CN110472299A

CN110472299A - 基于bim的引水工程三维参数化智能设计方法及系统

Info

Publication number: CN110472299A
Application number: CN201910668404.0A
Authority: CN
Inventors: 王超; 张社荣; 潘飞; 侯德俊; 刘婷
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2019-11-19

Abstract

本发明公开了一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法及系统，该方法包括构建数据库、设计结构、三维建模、BIM管理、干涉检查以及输出工程图等六个步骤，该方法摆脱了传统二维、三维设计的束缚，将参数化设计理念贯穿到设计的整个周期之中，并融合BIM技术，关联设计过程中的所有关键信息，建立引水工程典型建筑物BIM，提高工程各方面的协调和协作的效率，减少工程设计信息的丢失。该方法信息完备、流程规范、实现方便、可视化程度高、可操作性强、可靠性强，大幅度提高了引水工程三维建模出图的效率，节约了时间成本，而且能确保满足水利水电工程三维设计的各项要求。

Description

基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法及系统

技术领域

本发明涉及水利工程建筑物设计技术领域，更具体的说是涉及一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法及系统。

背景技术

目前，随着引水工程规模的不断扩大，区域地形地质环境条件越发复杂，输水线路不断增长，涉及范围广，输水建筑物种类繁多，仅依靠传统的二维设计无法展示出整个输水工程的整体效果以及输水建筑物和其他周边标志性建筑物如水系、道路等的宏观显示效果，因此，三维设计观念引入引水工程设计方法中。

但是，由于引水工程中隶属同一种类的建筑物数量繁多，传统三维设计方式会导致许多技术水平不高的重复性工作，所构造的产品模型都是几何体素的简单堆叠，仅仅描述了设计产品的可视形状，设计质量难以保证，且设计周期长、工程造价也相对较高，并不能满足现代引水工程对设计质量的要求。

因此，如何提供一种设计周期短、工程造价低、设计质量高的引水工程三维参数化智能设计方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法及系统，该方法在该引水工程的设计过程中引入三维参数化设计环境，融合BIM技术将参数化设计概念贯穿到设计的整个周期之中，从而达到关联设计过程中的所有关键信息的目的，有效降低建筑物设计过程中工程信息的缺失的问题，提高模型创建和设计出图的效率和精确度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法，该方法包括以下步骤：

构建数据库：构建引水工程中BIM模型的多个数据库；

设计结构：根据实际工程条件，对引水工程中目标建筑物的结构进行设计；

三维建模：根据建立的数据库对目标建筑物进行三维参数化建模，得到目标建筑物的三维模型，并更新数据库；

BIM管理：验证目标建筑物的三维模型结构的合理性以及计划施工进度安排的合理性；

干涉检查：对装配完成后的三维模型进行干涉检查，检查各个组装零件是否发生碰撞，保证目标建筑物的三维模型整体结构的合理和稳定；

输出工程图：输出三维模型中的构件模型和整体模型的三维或二维工程图。

进一步地，所述数据库包括几何参数库、构件库、模型信息库、装配关系库、整体模型库和工程图库；

所述几何参数库存储设计过程中所使用构件模型的尺寸参数和特征参数，所述构件库存储引水工程中指定沿线建筑物的构件三维模型，所述模型信息库存储每个建筑物模型的属性信息，所述装配关系库存储设计过程中使用的构件模型文件、子模型文件以及中心模型文件的相互引用关系以及构件之间的装配约束参数，所述整体模型库存储装配完成后的完整构件模型，所述工程图库存储系统设计的图纸模板以及操作者自行设计的二维或三维工程图。

