CN108287979A - 一种基于vr-bim技术的泄水结构优化设计方法 - Google Patents

一种基于vr-bim技术的泄水结构优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于VR‑BIM技术的泄水结构优化设计方法，实现了VR与BIM技术在泄水及消能结构设计领域的创新应用，该方法的核心是在VR平台中对水流物理特性及水流与结构碰撞特性进行模拟，形成VR水流子系统。该系统利用光滑粒子流体动力学(SPH)法模拟水流物理特性，运用树形搜索法搜索最近相邻粒子为模拟水滴粒子之间的相互作用提供条件。最后，在VR平台中，利用基于包围盒技术的流‑固碰撞设计法，将初步设计阶段生成的泄水结构BIM信息模型和VR水流子系统融合为VR‑BIM系统，根据系统中水流流态及水力学要素分布规律，判断泄流及消能设计是否合理。若不合理，则进行相应的优化，同时更新BIM信息模型，直到满足水工水力学要求为止。

Description

一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法，属于涉水工程设计领域。
背景技术
水工结构泄水及消能优化设计在坝工设计中占据重要的分量，泄水坝面结构形状、闸门开启方式以及消能工设计对泄洪水流影响巨大。传统的方法是借助经验公式和水工模型试验，但这种方法耗时费力，成本高。同时，水工模型实验是在实验室内，根据相应的模型律，以缩小的比例制成模型进行模拟实验，模型液流和原型水流应当满足几何相似、运动相似和动力相似。由于技术上的限制，不可能同时把所有的相似率都考虑，因此水工模型实验得出的规律准确性偏低，需要结合原型监测资料修正。数值模拟技术可预测流场内各种水流现象、坝面压强等各种水力学指标。但数值模拟方法存在实时性、交互性差等缺点，与坝工设计之间存在“信息孤岛”效应，因此，数值模拟法很难与坝工设计协同。为克服上述缺点，研究基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法具有十分重要的实用价值。
引入光滑粒子流体动力学(SPH)法将VR技术中的粒子系统进行改进研发具有可移植性的VR水流子系统。该算法是一种无网格粒子算法，适合处理大变形问题。仅通过对粒子进行追踪就可以得到整个系统运行轨迹，同时使水粒子完全遵循现实世界物理运动规律。此外，粒子系统会根据初始状态和后续所受外力自主演变，进而使得粒子与粒子之间、粒子与环境之间形成交互。
BIM技术可将坝工设计以三维可视化的形式表达，并将结构设计尺寸，材料等属性信息附着在模型上进行无纸化管理，此外BIM模型与VR平台之间兼容性好，极大的方便了在VR平台上将VR水流子系统与BIM坝工信息模型融合。该方法可使坝工设计中的沟通、讨论、优化、决策都在可视化的状态下进行，从而大大提高了设计人员的设计效率，减小资金投入。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明将VR-BIM技术引入泄流结构优化设计领域，提供了一种不受时间、空间限制的计算机辅助科研、生产的基于VR-BIM技术的泄流结构优化设计方法，未来必将得到广泛应用。本发明的目的在于将VR技术融于BIM设计，从而实现VR-BIM技术在泄流结构优化设计领域中的应用，是一种基于VR-BIM技术的泄流结构优化设计方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1，根据泄水结构的原始设计资料，生成泄水结构BIM信息模型；
步骤2，在VR平台中对水流物理特性进行模拟，集成VR水流子系统；
步骤3，调用泄水结构BIM信息模型中河槽及过流面BIM信息属性数据库，并利用基于包围盒技术的流-固碰撞设计法，将泄水结构BIM信息模型和VR水流子系统融合为具有自动漫游、手动漫游、闸门开度控制及水力学要素报表输出功能的VR-BIM系统；
步骤4，将VR-BIM系统及其生成的最不利工况下典型测点水力学测量要素分析报表共享给设计工程师或专家；
步骤5，设计工程师或专家根据VR-BIM系统中的水流流态及水力学测量要素分析报表中的水力学要素分布规律，判断当前泄水结构BIM信息模型是否满足水工水力学要求，若是则输出当前泄水结构BIM信息模型，完成泄水结构设计；否则优化当前泄水结构BIM信息模型，返回步骤3。
