CN108984908B - 利用bim技术辅助人防洞室改造的施工方法 - Google Patents

利用bim技术辅助人防洞室改造的施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，包括：利用三维激光扫描既有人防洞室生成三维点云模型；进行既有人防洞室周边岩石信息勘测，得到地勘信息数据；将三维点云模型与地勘信息数据进行融合比较，确定既有人防洞室周边岩石的岩体质量，判定既有人防洞室是否适合改造；对于适合改造的既有人防洞室，根据既有人防洞室走向进行线路设计并创建BIM模型；利用BIM模型优化截面形状，确定最终改造的方案。解决人防洞室改造项目中洞室空间复杂，年代久远，无完整图纸资料，洞室信息不直观性，给方案设计带来诸多阻碍。利用BIM技术在前期工作及方案设计、施工图设计、施工过程中间进行辅助，可以准确合理有效的开展工作。

Description

利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法
技术领域
本发明涉及一种人防洞室改造工程，尤其涉及一种利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法。
背景技术
随着城市建设的高速发展和城市规模的不断扩张，土地资源越来越稀缺，采用适当的技术手段对早期的人防工程进行加固和改建，可以有效地缓解日渐突出的用地矛盾。在人防洞室改造过程中利用先进的科学技术辅助施工改造，有效的提高改造效率及改造精度。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在或潜在的不足之处，本发明提供了一种利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，解决人防洞室改造项目中洞室空间复杂，年代久远，无完整图纸资料，洞室信息不直观性，给方案设计带来诸多阻碍。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，其包括步骤：
利用三维激光扫描仪扫描既有人防洞室生成三维点云模型；
进行所述既有人防洞室周边岩石信息勘测，得到地勘信息数据；
将所述三维点云模型与所述地勘信息数据进行融合比较，确定所述既有人防洞室周边岩石的岩体质量，以判定所述既有人防洞室是否适合改造或扩建；
对于判定为适合改造或扩建的既有人防洞室，根据所述既有人防洞室走向进行线路设计并创建BIM模型；以及
利用所述BIM模型优化截面形状，确定最终改造或扩建的方案。
本发明的一些实施例中，在生成所述三维点云模型的步骤中，包括：通过现场勘查，结合现场实际情况，确定扫描分布点位，利用三维激光扫描仪对既有人防洞室进行扫描，得到扫描数据，对扫描数据进行逆向建模，形成既有人防洞室的三维点云模型。
本发明的一些实施例中，采用Geomagic软件对所述扫描数据进行所述逆向建模。
本发明的一些实施例中，在得到所述地勘信息数据后，还包括步骤：利用岩体稳定性分析，分析计算所述地勘信息数据，以图文的形式输出所述既有人防洞室周边岩石的工程岩体稳定性评价结果，生成岩体质量分区图。
本发明的一些实施例中，采用岩体稳定性自动评价系统进行所述岩体稳定性分析，所述岩体稳定性自动评价系统包括：
Hoek-Brown模块，用于依据Hoek-Brown强度准则对所述地勘信息数据进行岩体强度评价，并得到岩体强度参数；
BQ模块，用于对所述地勘信息数据进行岩体的基本质量指标BQ分级和修正，并得到BQ值、修正BQ值和岩体质量级别；
RMR模块，用于根据所述地勘信息数据自动获取GSI量化等级，依据岩体地质力学分类方法，计算生成岩体RMR指标；
Mathews稳定图模块，用于依据Mathews稳定图法对所述地勘信息数据进行围岩稳定性分析评价，并绘制出Mathews稳定图，确定出围岩所处的崩落-破坏范围，其中，所述Mathews稳定图为所述岩体质量分区图。
本发明的一些实施例中，通过将既有人防洞室的所述三维点云模型与所述岩体质量分区图进行重叠拟合，进行所述融合比较。
本发明的一些实施例中，所述判定所述既有人防洞室是否适合改造或扩建，包括：判定所述既有人防洞室周边岩石的岩体质量是否满足开挖钻进条件。
本发明的一些实施例中，通过以下步骤优化截面形状，确定最终改造或扩建的方案：每隔一段间距截取所述既有人防洞室的BIM模型断面，与三维点云模型断面进行比较分析，优化线路方案的竖向设计，确定最终改造或扩建的方案。
本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：本发明解决人防洞室改造项目中洞室空间复杂，年代久远，无完整图纸资料，洞室信息不直观性，给方案设计带来诸多阻碍，利用BIM技术在前期工作及方案设计、施工图设计、施工过程中间进行辅助，可以准确合理有效的开展工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法的流程图。
