CN113887010A - 基于实景建模与bim的水利水电场内交通规划组织方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于实景建模与BIM的水利水电场内交通规划组织方法。它包括如下步骤，步骤一：构建场地开挖三维模型；步骤二：结合施工组织设计方案对开挖模型进行精细化剖分处理和规划分区；步骤三：结合分区及场地条件组织场内运输路线初步方案；步骤四：基于BIM软件进行开挖转运过程模拟，整理分析道路运输强度；步骤五：采用Delphi法进行方案合理性评价；步骤六：设计方案调整；步骤七：整理仿真结果，形成道路运输强度数据库。本发明解决了现有场内交通规划组织与道路设计所存在的线路功能协调性不足等问题；具有精确模拟各分区转运强度与工程量，提升场内交通规划组织方案的合理性，减小工程投资增加的风险的优点。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程场内交通组织技术领域，具体地说它是一种基于实景建模与BIM的水利水电场内交通规划组织方法，更具体地说它是一种基于真实场景-BIM耦合模型与BIM软件支持下快速进行场内交通方案规划与组织的技术方法，本发明中基于实景建模模型为包含现实场景的地形、影像和设计边界的BIM模型。
背景技术
水利水电工程场内交通是联系施工工地内部各工区、料场、堆料场及各生产、生活区之间的交通。场内交通规划的任务是正确选择场内主要运输和辅助运输方式的线路，合理规划和组织场内运输，使形成的交通网络能适应整个工程施工进度和工艺流程的要求。
水利水电工程往往工程规模大、施工项目繁多、工期紧、工程投资大，其中前期场内道路的施工对工程投资影响较大。合理确定场内道路物料运输强度，对确定道路等级、优化施工道路的设计标准、减小施工难度、减少工程投资十分重要。同时，大型水利水电工程土石方开挖和填筑工程量大，本着“好料好用，差料差用、物尽其用”的原则，通常需对开挖料进行分级调配，将开挖料按不同等级用于不同的填筑对象，通过分级优先调配平衡，实现充分、合理地规划利用开挖料。类似地涉及在多目标、多要素耦合条件下进行水利水电场内交通规划组织与道路等级确定是一项复杂的工作。
传统水利水电场内交通规划组织方法以主体工程施工进场需要进行主要场内道路的规划布置，以主体工程施工高峰期的混凝土运输强度或土石方转运强度进行估算确定各条主要场内道路的道路等级；以工程区各分区交通通行需要规划布置次要场内道路，以各分区土石方转运量框算结果完成道路等级的确定。该方法实现了对各场内道路独立的、静态的功能定义与目标规划，存在一些不足之处：①该方法以工程典型工况下的土石方转运量、物料需求量估算值，作为场内道路等交通规划的基础数据支撑，是一种粗放式的、静态的组织规划与模拟方法；②不能实现对工程施工全过程、各阶段土石方或物料转运量的全面统筹与模拟，不利于统筹考虑工程施工过程中的场内交通线路修改以及阶段性功能变化所引起的道路等级需求变化，以及造成工程临时投资增加的风险；③未涉及在多目标约束下进行分段道路功能合并利用的可能性，由此未能实现进一步降低工程投资，增加交通组织与道路等级设计合理性的工程目标。
因此，开发一种实现精确模拟各分区转运强度与工程量，提升场内交通规划组织方案的合理性，减小工程投资增加的风险的水利水电场内交通规划组织方法很有必要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于实景建模与BIM的水利水电场内交通规划组织方法，通过细化土石方与物料的分区规划转运方案，实现精确模拟各分区转运强度与工程量(本发明的体积数据精确至米级，仿真结果以月为时间尺寸表达，实际数据库时间精度可达天；在大中型水利水电工程中，现有技术体积数据在本阶段一般为10m级别的精度；现有技术面对这样通过模拟多点多约束条件下的土石方运输计算道路转运强度的问题一般通过人力编排较粗略的进度计划，单位时间尺度为季度或月，实际数据最大精度为到月)，提升场内交通规划组织方案的合理性，减小工程投资增加的风险；解决在多约束条件下进行场内交通规划组织与道路设计所存在的道路土石方转运与物料供应量估算精度不足，线路功能协调性不足、规划功能单一等问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于实景建模与BIM的水利水电场内交通规划组织方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：构建场地开挖三维模型；