作为本发明的进一步技术方案，步骤1中所述泄水结构BIM信息模型包括非溢流坝段BIM信息模型、溢流坝段BIM信息模型、过流面BIM信息属性数据库、典型断面尺寸约束数据库、闸门槽BIM信息模型、闸门BIM信息模型数据库、消力池BIM信息模型数据库、海漫BIM信息模型数据库、防冲槽BIM信息模型数据库、地形BIM信息模型、河槽BIM信息属性数据库；其中，典型断面尺寸约束数据库分为上游堰面曲线坐标数据及拟合函数数据库、堰顶曲线坐标数据及拟合函数数据库、下游堰面曲线坐标数据及拟合函数数据库、直线段坐标数据及拟合函数数据库、反弧段曲线坐标数据及拟合函数数据库。
作为本发明的进一步技术方案，步骤2具体为：在VR平台上利用SPH法模拟水流物理特性，运用树形搜索法搜索最近相邻粒子，对水粒子之间的相互作用进行碰撞设计，集成VR水流子系统。
作为本发明的进一步技术方案，步骤4中所述最不利工况下典型测点水力学测量要素包括：(1)溢流坝段门槽底槛和下游侧、闸墩下游端附近、溢流面上不平整处和流速最高处、坝面与反弧段切点附近、反弧与护坦或挑流坎相接处部位特征点流速；(2)消力池有压段底板压强分布以及出流段压力水头；(3)泄流坝段溢流面压强分布。
作为本发明的进一步技术方案，步骤5中优化当前泄水结构BIM信息模型具体为：
(1)当溢流面上不平整处和流速最高处、坝面与反弧段切点附近、反弧与护坦或挑流坎相接处特征点流速大于15m/s2时，增大反弧段反弧半径，根据增大后的反弧半径更新反弧段拟合函数及坐标数据库，此时溢流坝段典型断面尺寸约束数据库发生变更，溢流坝段BIM信息模型根据新的溢流坝段典型断面尺寸约束数据库自动更新；当溢流坝段门槽底槛和下游侧、闸墩下游端附近特征点流速大于15m/s2时，调整闸门槽BIM信息模型尺寸约束，增大宽深比，设置不同的门槽深度，深度差为错距，并将错距控制在错距比为0.05～0.08的范围内，用斜坡将门槽下游角隅与下游边壁衔接度控制在1/8～1/12，其中，门槽下游角隅用圆弧或椭圆转弯，且圆角比控制在大于0.1的范围；
(2)若消力池各出口前有压段底板压强沿程降低，出口后压力水头大于水深，则增大消力池BIM信息模型的下挖深度；否则减小消力池BIM信息模型的下挖深度，或者在不改变原消力池BIM信息模型的基础上，在消力池前端与闸室底板衔接处加设平台小槛，其中，槛高不超过下游水深的0.2倍，梯形或矩形断面均可，2～3排交错排列；
(3)若泄流坝段溢流面压强分布中出现负压，则调整典型断面尺寸约束数据库中的堰面曲线拟合函数，并根据拟合函数更新典型断面尺寸约束，此时新的典型断面尺寸约束驱动溢流坝段BIM信息模型的自动更新。
作为本发明的进一步优化方案，步骤3中的VR-BIM系统具有自动漫游、手动漫游、闸门开度控制及水力学要素报表输出功能。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1)本发明克服了传统水工模型试验耗时费力，成本高，不可回收等缺点；
2)本发明实现了水工水力学与坝工设计协同，极大的提升设计效率与设计成本；
3)本发明以1:1真实比例对水流流态进行模拟，克服了水工水力学模型实验时，由于技术上的限制，不可能同时把几何相似、运动相似和动力相似都考虑的缺点，提高结构设计可靠度；
4)本发明可实现人机交互浏览，使用户能够感受到在模型中自由行走的沉浸感，360°自由视角查看坝体结构、水流流态分布、复杂地形地质构造等，方便设计工程师和专家及时对结构提出优化比选方案。
附图说明
图1为基于VR-BIM技术的泄流结构优化设计方法流程图；
图2为自制按钮逻辑流程图；
图3为闸门BIM信息模型数据；
图4为漫游逻辑流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提供一种基于VR-BIM技术的泄流结构优化设计方法，是在VR平台中对水流物理特性进行模拟，集成VR水流子系统。然后，在VR平台中，调用初始泄水结构BIM信息模型中河槽及过流面BIM信息属性数据库并利用基于包围盒技术的流-固碰撞设计法，将泄水结构BIM信息模型和VR水流子系统融合为VR-BIM系统，同时为该系统添加自动漫游模块、手动漫游模块、闸门开度控制模块及水力学要素报表输出模块。最后，将完整的VR-BIM系统发布为exe，基于网页，或二维码形式，同时将生成的最不利工况下典型测点水力学测量要素分析报表一并共享给设计工程师和专家，专家根据共享资料判断泄水结构BIM信息模型是否满足水工水力学要求(即泄流及消能设计是否合理)。若不合理，则进行相应的优化，同时更新泄水结构BIM信息模型，再次与VR水流子系统进行融合，直到泄水结构BIM信息模型满足水工水力学要求为止。
