CN111260790A - 一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统及方法 - Google Patents

一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统及方法，利用激光扫描器扫描结构实体模型，获得结构实体模型各构件单元的三维点云数据，标签分别嵌入于结构实体模型的对应构件单元内并存有对应构件单元信息；数据读取模块分别读取构件单元的三维点云数据与标签内的构件单元信息并对应存储；模型转化模块能够将构件单元的三维点云数据转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型；虚拟仿真模块能够利用虚拟仿真模型完成各种工况情况下结构受力情况虚拟仿真模拟，提高建模效率和建模准确性。

Description

一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统及方法
技术领域
本发明属于建筑结构工程虚拟仿真分析技术领域，特别涉及一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统及方法。
背景技术
在建筑结构设计过程中，结构安全性是需要考虑的首要问题，随着建筑结构日益复杂，往往需要通过计算机虚拟仿真分析得到结构受力情况，从而得到建筑结构选型和尺寸，确保结构安全性。现有的建筑结构虚拟仿真模拟系统往往依据设计方案建立虚拟仿真分析模型，进而利用虚拟仿真模拟软件进行分析，该种方法一方面建模过程较为复杂繁琐，另一方面，针对造型复杂结构无法准确进行建模表达，从而严重降低了设计效率。数字扫描技术是一种新兴的三维数字建模技术，可针对实体构件快速得到实体结构三维模型和几何尺寸，从而大幅提高建模效率和准确度，在大型场景三维数字建模中得到了广泛应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统及方法，用于解决现有的建筑结构虚拟仿真模拟建模速度慢与模型准确度低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统，包括：激光扫描器、标签、数据读取模块、模型转化模块以及虚拟仿真模块；所述激光扫描器通过扫描结构实体模型获得结构实体模型各构件单元的三维点云数据，所述标签分别嵌入于结构实体模型的对应构件单元内，且所述标签存有对应构件单元信息；所述数据读取模块分别读取构件单元的三维点云数据与对应标签内的构件单元信息并按构件单元进行存储；所述模型转化模块能够将构件单元的三维点云数据进行噪声及平滑处理并转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，并根据对应标签内记录的构件单元信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型；所述虚拟仿真模块能够利用虚拟仿真模型完成各种工况情况下结构受力情况虚拟仿真模拟。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统中，所述构件单元信息包括构件单元编码、构件单元类别信息、节点编码、构件单元边界信息以及构件单元物理属性信息。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统中，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元类别信息，对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元边界信息设置各单元网格三维模型间的连接关系。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统中，所述激光扫描器利用多种不同精度的三维激光扫描系统，用毫米级的三维扫描仪进行整体控制，用亚毫米级的三维扫描仪进行局部数据采集。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统中，所述标签采用RFID标签。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统中，所述构件单元的三维点云数据为激光扫描器三维扫描得到的数据文件，包含构件单元的轮廓和尺寸信息。
一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法，包括：
步骤1：将结构实体模型的构件单元进行分类编码；
步骤2：将构件单元信息写入对应标签内；
步骤3：将标签嵌设于结构实体模型的对应构件单元内；
步骤4：利用激光扫描器扫描结构实体模型，获取各构件单元的三维点云数据；
步骤5：利用数据读取模块分别读取各构件单元的三维点云数据及对应标签内的构件单元信息，并按构件单元进行存储；
步骤6：利用模型转化模块将构件单元的三维点云数据进行噪声及平滑处理并转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，并根据对应标签内记录的构件单元信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型；
