程中常常采用网络图和横道图来描述工程进度，便于施工进度和成本分析和管理，但表达方式不够形象。桥梁工程施工实时动态仿真以三维图形动态地表现工程施工进度，并采用视景仿真技术在工程任何位置沿任何方向观看工程情况，更好地指导工程施工，以期使工程施工进度计划管理得到进一步完善。桥梁工程施工实时动态仿真要表现的图形主要有三维工程施工形象图、工程施工进度演示、桥梁各部位结构图形。利用P3软件计算得到的数据和计算机仿真软件能够生成工程主体任意时刻的施工面貌，将生成的图形按照时间顺序在屏幕上依次显示出来，便可产生动态效果。其中工程施工仿真系统的三维动态效果图是由工程系统各施工单元的形体参数、时间t以及t时刻各施工单元的施工进度来确定的。随着施工进度的推进，及时更新施工现场的工程施工参数，同时在屏幕上以三维图形方式实时显示出来，这样就实现了整个工程施工过程的动态仿真。

六、结束语

结合P3软件平台实现大型桥梁工程施工实时动态仿真是本文的特点。将计算机仿真技术和P3软件运用到桥梁工程的施工过程中，不仅实现了如桥梁工程这类系统复杂工程仿真模拟和工程结构数据库管理和利用，又提供了较为真实且利用便利的桥梁模型数据，并实现了施工进度的可视化，给桥梁工程施工进度检查和修正选择提供了一个科学、形象、直观的分析软件，推进了桥梁工程的施工与管理工作的可视化、数字化发展。本文方法的推广应用前景十分广阔。

作者：顾俊 程庆 单位：江苏省无锡交通高等职业技术学校