CN108256243A - 基于bim技术的隧道开挖两台阶方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，包括如下步骤：S1，根据施工工程建设要求，形成设计施工工程基本数据信息，依次对工程本体的相关参数进行配置；S2，按照隧道开挖两台阶方法施工的特点，设定拆分起始的方向、配置拆分方法中各个尺寸的参数和规则约束条件，生成拆分面，再沿着选取的中心线对分段模型进行分割，获得二台阶分块模型；S3，根据该二台阶分块模型施工的特点和参数，对这些分块模型施工进行属性配置和拓展，获得该分块模型施工的BIM模型。

Description

基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法

技术领域

本发明涉及计算机程序应用领域，尤其涉及一种基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法。

背景技术

在建筑信息管理BIM技术中，通过对工程项目各项相关信息数据的采集、整理能够对工程项目进行总体的管理，在BIM工程中，现有的隧道开挖施工模型都是通过从设计模型或是手工进行划分若干的单元再进行开挖施工组织的，这样的施工组织粗糙，而且效率低下。目前的施工模型是直接遵从设计模型进行的，施工信息与设计模型没有有效地对接，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，包括如下步骤：

S1，根据施工工程建设要求，形成设计施工工程基本数据信息，依次对工程本体的相关参数进行配置；

S2，按照隧道开挖两台阶方法施工的特点，设定拆分起始的方向、配置拆分方法中各个尺寸的参数和规则约束条件，生成拆分面，再沿着选取的中心线对分段模型进行分割，获得二台阶分块模型；

S3，根据该二台阶分块模型施工的特点和参数，对这些分块模型施工进行属性配置和拓展，获得该分块模型施工的BIM模型。

所述的基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，优选的，所述S1包括：

S1-1，根据施工工程建设要求，形成设计施工工程基本数据信息，根据建设要求，依次从XY平面、YZ平面和XZ平面获取施工工程数据；

S1-2，根据三维方向获取工程本体隧道土方的体量数据；

S1-3，按照施工特点和属性进行拓展和管理，依次对工程本体的相关参数进行配置。

所述的基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，优选的，所述S2包括：

S2-1，设置施工工程的约束条件，获得分层面的高度坐标H_j的值，获得沿中心线剖分方向上H_j对应的点坐标，然后通过该点生成垂直于中心线剖分方向的剖分面，然后依次与剖分对象进行分段布尔运算，获得分段结果；

S2-2，对每个分段的实体进行属性配置，包括：颜色、透明度、施工类型、人员、时间进行赋值。

所述的基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，优选的，所述S3包括：

S3-1，进行分段之后，选择施工工程模型中的某段或多段为分块对象，计算这些对象模型沿中心线方向的截面扫掠面最大包围盒，进行分块拆分；

S3-2，设置两台阶法分块参数，根据施工示意图，设置H1，H2，H，W的参数值，选取隧道截面和截面轮廓，指定隧道中心线，选取两个点确定与拆分示意图的匹配方向；

S3-3，根据设置的参数按照示意图所示构造出拆分切割线，通过H1，H2，H，W计算定义出直线对象，在S3-1中算出的截面扫掠面上映射出切割线对象，并延长切割线对象到截面扫掠面边缘；绘制出隧道工程截面，设置上下两条横线为待切割部位，参数解释分别为：H1为隧道最低点水准线到第一台阶高度，H2为隧道最低点水准线到第二台阶高度，H为隧道最低点水准线到隧道最高点水准线距离，W为隧道左边缘到隧道右边缘宽度，

S3-4，把待切割线的截面扫掠面沿选定的隧道中心线和扫掠方向进行延伸，扫掠施工工程模型，拆分出分块模型，并对分块模型进行编号；

S3-5，该施工工程模型的约束输入参数为：

定义拆分模型在沿隧道中心线的截面最大包围盒的高为H，宽为W，则0<H1<H2<H，0<W。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明解决如何从设计院获得的设计模型转换为施工单位方便使用的高精度施工模型，即通过行业既定的规则或是约束条件，并对BIM属性信息进行管理，自动划分便于实施的施工组织单元，通过二台阶的隧道模型划分方法提高工程项目施工管理的精度和准确性，提高项目执行效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明工作流程图；