其中，所述泄水结构BIM信息模型，包括设计阶段的非溢流坝段BIM信息模型、溢流坝段BIM信息模型、典型断面尺寸约束数据库(分为上游堰面曲线坐标数据及拟合函数数据库、堰顶曲线坐标数据及拟合函数数据库、下游堰面曲线坐标数据及拟合函数数据库、直线段坐标数据及拟合函数数据库、反弧段曲线坐标数据及拟合函数数据库)闸门槽BIM信息模型、闸门BIM信息模型数据库、消力池BIM信息模型数据库、海漫BIM信息模型数据库、防冲槽BIM信息模型数据库、地形BIM信息模型、河槽BIM信息属性数据库，其中闸门BIM信息模型单独存储。根据坝工运用要求，闸门的开启程序、开启孔数和开启高度等复杂多变，因此消能防冲设施必须在各种可能的水力条件下均能满足要求，为便于后期在VR中对闸门开度进行控制，闸门的BIM模型信息需单独存储。
其中，所述VR水流子系统，是在VR平台中利用光滑粒子流体动力学(SPH)法模拟水流物理特性，运用树形搜索法搜索最近相邻粒子，从而对水粒子之间的相互作用进行碰撞设计。
所述SPH法，是在满足粒子系统理论假设的前提下，按照质量守恒、动量守恒、能量守恒三大定律，通过粒子模拟流体运动规律，然后进行流体渲染。粒子所表示的拉格朗日框架物理体系在内部的相互作用和外力作用下运动并及时发生演变。对于每一个粒子，通过它附近所有和它距离小于r的所有粒子来计算该粒子点的密度h，称为Smooth Length，即每个粒子的最大影响半径。对于每一个粒子，通过上一步计算出的密度可以计算出压强。对于每一个粒子，根据它附近距离小于r的所有粒子的压强计算该粒子由于压强差而受到的压力差。对于每一个粒子，根据它附近距离小于r的所有粒子的速度计算出该粒子由于速度差而受到的粘滞力。
所述粒子系统理论假设如下：(1)物质的粒子性假设。在应用粒子系统进行模拟的过程中，需要把待模拟的物体看作由有限多个携带某种属性的粒子所构成的集合。这些粒子在系统空间内以各自的运动规律进行运动，逐渐均匀的分布在物质内部。(2)粒子独立关系假设。粒子系统和系统之外的外界环境相互独立且粒子与粒子之间相互独立。(3)粒子的质点属性假设。粒子系统中的每个粒子是在三维空间中存在的具有大小、质量等属性的质点，并且这些属性可随时间发生变化。(4)粒子的生命机制。在粒子系统中，所有的粒子都有生命周期属性，该属性代表粒子从新生、活动到消亡的全部过程。(5)粒子的运动机制。粒子系统中的粒子都不是在固定位置的，粒子在其从新生到消亡的整个生命周期中都是一直在运动的。
所述SPH算法的流程包括以下步骤：
(1)初始化粒子，为系统中新生成的每个粒子添加初始值。包括粒子的初始位置、初始速度、初始运动方向等信息；
(2)根据公式：
计算出每个粒子周围的密度。其中m为每个粒子的质量，h为相互作用的两粒子间的距离，ri,rj分别为两粒子i,j的位置，结果ρ(ri)即为求得ri点处粒子的密度；
(3)根据公式P＝K(ρ-ρ0)计算出每个粒子的压强。其中ρ0是流体的静态密度，ρ是流体粒子周围的密度，K是和流体相关的常数，只跟温度有关；
(4)根据公式
计算每个粒子的加速度，其中pi、pj分别为粒子i、j的压强，ui、uj分别为粒子i、j的速度，ρi、ρj分别为粒子i、j的密度；
(5)根据临界条件调整加速度；
(6)根据加速度计算每个粒子的速度变化；
(7)根据速度计算粒子的位置变化；
(8)重新渲染粒子；
(9)返回到步骤(2)重新计算粒子密度，直到粒子加速度为0，位置不再发生变化为止。
所述树形搜索法，是通过粒子当前位置构造出一棵有序树，在此有序树中高效搜索最近相邻粒子。给定任意粒子i，并以粒子i为中心，用边长为2κhi的立方体将粒子包裹，其中，κ为权重分配系数，hi为粒子i与其相邻粒子间的距离。然后再检测粒子i的搜索立方体空间是否与并列层次内其他节点所占空间相重合。若没有，则终止搜索；若有，则继续下一层搜索，直到搜索到的当前节点处只有一个粒子，即该节点为树形结构的节点时为止。最后检查此粒子是否在给定的原始粒子i的支持域内，若是，则其即为粒子i的相邻粒子。
所述水粒子之间的碰撞设计由碰撞检测、速度调整、位置调整三部分组成。由于本发设计的水滴粒子足够小，可近似认为只要两个水滴粒子没有处于同一个像素点内就不算发生碰撞。关于速度调整和位置调整问题，当粒子之间发生碰撞时，完全按照基础物理学中的能量守恒、动量守恒定律进行调整。
