CN110704916A - 基于bim技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法 - Google Patents

基于bim技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法，实现流程为：S1:基于BIM软件初步建立三维地质模型并求取地质界面交线；S2:通过地质界面再次生成，粗化初步建立的地质网格；S3:将再次生成的地质网格导入ANSYS中生成地质体网格；S4:将ANSYS中生成的地质体网格导入FLAC3D进行数值仿真分析。本发明实现技术突破，表达清晰，使用便捷，适用于大型复杂三维地质模型CAD/CAE一体化时使用，思路明确，操作简便。

Description

基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法
技术领域
本发明涉及水利水电工程相关领域的三维数值仿真计算，具体说，是一种基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法。
背景技术
目前，随着BIM技术的不断推广，完全面向水利水电工程地质的三维地质建模系统应运而生，利用该类系统创建的三维地质模型能够完整表达与展示枢纽工程区的地质条件，但因地质模型的复杂性、数据结构不兼容等原因，无法将其直接转化为CAE计算模型，尤其是所建三维地质模型网格数量多达几十万甚至上百万之多，在转化为CAE模型之前，对地质网格进行粗化是不可或缺的前提工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种满足CAD/CAE一体化要求，技术新颖，思路明确，表达清晰，可操作性强的基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法，BIM建模软件至少包括GeoStation、MicroStation、GeoPak，数值计算软件至少包括ANSYS与Flac3D，地质曲面插值工具利用MDL开发，打通CAD/CAE数据间的转化通道；
包括以下步骤：
S1:基于BIM软件初步建立三维地质模型并求取地质界面交线；S2:通过地质界面再次生成，粗化初步建立的地质网格；S3:将再次生成的地质网格导入ANSYS中生成地质体网格；S4:将ANSYS中生成的地质体网格导入FLAC3D进行数值仿真分析。
步骤S1包括：
S1.1:收集整理工程区的地质勘察资料，包括地形数据、测绘数据、勘探数据、试验数据，并将地质数据录入工程地质数据库GeoDataManage，然后利用GeoStation图形端强大的三维地质建模能力，通过勘探数据快速建立三维地质面模型；
S1.2:利用MicroStation及相关水工辅助设计工具快速建立水工建筑物，利用GeoPak完成三维开挖面；
S1.3:利用GeoStation面面求交工具求取地质界面之间及与水工建筑物界面的交线；
S1.4:对通过S1.3求取的交线进行等分简化，为下一步插值工作做准备，其中交线简化按照等距等分进行，等分距离根据交线复杂程度确定，采用2的倍数，且保证所有交线的等分间距保持一致；
步骤S2包括：
S2.1:将拟二次生成地质界面的框架线,含已处理的交线投影，投影到参考平面,参考平面选择直角坐标系下的XOY平面；
S2.2：将S2.1中已投影到参考平面上的已处理的交线作为硬性约束对平面区域进行网格剖面，网格剖分算法采用Delaunay算法，并对剖分完成的网格进行优化处理，如有需要，可将三角形网格进行合并处理，生成四边形网格；
S2.3：将已处理的交线作为硬性约束结合原始地质界面采样数据利用Kiging算法插值S2.2生成的平面网格，二次生成三维地质界面模型；
S2.4：将已处理的交线作为硬性约束重新生成水工界面；
S2.5：将二次生成的地质界面及水工界面转化到ANSYS中；
步骤S3包括：
S3.1:在ANSYS中按照线-面-体的操作顺序将S2.5导入的地质界面及水工界面逐一围合成实体；
S3.2:在ANSYS中将S3.1生成的实体剖分网格；
步骤S4包括：
S4.1：将S3.2生成的实体网格导入FLAC3D中；
S4.2：在FLAC3D中对导入的模型设置边界条件、模型本构、材料参数、重力加速度及计算工况，进行相关计算。
进一步，步骤S2.3中将已处理的交线作为硬性约束结合原始地质界面采样数据利用Kiging算法插值是指对地质曲面进行插值时，若网格节点的X、Y值与已处理的交线的X、Y值的距离小于10-3,则将已处理的交线的Z值直接赋予该网格节点。
Kriging插值算法选用普通Kriging插值算法，Kriging插值工具即地质曲面插值工具，通过MicroStation的二次开发语言MDL开发。
S2.5将二次生成的地质界面及水工界面转化到ANSYS中是利用MicroStation的二次开发语言MDL开发MicroStation数据转化至ANSYS中的工具。
本发明的有益效果是：满足大型复杂三维地质(岩土)CAD/CAE一体化转化需求，地质网格粗化方法构思合理，思路明确，表达清晰，便于操作。
附图说明
图1基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法路线图。
图2网格二次生成流程图。
图3ANSYS与FLAC3D网格拓扑关系对应图。
图4地表网格的模拟与重构图。
图5水工人工开挖面及坝体的模拟与重构图。
