公路桥梁施工过程的模拟仿真可视化基于4D.doc
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公路桥梁施工过程的模拟仿真可视化基于4D
周成汉，王卫东
摘要
这是非常重要的四维可视化技术应用于施工管理，因为传统的工具在桥梁施工管理，可以不存在研究建立直观的建设进程。
此研究结合施工进度和资源消耗与三维桥桥梁施工进度的管理设立了四维仿真模型。
基于这个模型，桥梁施工四维仿真系统模型发展起来了。
有了这个系统，桥梁施工进度和资源需求实现了动态仿真，使用户能更方便的预测和询问工程进度和资源消费集中在一个可视化的环境。
简言之，它实现了在桥梁施工中的可视化管理和控制。
桥梁施工四维仿真系统的控制应用在在大坞河特大桥——340米预应力混凝土连续刚构桥施工管理中。
关键字：
四维仿真模型；可视化施工管理；施工进度；建设资源消耗；桥
引言
相较于任何一般建设项目，大型桥梁，作为一个在公路工程控制项目，具有投资大，建设周期长的特点，作出了巨大的影响和大量的数据和信息经过处理的施工管理。
作为施工进度的重要组成部分，建设规划有一个限制的特点，它是项目经理和工头通过可视化和通信建设计划督察工作能力。
尤其是，详细和直观的建设规划工作将序列冲突，鉴定潜在的安全危险，并计划加强施工人员在大型桥梁施工过程的沟通（McKinney和费舍尔1998年）。
很明显，传统的方法，例如柱状图和逻辑网络图，是很难有高的工作效率。
这些二维图有以下缺陷：
1.它很少允许规划者发现遗漏，冲突或逻辑错误，这将导致生产力下降，项目推迟完成，有关各方之间的主张（1995年Riley和Sanvido索赔;Varghese和O'Connor1995年;Guo2002年），因为大型桥梁施工程序是如此复杂，静态的二维图是目前难以在工作序列活的中直观的工作。
一般人，如设施的投资者，可能在建设项目的经验很少。
因此，他们可能永远无法参加在一无差错的建设规划发展进程，除非他们有一个简单的方式去审查施工进度（康等.2007）。
2.增加督察工作、收缩小组成员、工头和投资者之间的沟通时间和频率和减小施工效率。
为了解释四维模型引入收缩管理的必要性，康等人（2007年）已完成一个有趣的实证研究，其中一些任务的施工计划，并与一些矛盾和逻辑错误的规划被赋予不同的业主和承包商。
接着，使用传统的2D形式和4D模型工具，分别记录并分析确定所有者和施工队伍间的冲突或建设的逻辑错误的频率和通信时间。
该研究结果表明，使用四维模型的施工队比使用二维的团队发现更多的逻辑错误，更准确，更快，需要很少的对内交流。
这表明该4D施工可视化模式能提高团队的表现，也可能改善团队施工规划和调度的协作。
本文提出了一种大型复杂桥梁施工四维仿真模型。
通过这个模型，研究开发了桥梁施工四维仿真系统。
作为一个工程实践，该系统适用于大坞河特大桥——340米预应力混凝土连续刚构桥的施工管理。
四维桥梁施工进度和资源仿真模型管理
定义
Collier和Fischer（1996）提出一类四维模型，并应用SanMateo县卫生中心的施工中。
4D模型，结合三维CAD从时间维度物理组件的表象，在施工期间随着时间的变化动态显示结构的三维模型。
这个4D-CAD技术为实现一个虚拟的桥梁施工过程动态模拟提供了可能性。
必须指出，大量的三维仿真模型，目前通常用于以一种静态视图或一个三维动态漫游展现一个虚拟的桥，一直没有统一的施工进度或者原材料管理。
四维仿真模型
桥是由几个部分组成，如梁，桥墩，桥台，基础等。
实际上，每个组件作为一个桥梁桥梁施工过程的一部分，与3维数据、施工进度和原材料消耗相关。
根据面向对象编程原理，这个研究定义每个组件为一个抽象究对象，这个对象是一个牢不可破的混合属性和行为。
如在图1和表1显示的每个组成部分，是三个字对象，分别命名为，维子子对象、进程子对象和原料子对象。
在每个子对象里，也有一些属性和行为（表1）。
因此，该对象及其属性和行为构成一个四维仿真模型如图1和表1所示。