图2为本发明实施例中的岩体稳定性自动评价系统的系统框架图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下面结合附图和具体实施例对本发明做出进一步详细的说明。
参阅图1所示，本发明提供了一种利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，其主要包括以下步骤：
步骤101：利用三维激光扫描仪扫描既有人防洞室生成三维点云模型；
步骤102：进行既有人防洞室周边岩石信息勘测，得到地勘信息数据；
步骤103：将三维点云模型与地勘信息数据进行融合比较，确定既有人防洞室周边岩石的岩体质量，以判定既有人防洞室是否适合改造或扩建；
步骤104：对于判定为适合改造或扩建的既有人防洞室，根据既有人防洞室走向进行线路设计并创建BIM模型；
步骤105：利用BIM模型优化截面形状，确定最终改造或扩建的方案。
进一步地，在步骤101中，在生成所述三维点云模型的步骤中，具体包括：通过现场勘查，结合现场实际情况，确定扫描分布点位，利用三维激光扫描仪对既有人防洞室进行扫描，得到扫描数据，对扫描数据进行逆向建模，形成既有人防洞室的三维点云模型。其中，可采用Geomagic软件对上述三维激光扫描仪扫描得到的扫描数据进行逆向建模，形成既有人防洞室的三维点云模型。
本发明应用三维扫描技术，三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。
Geomagic软件系列包含Geomagic Studio、Geomagic Qualify和Geomagic Piano，其中，Geomagic Studio是被广泛应用的逆向软件。Geomagic Studio可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型。
在步骤102中，在得到地勘信息数据后，还包括步骤：利用岩体稳定性分析，分析计算地勘信息数据，以图文的形式输出既有人防洞室周边岩石的工程岩体稳定性评价结果，生成岩体质量分区图。
进一步地，可采用如图2所示的岩体稳定性自动评价系统1进行上述岩体稳定性分析，其中，该岩体稳定性自动评价系统1设计分成四个功能模块，分别是Hoek-Brown模块11，BQ模块12，RMR模块13以及Mathews稳定图模块14。软件图形操作界面经过特别优化，采用一系列的向导对话框，引导用户选择或输入必要的参数，然后自动进行计算，并以图文并茂的形式输出工程岩体稳定性评价结果，所有用户输入的参数在程序运行期间均得到保留，即使中途退出计算，再次进入时仍自动显示上次输入的参数值。
系统框架图如图2所示，包括系统功能模块、主要求解参数以及岩体稳定性评价效果。
具体地：
Hoek-Brown模块11，主要用于依据Hoek-Brown强度准则对步骤102中得到的既有人防洞室周边岩石的地勘信息数据进行岩体强度评价，并得到岩体强度参数。
设计思路：结合现场结构面数字摄影测量结果和室内力学实验获取的岩石力学强度参数，依据Hoek-Brown强度准则，应用C++Builder开发工具编程，实现岩体强度参数的自动计算生成，并将其应用到工程实践，进行岩体强度评价。
具体操作：输入体密度Jv和结构面条件自动获得GSI量化等级，结合岩体扰动参数D、Hoek-Brown常量mi、岩石单轴抗压强度σc和岩石密度以及露天或地下开采等信息，考虑不同风化程度岩石的弱化系数kc，自动生成岩体的强度参数，包括岩体抗压强度σc、抗拉强度σt、弹性模量E、凝聚力c和摩擦角φ。
该模块主要包括如下内容：结构面参数窗口，用于输入结构面体密度值；岩石参数窗口，用于输入岩石单轴抗压强度，岩石密度，Hoek-Brown常量等值；岩石弱化系数窗口，输入岩体扰动参数D和风化岩石的弱化系数kc；评价结果窗口，用于输出程序计算结果，包括弹性模量E、凝聚力c、摩擦角φ、岩体单轴抗拉强度σt和岩体量化指标GSI值。
BQ模块12，主要用于对步骤102中得到的既有人防洞室周边岩石的地勘信息数据进行岩体的基本质量指标BQ分级和修正，并得到BQ值、修正BQ值和岩体质量级别等。
设计思路：结合现场结构面数字摄影测量结果和室内力学实验获取的岩石力学强度参数，依据国标《工程岩体分级标准》GB50218-94提出的两步分级法，首先按岩体的基本质量指标BQ进行初步分级，然后考虑其他因素如天然应力、地下水和结构面方位等对BQ进行修正，应用C++Builder开发工具编程，实现岩体强度参数、BQ值、修正BQ值和岩体质量级别的自动计算生成，并应用到工程实践，进行岩体稳定性分析评价。
