CN110263456A - 一种基于ifc标准的隧道动态反馈分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于IFC标准的隧道动态反馈分析系统，包括，建立隧道模型的BIM模型库操作模块、模型解析模块、数据读取模块、分析报告模块、围岩分级模块；所述的BIM模型库操作模块创建典型隧道模型和参数化组件库，并将典型隧道模型导出为IFC格式文件，形成IFC模型；所述模型解析模块、围岩分级模块、分析报告模块通过提取所述IFC格式文件相关属性数据并计算获得围岩动态分级、围岩识别参数，并生成报表；调用反馈分析计算程序获得开挖施工方案和支护参数，所述数据读取模块将所述围岩动态分级、围岩识别参数写入所述IFC模型。本发明保证了各种数据和信息的综合快速分析及准确处理，对数据进行反馈分析，实现了数据的精准呈现。

Description

一种基于IFC标准的隧道动态反馈分析系统
技术领域
本发明涉及BIM技术领域，尤其涉及一种基于IFC标准的隧道动态反馈分析系统。
背景技术
隧道及基坑等地下岩土工程地质条件复杂多变，现有技术无法准确把握岩土体性质，传统的解析和数值计算往往模型参数与实际相差较大，人为经验也有较大的盲目性。因此以“新奥法施工”、“观察法施工”等为代表的现代隧道施工理念特别重视施工过程信息的反馈分析。随着岩土工程信息化和计算机技术的发展，许多二维数据处理软件和三维建模与可视化分析系统相继问世，但这些软件系统大多针对某个专业领域或仅提供模型的可视化显示，缺少统一的数据标准约束，导致各项工程数据孤立的存在于各自系统，无法实现各分析软件的数据交互。在实际工程应用时，往往呈现出信息管理和利用效率低、信息共享手段片面、信息跨专业交流不畅等特点，己不能满足岩土工程施工的需要。
发明内容
本发明提供一种基于IFC标准的隧道动态反馈分析系统，以克服上述技术问题。
本发明包括，建立隧道模型的BIM模型库操作模块、模型解析模块、数据读取模块、分析报告模块、围岩分级模块；
所述的BIM模型库操作模块创建典型隧道模型和参数化组件库，并将典型隧道模型导出为IFC格式文件，形成IFC模型；所述模型解析模块、围岩分级模块通过提取所述IFC格式文件相关属性数据并计算获得围岩动态分级、围岩识别参数，并通过分析报告模块生成报表；调用反馈分析计算程序获得开挖施工方案和支护参数，所述数据读取模块将所述围岩动态分级、围岩识别参数写入所述IFC模型。
进一步地，还包括，时序预警分析模块、动态设计模块、有限元分析模块；
所述时序预警分析模块可将计算所得参数传送至远程监测系统，或人工录入多源信息到IFC模型；所述动态设计模块对所述IFC模型进行施工方案及支护方案进行调整以及对施工参数进行优化更新；所述有限元分析模块包括正、反分析功能，内置二维弹塑性求解器。
进一步地，通过数据解析软件及三维图形渲染对所述IFC模型进行处理。
进一步地，所述围岩分级模块使用差异进化-神经网络和岩体基本质量指标分级方法进行分级。
进一步地，所述IFC模型还包括建模过程中添加的隧道动态施工相关数据信息及反馈分析结果。
本发明保证了各种数据和信息的综合快速分析及准确处理，对数据进行反馈分析，实现了数据的精准呈现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于IFC标准的隧道动态反馈分析系统示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明包括，建立隧道模型的BIM模型库操作模块、模型解析模块、数据读取模块、分析报告模块、围岩分级模块；
所述的BIM模型库操作模块创建典型隧道模型和参数化组件库，并将典型隧道模型导出为IFC格式文件，形成IFC模型；所述模型解析模块、围岩分级模块通过提取所述IFC格式文件相关属性数据并计算获得围岩动态分级、围岩识别参数，并通过分析报告模块生成报表；调用反馈分析计算程序获得开挖施工方案和支护参数，所述数据读取模块将所述围岩动态分级、围岩识别参数写入所述IFC模型。
进一步地，还包括，时序预警分析模块、动态设计模块、有限元分析模块；
所述时序预警分析模块可将计算所得参数传送至远程监测系统，或人工录入多源信息到IFC模型；所述动态设计模块对所述IFC模型进行施工方案及支护方案进行调整以及对施工参数进行优化更新；所述有限元分析模块包括正、反分析功能，内置二维弹塑性求解器。
进一步地，通过IFC Engine DLL数据解析软件及Direct3D三维图形渲染对所述IFC模型进行处理。