步骤7：利用虚拟仿真模块设置不同工况下的荷载，进而分析得到构件受力情况，并分析所得结果进行显示。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法中，所述激光扫描器利用多种不同精度的三维激光扫描系统，用毫米级的三维扫描仪进行整体控制，用亚毫米级的三维扫描仪进行局部数据采集。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法中，所述标签采用RFID标签。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法中，所述构件单元的三维点云数据为激光扫描器三维扫描得到的数据文件，包含构件单元的轮廓和尺寸信息。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法中，所述构件单元信息包括构件单元编码、构件单元类别信息、节点编码、构件单元边界信息以及构件单元物理属性信息。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法中，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元类别信息，对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元边界信息设置各单元网格三维模型间的连接关系。
由以上公开的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供的一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统，通过采用激光扫描器、标签、数据读取模块、模型转化模块以及虚拟仿真模块；利用所述激光扫描器通过扫描结构实体模型获得结构实体模型各构件单元的三维点云数据，所述标签分别嵌入于结构实体模型的对应构件单元内，且所述标签存有对应构件单元信息；所述数据读取模块分别读取构件单元的三维点云数据与对应标签内的构件单元信息并按构件单元进行存储；所述模型转化模块能够将构件单元的三维点云数据进行噪声及平滑处理并转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，并根据对应标签内记录的构件单元信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型；所述虚拟仿真模块能够利用虚拟仿真模型完成各种工况情况下结构受力情况虚拟仿真模拟。由于本发明直接利用结构实体模型，通过激光扫描器扫描结构实体模型，获取构件单元的三维点云数据，通过在标签内预设建立虚拟仿真模型所需的构件单元信息，根据标签记录的构件单元信息可以快速、准确的将激光扫描器获得的三维点云数据生成虚拟仿真模型，避免了现有结构工程虚拟仿真工作所需的大量手工操作及人为输入导致的错误，提高了建模的准确性，减少了建模时间，，对于异型构件也可以快速成模，显著提高了虚拟仿真建模和分析效率。
本发明提供的一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法，通过将结构实体模型的构件单元进行分类编码；将构件单元信息写入对应标签内；将标签嵌设于结构实体模型的对应构件单元内；利用激光扫描器扫描结构实体模型，获取各构件单元的三维点云数据；利用数据读取模块分别读取各构件单元的三维点云数据及对应标签内的构件单元信息，并按构件单元进行存储；利用模型转化模块将构件单元的三维点云数据进行噪声及平滑处理并转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，并根据对应标签内记录的构件单元信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型；利用虚拟仿真模块设置不同工况下的荷载，进而分析得到构件受力情况，并分析所得结果进行显示，其通过采用数字扫描方法和标签相结合的方式，根据标签记录的构件单元信息可以快速、准确的将数字扫描方法获得的三维点云数据生成虚拟仿真模型，避免了现有结构工程虚拟仿真工作所需的大量手工操作及人为输入错误，提高了建模的准确性，减少了大量建模时间，此外，对于异型构件也可以快速成模，显著提高了虚拟仿真建模和分析效率。
附图说明
图1 为基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下将由所列举之实施例结合附图，详细说明本发明的技术内容及特征。需另外说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。
请参阅图1，本实施例公开了一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统包括：激光扫描器、标签、数据读取模块、模型转化模块以及虚拟仿真模块；所述激光扫描器通过扫描结构实体模型获得结构实体模型各构件单元的三维点云数据，所述标签分别嵌入于结构实体模型的对应构件单元内，且所述标签存有或者说记录有对应构件单元信息即图1中的标签信息；所述数据读取模块分别读取构件单元的三维点云数据与对应标签内的构件单元信息并按构件单元进行存储，也就是说构件单元的三维点云数据与对应标签内的构件单元信息存储在一起，以方便读取和信息关联；所述模型转化模块能够将构件单元的三维点云数据进行噪声及平滑处理并转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，并根据对应标签内记录的构件单元信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型；所述虚拟仿真模块能够利用虚拟仿真模型完成各种工况情况下结构受力情况虚拟仿真模拟。