具体操作：手动输入体密度Jv和岩石单轴饱水抗压强度Rc两个主要参数，获得BQ值，然后依次选择考虑地下水的影响，主要结构面产状的影响和天然应力影响，自动计算得到修正BQ值，生成岩体的弹性模量E、凝聚力c、摩擦角φ的大小及范围，获得岩体的质量分级级别，同时通过拟合曲线得到岩体物理力学参数。
该模块主要包括如下内容：结构面参数窗口，用于输入体密度值和岩石单轴抗压强度值；地下水影响修正窗口：选择岩体出水状态，自动给出修正系数范围；结构面产状修正窗口，根据产状与峒轴线的组合关系，自动给出产状修正系数；天然应力影响修正窗口，根据BQ值和所处应力区域，自动给出修正系数；评价结果窗口，输出程序计算结果，包括弹性模量E、凝聚力c、摩擦角φ、岩体质量分级指标BQ值以及岩体质量评价等级，同时自动给出岩体自稳能力范围以及支护建议。
RMR模块13，主要用于根据步骤102中得到的既有人防洞室周边岩石的地勘信息数据自动获取GSI量化等级，依据岩体地质力学分类方法，计算生成岩体RMR指标。
设计思路：结合现场结构面数字摄影测量结果和结构面条件，自动获得GSI量化等级并输入，依据岩体地质力学分类(CSIR分类)方法，应用C++Builder开发工具编程，实现岩体RMR指标的自动计算生成，并将其应用到工程实践，进行岩体质量评价。
具体操作：输入体密度Jv和结构面条件，自动分析获得GSI值并输入，并通过呈现后台运算获得RMR值，并获得岩体分级等级、岩体质量描述和岩体稳定时间的描述。
该模块主要包括以下内容：结构面参数窗口，根据示意图输入体密度值，选择结构面条件；GSI量化及修正窗口，用于确定GSI值并修正；评价结果窗口，用于输出RMR值以及岩体质量分级等级。
Mathews稳定图模块14，主要用于依据Mathews稳定图法对步骤102中得到的既有人防洞室周边岩石的地勘信息数据进行围岩稳定性分析评价，并绘制出Mathews稳定图，确定出围岩所处的崩落-破坏范围，其中的Mathews稳定图即为步骤102中所生成的岩体质量分区图。
设计思路：结合现场结构面数字摄影测量结果和室内力学实验获取的岩石力学强度参数，依据Mathews稳定图法理论基础，应用C++Builder开发工具编程，实现水力半径R和稳定数N的自动求解计算，并绘制出Mathews稳定图，确定出围岩所处的崩落—破坏范围，并将求解结果应用到工程实践，进行围岩稳定性分析评价。
具体操作：输入体密度Jv和结构面条件自动获得GSI量化等级，输入岩石单轴抗压强度σc和岩石密度以及矿房埋深和矿房形状因子等信息，考虑采场面与主要节理组夹角α，自动计算求解出水力半径R和稳定数N，绘制出稳定图，确定出围岩稳定性。
该模块主要包括以下内容：参数输入窗口，用于输入体密度值，选择结构面状态；采场几何参数窗口，用于输入矿房埋深和暴露面尺寸，输入采场面与主要节理组夹角α，以及采场面与水平面夹角α1；评价结果窗口，用于输出程序计算结果，包括水力半径R和稳定数N，同时绘出Mathews稳定图并且判定稳定性。
在步骤103中，通过将既有人防洞室的三维点云模型与岩体质量分区图进行重叠拟合，进行融合比较。即将既有人防洞室的三维点云模型和岩体质量分区图分别导出软件，将导出图纸层叠重合在一起，来观察既有人防洞室周边岩石的岩体质量。其中，三维点云模型和岩体质量分区图在制图时有确定的坐标原点及坐标系，采用令两者的坐标原点及坐标系相重合的方式，作为图纸层叠重合时的定位依据，便可以确保三维点云模型和岩体质量分区图完美拟合。
进一步地，在步骤103中，判定既有人防洞室是否适合改造或扩建的依据，可包括：判定既有人防洞室周边岩石的岩体质量是否满足开挖钻进条件。
以隧道为例，即对既有人防洞室位置进行隧道扩建。若为隧道出口、入口段，经该位置既有人防洞室的三维点云模型与地勘信息数据的融合比较后得到以下信息：洞孔地表为全风化花岗岩：黄褐色，原岩结构构造已完全破坏；强风化花岗岩：黄褐色，花岗结构，块状构造，节理裂隙发育，主要矿物为石英、碱性长石、斜长石及少量黑云母和白云母；中风化花岗岩：肉红色，中细粒花岗结构，块状构造。主要矿物为石英、碱性长石、斜长石及少量黑云母和白云母。岩石较破碎，岩心呈柱状、短柱状，节理裂隙较发育，钻进困难。那么在该种情况下，可能就不适合进行该处的既有人防洞室进行改造或扩建了。但是，系统也可以给出一些支护建议，如洞口处围岩属于较硬岩，极破碎-破碎，结构面发育，属Ⅳ级围岩，隧道开挖时，围岩受震动易发生掉块，甚至塌落，建议采用锚喷挂网式联合支护，采取适当的防水、排水措施。即若采用系统对于不适合进行改造或扩建的人防洞室的支护建议，可以继续进行后续人防洞室的改造或扩建。
在步骤104中：对于判定为适合改造或扩建的既有人防洞室，根据洞室信息，遵从改造量少、改造难度小、资源消耗少的原则同时按照满足使用功能要求进行雪洞线路方案设计，并利用BIM软件创建三维的BIM模型。
