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文案 |名锤青史

编辑 |名锤青史

近年来，随着计算机技术和虚拟现实技术的发展，通过虚拟仿真技术在建筑施工中进行三维可视化建模成为建筑施工进度管理的重要形式。在高拱坝施工、桥梁施工和高层建筑等领域，虚拟仿真技术得到了广泛应用。然而，传统的高拱坝施工进度仿真主要针对整个拱坝的施工过程进行模拟仿真，无法准确地进行仓面建筑的可视化分析，并且不能精确地指导仓面施工工序，导致出现跳仓跳块和高差约束等问题，严重影响了高拱坝的整体施工进度。

基于上述问题，为了实现高拱坝仓面的三维可视化分析和施工进度管理，提高高拱坝仓面施工质量和整体效果，本实验提出了基于增强现实技术的智能建造虚拟仿真实验教学系统。该系统利用增强现实技术对高拱坝仓面施工流程和数学模型进行仿真，并计算具体施工工序的时间，将其与各个施工部位进行对应。通过这种方式，可以提升高拱坝仓面施工的进度和效率。

仓面施工仿真

首先需要了解高拱坝仓面施工过程。施工流程包括施工准备、基坑开挖、仓面施工和后期养护等步骤。

在仓面施工中，主要包括卸料、平仓、振捣和养护等环节。卸料阶段通常采用缆机吊罐的方式将混凝土送入仓内；振捣工序使用机械振捣设备进行振动处理；平仓阶段则使用机械平仓机进行平整操作。为了提高施工效率和缆机的利用率，在施工过程中常根据缆机的数量将仓面划分为多个卸料区域和多个条带，通过合理划分工段和工序进行施工。这样可以降低重复工作的成本，避免施工不均衡的问题，并进一步加快施工流程的进度。

之后是高拱坝仓面施工仿真流程的设计，基于高拱坝仓面的实际施工过程，可以构建相应的施工仿真流程。

该流程分为仓面仿真主流程和子流程。主流程描述了仿真系统的整体运行状态，而子流程则详细描述了各个施工工序的运行状态。

主流程包括以下操作：浇筑坝块和施工工艺确定、层面冲毛处理、冷却水管铺设、缆机卸料、振捣和仓面养护等。子流程包括振捣仿真子流程和缆机卸料子流程。

在主流程中，施工仿真系统会进行坝块的浇筑和施工工艺的确定，然后进行层面冲毛处理、冷却水管的铺设，以及缆机卸料、振捣和仓面养护等操作[6]。子流程中，振捣仿真子流程和缆机卸料子流程会分别模拟振捣操作和缆机卸料操作的运行状态。

高拱坝仓面施工可视化仿真

增强现实装置采用了C/S架构，通过相机云感知施工场地的姿态，并利用WebSocket技术和WebGL技术进行增强信息传输和增强现实画面渲染。下图呈现了增强现实的基本工作流程。

在该系统中，相机云感知施工场地的姿态，并将相关数据传输至服务器端。通过WebSocket技术，服务器端与客户端建立实时通信通道，实现增强信息的传输。同时，利用WebGL技术对传输的增强信息进行渲染，将虚拟元素与真实场景相融合，生成增强现实画面。

仓面施工可视化仿真模型架构

借助增强现实技术，我们提出了构建一个高拱坝仓面施工可视化仿真模型的方案。该系统主要是在利用增强现实技术，将虚拟仿真模型与真实场景相结合，实现高拱坝仓面施工过程的可视化展示与仿真。通过该模型，用户可以在现实环境中观察和参与高拱坝仓面的施工活动，深入理解施工流程和操作步骤。

模型的可视化仿真流程主要分为三个步骤，分别为图像源的数据采集和通讯管理、服务端的通讯数据发送、接收和存储、以及浏览客户端的数据接收、坐标转换、数据融合计算和画面渲染等操作，从而实现高拱坝仓面的精细化和可视化仿真。

在第一步，通过图像源进行数据采集和通讯管理，可以使用相机或其他传感器设备对施工场景进行实时数据采集。这些数据包括场景的图像信息、位置和姿态等，用于后续的数据处理和传输。

在第二步，服务端负责通讯数据的发送、接收和存储。服务端接收来自图像源的数据，并将其发送到浏览客户端。同时，服务端也负责接收来自浏览客户端的指令和请求，并进行相应的数据存储，以便后续的数据处理和分析。

在第三步，浏览客户端接收服务端传输的数据，并进行坐标转换、数据融合计算和画面渲染等操作。通过坐标转换，将接收到的数据转换为合适的坐标系，以便与虚拟模型进行匹配。然后，进行数据融合计算，将真实场景的数据与虚拟模型进行融合，生成综合的可视化效果。最后，通过画面渲染技术，将融合后的数据以逼真的方式呈现给用户，实现高拱坝仓面的精细化和可视化仿真。