其中，所述VR-BIM系统，是在VR平台调用BIM信息模型中河槽及过流面BIM信息属性数据库并利用基于包围盒技术的流-固碰撞设计算法，将设计阶段生成的结构BIM信息模型和VR水流子系统融合，同时开发自动漫游、手动漫游、闸门开度控制、水力要素输出模块，方便设计方身临其境的查看1:1真实比例下水流流态变化，并结合最不利工况下水力要素分析报表中的特殊点水位、压强、流速、流量以及特殊断面流场分布等数据，从直观和数据分析两方面判断泄流结构及消能工的设计效果。
所述基于包围盒技术的流-固碰撞设计也是由碰撞检测、速度调整、位置调整三部分组成。虚拟水流中的水滴与结构发生物理碰撞的模拟是在结构过流面添加包围盒实现结构阻挡水流、改变水流的流动路径、空中射流、空中多股水舌碰撞、水流跌水碰溅及坎前水舌运动等效果。由于设计的水滴粒子足够小，对于水滴粒子与过水面之间的碰撞，只有当粒子所处的点包含在过水面包围盒对象内才算发生碰撞。关于速度调整和位置调整问题，当粒子与过流面发生碰撞时，过流面不发生形变和位移，只需要计算发生碰撞的水粒子的速度和位置变化即可。
所述包围盒是根据坝工结构的复杂、特殊性选择的。选择具有任意方向性且运算速度最快的方向包围盒(OBB)创建OBB树，它可根据被包围对象的形状特点尽可能紧密包围对象。创建步骤如下：
(1)将过流面分割成三角片，对所有三角片的顶点位置坐标分别进行一阶均值统计计算和二阶协方差统计计算。具体算法如下：将第m个三角片的任一顶点空间横、纵、竖坐标分别记为pm,qm,rm则有：
其中，μ是三角片顶点坐标均值，clk是三角片相邻顶点坐标协方差，n是三角片的个数，m是三角片的序列号，l、k记为三角片任意两个相邻顶点，是三角片顶点l横坐标与上述所得均值μ之差，记为 是三角片顶点l纵坐标与上述所得均值μ之差，记为 是三角片顶点l竖坐标与上述所得均值μ之差，记为 是三角片顶点l相邻顶点k的横坐标与上述所得均值μ之差，记为 是三角片顶点l相邻顶点k的纵坐标与上述所得均值μ之差，记为 是三角片顶点l相邻顶点k的竖坐标与上述所得均值μ之差，记为
由于clk是一个正交对称阵，将其3个特征值归一化，作为一个基。沿基的每个轴向，找到轴向极点，根据各轴向极点确定OBB大小，将基的轴向作为OBB方向，因此3个特征向量中有两个分别表示最大和最小方差方向。
(2)采用自底向上方法创建包围盒结构树，首先为组成物体的每个多边形分别计算包围盒，然后将它们逐渐合并成更大的包围盒，直到构成一棵树。
其中，所述最不利工况下典型测点水力学测量要素包括：(1)溢流坝段门槽底槛和下游侧、闸墩下游端附近、溢流面上不平整处和流速最高处、坝面与反弧段切点附近、反弧与护坦(或挑流坎)相接处等部位特征点流速。(2)消力池有压段底板压强分布以及出流段压力水头。(3)泄流坝段溢流面压强分布。
其中，所述更新泄水结构BIM信息模型的方法如下：(1)当溢流面上不平整处和流速最高处、坝面与反弧段切点附近、反弧与护坦(或挑流坎)相接处特征点流速大于15m/s2时，证明泄流结构易发生空蚀破坏，此时，需要增大反弧段反弧半径，根据增大后的反弧半径更新反弧段拟合函数及坐标数据库，此时溢流坝段典型断面尺寸约束数据库发生变更，溢流坝段BIM信息模型根据新的尺寸约束数据库自动更新；当溢流坝段门槽底槛和下游侧、闸墩下游端附近特征点流速大于15m/s2时，证明闸门槽易发生空蚀破坏，此时，需要调整闸门槽BIM信息模型尺寸约束，增大宽深比，增加门槽深度方向的错距，并将错距控制在错距比为0.05～0.08的范围内，此时还需用斜坡将门槽下游角隅与下游边壁衔接度控制在1/8～1/12，其中，门槽下游角隅用圆弧或椭圆转弯，且圆角比控制在大于0.1的范围。(2)若消力池各出口前有压段底板压强沿程降低，出口后压力水头大于水深，则增大消力池BIM信息模型的下挖深度，反之减小下挖深度。或者在不改变原消力池设计的基础上，在消力池前端与闸室底板衔接处加设平台小槛，其中，槛高不超过下游水深的0.2倍，梯形或矩形断面均可，2～3排交错排列。
(3)若堰面压强分布(泄流坝段溢流面压强分布)中出现负压，则需调整典型断面尺寸约束数据库中的堰面曲线拟合函数，并根据拟合函数更新典型断面尺寸约束，此时新的尺寸约束会驱动溢流坝段BIM信息模型的更新。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述：
