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智啟未來,隔水幕墻數(shù)字孿生揭秘

中南院發(fā)布時(shí)間:2024-06-03 13:52:00  作者:夏粵英

隨著全球數(shù)字化浪潮的迅猛推進(jìn),迎來了一個(gè)充滿變革與創(chuàng)新的智能時(shí)代。數(shù)字孿生技術(shù)憑借其對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等尖端技術(shù)的融合,展現(xiàn)出了強(qiáng)大的潛力和獨(dú)特的優(yōu)勢,正逐步滲透到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域,為現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)行與發(fā)展提供著強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

作為未來工業(yè)革命的核心技術(shù)之一,中南院在隔水幕墻試驗(yàn)工程的全過程實(shí)施中,數(shù)字孿生技術(shù)以其卓越的精準(zhǔn)模擬和實(shí)時(shí)監(jiān)測能力,為工程的每一個(gè)環(huán)節(jié)提供了堅(jiān)實(shí)的保障,更以其前瞻性和創(chuàng)新性,為低溫水治理的智能化發(fā)展指明了方向。

智慧引領(lǐng),破解深水設(shè)計(jì)難關(guān)

三板溪水電站隔水幕墻試驗(yàn)工程,作為世界首例應(yīng)用于已蓄水高壩大庫的低溫水治理工程,其設(shè)計(jì)初期便遭遇到前所未有的挑戰(zhàn)。工程團(tuán)隊(duì)如“逆水行舟”,不僅要面對(duì)水庫大跨度、超百米深水環(huán)境所帶來的不確定性和復(fù)雜性,還需要克服水庫的高位水變幅問題帶來的方案與設(shè)計(jì)難度。

隨著研究的深入,技術(shù)瓶頸逐漸凸顯:團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)研究水庫水溫分層現(xiàn)象時(shí),分別運(yùn)用數(shù)值模擬及物理模型實(shí)驗(yàn)分析所得到的結(jié)果相差逾10倍。面對(duì)如此顯著的差異,團(tuán)隊(duì)開展了大量關(guān)于新技術(shù)路徑的專題研究,不斷探索可能的突破點(diǎn)。經(jīng)過深思熟慮、對(duì)比與嚴(yán)格評(píng)估,團(tuán)隊(duì)決定摒棄傳統(tǒng)的物理模型實(shí)驗(yàn)路徑,轉(zhuǎn)而大膽嘗試數(shù)字孿生設(shè)計(jì)技術(shù)路線,采用全數(shù)值模擬的方法,以期破解當(dāng)前技術(shù)難題,打開破局之門。

數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用之路同樣充滿挑戰(zhàn)。在隔水幕墻設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬過程中,團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)水溫變化導(dǎo)致的密度差異是影響柔性幕墻結(jié)構(gòu)荷載的關(guān)鍵因素。由于模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)乎每個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載分布,整個(gè)模擬工作對(duì)計(jì)算精度的要求極高。因此,團(tuán)隊(duì)不得不借助高精度軟件的輔助,以確保模擬結(jié)果的精確性和可靠性。然而,隔水幕墻特有的以溫度為主導(dǎo)的荷載特性,使得即便是在水庫水溫領(lǐng)域頗具權(quán)威的美國ce-qual-w2軟件,也難以完全滿足工程設(shè)計(jì)中復(fù)雜水位和荷載組合運(yùn)行工況的仿真分析需求。

面對(duì)傳統(tǒng)模型軟件無法滿足項(xiàng)目要求的困境,團(tuán)隊(duì)毅然決定走上自主創(chuàng)新的征途。在研發(fā)道路上,團(tuán)隊(duì)成員展現(xiàn)出超乎尋常的韌性和決心,他們不斷調(diào)試參數(shù),精細(xì)優(yōu)化模型,與哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)密切合作,致力于研發(fā)出適用于隔水幕墻的形態(tài)、應(yīng)力分析模型和軟件,并深入探索與之匹配的流固耦合方法。

“不積跬步,無以至千里”,經(jīng)過五年辛苦耕耘,團(tuán)隊(duì)成員匠心獨(dú)運(yùn),逐字逐句雕琢代碼,精益求精打磨公式,孜孜不倦優(yōu)化算法。隨著算法的不斷迭代和海量數(shù)據(jù)的計(jì)算,成功推出了創(chuàng)新向量式有限元索網(wǎng)模型、“溫度-水動(dòng)力-形態(tài)-荷載”流固耦合分析模型。在團(tuán)隊(duì)成員夜以繼日的辛勤付出和一臺(tái)又一臺(tái)報(bào)廢的服務(wù)器見證下,實(shí)現(xiàn)了無預(yù)應(yīng)力大變位柔性擋水結(jié)構(gòu)體型和應(yīng)力分析技術(shù),完全替代了美國水庫水溫領(lǐng)域權(quán)威仿真分析軟件ce-qual-w2的低溫水治理工程仿真分析軟件逐漸問世。