随着工程建设需要进行大宗物资运输对象的场景构建和对象建模，构建包含真实地形条件的实景轮廓和地质开挖模型：通过无人机采集场地内地理环境影像信息点云数据，利用三维实景建模软件处理为三维地理环境影像；利用BIM建模软件分别创建包含设计开挖完成边界的地形曲面、差异性定义着色属性的开挖地质体模型；将地理环境模型依据特征点与地形曲面模型作等比例尺映射关系，形成实景地形曲面模型，形附带地理环境影响信息、真实地形及设计开挖完成边界的地形模型；将上述地形模型与地质体模型依据空间坐标定位进行模型组合，形成满足水利水电场内交通规划组织工作的数据基础；
步骤二：结合施工组织设计方案对开挖模型进行精细化剖分处理和规划分区；
基于步骤一所述成果和施工组织设计方案，初步规划土石方开挖分区、堆渣分区；对开挖地质体模型进行米级精细化剖分，形成具备各剖分体模型的体积方量属性与着色属性的地质体施工BIM模型；
步骤三：结合分区及场地条件组织场内运输路线初步方案；
基于步骤一～步骤二所述成果和施工组织设计方案，以道路中心线的长度和走向为代表定义绘制场内交通路线，每条路线包含多段三维空间曲线以及起点、终点两个空间节点，路线要素明确路线名称、长度、节点空间坐标等模型属性；
步骤四：基于BIM软件进行开挖转运过程模拟，整理分析道路运输强度；
定义道路运输过程仿真模拟的初始输入条件，包含：①起点、②终点③路线、④比率/优先级、⑤日期/事件；本发明根据本项目实际情况，结合离散事件系统仿真基本原理创造性地定自定义了五项输入项(①起点、②终点、③路线、④比率/优先级、⑤日期/事件等5项仿真初始输入条件)；
结合BIM施工仿真软件进行土石方开挖运输过程模拟，整理得到各分区不同施工阶段的物料转运强度及其峰值，不同场内道路在施工各阶段的道路运输转运强度及其峰值；施工仿真软件模拟土石方开挖运输过程是现有技术；本发明的此处利用了Navisworks\Delmia\MineSched等商业进度仿真软件的模型数据沿时间轴动态变化的功能，搭配Excel工具可完成图形展示与数据统计等功能；
步骤五：采用Delphi法进行方案合理性评价；
采用Delphi法综合评估步骤二中的施工组织设计方案的线路总长、数量、设计通行能力等方案指标，确定步骤二中的施工组织设计方案是否需要调整；Delphi法即专家打分法，为现有评估方法；
步骤六：设计方案调整；
当步骤二中的施工组织设计方案小幅调整时，跳转至步骤三；
当步骤二中的施工组织设计方案大幅调整时，跳转至步骤二；
当步骤二中的施工组织设计方案无需调整时，跳转至步骤七；
步骤二中的施工组织设计方案的调整方法为：确定运输路线的设计运输能力(道路等级)或复核拟利用现有路的运输能力，拆分或合并转运区间的线路，再验证强度与等级，并进行经济性比较，完成局部线路规划与组织方案优化；
步骤七：整理仿真结果，形成道路运输强度数据库。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述大宗物资运输对象包括混凝土、开挖土石方等。
在上述技术方案中，在步骤二中，进行主体工程混凝土施工分区及模型剖分处理，并获取各分区体积方量。
在上述技术方案中，在步骤四中，BIM施工仿真软件的应用软件不限于现有的BIM施工仿真应用软件，包括MineSched、Navisworks、Delmia等；道路运输强度仿真数据的整理基于EXCEL办公软件的现有批量处理命令完成。
所述三维实景建模软件处理、BIM软件建模、地理影像与地形曲面映射为现有技术。
本发明步骤一中所述创建包含设计开挖完成边界信息与真实地形信息的三维曲面；本发明开创性地提出了数据准备与建模的新技术路线，即分开创建包含设计开挖完成边界的地形曲面、差异性定义着色属性的开挖地质体模型。
本发明技术方案提出了一种基于实景建模与BIM技术的水利水电场内交通规划组织方法，采用本发明对某水利水电工程土石方开挖施工进行了试验研究；该工程主体工程线路总长5.1km，施工面众多，土石方开挖总量1.3亿m3，开挖分两期进行，第一期完成高程185m以上部位阶段，第二期完成高程185m以下上游引航道、闸槽和下游引航道开挖；工程具有大型水利水电工程“工作面多，开挖量大，交通约束条件复杂”的代表性；通过研究分析本发明技术方案其优点及积极效果如下：