图6基于BIM技术所建的初始三维地质模型和三维开挖面图。
图7网格粗化后的三维地质物理模型和数值仿真计算模型图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1、2所示，本发明的基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法，即基于BIM水利水电工程地质三维设计模型，对已设计完成的三维地质模型进行网格粗化，是实现地质(岩土)CAD/CAE一体化中的关键技术，内容包括操作软件(工具)、具体实现流程及网格粗化的关键技术说明。
BIM建模软件至少包括GeoStation、MicroStation、GeoPak，数值计算软件至少包括ANSYS与Flac3D，地质曲面插值工具利用MDL开发，打通了CAD/CAE数据间的转化通道。
具体实现流程为：
S1:基于BIM软件初步建立三维地质模型并求取地质界面交线；
S2:通过地质界面再次生成，粗化初步建立的地质网格；
S3:将再次生成的地质网格导入ANSYS中生成地质体网格；
S4:将ANSYS中生成的地质体网格导入FLAC3D进行数值仿真分析。
进一步的，流程S1还包括：
S1.1:收集整理工程区的地质勘察资料，包括地形数据、测绘数据、勘探数据、试验数据，并将地质数据录入工程地质数据库GeoDataManage，然后利用GeoStation图形端强大的三维地质建模能力，通过勘探数据快速建立三维地质面模型；
S1.2:利用MicroStation及相关水工辅助设计工具快速建立水工建筑物，如坝体、闸室，利用GeoPak完成三维开挖面；
S1.3:利用GeoStation面面求交工具求取地质界面之间及与水工建筑物界面的交线；
S1.4:对通过S1.3求取的交线进行等分简化，为下一步插值工作做准备，其中交线简化可按照等距等分进行，等分距离建议根据交线复杂程度确定，建议采用2的倍数，且保证所有交线的等分间距基本保持一致。
进一步地，流程S2还包括：
S2.1:将拟二次生成地质界面框架线(含已处理的交线投影)投影到参考平面,投影平面一般情况下选择统一坐标系下的XOY平面；
S2.2：将投影面上已处理的交线作为硬性约束对平面区域进行网格剖面，网格剖分算法可采用Delaunay算法，并对剖分完成的网格进行优化处理，如有需要可将三角形网格进行合并处理，生成四边形网格；
S2.3：将已处理的交线作为硬性约束结合原始地质界面采样数据利用Kiging算法插值平面区域网格，二次生成三维地质面模型；
S2.4：将已处理的交线作为硬性约束重新生成水工界面；
S2.5：将二次生成的地质界面及水工界面转化到ANSYS中。
进一步地，流程S3还包括：
S3.1:在ANSYS中按照线-面-体的操作顺序将S2.5导入的地质界面及水工界面逐一围合成实体；
S3.2:在ANSYS中将S3.1生成的实体剖分网格。
进一步地，流程S4还包括：
S4.1：将S3.2生成的实体网格导入FLAC3D中；
S4.2：在FLAC3D中对导入的模型设置边界条件、模型本构、材料参数、重力加速度及计算工况，进行相关计算。
网格粗化关键技术涉及BIM三维建模技术、地质曲面插值技术、地质曲面求交技术、数据格式转化技术、地质网格剖分技术的说明。
进一步地，BIM三维建模技术说明还包括：①利用GeoStation强大的三维地质建模能力，通过勘探数据快速建立三维地质面模型；②利用MicroStation及相关水工辅助设计工具快速建立坝体等，利用GeoPak完成三维开挖面；③利用GeoStation面面求交工具求取地质界面之间及与水工界面的交线；④对求取的交线进行等分简化，为下一步插值工作做准备。
进一步地，地质曲面插值技术说明还包括：带交线硬性约束的Kriging插值是指对地质曲面进行插值时，若网格节点的X、Y值与交线的X、Y值的距离小于10-3,则将交线的z值直接赋予该网格节点，Kriging插值采用普通Kriging插值算法。
进一步地，地质曲面求交技术说明还包括：利用GeoStation的面面求交工具进行地质曲面间交线的求取。
进一步地，数据格式转化技术说明还包括：利用MicroStation的二次开发工具MDL(MicroStation Development Library)开发MicroStation数据转化至ANSYS中的工具。
进一步地，地质网格剖分技术说明还包括：利用ANSYS的Mesh剖分工具进行地质体的网格剖分。
本发明提具体实现流程为：
S1:三维地质模型初步建立与地质界面求交，具体步骤包括：
S1.1:收集整理工程区的地质勘察资料，包括地形数据、测绘数据、勘探数据、试验数据，并将地质数据录入工程地质数据库GeoDataManage，然后利用GeoStation图形端强大的三维地质建模能力，通过勘探数据快速建立三维地质面模型，某工程建立的三维地质面模型如图6(a)所示；
S1.2:利用MicroStation及相关水工辅助设计工具快速建立水工建筑物，如坝体、闸室，利用GeoPak按照设计要求建立三维开挖面，某工程建立的三维开挖面如图6(b)所示；
S1.3:利用GeoStation面面求交工具求取地质界面之间及与水工建筑物界面的交线；
S1.4:对通过S1.3求取的交线进行等分简化，为下一步插值工作做准备，其中交线简化可按照等距等分进行，等分距离建议根据交线复杂程度确定，建议采用2的倍数，且保证所有交线的等分间距基本保持一致。