图2是本发明实施例示意图；

图3是本发明划分实施例示意图；

图4是本发明方形划分实施例示意图；

图5是本发明菱形划分实施例示意图；

图6是本发明总体示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

其中BIM(Building Information Modeling)技术为建筑信息建模，

其中在隧道数据模型导入到BIM系统时，需要执行如下步骤：

Ⅰ，直接读取工程设计模型，并对其模型数据组织结构进行转换解析；根据施工工程建设要求，形成设计施工工程基本数据信息，根据建设要求，读取导入不同格式设计结果模型；根据不同设计工具设计结果模型的方式，转换解析设计结果模型数据组织结构Product Structure；按照施工特点及定位，直接读取各个不同模型设计工具设计结果模型，不依赖于不同模型设计工具。

Ⅱ，按照模型数据组织结构特点，对每一个模型数据组织结构进行分类，根据分类，获取其每个分类的数据，其中包含模型组织结构上的图形数据，模型组织结构上的属性数据；根据施工工程模型数据组织结构要求，按照Ⅰ的转换解析后的模型数据组织结构Product Structure特点，对每一个模型数据组织结构进行分类，分类形式为装配Product，零件Part，体Body；根据施工工程模型数据组织结构要求，对分类后的模型数据组织结构，分别获取其属性数据和图形数据；施工工程模型数据组织结构要求：装配Product的子节点只能是装配Product以及零件Part节点，零件Part的子节点只能是体Body，其中装配Product和零件Part节点均仅代表施工工程模型树组织结构，而体Body代表该施工工程模型数据下的一个几何图形数据；

Ⅲ，根据获取到的模型数据组织结构，以及需要的新的模型数据组织结构，组织出新的需要的模型组织结构；

Ⅳ，根据获取到的模型数据组织结构，以及对模型数据组织结构分类后获取到的对应模型属性数据和模型图形数据，按照直接加载和快速加载两种模式，分别对模型几何拓扑体进行相应处理；

根据施工工程模型数据组织结构要求，以及对设计结果模型数据组织结构分类后分别获取的对应模型属性数据和模型图形数据，针对施工工程模型数据导入的两种方式，直接加载和快速加载，分别处理；

根据施工工程模型数据要求，直接加载方式要求加载设计结果模型的几何实体数据，设计结果模型的几何实体数据由模型几何model和构造几何construction两部分组成，其中模型几何是指拓扑类指向的类，不包括具体的形状信息，构造几何是指模型几何中的声明，包含实际的形状信息；模型几何又称模型的拓扑结构，构造几何又称模型的解释结构，一个正方体的几何实体表示，1：其中模型几何拓扑是指，这个正方体几何中有多少块(正方体只有一个块)，在块中有多少面(正方体有六个面)，面上有多少边界边(12个边界边)，边界边上有多少点(八个点)，点和边之间怎样连接，2：其中构造几何指，具体的面，面上具体的边(由哪些点构成)，具体的边，具体的点坐标，构造几何是具体解释模型几何拓扑。模型实体数据中的模型几何model与构造几何construction的区别在与，前者不包含具体的形状数据信息，而后者包含实际的形状数据信息。

根据施工工程模型数据要求，直接加载设计结果模型数据需要进行精度和模型空间控制，加载设计结果模型数据的精度和模型空间控制公式如下：

设定A:绝对最小值(10e-6)

B:规格化最小值(10e-10)

C:曲线曲面的逼近精度(10e-3)

D:被认为是零的最大值(10e-11)