进一步地，输出工程图的过程，具体包括以下步骤：

进行工程图模板的建立；

在所述工程图模板中生成目标建筑物三维模型的多个视图；

提取三维模型的几何信息和扩展属性信息，并在所述视图中自动添加多个设计要素；

改变目标建筑物三维模型的参数，对输出后的工程图进行动态更新。

进一步地，工程图模板建立的过程，具体包括以下步骤：

在Autodesk Inventor的“样式和标准编辑器”中制定自定义要求的工程图样式和标准，并建立包含图框和标题栏的工程图信息；

将制定的工程图样式和标准以及建立的包含图框和标题栏的工程图信息存成模板文件；

将所述模板文件共享。

进一步地，所述视图包括基础视图、投影视图、斜视图、局部视图以及打断视图。

进一步地，所述设计要素包括中心线、尺寸配合、形位公差、粗糙度和技术要求。

进一步地，所述目标建筑物包括渡槽、倒虹吸和隧洞。

另一方面，本发明还提供了一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计系统，该系统包括：

数据库，所述数据库为多个，多个数据库存储有包含几何参数、构件信息、模型信息、装配关系、整体模型和工程图的设计数据；

结构设计模块，用于根据实际工程条件，对引水工程中目标建筑物的结构进行设计；

三维建模模块，用于根据建立的数据库对目标建筑物进行三维参数化建模，得到目标建筑物的三维模型，并更新数据库；

BIM管理模块，用于验证目标建筑物的三维模型结构的合理性以及计划施工进度安排的合理性；

干涉检查模块，用于对装配完成后的三维模型进行干涉检查，检查各个组装零件是否发生碰撞，保证目标建筑物的三维模型整体结构的合理和稳定；

工程图输出模块，用于输出三维模型中的构件模型和整体模型的三维或二维工程图。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法及系统，该方法摆脱了传统二维、三维设计的束缚，将参数化设计理念贯穿到设计的整个周期之中，并融合BIM技术，关联设计过程中的所有关键信息，建立引水工程典型引水工程建筑物BIM，提高工程各方面的协调和协作的效率，减少工程设计信息的丢失。该方法信息完备、流程规范、实现方便、可视化程度高、可操作性强、可靠性强，大幅度提高了引水工程三维建模出图的效率，节约了时间成本，而且能确保满足水利水电工程三维设计的各项要求。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法的流程示意图；

图2附图为本发明实施例中矩形渡槽的参数设置界面示意图；

图3附图为本发明实施例中U形渡槽的参数设置界面示意图；

图4附图为本发明实施例中渡槽结构设计过程中参数计算的界面示意图；

图5附图为本发明提供的一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计系统的结构架构示意图；

图6附图为本发明实施例中一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计系统的工作流程示意图；

图7附图为本发明实施例中渡槽初步水力学设计界面示意图；

图8附图为本发明实施例中渡槽模型的构件加载界面示意图；

图9附图为本发明实施例中渡槽施工中仿真分析过程的界面示意图；

图10附图为本发明实施例中CAD/CAE集成界面示意图；

图11附图为本发明实施例中渡槽模型的干涉检查界面示意图；

图12附图为本发明实施例中一种渡槽模型工程图输出界面的示意图；

图13附图为本发明实施例中另一种渡槽模型工程图输出界面的示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

一方面，参见附图1，本发明实施例公开了一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法，该方法包括以下步骤：

S1:构建引水工程中BIM模型的多个数据库；

S2:根据实际工程条件，对引水工程中目标建筑物的结构进行设计；

S3:根据建立的数据库对目标建筑物进行三维参数化建模，得到目标建筑物的三维模型，并更新数据库；

S4:验证目标建筑物的三维模型结构的合理性以及计划施工进度安排的合理性；

S5:对装配完成后的三维模型进行干涉检查，检查各个组装零件是否发生碰撞，保证目标建筑物的三维模型整体结构的合理和稳定；

S6:输出三维模型中的构件模型和整体模型的三维或二维工程图。

具体地，数据库包括几何参数库、构件库、模型信息库、装配关系库、整体模型库和工程图库；

几何参数库存储设计过程中所使用构件模型的尺寸参数和特征参数，构件库存储引水工程中指定沿线建筑物的构件三维模型，模型信息库存储每个建筑物模型的属性信息，装配关系库存储设计过程中使用的构件模型文件、子模型文件以及中心模型文件的相互引用关系以及构件之间的装配约束参数，整体模型库存储装配完成后的完整构件模型，工程图库存储系统设计的图纸模板以及操作者自行设计的二维或三维工程图。