(1)本技术方案可准确描述开挖分区、各层级开挖料性质及开挖三维形体，并对形体结合真实的土方开挖、转运施工组织设计内容，实现按米级粒度准确统计各分区、各种累的开挖及转运方量，优化土石方调配转运量统计的基础数据准确性，增强模拟道路交通运输强度结果的可靠性(如图1、图2所示)；
(2)采用本技术方案，以满足施工期土石方开挖转运需求为例，可模拟多时段多约束条件下水利水电工程场内交通物料运输过程，并通过调整约束参数等交互式操作，完成场内交通组织方案的迭代修改，并更新各时段、各分区转运方量的统计数据，实现方案快速比选，提高设计效率(如图3、图4a、图4b所示)；
(3)采用本技术方案，可基于三维建模剖分的结果和场内交通线路布置初步方案的仿真结果，可整理计算出场内道路各路段、施工全过程的道路运输强度；以满足施工运输强度需要和经济性合理的目标，进一步优化场内交通的组织方式；
(4)采用本发明技术方案解决了在工期紧、转运强度大、目标场地多等多约束条件下进行场内交通规划组织所存在的规划场内道路土石方转运与物料供应量估算精度不足，线路功能协调性不足、功能单一等问题；能实现对工程施工全过程、各阶段土石方或物料转运量的全面统筹与模拟；有利于把控因场内交通线路调整和阶段性功能变化所引起的道路等级需求变化带来工程临时投资增加的风险；仿真得到的道路运输强度数据支撑去进行分段道路功能合并利用的可行性研究与工程设计，有助于进一步优化场内交通组织方式，降低工程投资，产生较大经济效益；
(5)本技术方案亦在其它水电站过坝交通组织研究中实践试用，通过对施工全过程过坝交通进行分期规划与合理组织，最大程度降低施工期对项目周边市政城市交通的干扰，具有显著社会效益。
附图说明
图1为本发明实施例中的包含真实地形条件的实景轮廓和地质开挖模型。
图2为本发明实施例中的分区开挖土石料开挖方量统计。
图3为本发明实施例中的场内土石方转运模拟初始输入条件。
图4a为本发明实施例中优化后的运输方案包括优化后的运输线路规划布置方案。
图4b为本发明实施例中施工过程各分区土石方转运量模拟结果柱状图。
图5为本发明的工艺流程图。
图4a和图4b为优化后的运输方案，优化后的运输方案包括优化后的运输线路规划布置方案(如图4a)和为施工过程各分区土石方转运量模拟结果柱状图(如图4b)。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
实施例
现以本发明试应用于某水利水电场工程土石方开挖施工的场内交通规划组织为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它水利水电场内交通规划组织同样具有指导作用。
本实施例中，某水利水电工程主体工程线路总长5.1km，施工面众多，土石方开挖总量1.3亿m3，开挖分两期进行，第一期完成高程185m以上部位阶段，第二期完成高程185m以下上游引航道、闸槽和下游引航道开挖；本实施例工程具有大型水利水电工程“工作面多，开挖量大，交通约束条件复杂”的代表性。
如附图5所示，本实施例的具体实施方式为：
(1)采用实景建模技术与建模软件构建基于真实场景的开挖三维模型，真实反映场地布置与物料运输内容(如图1、图2所示)；
图1为场地开挖三维形体。图1显示了项目范围内附带设计开挖边界的地形模型，在其中放大显示了地形中部的地形曲面与开挖地质体组合，并在其中放大显示了局部小基坑地形与真实地理信息影像映射等内容。图1反映了本发明准确描述开挖分区、各层级开挖料性质及开挖三维形体的特点。
图2为分区开挖料性质及方量统计。图2放大、独立显示了按着色属性区分显示的开挖体施工BIM模型并统计其分别有不同颜色属性的块体体积方量。图2反映了本发明对形体结合真实的土方开挖、转运施工组织设计内容，实现按米级粒度准确统计各分区、各种累的开挖及转运方量，优化土石方调配转运量统计的基础数据准确性，增强模拟道路交通运输强度结果的可靠性的特点。
(2)结合施工组织设计及总布置方案对开挖三维模型进行米级的精细化剖分与开挖分区规划；
(3)规划、组织场内运输线路方案，包含定义开挖运输的初始条件：①来源地、②目的地、③运输路线、④比率/优先级、⑤日期/事件(如图3所示)；图3为场内土石方转运模拟初始输入条件图。图3显示了基于BIM软件进行开挖转运过程模拟，先定义道路运输过程仿真模拟的初始输入条件，包含：①起点、②终点、③路线、④比率/优先级、⑤日期/事件。
