CN111814243A - 一种隧道设计图和三维模型自动生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道设计图和三维模型自动生成方法，包括：S1，建立图形数据库，包括多个用于构成二维设计图的对象以及对象的参数变量，还包括多个用于构建三维模型的实体以及实体的参数变量；设置多个图像模版，每个图形模版包括多个对象，将各对象在隧道设计中的名称作为对象的名称；S2，创建外部数据库，用于存储用户输入的多个设计参数；S31，基于用户选择的图形模版，将对象的参数变量与相关的设计参数的数值关联，生成二维设计图；S32，沿轨道路线依次调用实体完成隧道铺设，生成隧道三维模型。通过输入同一份设计参数数据可同时快速完成二维设计图和隧道三维模型生成，提高隧道设计的工作效率，实现正向设计。

Description

一种隧道设计图和三维模型自动生成方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计领域，特别是涉及一种隧道设计图和三维模型自动生成方法。

背景技术

现有的隧道衬砌结构设计和/或生产过程中，大部分设计图内容通过隧道设计人员使用Auto CAD等绘图软件手工绘图而成，隧道衬砌结构的BIM三维模型也通过设计人员使用revit等建模软件手工建模，出图和出模型周期长，效率十分低下。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种隧道设计图和三维模型自动生成方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种隧道设计图和三维模型自动生成方法，包括：步骤S1，建立图形数据库，所述图形数据库包括多个用于构成二维设计图的对象以及所述对象的参数变量，所述图形数据库还包括多个用于构建三维模型的实体以及所述实体的参数变量，每个实体对应有至少一个设计参数；设置多个图像模版，所述图像模版与不同类型、不同区间的二维设计图一一对应，每个图形模版包括多个对象，将各对象在隧道设计中的名称作为所述对象的名称；步骤S2，创建外部数据库，所述外部数据库用于存储用户输入的多个设计参数，所述设计参数包括名称和数值；步骤S3，包括步骤S31和/或步骤S32；所述步骤S31为：基于用户选择的图形模版，将对象的参数变量与相关的设计参数的数值关联，依据图形模版中各对象的位置关系串行或并行地从图形数据库中加载所述图形模版中的对象，生成二维设计图；所述步骤S32为：获取轨道路线，将实体的参数变量赋值为对应的设计参数的数值，沿所述轨道路线依次调用实体完成隧道铺设，生成隧道三维模型。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：采用本发明提出的方法，设计者通过向外部数据库输入同一份设计参数即可以在快速完成二维设计图的同时又可以快速生成隧道三维模型，能够大幅度地提高隧道设计的工作效率，实现正向设计，可生成的二维设计图优选但不限于包括衬砌图，钢筋图，钢架图、超前支护图、防排水图、区间隧道衬砌设计图。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中隧道设计图和三维模型自动生成方法的流程示意图；

图2是本发明一种应用场景中的工作流程图；

图3是本发明一种应用场景中生成的区间盾构段隧道衬砌设计图；

图4是本发明一种应用场景中生成的区间钻爆段隧道衬砌设计图；

图5是本发明一种应用场景中区间钻爆段隧道钢筋设计图；

图6是本发明一种应用场景中区间钻爆段隧道钢架设计图；

图7是本发明一种应用场景中区间钻爆段隧道钢架数量设计图；

图8为本发明一种应用场景中生成的一种盾构段三维隧道衬砌模型示意图；

图9为本发明一种应用场景中生成的另一种盾构段三维隧道衬砌模型示意图；

图10为本发明一种应用场景中生成区间钻爆段三维隧道衬砌模型示意图；

图11为本发明一种应用场景中获得的工程量清单示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明公开了一种隧道设计图和三维模型自动生成方法，在一种优选实施方式中，该方法流程示意图如图1所示，包括：

步骤S1，建立图形数据库，图形数据库包括多个用于构成二维设计图的对象以及对象的参数变量，图形数据库还包括多个用于构建三维模型的实体以及实体的参数变量，每个实体对应有至少一个设计参数。如图3－图7所示，对象优选但不限于包括直线、斜线、圆弧、圆、文字、曲线、椭圆、图形标注、表格，矩形等。每个对象包含至少一个参数变量，例如：对象圆弧包括的参数变量为圆弧半径，对象文字包括的参数变量为文本内容，对象矩形包括长和宽两个参数变量。实体优选但不限于包括各种管片、钢筋、承台，如承台对应有承台间距、承台数量等设计参数，管片对应有管片数量、管片间隔。

设置多个图像模版，图像模版与不同类型、不同区间的二维设计图一一对应，每个图形模版包括多个对象，将各对象在隧道设计中的名称作为对象的名称。二维设计图的类型优选但不限于包括衬砌图、钢筋图、钢架图、超前支护图、防排水图，以及设计院风格。在短时间内绘制出多种设计院出图风格的隧道衬砌设计图，钢筋设计图，钢架设计图，图框，延米工程材料数量，说明。二维设计图的区间表示隧道的不同段落，二维设计图的区间优选但不限于盾构段、钻爆段、洞门。图像模版与二维设计图相似，只是对象的大小、位置有差异；在图像模板中，若对象为内轮廓圆弧，则该对象的名称为内轮廓。