针对步骤S2中结构设计过程，下面以渡槽结构设计为例说明其具体内容：

渡槽设计主要是根据设计资料对渡槽结构型式、尺寸与配筋进行计算的过程，具体方式如下：

S201：在渡槽参数化设计模块中，首先根据水力条件及地质条件确定渡槽槽身及支撑结构型式，然后根据设计需求(流量等)对渡槽进行水力学计算，在槽身水力计算中，共提供两种方式，一是初拟深宽比，求水深和净宽，二是初拟净宽，求水深。系统中槽身水力计算采用明渠均匀流公式如下：

式中，Q为过流流量，m³/s；A为槽身过水断面面积，单位为m²；R为水力半径，单位为m；i为槽身纵坡；n为糙率系数，混凝土槽身一般采用n＝0.013～0.014。

S202:基于水力学计算结果，对渡槽结构尺寸进行初拟。首先进行计算参数的设置，其中矩形渡槽和U形渡槽的参数设置界面分别如附图2和图3所示。

根据渡槽结构尺寸参数可以进行配筋设计，配筋设计中非预应力与预应力是分开计算的，首先将渡槽分为纵向和横向分别按照非预应力情况进行计算，内力计算的相关公式如下:

其中，简支梁式内力按下式计算：

跨中弯矩：

支座剪力：

其中，q为均布荷载；l为计算跨径，l＝1.05l0，l0为净跨。

等弯矩双悬臂梁式内力按下式计算：

跨中弯矩：

M＝0.0625ql² (4)

在支座两侧剪力：

M＝0.5ql (5)

M＝0.354ql (6)

式中，q为均布荷载；l为计算跨径，l＝1.05l0，l0为净跨。

等跨双悬臂梁式内力按下式计算：

支座弯矩：

支座两侧剪力：

Q₁＝Q₂＝0.5ql (8)

式中，q为均布荷载；l为计算跨径，l＝1.05l0，l0为净跨。

一个结构计算的成果可以通过计算书的形式导出，同时也可以查看结构的内力图。反之，则进入预应力计算部分，首先预估预应力钢筋面积，然后根据预应力钢筋布置算法对预应力钢筋进行布置设计，获得布置参数可以在一定程度上反映渡槽真实受力，此时再将渡槽按照纵向、横向进行校核设计。

S203:上部槽身结构设计完毕后，进行支撑结构的设计，梁式渡槽支撑的形式主要包括两种：一是槽墩结构，二是槽架结构。槽架结构中单排架的设计过程首先是参数拟定，然后进行荷载、内力、配筋、稳定四方面的计算。除以上两种形式的支撑结构外，系统还支持拱圈结构的设计。支撑结构设计结束后，进行基础结构的设计。基础结构包含四中结构形式：柱下独立基础、整体板式基础、桩基础、沉井基础。

S204、渡槽及地基的整体稳定性验算，验算内容包含槽身的整体稳定性验算、渡槽的抗滑稳定验算、渡槽的抗倾覆稳定性验算、浅基础的基地压应力验算和渡槽的基础沉降计算，相关公式如下：

槽身稳定性验算：

抗滑稳定性安全系数K1需满足下式要求：

式中，fb为支座的摩擦系数，N1为槽身自重，P1为作用于槽身的水平向风压力，[K1]为槽身抗滑稳定安全系数，经验取值[K₁]＝1.05。

抗倾覆稳定性系数K2需满足下式要求：

式中，Mn为绕背风面支点转动的倾覆力矩，Mp为抗倾覆力矩，[K2]为槽身抗倾覆稳定系数，经验取值[K₂]＝1.1。

渡槽的抗滑稳定验算：

抗滑稳定性安全系数K_c需满足下式要求：

式中，∑N为作用于基底面所有铅直力的总和，∑P为作用于基底面所有水平力的总和，f_c为基础地面与地基之间的摩擦系数，根据基础地质条件，取f_c＝0.38，[K_c]为抗滑稳定安全系数，参照设计规范取值。

渡槽的抗倾覆稳定性验算：

抗倾覆安全系数按照下式计算：

式中，l_a为承受最大压应力的基底面边缘到基底面中心轴的距离，∑N为地基面承受的铅直力的总和，∑M_y为所有铅直力及水平力对基底面重心轴的力矩总和，[K_c]为抗倾覆稳定安全系数，参照设计规范取值。