为了更直观地展示基于增强现实的高拱坝仓面施工进度和流程，我们构建了一个高拱坝仓面施工仿真数学模型，该模型基于高拱坝仓面施工的条件参数、施工方法和控制参数等约束条件。

通过建立这个数学模型，我们能够更加准确地描述和分析高拱坝仓面施工的整体过程和关键要素。该模型能够考虑到施工条件、方法和约束条件之间的相互作用，为施工进度和流程的仿真提供基础。

实验结果与分析

为了验证构建模型的性能，实验选择某水电站高拱坝作为实验对象，并基于增强现实技术构建了相应的仿真模型。

该高拱坝的坝高为200米，坝顶高程为2,350米，混凝土浇筑方量为8.6×10^5立方米。拱冠梁底厚度为40米，顶厚度为15米，厚高比为0.206。

在该仿真模型中，高拱坝被分为17个坝段，包括4个表孔和3个中孔。表孔的尺寸为10米×14米，中孔的尺寸为5.5米×7米。

该高拱坝仓面的浇筑高程区间为2,048.4米至2,051.4米，对应的筑块面积为699.5平方米，体积为2,300立方米。这个区间表示了仓面在高拱坝上的特定高程范围，用于指示具体施工的位置。筑块面积表示了仓面覆盖的水平面积，是仓面施工区域的一个重要指标。而筑块体积则表示了仓面的立体体积，用于计算混凝土的浇筑量和施工进度。

为了验证本模型的性能，我们选择了1号至4号仓面作为仿真对象，并得到了各仓面的仿真结果。

根据实验数据显示，可以得知1号仓面的拟合参数符合拟合分布的结果。经过计算，得到1号仓面拟合参数的平均值为26.38小时，标准差为0.73小时。

下图为1号仓面的仿真结果拟合曲线，该曲线反映了1号仓面在不同时间段内的施工进度情况。通过观察拟合曲线，我们可以更直观地了解1号仓面的施工进展和预期完成时间。

这些拟合参数和拟合曲线的分析有助于我们评估1号仓面的施工效率和进度控制。通过对拟合参数的平均值和标准差的计算，我们可以了解到1号仓面施工的平均时间和时间波动程度，从而对后续施工计划进行优化和调整。

根据1号仓面的仿真结果，我们可以依次推算出仓面2至仓面4的施工历时拟合结果。这些数据展示了仓面2至仓面4在不同时间段内的施工进度情况。

通过观察图中的拟合曲线，我们可以对仓面2至仓面4的施工历时进行预测和分析。这些拟合曲线反映了各仓面在不同时间段内的施工进展，并提供了关于施工历时的信息。

为了进一步验证设计的仿真模型的性能，我们进行了1号仓面卸料位置的仿真实验，并计算出了具体的卸料位置。通过这一实验，我们可以评估模型在模拟高拱坝仓面卸料过程中的准确性和可靠性。根据仿真结果，我们得出了1号仓面的具体卸料位置。这些位置计算分析的结果可以进一步应用于实际的施工过程中，以指导卸料的准确位置和调整施工方案。

根据实验数据结果分析，我们可以观察到每层所需料罐数随着层面厚度的增加而逐渐提升。这表明每层的厚度与所需料罐数之间呈现正相关关系，符合一般规律。

为了验证设计的基于增强现实的智能建造虚拟仿真系统的性能，我们对系统进行了推进、暂停和重置等操作，并观察了增强现实下缆机、平仓机、振捣机等机械的工作状态和位置。

根据上图的仿真结果可以清晰地观察到系统准确地对各个机械的施工工序和位置进行了仿真。这意味着设计的基于增强现实的智能建造虚拟仿真系统能够实现高拱坝仓面施工进度的仿真和施工机械人员的调配。通过这一系统的应用，可以加快施工进度，提高施工效率。

结论：

实验结果表明，与实际施工历时相比，构建的仿真模型能够对高拱坝的多个仓面进行准确的施工仿真，仿真结果与实际施工历时非常接近。在卸料位置、各工序施工历时等方面，实验结果都取得了较好的效果。这说明设计的模型能够准确计算出各仓面条带的施工工序，真实地反映了仓面的实际施工情况。

最后，通过对设计的系统进行实验验证，我们发现该系统能够以最大程度展现增强现实视角下的施工现场工序和实际施工进度，显著提升可视化效果。

所以基于增强现实的智能建造虚拟仿真实验教学系统的设计在高拱坝施工中展现出了可行性和有效性。该系统为工程施工提供了有效的管理工具，通过可视化效果的提升，能够进一步提高施工质量和效果。

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