通過高精度的模型算法與軟件輔助,隔水幕墻形態(tài)、荷載、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析難點(diǎn)被逐項(xiàng)攻克,通過模擬深水環(huán)境下幕墻的各項(xiàng)性能指標(biāo),提升了設(shè)計(jì)的精確性和可靠性,大幅縮短了研發(fā)周期,為工程的后續(xù)施工和運(yùn)行提供了有力保障。

智慧輔助,確保深水施工無阻

經(jīng)過縝密的設(shè)計(jì)和精心籌備,隔水幕墻試驗(yàn)工程順利進(jìn)入施工階段。面對(duì)水庫大跨度、超百米深水施工的嚴(yán)苛技術(shù)挑戰(zhàn),團(tuán)隊(duì)?wèi){借數(shù)值仿真分析手段,確保工程建設(shè)的穩(wěn)步進(jìn)行。

鑒于當(dāng)時(shí)行業(yè)內(nèi)尚無在160米深水不可視條件下連接幕布和地錨的先例,在這種深度下開展實(shí)地試驗(yàn)不僅成本高昂,且潛在風(fēng)險(xiǎn)極大,稍有不慎便可能導(dǎo)致難以挽回的后果。因此,經(jīng)過慎重評(píng)估,團(tuán)隊(duì)首先在縮尺實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了初步探索,然后,借助數(shù)值仿真分析手段,對(duì)深水幕布拼裝、下放與裝配等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行各階段、全環(huán)節(jié)地模擬預(yù)演和方案優(yōu)化。大面積幕布水面的精準(zhǔn)拼裝以及深水裝配施工,無疑是隔水幕墻試驗(yàn)工程的核心挑戰(zhàn)。為了克服這一難題,研發(fā)團(tuán)隊(duì)從零開始,打造了一套專門針對(duì)水庫柔性大跨度擋水結(jié)構(gòu)體型一體化施工運(yùn)行的全過程監(jiān)測設(shè)備體系,實(shí)時(shí)監(jiān)控施工過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié),確保工程質(zhì)量和安全。

幕墻拼裝是工程實(shí)施的關(guān)鍵,團(tuán)隊(duì)對(duì)施工全過程進(jìn)行仿真分析和預(yù)演,精心制定了五套方案。經(jīng)過實(shí)地試驗(yàn)與驗(yàn)證,團(tuán)隊(duì)最終選擇了充氣平臺(tái)+水面漂浮組合方案。面對(duì)緊迫的工期,數(shù)值仿真不僅優(yōu)化了施工流程,還指導(dǎo)了分幅拼裝、幕布沉放、與地錨和浮箱的連接等創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用,保證了施工團(tuán)隊(duì)的高效作業(yè),有效解決了柔性結(jié)構(gòu)水面漂浮形態(tài)不可控、深水形態(tài)不可視等問題,實(shí)現(xiàn)了6萬平方米的幕布在水面上準(zhǔn)確無誤地拼接。

模型與軟件在隔水幕墻工程中也扮演著至關(guān)重要的角色,它們能夠精確模擬空間柔性擋水結(jié)構(gòu)在復(fù)雜形態(tài)和多種荷載組合工況下的形態(tài)和應(yīng)力分布情況,其卓越的精確度和可靠性,配合對(duì)大數(shù)據(jù)的快速處理能力,為幕布下放與裝配方案的實(shí)時(shí)調(diào)整提供了重要依據(jù),最大可能減少了地錨荷載,確保了施工的順利進(jìn)行。

數(shù)字化技術(shù)與施工過程的深度融合,為深水施工領(lǐng)域帶來了顯著突破。團(tuán)隊(duì)在這一進(jìn)程中,不僅成功設(shè)計(jì)了深水三維空間線形動(dòng)態(tài)監(jiān)測設(shè)備,還發(fā)明了垂向水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)濾波計(jì)算方法、提出了水位自適應(yīng)布線設(shè)計(jì)施工成套技術(shù)等。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用,為隔水幕墻的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和水溫調(diào)控效果的全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測提供了有力保障,也提高了施工精度和效率、降低了工程風(fēng)險(xiǎn)。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中,施工團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮了數(shù)值仿真分析的優(yōu)勢,通過精準(zhǔn)模擬關(guān)鍵施工環(huán)節(jié),不斷優(yōu)化施工方案,有效攻克了深水施工中的多項(xiàng)技術(shù)難題,使得隔水幕墻試驗(yàn)工程在短短不到半年得以高質(zhì)量完成,并為試運(yùn)行階段的出色表現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

