混凝土坝体结构裂缝三维建模及虚拟现实应用.pdf
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1、第 3 4卷第 2期 2 0 1 3年 4月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f No a h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r V0 I 3 4 No 2 Ap r 20 1 3 D OI : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 5 6 3 4 2 0 1 3 0 2 0 1 2 混凝土坝体 结构 裂缝 三维建模及虚 拟现 实应 用 付 翔 , 刘尚蔚 , 魏 群 ,何大川
2、( 1 华北水利水电学院 , 河 南 郑州 4 5 0 0 4 5 ; 2 南水 北调 中线干线工程建设管理局 , 北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 : 基于可视化仿 真技 术的大型水利水 电工 程 中大体 积混凝 土裂 缝 的机理模 拟与 展示 方法研 究越来 越受 关 注 分析了国内外对裂缝三维建模方法 的研究 ; 基 于大体积 混凝 土裂缝统 计数 据 , 利用 N U R B S软 件平 台, 对具有复杂大坝条件 和廊道 群的水利工程坝体 结构裂缝 建立 了三维 模型拓 扑关 系 以实现坝体 结构裂缝 虚拟现实 系统 为 目标 , 完成 了大坝裂缝控 制模 拟 、 可视 化查询
3、和综合 分析 等方面 的应 用 最后将 该技术 成 功应用到实际水利 工程 的三维坝体结构裂缝统计 模拟 和可视化 分析 中 , 为裂缝 虚拟现 实可视化 方法在 其 他工程领域 的应用拓展 提供 参考 关键词 : 混凝土坝体 ; 裂缝 ; 虚拟 现实 ; 三维可视化 中圈分 类号 : T V 3 9 ; T P 3 9 1 9 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 25 6 3 4 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 3 9 0 4 自2 0世纪初开始修建混凝土坝 以来 , 裂缝问题 始终存在 , 甚至无坝不裂 , 已成为困扰大坝建设的关 键问题之一 为准确评估危害性裂缝及对裂缝
4、进 行后续处理 , 确定裂缝在坝体结构中的几何位置 、 数 据特 点 和对 结构 影 响大小 是裂 缝展 布情 况探 查 的一 个关键环节 传统的工程结构裂缝分析 、 解释和普查 一 般 局 限于二 维 、 静态 的表 达方 式 , 它描 述空 间裂 缝 构造 的 直观性 差 , 不 能充分 揭示 三维 特 征 , 难 以满 足 坝体结构裂缝空间分析的需求 离散裂缝 网络模型通过展布于三维空间中的各 类裂缝片组成 的裂缝网络集团来构建整体的裂缝模 型 , 实现 了对裂缝 系统从几何形态到其渗流行为 的 逼真细致 的有效描述 刘 尚蔚等对 多维多源数据 建立统一数据库 , 用于三维建模 并进行
5、了虚拟现实 模 型转 化 的研 究 以上 三 维 裂缝 建 模 和可 视 化 方 法 的研 究 , 主要 是 为 了满足 地球 物理 、 矿 业工 程 和油 藏工程等地质模拟与辅 助工程设计需要而展开的, 但涉及水利工程混凝土大坝三维裂缝建模方法研究 的文 献较 少 鉴于水利工程大坝裂缝建模和可视化的需要 , 笔者应用 N U R B S软件平 台来制作混凝 土大坝及裂 缝 的三维模 型 , 建 立 具有 复 杂 混 凝 土 大坝 条 件 和 廊道群的水利工程 的三维模 型拓扑关系 , 并应用虚 拟现 实 ( V i r t u a l R e a l i t y , V R)技 术 来 实
6、现 混 凝 土 大 坝三 维裂 缝 的虚拟 现实 可视 化系统 1 坝体 混凝 土结构 裂缝 三维 可视化建 模原 理 1 1 坝体 混凝 土 结构裂 缝组 成及 分析 通常 , 坝体裂缝主要在施工期产生 , 由施工期温 度荷载造成 运行期裂缝主要是施工期微裂缝扩展 、 结构设 计 不 当 、 基 础 变形 、 地 震 等 因素 造成 裂 缝 是依存于坝体内部 的, 相当于断层 、 夹层 、 节理与裂 隙在岩体中充当结构面构造, 坝体是被裂缝切割的 块体( 切割体或似断非断体 ) 裂缝 的结构由裂缝 中 心位置 、 缝长、 缝宽 、 缝深与裂缝产状等参数确定 坝 体裂缝按产状和规模大体可以分为