进一步地，所述围岩分级模块使用差异进化-神经网络(DE-ANN)和岩体基本质量指标分级方法(BQ分级)方法进行分级。
进一步地，所述IFC模型还包括建模过程中添加的隧道动态施工相关数据信息及反馈分析结果。
首先，扩展IFC标准的数据描述领域，实现基于IFC扩展标准的隧道结构模型信息的表达，建立基于IFC数据格式的隧道基础数据体系；利用BIM模型库操作模块即Revit的BIM建模功能创建典型隧道模型和参数化组件库；针对隧道分区的特点形成BIM三维模型，并将工程采集信息以及有关属性通过实例参数添加的方式集成到模型中，初步形成信息集成BIM模型。其次，将BIM模型导出为IFC格式文件，将该原始IFC格式文件读入到反馈分析系统，借助于系统的实体及属性集拓展工具对原始格式文件进行实体及属性集命名更新，输出为IFC标准的隧道动态设计信息集成模型即IFC模型；调用所述模型解析模块、围岩分级模块、分析报告模块对IFC文件的相关属性数据提取计算；计算获得围岩动态分级、围岩识别参数。最后，调用反馈分析计算程序获得开挖施工方案和支护参数，系统内嵌IFC数据读写程序实现信息的更新，将过程分析和最终的计算结果信息同步写入IFC模型。上述IFC模型不仅包含地质体、隧道结构的三维几何信息，还包含建模过程中添加的隧道动态施工相关数据信息和反馈分析结果信息。施工及后期运维管理人员可实现不同BIM平台的对上述集成模型的查询、分析和可视化展示。
实现IFC标准对隧道领域的数据描述需对现有IFC标准进行两方面工作，首先需要利用EXPRESS语言完成隧道领域空间结构及物理元素的定义，并添加至IFC标准模式文件(扩展名为.exp)，为最大限度地保证模型的兼容性与一致性，扩展的部分使用默认的IFC框架机制，隧道领域空间结构及物理元素的拓。另外，还需要对相关隧道实体的属性集合进行定义，基于IFC标准补充和完善对于动态反馈分析相关属性信息的分组描述,依据隧道动态施工流程及该施工过程所涉及的施工信息，可将隧道施工信息分为监测信息、围岩信息、支护信息以及隧道工法信息，具体见图1及表1。
表1
基于Revit的隧道信息集成BIM模型创建是在常规参数化隧道模型创建方式的基础上进行的，首先根据隧道几何尺寸及位置关系创建隧道构件族库，在构件族创建过程中，以实例属性参数添加的方式将上述自定义的动态反馈分析信息相关属性添加至相应隧道构件模型，并依据属性所在属性集建立分组，由于Revit并未提供动态反馈分析信息相关属性的属性集分组，可将动态施工专业属性参数暂时保存在软件预设的参数分组；将构件库内的参数化隧道构件以族文件的形式导入IFC模型中，通过定义标高和参照平面，利用对齐、偏移、阵列等命令调整装配位置，同时修改部件的尺寸参数及实例化构件隧道动态施工专业属性参数，依次实现隧道衬砌、仰拱填充、锚杆、地质体等各构件的拼装，最终完成隧道整体模型的构建，并导出为IFC4版本隧道动态反馈分析集成模型原始物理文件。
IFC标准的隧道动态设计信息集成模型实现，将IFC格式文件读入到基于IFC标准的隧道动态反馈分析系统，借助系统的实体及属性集拓展模块对该文件进行进一步完善及拓展。具体操作流程如图1所示。至此基于IFC标准的隧道动态设计信息集成模型创建完成。
IFC信息集成模型数据解析和三维图形渲染作为系统三维交互模块的关键技术，是BIM应用软件研究和开发的重要支撑，同时是BIM技术与隧道工程在施工过程分析反馈相结合的关键环节。目前免费的IFC Engine DLL组件具有IFC数据的解析功能，将BIM模型几何信息直接转化为三维图形引擎常用的三角网格，。该组件不仅能够自动处理常见的构件开洞等布尔运算情形，并直接获得布尔运算结果实体的三角网格，并具有解析效率高、平台支持度广等特点。在IFC Engine DLL组件基础上，采用Visual C#编程平台、WinForm界面框架和Sql Server2010作为数据库系统和Direct3D图形引擎进行开发。Direct3D提供了强大的三维图形功能，并具有很好的模型显示效果，用来显示IFC模型和交互。SQL Server2010数据库作为IFC标准数据的映射存储，保证系统开发的效率以及模块功能的兼容性。