(4)采用BIM仿真软件MineSched进行开挖运输模拟，通过自定义调整开挖强度、运输量缩放倍数等计算参数，重复计算至生成符合施工组织设计的进度计划结果；采用EXCEL软件整理统计数据，分析该方案下各道路阶段工期内运输强度；
本实施例基于三维建模剖分的结果和场内交通线路布置初步方案的仿真结果，可整理计算出场内道路各路段、施工全过程的道路运输强度；以满足施工运输强度需要和经济性合理的目标，进一步优化场内交通的组织方式；
(5)采用Delphi法进行方案合理性评价，综合评估线路总长、数量、设计通行能力等方案指标，确定方案是否需要调整；
当方案小幅调整时，重复上述步骤(3)、(4)；
当方案大幅调整时，重复上述步骤(2)～(4)；
当方案无需调整时，整理仿真结果，形成道路运输强度数据库；就需要调整而言，开挖分区方案基本不变，则只需要调整路线，重复步骤(3)、(4)；开挖分区方案大幅变化，后续都可能会变，则重复步骤(2)～(4)；
以满足施工期土石方开挖转运需求为例，本实施例模拟多阶段多约束条件下水利水电工程场内交通物料运输过程，并通过调整约束参数等交互式操作，快速完成场内交通组织方案的迭代修改，并同步更新各阶段、各分区转运方量的统计数据，实现方案快速比选，提高设计效率。
本实施例获得的道路运输强度数据库中，优化后的运输方案如图4a和图4b所示。图4a为场内交通运输线路与布置图。图4a显示了本发明步骤一～步骤三所述完成绘制的场内交通路线与地形每条路线包含其三维空间曲线和起点、终点，明确道路名称、长度等属性。
图4b为道路运输强度仿真结果统计图。图4b显示了本发明道路运输强度仿真模拟的统计结果：即横坐标为时间，以月为单位，竖坐标为月度场内各线路转运总量，以m3为单位，显示了施工期每月中，不同开挖分区产生的不同开挖料，经不同路线转运至不同弃渣场的体积累加量。
图3、图4a、图4b显示了本发明可模拟多时段多约束条件下水利水电工程场内交通物料运输过程，并通过调整约束参数等交互式操作，完成场内交通组织方案的迭代修改，并更新各时段、各分区转运方量的统计数据，实现方案快速比选，提高设计效率的特点。
通过本发明的实施，在出渣(运输)道路规划、弃渣(运输)规划及开挖时序(道路运输周期)、下游引航道开挖分区等方面均进行了有效的优化。
以本实施例中某水利水电场工程新通道(闸槽宽度34m方案)的优化为例，
闸槽宽度34m方案存在如下问题：原开挖施工方案在高程185m以上明挖及高程185m以下闸槽明挖时段存在出渣强度高、出渣道路不能完全分担出渣车流、行车道宽度不满足行车需求、道路通行能力不满足开挖高峰期出渣运输强度要求等问题。
本实施例对闸槽宽度34m方案进行仿真分析后提出的道路运输方案优化措施包括出渣道路规划调整、弃渣规划及开挖时序调整。
本实施例将闸槽宽度由34m调整至40m后，闸槽开挖底宽由原来的37m增大至43m左右，预留施工道路和侧边保护层后，载质量45吨以下的自卸汽车也可以在闸槽内顺利吊车，至渣场道路的行车宽度只需增加约1.0m就能满足运输车辆的通行要求。为减少运渣道路高强度运输量，本实施例将原施工机械配置方案进行整体优化，即将3～4m3挖掘机挖装、25～32t自卸汽车运渣的主力配置调整为4～5m3挖掘机挖装、32～45t自卸汽车运渣的配置方案，通过提高出渣汽车的载质量减少出渣运输的车流量。
本实施例对闸槽宽度34m方案进行优化后的结果为：经调整优化后，闸槽宽度34m方案本工程开挖弃料约1.2亿m3，需要渣场容量约1.6亿m3，按照优化后的开挖及弃渣计划，上游渣场容纳弃渣约1.3亿m3，下游下岸渣场弃渣约0.3亿m3；规划的渣场容量能满足弃渣需求。车流分析表明，上游渣场方向两条道路车流约有50个月保持饱和状态，下游下岸渣场方向运渣道路约有12个月保持饱和状态，中转料堆方向车流未出先饱和状态。通过运渣车型调整试算表明，若全部采用45t自卸汽车运渣，开挖区总车流量略有减少(约12％)，但上游渣场由于运距较近，往上游渣场方向出渣仍为车流优先选择方向，其相应的两条运渣道路高峰时段车流仍处于饱和状态，仅减少饱和时段约5个月。往下游下岸渣场方向车流饱和时段未减少，但平常时段车流有所减少。通过以上分析表明，通过调整运渣车型来提供开挖渣料运输的可靠性作用有限，本实施例在实际操作中通过关键道路交通管控来确保出渣运输的可靠性。