模型空间计算算法：

Model space＝A/B＝10e-6/10e-10＝10e4；

根据施工工程模型数据要求，快速加载方式要求快速加载设计结果模型的图形数据，设计结果模型的图形数据是指，不包含有拓扑的纯图形数据，图形数据表示方法如下：

设定点：P1，P2，P3，P4，P5，P6

其中P1＝P4，P3＝P6，

点列表：PList＝{P1x，P1y，P1z，P2x，P2y，P2z，P3x，P3y，P3z，P4x，P4y，P4z，P5x，P5y，P5z，P6x，P6y，P6z}

面列表数据集：FList＝{Pn1，P1，P2，P3，Pn2，P5，P4，P6}

面Face＝PList+FList

Pn：点数量

的原始离散图形数据，表示图形为图3：

该图形，为一个矩形，离散后变为两个三角形，遵守右手定则，法向全部向外，优化过程为：

点去重：PList＝{P1x，P1y，P1z，P2x，P2y，P2z，P3x，P3y，P3z，P5x，P5y，P5z}，

面去重数据集：FList＝{Pn1，P1，P2，P3，Pn2，P5，P1，P3}

降低面片数量：例如两个四边形构成一个大的四边形，优化前为四个三角网格，优化后为两个三角网格，三角网格是计算机硬件渲染是需要的数据，三角网格数量越低，可提升渲染效率。

所述的基于BIM技术的工程设计模型导入方法，优选的，所述S5包括：

根据施工工程模型数据要求，将S4中获取到的已经过处理的图形数据，以及属性数据，分别绑定到S3中重组的施工工程模型数据组织结构的对应节点上。

Ⅴ，根据直接加载和快速加载两种模式，分别向模型数据组织结构各个分类中添加处理后的模型图形信息。

如图1至3所示，本发明提供了一种基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，包括如下步骤：

S1，根据施工工程建设要求，形成设计施工工程基本数据信息，依次对工程本体的相关参数进行配置；

S2，按照隧道开挖两台阶方法施工的特点，设定拆分起始的方向、配置拆分方法中各个尺寸的参数和规则约束条件，生成拆分面，再沿着选取的中心线对分段模型进行分割，获得二台阶分块模型；

S3，根据该二台阶分块模型施工的特点和参数，对这些分块模型施工进行属性配置和拓展，获得该分块模型施工的BIM模型。

所述的基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，优选的，所述S1包括：

S1-1，根据施工工程建设要求，形成设计施工工程基本数据信息，根据建设要求，依次从XY平面、YZ平面和XZ平面获取施工工程数据；

S1-2，根据三维方向获取工程本体隧道土方的体量数据；

S1-3，按照施工特点和属性进行拓展和管理，对隧道土方的体积、重心、质量、表面积、坝体密度、坝体使用材料进行数据配置，根据隧道土方建筑规格获得其最大长度、最大宽度、最大高度、以及底面积和底面周长、顶面积和顶面周长、底高程和顶高程，根据隧道土方的材质添加材质填料数据配置信息；

上述S1-3的数据需要依次进行数据的获取操作，这样才能够准确的得到施工需要的工程材料数据，能够保证工程项目预算精度。而且针对不同的数据其配置内容并不相同，这需要根据不断的试验才能够得到上述工作方法。

所述的基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，优选的，所述S2包括：

S2-1，设置施工工程的约束条件，获得分层面的高度坐标H_j的值，获得沿中心线剖分方向上H_j对应的点坐标，然后通过该点生成垂直于中心线剖分方向的剖分面，然后依次与剖分对象进行分段布尔运算，获得分段结果；