这个四维仿真模型，具有高可重用性，当被该组件输入相关数据时可以模拟各种桥梁构件。
维子对象
这一子对象是在四维仿真模型里面最简单的。
它能响应输入和输出元件尺寸数据和型号。
为了绘制三维零件模型，系统提供了一个系列的接口输入和查询所有尺寸数据（图.2）。
此外，还有一个标准组件数据库是可控用户选择桥梁的正常组成部分。
进程子对象
作为模拟桥梁施工过程的基础，进程子对象是四维仿真模型的关键技术。
在进度控制与仿真之前，一个详细的时间表应该由四维仿真模型确定。
关键路径法（CPM）是一种有效的方式来计划和分析一般项目的实施和表现。
Popescu和Charoenngam（1995年）说，CPM是举世公认的能够根据预算，达到专业标准保证大型复杂的建设项目最有效的方法。
根据研究中CPM的技术，施工进度表被建立在四维仿真模型中。
进程子对象的属性记录了工作序列的名称和工期。
这个系统在施工进度的基础上展示条形图和CPM网络图。
在这项研究中，给出了桥梁开工后一个特定时间，仿真系统能够判断出桥梁部分已经完成，并且知道根据施工进度表桥梁部分正常施工中。
然后，系统判断计算一个桥梁的组成部分已完成的百分比，列出所有已在三维视图中完成的部分（图3）。
项目参与方可以在任何时间模拟了施工进度，以发现任何可能是存在于施工进度中的冲突和逻辑错误。
原料子对象
在这一子对象，原材料消耗模型比其他模型更重要的（表1）。
这项研究认为，原材料的消耗数量的定义，始终与规划原料的路线。
表1.Attributes和四维仿真模型行为。
维子对象：
属性组件类型，外形尺寸等。
三维模型创建模型组件
行为组件尺寸查询方法
进程子对象：
属性名称和工作序列持续时间等。
条形图和CPM网络图模型的建立
行为仿真模型的研究进展
查询方法的研究进展
原材料子对象：
属性行材料的名称和数量等。
原材料消耗模型
行为资源要求查询方法
动态演示模型桥三维动画根据桥梁施工进度
四维仿真模型
维子对象
组件类型和维度
三维零件模型的创建
组件尺寸查询方法
资源子对象
原料消耗模型
原料要求查询方法
动态演示模型
进程子对象
姓名和工作序列持续时间
条形图和CPM网络序列
仿真模型进展
太阳意向模型进展
图1四维仿真模型
图2尺寸数据输入和查询
图3大桥三维演示文稿查看按施工进度仿真。
一个基本的方法来评估建筑活动消耗的原材料是计算所需原料上的完成的百分比来执行这些活懂。
在此方法中，原材料的款项用于执行所有活动的代表100％项目的完成。
原材料的消耗在某一个日期的实现可以通过划分所有的总额为整个项目所需的原料日期完成的活动所消耗的原材料总量来衡量。
原材料在施工过程中的消耗情况如图4所示。
图4.Raw材料消耗清单。
动态演示模型
该模型是用来介绍了在时间序列响应施工过程桥梁三维模型。
同时，用户通过观察和记录评估对施工现场的实际进展。
这个系统允许使用者输入实际进展中的信息。
接着，该系统做了一个施工进度和实际进度的比较。
它给工程师提供了一个工具，能够迅速清楚地明确时间表之间的和实际的3D视图中的不同。
因此，工程师将作出决定调整的时间表为了满足实际工作进度，反之亦然。
结论
该研究开发了桥梁施工四维仿真系统，可协助施工经理，减少在施工进度的冲突、逻辑错误，促进施工进度，避免资源浪费，提高施工管理效率。
一些重要成果如下显示：
（1）集成了桥梁的三维模型，施工进度和原材料需求计划，四维仿真模型，创造了桥梁施工进度和资源管理。
（2）基于四维仿真模型提出了动态模拟技术，该模型可以模拟大型桥梁施工过程中，实现了施工进度和原材料的视觉调查的基础。
（3）在实际工程应用的桥梁施工四维仿真系统已经证明该系统的有效性和可用性。
致谢
这项研究工作是由贵州省通信规划勘测设计研究院支持的。
作者感谢Dr.HeshamRakha，弗吉尼亚理工学院和州立大学教授，提供良好的科研条件。
同时，我们感谢他们的匿名裁判提供的有用的手稿意见和仔细审查。
参考文献
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