在步骤105中，通过以下步骤优化截面形状，确定最终改造或扩建的方案：每隔一段间距(如每5m)截取既有人防洞室的BIM模型断面，与其利用三维激光扫描仪扫描得到的三维点云模型断面进行比较分析，优化线路方案的竖向设计，确定最终的改造方案。
本发明能够通过发明利用BIM技术辅助人防洞室改造中传统二维图纸表述不够清楚，不够直观的问题。
本发明的利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，首先通过现场勘查，结合现场实际情况，确定扫描分布点位，利用三维激光扫描仪对已施工段洞室进行扫描，得到扫描数据，将扫描数据通过软件进行逆向建模，形成既有人防洞室的三维点云模型。
之后，进行洞室周边岩石信息勘测，得到地勘信息数据，利用相关稳定性分析软件，采用向导对话框，按照引导选择或输入必要的参数，然后软件自动进行计算，并以图文的形式输出工程岩体稳定性评价结果；
然后，根据得到的岩体稳定性评价结果，得出洞室周边岩体的质量颜色分区图，将原始洞室的点云模型与岩体质量分区图进行拟合，确定洞室所在位置的岩体质量，判定洞室是否适合改造扩建；
最后，每5m间距截取原始洞室BIM模型断面，与设计断面进行比较分析，优化线路方案的竖向设计，确定最终的隧道设计方案。
本发明采用上述方案，解决人防洞室改造项目中洞室空间复杂，年代久远，无完整图纸资料，洞室信息不直观性，给方案设计带来诸多阻碍。利用BIM技术在前期工作及方案设计、施工图设计、施工过程中间进行辅助，可以准确合理有效的开展工作。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，其特征在于，包括步骤：
利用三维激光扫描仪扫描既有人防洞室生成三维点云模型；
进行所述既有人防洞室周边岩石信息勘测，得到地勘信息数据；
在得到所述地勘信息数据后，利用岩体稳定性分析，分析计算所述地勘信息数据，以图文的形式输出所述既有人防洞室周边岩石的工程岩体稳定性评价结果，生成岩体质量分区图；
将既有人防洞室的所述三维点云模型与所述岩体质量分区图进行重叠拟合、融合比较，确定所述既有人防洞室周边岩石的岩体质量，以判定所述既有人防洞室是否适合改造或扩建；
对于判定为适合改造或扩建的既有人防洞室，根据所述既有人防洞室走向进行线路设计并创建BIM模型；以及
利用所述BIM模型优化截面形状，确定最终改造或扩建的方案。
2.如权利要求1所述的利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，其特征在于，在生成所述三维点云模型的步骤中，包括：通过现场勘查，结合现场实际情况，确定扫描分布点位，利用三维激光扫描仪对既有人防洞室进行扫描，得到扫描数据，对扫描数据进行逆向建模，形成既有人防洞室的三维点云模型。
3.如权利要求2所述的利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，其特征在于，采用Geomagic软件对所述扫描数据进行所述逆向建模。
4.如权利要求1所述的利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，其特征在于，采用岩体稳定性自动评价系统进行所述岩体稳定性分析，所述岩体稳定性自动评价系统包括：
Hoek-Brown模块，用于依据Hoek-Brown强度准则对所述地勘信息数据进行岩体强度评价，并得到岩体强度参数；
BQ模块，用于对所述地勘信息数据进行岩体的基本质量指标BQ分级和修正，并得到BQ值、修正BQ值和岩体质量级别；
RMR模块，用于根据所述地勘信息数据自动获取GSI量化等级，依据岩体地质力学分类方法，计算生成岩体RMR指标；
Mathews稳定图模块，用于依据Mathews稳定图法对所述地勘信息数据进行围岩稳定性分析评价，并绘制出Mathews稳定图，确定出围岩所处的崩落-破坏范围，其中，所述Mathews稳定图为所述岩体质量分区图。
5.如权利要求1所述的利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，其特征在于，所述判定所述既有人防洞室是否适合改造或扩建，包括：
判定所述既有人防洞室周边岩石的岩体质量是否满足开挖钻进条件。
6.如权利要求1所述的利用BIM技术辅助人防洞室改造的施工方法，其特征在于，通过以下步骤优化截面形状，确定最终改造或扩建的方案：每隔一段间距截取所述既有人防洞室的BIM模型断面，与三维点云模型断面进行比较分析，优化线路方案的竖向设计，确定最终改造或扩建的方案。
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