S2-2，对每个分段的实体进行属性配置，包括：颜色、透明度、施工类型、人员、时间进行赋值。

所述的基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，优选的，所述S3包括：

S3-1，进行分段之后，选择施工工程模型中的某段或多段为分块对象，计算这些对象模型沿中心线方向的截面扫掠面最大包围盒，进行分块拆分；

S3-2，设置两台阶法分块参数，根据施工示意图，设置H1，H2，H，W的参数值，选取隧道截面和截面轮廓，指定隧道中心线，选取两个点确定与拆分示意图的匹配方向；

S3-3，如图2和3所示根据设置的参数按照示意图所示构造出拆分切割线，通过H1，H2，H，W计算定义出直线对象，在标号3和5之间的横线为隧道结构的基线，在S3-1中算出的截面扫掠面上映射出切割线对象，并延长切割线对象到截面扫掠面边缘；绘制出隧道工程截面，设置上下两条横线为待切割部位，参数解释分别为：H1为隧道最低点水准线到第一台阶高度，H2为隧道最低点水准线到第二台阶高度，H为隧道最低点水准线到隧道最高点水准线距离，W为隧道左边缘到隧道右边缘宽度(此方法针对全长度对称隧道，而实际工程施工模型中也多为此类型隧道)，图例中的1，3，5编号分别代表隧道完成切割后生成对应施工工程模型数据组织结构中的体节点名(节点编码，在数据组织结构中代表施工工程模型中的切割后图形编码)按照编号从小到大依次划分。

S3-4，把待切割线的截面扫掠面沿选定的隧道中心线和扫掠方向进行延伸，扫掠施工工程模型，拆分出分块模型，并对分块模型按照示意图进行编号；上述施工编号，是根据工程施工中，需要对不同的位置进行施工编号，具有实际操作意义，不是根据一般常识进行随意编号，需要付出创造性劳动才能实现。如图3所示，对于传统隧道形状采用S3-4的步骤进行施工操作，绘制隧道数据模型；

在隧道数据模型进行划分之后，通过PBS进行自动挂接，具体步骤如下：

①，读入PBS数据；按照PBS编码、PBS描述、PBS分类的数据列，对PBS数据在Excel中进行组织并读入系统；导入的PBS数据包含列标题，其中PBS编码是必须具备的数据列；若导入PBS数据除了PBS编码、描述、分类之外，还包含属性或工程量等信息，需将其添加到对应的PBS之后；对于数据列组织的顺序无任何要求，任意顺序数据列组织都支持导入并识别；支持单一PBS导入，也支持PBS工程量同时导入。

②，对数据列进行映射；对导入的PBS数据将PBS编码、PBS描述、PBS分类的数据列，进行一对一的映射；

③，录入PBS每一级的结构编码样例；PBS编码样例支持：工程项目、单位工程、分部工程、分项工程、单元工程、施工单元6个级别；

对于该PBS编码进行任意级别个数导入，

实际编码级别1＝工程项目+单位工程；

实际编码级别2＝工程项目+单位工程+分部工程；

实际编码级别3＝工程项目+单位工程+分部工程+分项工程；

实际编码级别4＝工程项目+单位工程+分部工程+分项工程+单元工程；

实际编码级别5＝工程项目+单位工程+分部工程+分项工程+单元工程+施工单元；

其中工程项目不填入编码样例，从而生成一个临时根节点，在预览功能中，对该根节点进行自动校正，将工程项目设置为根节点。

④，进行自动挂接；自动计算各级结构，自动组织子父节点关系；

从PBS数据池中提取指定的数据列，放入有效数据池中；

依次获取工程项目、单位工程、分部工程、分项工程、单元工程、施工单元六个级别样例编码；根据编码样例解析编码占位符，其算法为：

设PBS编码列当前编码为Cur_Code，PBS编码列下一个编码为Next_Code；

那么遍历PBS编码列，若Cur_Code_Len！＝Next_Code_Len则占位符ReplaceChar为空字符串，这时PBS编码中每一级编码的位数都是不一样的，其中Cur_Code_Len为前一个编码字符串长度，Next_Code_Len为后一个编码字符串长度；