如图1所示，本发明是一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法，该方法的核心是开发VR水流子系统，然后在VR平台中，将初始的泄流结构BIM信息模型与VR水流子系统融合，并加入自动漫游、手动漫游、闸门开度控制、水力要素报表输出功能，形成VR-BIM系统。最后，将该VR-BIM系统及水力要素报表资料信息共享给设计工程师和专家，专家可根据水流流态及水力学要素规律，判断当前的泄流结构BIM信息模型是否满足水工水力学要求(泄流结构体型是否满足泄流能力要求、消能工的效能效果是否良好，是否会发生空蚀破坏、下泄水流是否危及消力池及下游边坡和厂房运行等要求)，若不，则提出优化方案，设计工程师针对相应的判别结果对泄流结构进行相应的优化设计并更新BIM信息模型优化部位尺寸约束数据库，更新泄流结构BIM信息模型，再次与VR水流子系统进行融合，直到模型满足水工水力学要求为止。
本发明基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法的实现流程，包括如下步骤：
步骤1：在Quest3D平台上，利用Particle Object粒子系统通道模块并设计粒子的生命周期、粒子剩余生命周期、粒子运动速度、粒子的运动方向、粒子的初始坐标、粒子生成器的速度、粒子的相邻结点及其子结点属性。同时将SPH法模拟水流的程序、树形搜索法程序、以及碰撞设计程序分别用OO的Interface function编译，制作成不同的channelcaller通道，并分类存放于不同的Containers通道并链接到粒子系统相应的控制水流运动属性的通道下，从而完成对Quest3D自带粒子系统的改进，集成VR水流子系统。
步骤2：以水闸为例，制作泄水结构(水闸)BIM信息模型。其中，上游连接段、闸室及下游连接段采用可生成IFC标准BIM格式文件的Revit软件来进行建模。由于要进行闸门不同开度水流流态模拟，因此闸门的建模选择曲面建模功能强大的CATIA软件建模，并将闸门BIM信息模型单独存储。地形结构采用具有三维地形建模优势的Civil3D结合Google earth中提取的实际工程地形等高线数据和地质勘察资料文件来进行建模。同时，将河槽及过流面BIM信息属性数据库也单独存储。
步骤3：将上述三维建模软件建立的模型导出为fbx等3DSMAX可以读取的格式，在3DSMAX中将不同部位的模型整合，然后对模型进行贴图操作，并在合适的位置布设灯光信息，然后在3DSMAX中渲染烘焙模型，从而构成基本泄水结构BIM模型数据信息。
步骤4：在Quest3D平台上，将VR水流子系统与泄水结构BIM信息模型融合。子步骤如下：
(1)如图2所示，选用基本相机渲染法制作GUI，制作的按钮有两部分逻辑组成:
①按钮外观逻辑(Render)，将Quest3D在基本相机渲染模式下Object通道(命名为button)的Surface通道上附按钮贴图，然后通过调用Channel Switch通道来完成不同按钮贴图的切换，实现按钮在初始、鼠标触动、鼠标单击这三种状态下的样式改变，其中，Texture(origin)是按钮初始状态下的贴图通道，Texture(Det)是鼠标触动按钮时的贴图通道，Texture(down)是按钮鼠标按下时的贴图通道；
②按钮事件触发逻辑(Button trigger)，将Quest3D中的数学运算通道Expression Value算法设置为A&B并和Set Value通道结合来完成按钮事件触发逻辑的集成,其中Set value通道下链接算法为A！的Expression Value通道，实现按钮触发事件的控制，逻辑返回值最终返回到Value通道，最后，将按钮的button快捷方式连入Detect MouseCollision通道，从而完成自适应按钮触发逻辑；
通过上述方法可制作手动漫游按钮逻辑、自动漫游按钮逻辑、闸门开度控制按钮逻辑、水力学要素报表生成按钮逻辑。
(2)利用Quest3D的ODBC数据库通道读取河槽及过流面BIM信息属性数据库。将基于包围盒技术的流-固碰撞设计法程序用OO的Interface function编译，制作成channelcaller通道，并存放于Container中，同时将ODBC数据库中的数据信息链接到Container，从而实现将泄水结构BIM信息模型和VR水流子系统的融合，用户可根据相应的水位等水文资料信息更新VR水流子系统。