浅基础的基地压应力验算：

假定基底压应力(即地基反力)呈直线变化，不考虑地基的嵌固作用时，由偏心受压公式可得基底边缘应力为：

槽横向：

顺槽向：

式中，A为基础底面积，W_ya、W_xa为相应于最大应力σ_max基底边缘的截面抵抗矩(其中W_ya＝Iy/la，W_xa＝Ix/la，I_y、I_x为基底面对重心轴y—y、x—x的截面惯性矩)，W_yi、W_xi—相应于最小应力σ_min基底边缘的截面抵抗矩(W_yi＝I_y/l_i、W_xi＝I_x/l_i)。

渡槽的基础沉降计算：

式中，σ_zi为第i层土顶面与底面附加应力的平均值(MPa)，h_i为第i层土的厚度，E_si为第i层土的压缩模量(MPa)，n为地基压缩范围内所划分的土的层数，m_s为沉降计算经验系数。

系统界面如附图4所示，点击开始验算，系统自动进行计算；点击结果查看，可查看验算过程及结果。

具体的实施例中，输出工程图的过程，具体包括以下步骤：

S601:建立工程图模板；

S602:在工程图模板中通过投影消隐生成目标建筑物三维模型的多个视图；

S603:提取三维模型的几何信息和扩展属性信息，并在视图中自动添加多个设计要素：再通过二次开发提取模型的几何信息和扩展属性信息自动添加中心线、尺寸配合、形位公差、粗糙度、技术要求等能清楚传达设计信息的各个要素，并根据用户指定的批量输出需求自动循环进行上述操作，从而实现工程图的批量输出；

S604:改变目标建筑物三维模型的参数，对输出后的工程图进行动态更新：三维模型及其模型信息的改变是需要通过改变三维模型的几何参数表、模型信息表进行实现，故通过对数据库技术提取出两个表中改变后的尺寸数值和模型信息对工程图中的相应数据进行修改，即可实现工程图信息的联动更新。

在一个具体的实施例中，工程图模板建立的过程，具体包括以下步骤：

将模板文件共享，使设计人员都共享这一模板，为快速、便捷地生成符合行业标准、企业标准且风格统一的工程图打下基础。

其中，Autodesk Inventor软件是美国AutoDesk公司于1999年底推出的三维可视化实体模拟软件，它包含三维建模、信息管理、协同工作和技术支持等各种特征。使用Autodesk Inventor可以创建三维模型和二维制造工程图、可以创建自适应的特征、零件和子部件，还可以管理上千个零件和大型部件，它的“连接到网络”工具可以使工作组人员协同工作，方便数据共享和同事之间设计理念的沟通。Inventor在用户界面简单，三维运算速度和着色功能方面有突破的进展。

具体地，视图包括基础视图、投影视图、斜视图、局部视图以及打断视图。

具体地，设计要素包括中心线、尺寸配合、形位公差、粗糙度和技术要求。

具体地，目标建筑物包括渡槽、倒虹吸和隧洞。

另一方面，参见附图5，本发明还提供了一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计系统，该系统包括：

数据库1，数据库1为多个，多个数据库1存储有包含几何参数、构件信息、模型信息、装配关系、整体模型和工程图的设计数据；

结构设计模块2，用于根据实际工程条件，对引水工程中目标建筑物的结构进行设计；

三维建模模块3，用于根据建立的数据库1对目标建筑物进行三维参数化建模，得到目标建筑物的三维模型，并更新数据库1；

BIM管理模块4，用于验证目标建筑物的三维模型结构的合理性以及计划施工进度安排的合理性；

干涉检查模块5，用于对装配完成后的三维模型进行干涉检查，检查各个组装零件是否发生碰撞，保证目标建筑物的三维模型整体结构的合理和稳定；

工程图输出模块6，用于输出三维模型中的构件模型和整体模型的三维或二维工程图。

其中，BIM(Building Information Modeling)技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

系统的工作流程可参见附图6，下面结合具体实例，对系统的工作流程做简要介绍：

以渡槽结构设计为例，主要包括以下步骤：

结构设计模块根据设计资料对渡槽结构型式、尺寸与配筋进行计算，首先根据水力条件及地质条件确定渡槽槽身及支撑结构型式，然后根据设计需求(流量等)对渡槽进行水力学计算，确定渡槽基本设计参数，如宽深比、坡比、截面尺寸等，渡槽初步水力学设计界面如图7所示。