本发明提供的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统，通过采用激光扫描器、标签、数据读取模块、模型转化模块以及虚拟仿真模块；利用所述激光扫描器通过扫描结构实体模型获得结构实体模型各构件单元的三维点云数据，所述标签分别嵌入于结构实体模型的对应构件单元内，且所述标签存有对应构件单元信息；所述数据读取模块分别读取构件单元的三维点云数据与对应标签内的构件单元信息并按构件单元进行存储；所述模型转化模块能够将构件单元的三维点云数据进行噪声及平滑处理并转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，并根据对应标签内记录的构件单元信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型；所述虚拟仿真模块能够利用虚拟仿真模型完成各种工况情况下结构受力情况虚拟仿真模拟。由于本发明直接利用结构实体模型，通过激光扫描器扫描结构实体模型获取构件单元的三维点云数据，通过在标签内预设建立虚拟仿真模型所需的构件单元信息，根据标签记录的构件单元信息可以快速将激光扫描器获得的三维点云数据生成虚拟仿真模型，避免了现有结构工程虚拟仿真工作所需的大量手工操作及人为输入导致的错误，提高了建模的准确性，减少了建模时间，对于异型构件也可以快速成模，显著提高了虚拟仿真建模和分析效率结构实体模型结构实体模型。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统中，所述构件单元的三维点云数据为激光扫描器三维扫描得到的数据文件，包含构件单元的轮廓和尺寸信息。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统中，所述标签采用RFID标签。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统中，所述激光扫描器利用多种不同精度的三维激光扫描系统，用毫米级的三维扫描仪进行整体控制，用亚毫米级的三维扫描仪进行局部数据采集，通过组合使用多种不同精度的三维激光扫描系统更加快速准确的获取构件单元的三维点云数据。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统中，所述构件单元信息包括构件单元编码、构件单元类别信息、节点编码、构件单元边界信息以及构件单元物理属性信息。每个构件单元具有一个唯一的构件单元编码。构件单元类别信息表示实体所对应的构件类别如梁、板、柱等及与之相对应的虚拟仿真模型类别，如线单元、面单元等。每个节点编码表示该构件单元的一个连接节点，如果不同构件单元具有相同的节点编码，则该不同构件单元在该节点处连接。构件单元边界信息是指两个实体构件间的边界关系，包括连接方式以及约束条件，其中，约束条件包括位移约束（如平动约束、转动自由度等）和约束类型（如刚性约束、弹簧约束、接触单元约束等）。构件单元物理属性信息表示构件单元的物理属性，如质量、密度、硬度等。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统中，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元类别信息，对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元边界信息设置各单元网格三维模型间的连接关系。
本发明还公开了一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法，包括：
步骤1：将结构实体模型的构件单元进行分类编码。
步骤2：将构件单元信息写入对应标签内。所述构件单元信息是根据虚拟仿真分析所需建立的构件单元数据库，包含构件单元编码、构件单元类别信息、节点编码、构件单元边界信息以及构件单元物理属性信息。每个构件单元具有一个唯一的构件单元编码。构件单元类别信息表示实体所对应的构件类别如梁、板、柱等及与之相对应的虚拟仿真模型类别，如线单元、面单元等。每个节点编码表示该构件单元的一个连接节点，如果不同构件单元具有相同的节点编码，则该不同构件单元在该节点处连接。构件单元边界信息是指两个实体构件间的边界关系，包括连接方式以及约束条件，其中，约束条件包括位移约束（如平动约束、转动自由度等）和约束类型（如刚性约束、弹簧约束、接触单元约束等）。构件单元物理属性信息表示构件单元的物理属性，如质量、密度、硬度等。
步骤3：将标签嵌设于结构实体模型的对应构件单元内。
步骤4：利用激光扫描器扫描结构实体模型，获取各构件单元的三维点云数据。
步骤5：利用数据读取模块分别读取各构件单元的三维点云数据及对应标签内的构件单元信息，并按构件单元进行存储。
步骤6：利用模型转化模块将构件单元的三维点云数据进行噪声及平滑处理并转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，并根据对应标签内记录的构件单元信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型。
步骤7：利用虚拟仿真模块设置不同工况下的荷载，进而分析得到构件受力情况，并分析所得结果进行显示。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法中，所述标签采用RFID标签。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法中，所述构件单元的三维点云数据为激光扫描器三维扫描得到的数据文件，包含构件单元的轮廓和尺寸信息。
优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法中，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元类别信息，对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元边界信息设置各单元网格三维模型间的连接关系。优选的，在上述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法中，所述激光扫描器利用多种不同精度的三维激光扫描系统，用毫米级的三维扫描仪进行整体控制，用亚毫米级的三维扫描仪进行局部数据采集，通过组合使用多种不同精度的三维激光扫描系统更加快速准确的获取构件单元的三维点云数据。