若Cur_Code_Len＝＝Next_Code_Len则为等位PBS编码，这时PBS编码每一级别的编码位数是一样的，对于每个级别不足的位数，采用某个特定占位符为补充，例如0；此时对PBS编码的每一个字符进行遍历：设：在同一个位置J，Cur_Code的字符为Cur_Code_C，Next_Code的字符为Next_Code_C；若Cur_Code_C！＝Next_Code_C，Next_Code_C即为占位符ReplaceChar；解析PBS编码样例每个级别的编码位数；根据编码样例解析编码占位符，其算法为：若占位符ReplaceChar为空串，则每级编码位数为实际编码样例位数；若占位符ReplaceChar不是空串，则需要对每级编码样例剔除掉占位符的位数；根据占位符、各级位数对PBS编码从顶层到底层依次查找匹配，先查找父节点fNode，组织父节点fNode的属性及其他数据，并将父节点fNode的属性及其他数据与PBS编码绑定；查找父节点的下一级节点集合vChildren，并把vChildren挂接到fNode下；直到查找的子集合vChildren为空结束查找匹配；

⑤，PBS结构预览；对挂接好的PBS结构提供预览功能。

将PBS挂接完成的隧道数据模型进行导出操作，具体执行步骤如下：

㈠，选择工程施工模型导出格式，以及工程施工模型导出格式对应的版本；

㈡，根据选择的工程施工模型，遍历其工程施工模型数据组织结构，并对此工程施工模型数据组织结构进行分类，分类方式为Product装配，Part零件，Body体；

㈢，根据获取到的工程施工模型数据组织结构，以及需要的新的模型数据组织结构，组织出新的需要的模型组织结构；

㈣，根据获取到的模型数据组织结构，以及对模型数据组织结构分类后获取到的对应模型属性数据和模型图形实体B-Rep数据，分别填到对应的工程施工模型数据组织结构中；根据施工工程模型数据组织结构要求，以及对设计结果模型数据组织结构分类后分别获取的对应模型属性数据和模型图形B-Rep数据，分别填充到对应工程施工模型数据组织结构各分类节点；根据施工工程模型数据要求，工程施工模型，设计结果模型的几何实体数据由模型几何model和构造几何construction两部分组成，其中模型几何是指拓扑类指向的类，不包括具体的形状信息，构造几何是指模型几何中的声明，包含实际的形状信息，模型几何和构造几何的关系如下：其中抽象几何对应模型几何，具体几何对应构造几何；根据施工工程模型数据要求，工程施工模型数据导出需要进行精度和模型空间控制，工程施工模型数据导出的精度和模型空间控制公式如下：

设定A：绝对最小值(10e-6)

B：规格化最小值(10e-10)

C：曲线曲面的逼近精度(10e-3)

D：被认为是零的最大值(10e-11)

模型空间计算算法：

Model space＝A/B＝10e-6/10e-10＝10e4。

㈤，根据选择的工程施工模型导出格式以及导出格式对应版本，将获取到的工程施工模型数据组织结构以及各分类结构上的工程施工模型属性数据和图形B-Rep数据导出。

如图4和5所示，其中对于方形隧道或者棱形隧道在具体执行操作中也进行了仿真实验，对于新式的隧道模型同样采用S3-4的步骤进行执行操作，其实在本发明的隧道开挖两台阶法的执行过程中，进行拆分的过程完全一致，最终也能够实现相应效果，针对将来根据不同的施工方案转换隧道形状，在采用该隧道开挖两台阶法时，一样实现快速的拆分模型，从而对实际的隧道施工工程起到显著的指导意义。

S3-5，该施工工程模型的约束输入参数为：

定义拆分模型在沿隧道中心线的截面最大包围盒的高为H，宽为W，则0<H1<H2<H，0<W。根据图3、图4和图5的具体实施例进行分析来看，首先采集竖向数据H，然后采集横向数据W，从而对于数据的采集能够有序进行，使工程数据更加富有调理，当然，根据工程施工的具体需要，针对其他实际情况采用先采集横向数据W，然后采集竖向数据H的方法，也能够起到很好的技术效果，实际操作中根据数据需求进行灵活调整。