7、水平缝、 纵 向缝 、 坝体上游面竖向裂缝 、 坝顶至廊道的裂缝 、 贯穿坝体 的水平裂缝等 坝顶平 面至廊道顶面的裂缝和贯穿 坝体的水平裂缝如图 1 所示 收稿 日期 : 2 0 1 21 1 3 0 基金项 目: 河 南省院科技合作专项基金 ( 1 1 2 1 0 6 0 0 0 0 3 5 ) 作者 简介 : 付翔 ( 1 9 8 7 ) , 男 , 江西南 昌人 , 硕士研究生 , 主要 从事 水工结构工程可视化仿 真方 面的研究 刘 尚蔚 ( 1 9 6 7 一 ) , 女 , 河南南 阳人 , 教授 , 博 士 , 主要从事水工结构工程可视化仿 真方面的研究 魏群( 1 9 4 7
8、 一 ) , 男 , 山东诸城人 , 教授 , 博 士后 , 主要从事三维 可视 化仿 真和钢结构设计等方面的研究 第 3 4卷第 2期 付翔 , 等 : 混凝 土坝体结 构裂缝三维建模及虚拟现实应用 4 l 2 2 坝 体 结构 裂缝 系统构 造 从 整体 上将 坝体 顶平 面 、 迎水 面 、 贴 坡 面及 其他 主要建筑结构对应的裂缝属性信息规整 、 统计 , 作为 一 个坝体裂缝三维可视化系统来构造 , 更 能够反映 实际坝体裂缝 的结构 形态 基于 N U R B S技术构造 坝体结构裂缝三维可视化模型的步骤如下 1 ) 将 裂 缝 检 查 表 与 坝 体 结 构 二 维 剖 面 数
9、 据 按 真实坐标系统进行三维转换 , 形成整体水利枢纽和 裂缝 模 型 曲线 集 合 2 ) 从 该集 合 中提 取 相应 的裂 缝 结 构 的点 、 线 数 据 , 运用 N U R B S建 模技术形成 整体 的水利 工程坝 体结 构 裂缝 三维 模型 3 ) 将三维数据结构 表达的几何模型 和拓扑关 系转化为数据存储 形式 , 以便于大坝裂缝监测系统 三维 可 视化查 询 4 ) 最 后 将 所 有 分 类 构 造 的 坝 体 裂 缝 模 型 做 进 一 步 调 整和修 改 图 5为某 坝段 结构 裂缝 模 型 图 5 某 坝 段 结 构 裂 缝 模 型 3 坝体 裂缝 虚拟现实系统
10、3 1虚拟 现 实技 术 虚拟现实是利用计算机图形学技术 , 在计算机 中对客观世界进行逼真 的模拟再现 利用虚拟现实 技术建立虚拟环境 , 主要工作为精确表示物体的状 态模 型及环 境 的可视 化 和渲 染 此虚拟 现 实场 景 的三维 交互 操作包 括 对 三维 坝 体 、 裂缝结构、 廊道 、 排水检测设备等信息的交互式 查 询 这些 三维 交互 式 操 作 可 通 过 虚 拟 现 实 场景 与 高 级编 程语 言 之间建 立 通信机 制来 实 现 3 2 基 于 V R P 的坝体 裂缝 统计 仿真 系统 整个虚拟仿真系统研究的核心部分之一就是能 对整体 V R环境进行控制 , 实现任
11、意点、 任意角度 的 观察 , 以及对裂缝具体信 息 的展示 为实 现这些功 能 , 在仿真系统中, 程序 开发采用 了伪编译语言 , 即 S c r i p t 脚本语 言, 结合 V C+ +语言 以及结构 化查询 语言 ( S Q L ) 进行混合编程 基 于 V R P ( V i r t u a l R e a l i t y P l a t f o r m) 的坝 体裂 缝统 计仿 真 系统开 发 可分 为 如下 步骤 1 ) 数据库采用微软 的 A C C E S S软件创建 , 将裂 缝 的参数信息以等级归类 , 并将各裂缝详 细信息存 储至数据库中 2 ) 在虚拟现实编辑平
12、台中, 用其 自带的属性赋 值功 能对 每条 裂缝 进行 I D赋值 3 ) V R P场景本身提供 对用 户需 求处理 的简单 交互 ( 包括 事件 和路 由) , 但 并 不 能完 全 满 足 复杂 交 互的要求 , 需要进行三维立体显示控制的开发 , 针对 更底层的数据库、 场景实时渲染等功能进行衔接 4 工程应用 某水利枢纽初期工程混凝土坝分为 5 8个坝段 , 全长 1 1 4 1 m, 最大坝高 9 7 m 大坝加高后其正常蓄 水 位抬 高 至 1 7 0 0 m, 校 核洪 水 位 为 1 7 4 4 m, 水 库 总库容 由 2 0 8 9亿 m 增加到 3 3 9 1亿 m
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