本发明提供的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法，通过将结构实体模型的构件单元进行分类编码；将构件单元信息写入对应标签内；将标签嵌设于结构实体模型的对应构件单元内；利用激光扫描器扫描结构实体模型，获取各构件单元的三维点云数据；利用数据读取模块分别读取各构件单元的三维点云数据及对应标签内的构件单元信息，并按构件单元进行存储；利用模型转化模块将构件单元的三维点云数据进行噪声及平滑处理并转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，并根据对应标签内记录的构件单元信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型；利用虚拟仿真模块设置不同工况下的荷载，进而分析得到构件受力情况，并分析所得结果进行显示，本发明直接利用结构实体模型，通过采用数字扫描方法和标签相结合的方式，根据标签记录的构件单元信息可以快速将激光扫描器获得的三维点云数据生成虚拟仿真模型，避免了现有结构工程虚拟仿真工作所需的大量手工操作及人为输入导致的错误，提高了建模的准确性，减少了建模时间，此外，对于异型构件也可以快速成模，显著提高了虚拟仿真建模和分析效率。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统，其特征在于，包括：激光扫描器、标签、数据读取模块、模型转化模块以及虚拟仿真模块；所述激光扫描器通过扫描结构实体模型获得结构实体模型各构件单元的三维点云数据，所述标签分别嵌入于结构实体模型的对应构件单元内，且所述标签存有对应构件单元信息；所述数据读取模块分别读取构件单元的三维点云数据与对应标签内的构件单元信息并按构件单元进行存储；所述模型转化模块能够将构件单元的三维点云数据进行噪声及平滑处理并转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，并根据对应标签内记录的构件单元信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型；所述虚拟仿真模块能够利用虚拟仿真模型完成各种工况情况下结构受力情况虚拟仿真模拟。
2.如权利要求1所述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统，其特征在于，所述构件单元信息包括构件单元编码、构件单元类别信息、节点编码、构件单元边界信息以及构件单元物理属性信息。
3.如权利要求1或者2所述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统，其特征在于，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元类别信息，对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元边界信息设置各单元网格三维模型间的连接关系。
4.如权利要求1所述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统，其特征在于，所述激光扫描器利用多种不同精度的三维激光扫描系统，用毫米级的三维扫描仪进行整体控制，用亚毫米级的三维扫描仪进行局部数据采集。
5.如权利要求1所述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真系统，其特征在于，所述构件单元的三维点云数据为激光扫描器三维扫描得到的数据文件，包含构件单元的轮廓和尺寸信息。
6.一种基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法，其特征在于，包括：
步骤1：将结构实体模型的构件单元进行分类编码；
步骤2：将构件单元信息写入对应标签内；
步骤3：将标签嵌设于结构实体模型的对应构件单元内；
步骤4：利用激光扫描器扫描结构实体模型，获取各构件单元的三维点云数据；
步骤5：利用数据读取模块分别读取各构件单元的三维点云数据及对应标签内的构件单元信息，并按构件单元进行存储；
步骤6：利用模型转化模块将构件单元的三维点云数据进行噪声及平滑处理并转化为单元三维模型，将标签内记录的构件单元信息赋入相应单元三维模型，并根据对应标签内记录的构件单元信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，设置各单元网格三维模型间的连接关系，形成虚拟仿真模型；
步骤7：利用虚拟仿真模块设置不同工况下的荷载，进而分析得到构件受力情况，并分析所得结果进行显示。
7.如权利要求6所述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法，其特征在于，所述构件单元信息包括构件单元编码、构件单元类别信息、节点编码、构件单元边界信息以及构件单元物理属性信息。
8.如权利要求6或者7所述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法，其特征在于，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元类别信息对单元三维模型进行自动网格划分处理形成单元网格三维模型，所述模型转化模块根据对应标签内记录的构件单元边界信息设置各单元网格三维模型间的连接关系。
9.如权利要求6所述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法，其特征在于，所述激光扫描器利用多种不同精度的三维激光扫描系统，用毫米级的三维扫描仪进行整体控制，用亚毫米级的三维扫描仪进行局部数据采集。
10.如权利要求6所述的基于数字扫描技术的结构工程虚拟仿真方法，其特征在于，所述构件单元的三维点云数据为激光扫描器三维扫描得到的数据文件，包含构件单元的轮廓和尺寸信息。
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CN112258644A (zh) * 2020-09-24 2021-01-22 北京开云互动科技有限公司 一种基于虚拟仿真的林火蔓延仿真控制方法及装置
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