(3)根据水闸的运用要求，其上下游水位、过闸流量及泄流方式(如闸门的开启程序、开启孔数和开启高度)等复杂多变，因此水闸闸下消能防冲设施必须在各种可能的水力条件下均能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与下游河道有良好的衔接。但不同类型的水闸泄流特点各不相同，因而控制消能设计的水力条件也不尽相同。需要分别对正常情况下的闸门开度、超蓄水位下的闸门开度、非常情况下的闸门开度的水流形态、压力分布、流速状况进行了分析。因此，需要定义闸门开度控制按钮逻辑事件，定义方法如下：
如图3所示，将闸门BIM信息模型数据中的位置坐标即Motion通道下PositionVector的3个Envelop通道、Rotation Vector的3个Envelop通道链接到闸门开度控制按钮逻辑中，当该按钮触发时，弹出模型中心点坐标及旋转角度对话框，用户输入对应闸门开度的闸门中心点位置坐标及旋转角度，此时闸门将移动到用户设计的开度。
(4)定义手动漫游按钮逻辑、自动漫游按钮逻辑事件：利用Quest3D中灵活、子通道多的Walkthrough Camera通道，并对其进行开发，以集成系统的手动漫游模块。由于默认的Walkthrough Camera的视角、相机灵敏度都非常高，造成场景不好控制，因此需要设置相机视角约束，从而抑制相机灵敏度。本实例选择的是持续单击鼠标右键并移动鼠标来完成视角的变化。
如图4所示，具体操作方法如下，改变漫游相机的Camera matrix下的旋转矩阵Rotation vector，使用鼠标右键事件来约束相机灵敏度。漫游模块制作好以后，用户就可以通过键盘上W键或↑键(向前)，A键或↓键(向后)，S键或←键(向左)，D键或→键(向右)与系统进行人机交互操作。需要注意的是，Walkthrough Camera是一个物理仿真性强的相机通道，因此它自身就带有重力模块，所以在制作漫游系统的时候，务必要对WalkthroughCamera通道加碰撞检测，将场景中模型通道的快捷方式与碰撞检测通道Collision Object链接即可。
(5)水力学要素报表生成按钮逻辑事件：将上述步骤中的闸门及水位工况调整到最不利工况，用户根据提示输入特殊点位置信息及特殊断面桩号信息，此时系统根据用户输入的信息，从步骤(1)VR水流子系统数据库中查找相应信息，并存入ODBC数据库，当用户确定信息已经输入完毕时，系统形成excel格式的数据文件，将该文件的visible value通道链接到水力学要素报表生成按钮的触发逻辑上，即可完成该按钮逻辑的定义。
步骤5：将上述步骤形成的泄流结构VR-BIM系统发布为exe,基于Web，或者二维码形式并通过网络平台共享给设计工程师和专家。专家根据系统中水流流态及水力要素报表中典型点水力要素分布规律，判断水流流态及消能效果是否合理，若不合理，根据优化准则更新水闸BIM信息模型，直到泄水结构BIM模型满足水工水力学要求为止。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据泄水结构的原始设计资料，生成泄水结构BIM信息模型；
步骤2，在VR平台中对水流物理特性进行模拟，集成VR水流子系统；
步骤3，调用泄水结构BIM信息模型中河槽及过流面BIM信息属性数据库，并利用基于包围盒技术的流-固碰撞设计法，将泄水结构BIM信息模型和VR水流子系统进行融合得到VR-BIM系统；
步骤4，将VR-BIM系统及其生成的最不利工况下典型测点水力学测量要素分析报表共享给设计工程师或专家；
步骤5，设计工程师或专家根据VR-BIM系统中的水流流态及水力学测量要素分析报表中的水力学要素分布规律，判断当前泄水结构BIM信息模型是否满足水工水力学要求，若是则输出当前泄水结构BIM信息模型，完成泄水结构设计；否则优化当前泄水结构BIM信息模型，返回步骤3。