三维建模模块借助于已经建立的构件信息模型库进行三维参数化设计，首先在系统中创建参数化构件模型，接着进行各构件的自动装配和交互式装配创建出一个个部件模型，如有需要也可将建立的参数化构件模型存储在构件数据库中，丰富构件库中的模型种类；同时也可借助于系统中预先建立的子模型模版库，自行设计模板中的构件装配过程中的各种关系参数和各构件的尺寸参数，可实现自动生成预期子模型的功能，如有需要也可实时更新中心模型文件。该模块还可为各部门内部及不同部门之间的设计人员提供协同设计环境，通过各项目参与人员的协同工作提高工作效率，减少工作过程中的重复率。以渡槽模型为例展示其构件加载界面可参见附图8所示。

BIM管理模块通过对施工进度和施工过程仿真的分析可实现施工进度信息与模型中单元工程相关联、场景动画与单元工程施工进度关联等功能，精细化更新BIM模型并完成装配生成整体模型，其界面可参见附图9。采用了外部数据交换方式进行CAD与CAE的集成，利用参数化语言APDL完成参数化有限元建模和分析工作，CAD/CAE集成界面示意图可见图10。

干涉检查模块在模型整体装配完成后进行干涉检查保证其实用性，以渡槽模型为例的干涉检查示意图如图11所示。

工程图输出模块自动批量输出各构件模型或经干涉检查合格后的整体模型的三维或二维工程图，并且可以通过改变整体模型的参数实现所输出的工程图的动态更新。若想改变三维模型图纸及其模型信息需在几何参数表和模型信息表中进行修改，从而实现工程图信息的联动更新，渡槽模型工程图输出参见图12和图13。

本实施例提供的基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法，与现有技术相比具有以下优点：

1、平台在国内外领先的软件平台(Autodesk Inventor、Navisworks)进行深度定制，开发实现参数化设计、构件信息交互式查询、干涉检查、工程图输出、协同设计等丰富的功能，完整实现引水工程设计过程中快速创建建筑物及工程图输出的应用需求。

2、摆脱传统二维、三维设计的束缚，将参数化设计理念贯穿到设计的整个周期之中，并融合BIM技术，关联设计过程中的所有关键信息，建立引水工程典型引水工程建筑物BIM，提高工程各方面的协调和协作的效率，减少工程设计信息的丢失，为模型的可变性、可重用性、并行设计等提供手段。

3、从BIM模块管理出发，研究了引水工程建筑信息模型(BIM)数据规范和标准。分别从以下几个重要环节进行了研究，包含引水工程建筑信息模型(BIM)信息分类的标准化、信息存储的标准化、构件划分的标准化、参数划分的标准化、工程图输出的标准化以及基于信息模型的协同设计标准化。实现信息在空间维、主体维、时间维、类型维、版本维等5个维度的集成。

4、系统基于组件对象技术(COM)与Inventor API(应用程序接口)技术，通过可视化的编程语言和结构化查询语言SQL实现后台数据库的管理。同时采用RIBBON、插件式开发技术，为程序提供接口，便于第三方进行扩展。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建数据库：构建引水工程中BIM模型的多个数据库；

2.根据权利要求1所述的基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法，其特征在于，所述数据库包括几何参数库、构件库、模型信息库、装配关系库、整体模型库和工程图库；

3.根据权利要求1所述的基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法，其特征在于，输出工程图的过程，具体包括以下步骤：

建立工程图模板；

在所述工程图模板中生成目标建筑物三维模型的多个视图；

4.根据权利要求3所述的基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法，其特征在于，工程图模板建立的过程，具体包括以下步骤：

将所述模板文件共享。

5.根据权利要求3所述的基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法，其特征在于，所述视图包括基础视图、投影视图、斜视图、局部视图以及打断视图。

6.根据权利要求3所述的基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法，其特征在于，所述设计要素包括中心线、尺寸配合、形位公差、粗糙度和技术要求。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于BIM的引水工程三维参数化智能设计方法，其特征在于，所述目标建筑物包括渡槽、倒虹吸和隧洞。

8.一种基于BIM的引水工程三维参数化智能设计系统，其特征在于，包括：