S2:对S1生成的复杂网格根据数值计算要求进行网格的粗化，即网格曲面二次生成。
参照图2，S2的具体操作步骤包括：
S2.1:将拟二次生成地质界面框架线(含已处理的交线投影)投影到参考平面,投影平面一般情况下选择统一坐标系下的XOY平面；
S2.2：将投影面上已处理的交线作为硬性约束对平面区域进行网格剖面，网格剖分算法可采用Delaunay算法，并对剖分完成的网格进行优化处理，如有需要可将三角形网格进行合并处理，生成四边形网格；
S2.3：将已处理的交线作为硬性约束结合原始地质界面采样数据利用Kiging算法插值平面区域网格，二次生成三维地质面模型，某项目地表生成效果如图4所示；
S2.4：将已处理的交线作为硬性约束重新生成水工界面，某项目地表生成效果如图5所示；
S2.5：将二次生成的地质界面及水工界面转化到ANSYS中。
S3:将导入ANSYS中的地质界面及水工界面利用ANSYS中的由面生成实体出的工具逐一建立模型中各部位的实体，并将实体进行网格剖分。
S4:将在ANSYS中生成的地质体网格导入FLAC3D。
S4的具体操作步骤请按照图3所示的ANSYS与FLAC3D网格节点拓扑对应关系，通过网格的数据格式的变换，可将ANSYS中生成的实体网格导入FLAC3D中，具体效果见图7；然后，在FLAC3D中对导入的模型设置边界条件、模型本构、材料参数、重力加速度及计算工况，进行相关计算。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (5)

1.一种基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法，其特征在于，BIM建模软件至少包括GeoStation、MicroStation、GeoPak，数值计算软件至少包括ANSYS与Flac3D，地质曲面插值工具利用MDL开发，打通CAD/CAE数据间的转化通道；
包括以下步骤：
S1:基于BIM软件初步建立三维地质模型并求取地质界面交线；S2:通过地质界面再次生成，粗化初步建立的地质网格；S3:将再次生成的地质网格导入ANSYS中生成地质体网格；S4:将ANSYS中生成的地质体网格导入FLAC3D进行数值仿真分析。
2.根据权利要求1所述基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法，其特征在于，
步骤S1包括：
S1.1:收集整理工程区的地质勘察资料，包括地形数据、测绘数据、勘探数据、试验数据，并将地质数据录入工程地质数据库GeoDataManage，然后利用GeoStation图形端强大的三维地质建模能力，通过勘探数据快速建立三维地质面模型；
S1.2:利用MicroStation及相关水工辅助设计工具快速建立水工建筑物，利用GeoPak完成三维开挖面；
S1.3:利用GeoStation面面求交工具求取地质界面之间及与水工建筑物界面的交线；
S1.4:对通过S1.3求取的交线进行等分简化，为下一步插值工作做准备，其中交线简化按照等距等分进行，等分距离根据交线复杂程度确定，采用2的倍数，且保证所有交线的等分间距保持一致；
步骤S2包括：
S2.1:将拟二次生成地质界面的框架线,含已处理的交线投影，投影到参考平面,参考平面选择直角坐标系下的XOY平面；
S2.2：将S2.1中已投影到参考平面上的已处理的交线作为硬性约束对平面区域进行网格剖面，网格剖分算法采用Delaunay算法，并对剖分完成的网格进行优化处理，如有需要，可将三角形网格进行合并处理，生成四边形网格；
S2.3：将已处理的交线作为硬性约束结合原始地质界面采样数据利用Kiging算法插值S2.2生成的平面网格，二次生成三维地质界面模型；
S2.4：将已处理的交线作为硬性约束重新生成水工界面；
S2.5：将二次生成的地质界面及水工界面转化到ANSYS中；
步骤S3包括：
S3.1:在ANSYS中按照线-面-体的操作顺序将S2.5导入的地质界面及水工界面逐一围合成实体；
S3.2:在ANSYS中将S3.1生成的实体剖分网格；
步骤S4包括：
S4.1：将S3.2生成的实体网格导入FLAC3D中；
S4.2：在FLAC3D中对导入的模型设置边界条件、模型本构、材料参数、重力加速度及计算工况，进行相关计算。
3.根据权利要求2所述基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法，其特征在于，步骤S2.3中将已处理的交线作为硬性约束结合原始地质界面采样数据利用Kiging算法插值是指对地质曲面进行插值时，若网格节点的X、Y值与已处理的交线的X、Y值的距离小于10-3,则将已处理的交线的Z值直接赋予该网格节点。
4.根据权利要求3所述基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法，其特征在于，Kriging插值算法选用普通Kriging插值算法，Kriging插值工具即权利要求1中的地质曲面插值工具，通过MicroStation的二次开发语言MDL开发。
5.根据权利要求2所述基于BIM技术的大型复杂三维地质模型网格粗化方法，其特征在于，S2.5将二次生成的地质界面及水工界面转化到ANSYS中是利用MicroStation的二次开发语言MDL开发MicroStation数据转化至ANSYS中的工具。
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