2.根据权利要求1所述的一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法，其特征在于，步骤1中所述泄水结构BIM信息模型包括非溢流坝段BIM信息模型、溢流坝段BIM信息模型、过流面BIM信息属性数据库、典型断面尺寸约束数据库、闸门槽BIM信息模型、闸门BIM信息模型数据库、消力池BIM信息模型数据库、海漫BIM信息模型数据库、防冲槽BIM信息模型数据库、地形BIM信息模型、河槽BIM信息属性数据库；其中，典型断面尺寸约束数据库分为上游堰面曲线坐标数据及拟合函数数据库、堰顶曲线坐标数据及拟合函数数据库、下游堰面曲线坐标数据及拟合函数数据库、直线段坐标数据及拟合函数数据库、反弧段曲线坐标数据及拟合函数数据库。
3.根据权利要求1所述的一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法，其特征在于，步骤2具体为：在VR平台上利用光滑粒子流体动力学SPH法模拟水流物理特性，运用树形搜索法搜索最近相邻粒子，对水粒子之间的相互作用进行碰撞设计，集成VR水流子系统。
4.根据权利要求1所述的一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法，其特征在于，步骤4中所述最不利工况下典型测点水力学测量要素包括：(1)溢流坝段门槽底槛和下游侧、闸墩下游端附近、溢流面上不平整处和流速最高处、坝面与反弧段切点附近、反弧与护坦或挑流坎相接处部位特征点流速；(2)消力池有压段底板压强分布以及出流段压力水头；(3)泄流坝段溢流面压强分布。
5.根据权利要求1所述的一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法，其特征在于，步骤5中优化当前泄水结构BIM信息模型具体为：
(1)当溢流面上不平整处和流速最高处、坝面与反弧段切点附近、反弧与护坦或挑流坎相接处特征点流速大于15m/s2时，增大反弧段反弧半径，根据增大后的反弧半径更新反弧段拟合函数及坐标数据库，此时溢流坝段典型断面尺寸约束数据库发生变更，溢流坝段BIM信息模型根据新的溢流坝段典型断面尺寸约束数据库自动更新；当溢流坝段门槽底槛和下游侧、闸墩下游端附近特征点流速大于15m/s2时，调整闸门槽BIM信息模型尺寸约束，增大宽深比，设置不同的门槽深度，深度差为错距，并将错距控制在错距比为0.05～0.08的范围内，用斜坡将门槽下游角隅与下游边壁衔接度控制在1/8～1/12，其中，门槽下游角隅用圆弧或椭圆转弯，且圆角比控制在大于0.1的范围；
(2)若消力池各出口前有压段底板压强沿程降低，出口后压力水头大于水深，则增大消力池BIM信息模型的下挖深度；否则减小消力池BIM信息模型的下挖深度，或者在不改变原消力池BIM信息模型的基础上，在消力池前端与闸室底板衔接处加设平台小槛，其中，槛高不超过下游水深的0.2倍，梯形或矩形断面均可，2～3排交错排列；
(3)若泄流坝段溢流面压强分布中出现负压，则调整典型断面尺寸约束数据库中的堰面曲线拟合函数，并根据拟合函数更新典型断面尺寸约束，此时新的典型断面尺寸约束驱动溢流坝段BIM信息模型的自动更新。
6.根据权利要求1所述的一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法，其特征在于，步骤3中的VR-BIM系统具有自动漫游、手动漫游、闸门开度控制及水力学要素报表输出功能。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109344457A (zh) * 2018-09-12 2019-02-15 东南大学 一种围堤龙口水力计算可视化方法及应用
CN110083950A (zh) * 2019-04-30 2019-08-02 中国十七冶集团有限公司 一种基于bim技术的倒虹吸设计施工方法
CN111241666A (zh) * 2020-01-06 2020-06-05 长江勘测规划设计研究有限责任公司 一种基于bim技术的穿堤涵闸智能化设计方法
CN112163263A (zh) * 2020-10-10 2021-01-01 中国建筑第二工程局有限公司 基于bim的假山防坠落系统设计方法、装置及存储介质
CN113158597A (zh) * 2021-04-25 2021-07-23 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 一种基于catia计算的水闸应力稳定分析方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106339820A (zh) * 2016-08-31 2017-01-18 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法及系统