系统提供基于BIM的围岩动态分级，围岩分级方面编写的程序使用了两种分级方法，即DE-ANN和BQ分级。通过检索IFC格式文件中相关围岩断面包含围岩回弹强度、岩体完整性指标、节理延展性、地下水影响、主要结构面产状和隧道关系以及地应力状态等在内的围岩分级指标，调用DE-ANN和BQ分级程序实现隧道断面围岩的级别判定，最终两种分级方式所得结果都将显示于操作界面，供用户对比分析以确保分级的准确性，与此同时，该动态围岩分级结果也及时反馈至相应IFC文件；该围岩分级模块提供BIM分级参数查看以及BIM分级参数修改等围岩参数操作选项，用于将查询及修改隧道集成模型IFC文件中的围岩分级指标属性参数，并实现IFC文件相应数据的同步更新。监控量测数据管理模块的主要功能是对隧道围岩监测信息进行查询分析。系统内嵌IFC标准监测数据读写程序，负责将自动化监测数据库内的监测数据批量写入到隧道反馈分析集成模型，实现监测数据的BIM表达；本模块还提供隧道围岩监控量测数据可视化查询、监控量测数据曲线查看以及监控量测数据信预警功能，且上述功能均基于IFC集成模型开发，通过点选三维图形渲染窗口中的传感器模型，可进行该传感器监测数据的查询及曲线查看，
基于反馈分析计算程序的BIM开挖施工方案和锚固参数优化，施工工法推荐模块是基于动态围岩分级结果所进行的功能模块开发，系统通过对隧道工程IFC文件中相应断面设计围岩级别、DE-ANN法围岩级别以及BQ法围岩级别反馈结果综合比对，并结合隧道工程现场实际对相应隧道断面进行施工工法推荐。进行施工工法推荐之前，需要手动输入断面里程，程序依据断面里程桩号检索IFC文件，将施工工法推荐所需的围岩级别指标保存至系统变量，工作人员可通过对工程设计参数查询选项栏内的各围岩级别进行勾选，实现围岩级别指标的选择以及结果查看。点击施工工法推荐按钮，施工工法推荐选项栏下方的施工工法名称显示区将显示系统所推荐的隧道施工工法名称，同时，界面右方可视化窗口对系统所推荐隧道工法BIM模型进行显示。锚固参数优化模块，需首先建立隧道施工锚固参数与现场实时监测位移的函数关系，即数学回归模型，通过模型可以快速效的反应锚固参数与围岩位移的关系，从而判断隧道支护的安全性，以此作为基于粒子群算法的锚固参数优化的约束条件。将锚杆长度l、锚杆间距s、锚杆直径d、喷砼厚度D、喷砼模量E五个锚固参数作为设计变量，设计一种在不同支护条件下的开挖隧道断面的造价公式f(x)。其中设计变量要满足上述数学回归模型围岩位移要求，在以上条件下f(x)的最小值即为优化最终方案。该模块能够实现隧道反馈分析集成模型IFC格式文件中工程设计锚固参数的查询，并提供对相应断面的锚固参数优化功能，通过点击锚固参数优化按钮，系统调用后台基于粒子群算法的隧道围岩锚固参数优化程序，分别给出围岩变形最小、工程造价最低情况下的锚固支护方案，系统基于上述两种锚固参数方案给出较为合理支护参数优化结果，并在窗口右下角的支护参数优化结果显示栏内显示。点击优化结构反馈至BIM模型功能按钮，该断面的锚固参数优化结果则反馈至隧道施工信息集成模型，同时窗口右上角的模型显示区对更新后的模型进行显示，便于施工管理人员查询参考。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于IFC标准的隧道动态反馈分析系统，其特征在于，包括，建立隧道模型的BIM模型库操作模块、模型解析模块、数据读取模块、分析报告模块、围岩分级模块；
所述的BIM模型库操作模块创建典型隧道模型和参数化组件库，并将典型隧道模型导出为IFC格式文件，形成IFC模型；所述模型解析模块、围岩分级模块通过提取所述IFC格式文件相关属性数据并计算获得围岩动态分级、围岩识别参数，并通过分析报告模块生成报表；调用反馈分析计算程序获得开挖施工方案和支护参数，所述数据读取模块将所述围岩动态分级、围岩识别参数写入所述IFC模型。
2.根据权利要1求所述的系统，其特征在于，还包括，时序预警分析模块、动态设计模块、有限元分析模块；
所述时序预警分析模块可将计算所得参数传送至远程监测系统，或人工录入多源信息到IFC模型；所述动态设计模块对所述IFC模型进行施工方案及支护方案进行调整以及对施工参数进行优化更新；所述有限元分析模块包括正、反分析功能，内置二维弹塑性求解器。
3.根据权利要2求所述的系统，其特征在于，通过数据解析软件及三维图形渲染对所述IFC模型进行处理。
4.根据权利要3求所述的系统，其特征在于，所述围岩分级模块使用差异进化-神经网络和岩体基本质量指标分级方法进行分级。
5.根据权利要4求所述的系统，其特征在于，所述IFC模型还包括建模过程中添加的隧道动态施工相关数据信息及反馈分析结果。
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