如图6所示，在建筑信息管理BIM技术中，尤其对于隧道施工工程的数据模型建构过程中为了实现对于施工工程数据与机器的相互识别认证，从而对于需要对于隧道数据模型进行模型的导入操作，从而导入到BIM系统之中进行处理，将隧道模型根据不同的实际施工条件进行模型的拆分和规划，形成针对不同隧道模型的划分手段，从而提高隧道施工工程效率，将隧道模型划分完毕之后，通过PBS结构自动挂接方法，对隧道数据模型进行建构和数据名称统筹整理，将建构和数据名称统筹整理后的隧道数据模型进行导出操作，上述描述展现了PBS在整体BIM中的工作环节，对于施工中的隧道模型划分具有重要的指导意义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，根据施工工程建设要求，形成设计施工工程基本数据信息，依次对工程本体的相关参数进行配置；

S2，按照隧道开挖两台阶方法施工的特点，设定拆分起始的方向、配置拆分方法中各个尺寸的参数和规则约束条件，生成拆分面，再沿着选取的中心线对分段模型进行分割，获得二台阶分块模型；

S3，根据该二台阶分块模型施工的特点和参数，对这些分块模型施工进行属性配置和拓展，获得该分块模型施工的BIM模型。

2.根据权利要求1所述的基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，其特征在于，所述S1包括：

S1-1，根据施工工程建设要求，形成设计施工工程基本数据信息，根据建设要求，依次从XY平面、YZ平面和XZ平面获取施工工程数据；

S1-2，根据三维方向获取工程本体隧道土方的体量数据；

S1-3，按照施工特点和属性进行拓展和管理，依次对工程本体的相关参数进行配置。

3.根据权利要求1所述的基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，其特征在于，所述S2包括：

S2-1，设置施工工程的约束条件，获得分层面的高度坐标H_j的值，获得沿中心线剖分方向上H_j对应的点坐标，然后通过该点生成垂直于中心线剖分方向的剖分面，然后依次与剖分对象进行分段布尔运算，获得分段结果；

S2-2，对每个分段的实体进行属性配置，包括：颜色、透明度、施工类型、人员、时间进行赋值。

4.根据权利要求1所述的基于BIM技术的隧道开挖两台阶方法，其特征在于，所述S3包括：

S3-1，进行分段之后，选择隧道施工工程模型中的某段或多段为分块对象，计算这些隧道对象模型沿中心线方向的截面扫掠面最大包围盒，进行分块拆分；

S3-2，设置两台阶法分块参数，设置H1，H2，H，W的参数值，选取隧道截面和截面轮廓，指定隧道中心线，选取两个点确定与拆分示意图的匹配方向；

S3-3，根据设置的参数构造出拆分切割线，通过H1，H2，H，W计算定义出直线对象，在S3-1中算出的隧道截面扫掠面上映射出切割线对象，并延长切割线对象到截面扫掠面边缘；绘制出隧道工程截面，设置上下两条横线为待切割部位，依次进行参数解释分别为：H1为隧道最低点水准线到第一台阶高度，H2为隧道最低点水准线到第二台阶高度，H为隧道最低点水准线到隧道最高点水准线距离，W为隧道左边缘到隧道右边缘宽度，对节点进行编码，依次进行H1，H2，H顺序的隧道模型拆分；

S3-4，把待切割线的截面扫掠面沿选定的隧道中心线和扫掠方向进行延伸，扫掠施工工程模型，拆分出分块模型，并对分块模型进行编号；

S3-5，该隧道模型的约束输入参数为：

定义拆分模型在沿隧道中心线的截面最大包围盒的高为H，宽为W，则0<H1<H2<H，0<W。