KR101722177B1 (ko) * 2016-07-15 2017-04-03 (주)인트라테크 하이브리드 방식으로 vr 컨텐츠를 디스플레이하는 방법 및 장치
CN107085635A (zh) * 2017-04-13 2017-08-22 福建省水利水电勘测设计研究院 一种通过数学模型判别水闸最不利运行工况的方法
CN107832564A (zh) * 2017-12-05 2018-03-23 河海大学 一种基于pzt振测信号的泄流结构bim损伤识别信息系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101722177B1 (ko) * 2016-07-15 2017-04-03 (주)인트라테크 하이브리드 방식으로 vr 컨텐츠를 디스플레이하는 방법 및 장치
CN106339820A (zh) * 2016-08-31 2017-01-18 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法及系统
CN107085635A (zh) * 2017-04-13 2017-08-22 福建省水利水电勘测设计研究院 一种通过数学模型判别水闸最不利运行工况的方法
CN107832564A (zh) * 2017-12-05 2018-03-23 河海大学 一种基于pzt振测信号的泄流结构bim损伤识别信息系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALI MOTAMEDI,ET AL: "Signal visibility analysis and optimization system using BIM-enabled virtual reality environment", 《ADVANCED ENGINEERING INFORMATICS》 *
吕明昊: "规划阶段水工结构BIM建模技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *
方贵盛，王洪发: "多孔溢流坝泄流三维虚拟仿真", 《系统仿真学报》 *
方贵盛，郑高安: "基于SPH的水体交互三维虚拟仿真", 《浙江水利水电学院学报》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109344457A (zh) * 2018-09-12 2019-02-15 东南大学 一种围堤龙口水力计算可视化方法及应用
CN110083950A (zh) * 2019-04-30 2019-08-02 中国十七冶集团有限公司 一种基于bim技术的倒虹吸设计施工方法
CN111241666A (zh) * 2020-01-06 2020-06-05 长江勘测规划设计研究有限责任公司 一种基于bim技术的穿堤涵闸智能化设计方法
CN111241666B (zh) * 2020-01-06 2023-09-01 长江勘测规划设计研究有限责任公司 一种基于bim技术的穿堤涵闸智能化设计方法
CN112163263A (zh) * 2020-10-10 2021-01-01 中国建筑第二工程局有限公司 基于bim的假山防坠落系统设计方法、装置及存储介质
CN112163263B (zh) * 2020-10-10 2021-05-25 中国建筑第二工程局有限公司 基于bim的假山防坠落系统设计方法、装置及存储介质
CN113158597A (zh) * 2021-04-25 2021-07-23 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 一种基于catia计算的水闸应力稳定分析方法
CN113158597B (zh) * 2021-04-25 2022-08-19 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 一种基于catia计算的水闸应力稳定分析方法

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