智慧護(hù)航,穩(wěn)定深水運(yùn)行不輟

隨著隔水幕墻試驗(yàn)工程的圓滿完成,工程迎來了檢驗(yàn)其成果的關(guān)鍵時(shí)刻。在這一年的試運(yùn)行期間,數(shù)字化技術(shù)始終為隔水幕墻的穩(wěn)定運(yùn)行持續(xù)保駕護(hù)航,最終確保工程成功通過驗(yàn)收。

深水大跨度柔性結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知與智能調(diào)度,在隔水幕墻工程建設(shè)中舉足輕重。但由于深水環(huán)境的復(fù)雜性和不可視性,傳統(tǒng)的調(diào)控手段在追求精準(zhǔn)控制時(shí)往往力不從心。因此,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定依托數(shù)字化技術(shù),踏上研發(fā)隔水幕墻智能調(diào)控系統(tǒng)的征程。

在深水環(huán)境下,牽引索的收放方案受到復(fù)雜多變的水位、荷載組合工況的直接影響,呈現(xiàn)出極高的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性。面對(duì)動(dòng)態(tài)確定最佳收放方案的難題,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)用三年時(shí)間持續(xù)開展技術(shù)攻關(guān),成功克服種種困難,最終建成了隔水幕墻智能調(diào)控系統(tǒng)。

這一智能調(diào)控系統(tǒng)作為項(xiàng)目的“智慧大腦”,匯集了大量深水體型、荷載傳感器和水溫傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)收集并處理通過104個(gè)深水體型、荷載傳感器和308個(gè)水溫傳感器收集的各類數(shù)據(jù),為隔水幕墻的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和水溫調(diào)控提供精準(zhǔn)依據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)置了水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)濾波、隔水幕墻荷載計(jì)算等一系列先進(jìn)算法,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)160米深水不可視環(huán)境下隔水幕墻結(jié)構(gòu)、形態(tài)和水溫調(diào)控效果的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析。

此外,智能調(diào)控系統(tǒng)還具有強(qiáng)大的跟蹤和計(jì)算能力。它能實(shí)時(shí)跟蹤隔水幕墻在深水中的水溫、形態(tài)及荷載變化,全面掌握其數(shù)萬種的復(fù)雜工況形態(tài)下的運(yùn)行狀況?;谶@些精準(zhǔn)的監(jiān)測數(shù)據(jù),系統(tǒng)能夠通過先進(jìn)的協(xié)同模擬分析技術(shù),確定幕墻調(diào)控結(jié)構(gòu)最佳的升降方式,并精確計(jì)算出每個(gè)形態(tài)下28根升降牽引索的合適長度,實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫水溫的精準(zhǔn)調(diào)控,從而滿足下游魚類生長繁殖對(duì)水溫的特定要求。

借助這一智能調(diào)控系統(tǒng),管理人員已逐步構(gòu)建起應(yīng)對(duì)水庫水溫管理水挑戰(zhàn)的能力。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測隔水幕墻的運(yùn)行狀態(tài),并為未來主動(dòng)模擬各種工況,深入研究隔水幕墻運(yùn)行后水庫水溫結(jié)構(gòu)演變規(guī)律提供了有力的技術(shù)平臺(tái)。展望未來,結(jié)合每年的水文、氣象、電站調(diào)度數(shù)據(jù),系統(tǒng)可以根據(jù)年際差異或變化,為動(dòng)態(tài)模擬分析和智能推算隔水幕墻調(diào)度方案提供有針對(duì)性的科學(xué)依據(jù),為實(shí)現(xiàn)低溫水治理效果的智能動(dòng)態(tài)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

在數(shù)字化浪潮澎湃的時(shí)代背景下,中南院堅(jiān)定不移地深化數(shù)字化轉(zhuǎn)型,將數(shù)字技術(shù)深深融入企業(yè)發(fā)展的核心,讓數(shù)據(jù)成為引領(lǐng)決策、驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的核心力量。作為全過程數(shù)字孿生設(shè)計(jì)、運(yùn)行實(shí)踐的先行者,中南院傾力打造先進(jìn)的數(shù)字平臺(tái)、優(yōu)化數(shù)據(jù)治理體系、不斷提升數(shù)據(jù)分析能力,從而為智能工程建設(shè)提供全面、細(xì)致且具有前瞻性的指導(dǎo)。

數(shù)字化不僅是技術(shù)的升級(jí),更是思維模式的革新。隨著數(shù)字化的深入,數(shù)字潛能將不斷被釋放,為企業(yè)注入新的活力。因此,中南院將秉持開放包容的態(tài)度,積極擁抱數(shù)字化變革,攜手合作伙伴共同書寫企業(yè)智能化發(fā)展的新篇章,邁向一個(gè)更加智能、高效且可持續(xù)的未來。


 低溫水治理工程仿真分析軟件


索網(wǎng)形態(tài)應(yīng)力分析技術(shù)


 隔水幕墻智慧運(yùn)維平臺(tái)


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