结论：本实施例可准确描述开挖分区、各层级开挖料性质及开挖三维形体，并对形体结合真实的土方开挖、转运施工组织设计内容，实现按米级粒度准确统计各分区、各种累的开挖及转运方量，优化土石方调配转运量统计的基础数据准确性，增强模拟道路交通运输强度结果的可靠性；
本实施例实现对工程施工全过程、各阶段土石方或物料转运量的全面统筹与模拟；有利于把控因场内交通线路调整和阶段性功能变化所引起的道路等级需求变化带来工程临时投资增加的风险；仿真得到的道路运输强度数据支撑去进行分段道路功能合并利用的可行性研究与工程设计，有助于进一步优化场内交通组织方式，提高设计方案可行性与进度计划的保证率，减少工期延误，从而达到直接或间接降低工程投资的目的。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (4)
1.一种基于实景建模与BIM的水利水电场内交通规划组织方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：构建场地开挖三维模型；
随着工程建设需要进行大宗物资运输对象的场景构建和对象建模，构建包含真实地形条件的实景轮廓和地质开挖模型：通过无人机采集场地内地理环境影像信息点云数据，利用三维实景建模软件处理为三维地理环境影像；利用BIM建模软件分别创建包含设计开挖完成边界的地形曲面、差异性定义着色属性的开挖地质体模型；将地理环境模型依据特征点与地形曲面模型作等比例尺映射关系，形成实景地形曲面模型，形成附带地理环境影响信息、真实地形及设计开挖完成边界的地形模型；将上述地形模型与地质体模型依据空间坐标定位进行模型组合，形成满足水利水电场内交通规划组织工作的数据基础；
步骤二：结合施工组织设计方案对开挖模型进行精细化剖分处理和规划分区；
基于步骤一所述数据基础和施工组织设计方案，初步规划土石方开挖分区、堆渣分区；对开挖地质体模型进行米级精细化剖分，形成具备各剖分体模型的体积方量属性与着色属性的地质体施工BIM模型；
步骤三：结合分区及场地条件组织场内运输路线初步方案；
基于步骤一～步骤二所述数据基础和施工组织设计方案，以道路中心线的长度和走向为代表定义绘制场内交通路线，每条路线包含多段三维空间曲线以及起点、终点两个空间节点，路线要素明确模型属性，模型属性包括路线名称、长度、节点空间坐标；
步骤四：基于BIM软件进行开挖转运过程模拟，整理分析道路运输强度；
定义道路运输过程仿真模拟的初始输入条件，包含：①起点、②终点、③路线、④比率/优先级、⑤日期/事件；结合BIM施工仿真软件进行土石方开挖运输过程模拟，整理得到各分区不同施工阶段的物料转运强度及峰值，不同场内道路在施工各阶段的道路运输转运强度及峰值；
步骤五：采用Delphi法进行方案合理性评价；
采用Delphi法综合评估步骤二中的施工组织设计方案的线路总长、数量、设计通行能力的方案指标，确定步骤二中的施工组织设计方案是否需要调整；
步骤六：设计方案调整；
当步骤二中的施工组织设计方案小幅调整时，跳转至步骤三；
当步骤二中的施工组织设计方案大幅调整时，跳转至步骤二；
当步骤二中的施工组织设计方案无需调整时，跳转至步骤七；
步骤二中的施工组织设计方案的调整方法为：确定运输路线的设计运输能力或复核拟利用现有路的运输能力，拆分或合并转运区间的线路，再验证强度与等级，并进行经济性比较，完成局部线路规划与组织方案优化；
步骤七：整理仿真结果，形成道路运输强度数据库。
2.根据权利要求1所述的基于实景建模与BIM的水利水电场内交通规划组织方法，其特征在于：在步骤一中，所述大宗物资运输对象包括混凝土、开挖土石方。
3.根据权利要求2所述的基于实景建模与BIM的水利水电场内交通规划组织方法，其特征在于：在步骤二中，进行主体工程混凝土施工分区及模型剖分处理，并获取各分区体积方量。
4.根据权利要求3所述的基于实景建模与BIM的水利水电场内交通规划组织方法，其特征在于：在步骤四中，BIM施工仿真软件的应用软件包括MineSched、Navisworks、Delmia、Synchro；道路运输强度仿真数据的整理基于EXCEL办公软件的批量处理命令完成。
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