步骤S2，创建外部数据库，外部数据库用于存储用户输入的多个设计参数，设计参数包括名称和数值。优选的，将不同类别的设计参数用不同的表格存储，图形数据库包括隧道内轮廓与建筑限界设计基础信息表、隧道支护参数基础信息表、轨面参数基础信息表和线路数据基础信息表。隧道支护参数基础信息表包括锚杆长度、钢架间距、钢筋网横向间距、隧道衬砌厚度、钢筋型号等隧道衬砌支护等参数。步骤S3，包括步骤S31和/或步骤S32；步骤S31为：基于用户选择的图形模版，将对象的参数变量与相关的设计参数的数值关联，依据图形模版中各对象的位置关系串行或并行地从图形数据库中加载图形模版中的对象，生成二维设计图；步骤S32为：获取轨道路线，将实体的参数变量赋值为对应的设计参数的数值，沿轨道路线依次调用实体完成隧道铺设，生成隧道三维模型，以轨道路线上的点作为放置实体后实体的中心点。

在本实施方式中，为提高二维设计图的生成速度和效率，优选的，依据图形模版中各对象的位置关系串行或并行地从图形数据库中加载图形模版中的对象的具体过程包括：

步骤一，在匹配的图形模版中，按照从左到右、从上到下的顺序建立不同对象间的位置和尺寸对应关系，根据对象的参数变量关联的相关的设计参数的数值更新图形模版中各对象的位置关系，获取更新位置关系后图形模版中各对象的中心位置坐标；

步骤二，以图像模版的中心位置作为原点，将图形模版用十字划分为左上、左下、右下和右上四个象限，若满足每个象限内对象的中心位置与原点的距离小于距离阈值，则串行地从图形数据库中加载图形模版中的各对象生成二维设计图；若不满足每个象限内对象的中心位置与原点的距离小于距离阈值，进入步骤三；距离阈值的取值范围为图像模版对角线长度的四分之一到三分之一，图像模版为矩形或正方形；

步骤三，利用多中心聚类算法对所有对象的中心位置坐标进行聚类处理获得多个聚类中心及每个聚类中心的位置坐标，将每个对象归属于与该对象的中心位置距离最近的聚类中心，实现图形模版区域划分，划分的区域与聚类中心一一对应；多个划分区域并行地从图形数据库中加载图形模版中的各对象生成二维设计图。多中心聚类算法优选但不限于采用现有的均值漂移聚类算法或BSCAN密度聚类算法。在本实施方式中，优选但不限于基于CAD等绘图软件进行二次开发实现自动生成二维设计图，优选但不限于基于bently软件进行二次开发实现隧道BIM模型生成，同时两个软件平台共用外部数据库和图形数据库，实现同时二维图形绘制和三维模型构建。

在一种优选实施方式中，设置有交互程序，交互程序与外部数据库之间设有数据链接，用户通过交互程序可输入或修改或删除外部数据库中的设计参数。

在一种优选实施方式中，在步骤S31中，在匹配的图形模版中，按照从左到右、从上到下的顺序建立不同对象间的位置和尺寸对应关系，当用户通过交互程序修改部分设计参数的数值时，通过不同对象间的位置和尺寸对应关系调节二维设计图中对象的位置和尺寸。

在本实施方式中，通过深入分析隧道结构图中各对象(图元)的几何拓扑关系与尺寸、材料属性及工程数量间的内在联系，建立不同对象间的位置和尺寸对应关系。优选的，不同对象间的位置和尺寸对应关系可具体表现为按照从左到右或从上到下的顺序建立后一对象的位置与当前对象的位置关系，后一对象的参数变量与当前对象的参数变量关系。采用原型化的设计方式手动修改单个设计参数(如水沟、电缆槽等)，带动全套设计图联动修改更新，实现隧道形状、尺寸工程数量等联动修改更新。

在本实施方式中，优选的，所有图形模版中名称相同的对象的参数变量联动链接。当修改其中一个对象或实体对应的设计参数的数值，与之联动的所有设计图中的对象会作相应自动修改，很大程度上达到了“所见即所得”功能，有效的提高系统的灵活性、实用性，从而极大地提高设计效率，实用性更强。

在一种优选实施方式中，在步骤S32中，实体包括管片；沿轨道路线依次调用图形数据库中的管片进行隧道铺设的过程包括：从隧道下部管片开始布置，依次左右两侧交替布置管片，然后拼装邻接管片，最后布置楔形管片，根据联络通道的里程位置，创建出左右线的联络通道，完成隧道三维模型创建。

在一种优选实施方式中，隧道包含多个对象，如初期支护、防火墙、有碴衬砌等对象，每个对象有至少一个相关的设计参数，每个对象对应有一个工程量子清单，在工程量子清单中包括有多个物料以及每个物料的数量，物料优选但不限于包括瞄杆、钢网、钢筋，建立每个对象的相关设计参数数值与对应的工程量子清单中物料数量的对应关系，该对应关系优选但不限于为线性映射、矩阵映射，可根据先验数据建立对应关系。当变更或重新输入新的设计参数时，利用每个对象的相关设计参数数值与对应的工程量子清单中物料数量的对应关系，获得所有对象的工程量子清单并并统计出项目的总工程量清单，如图11所示，能够快速的了解模型的组成以及所用材料的数量。

在一种优选实施方式中，步骤S31中，还包括加载图框，将生成的二维设计图放入加载的图框后输出的步骤。

在一种优选实施方式中，在步骤S32中，通过提取设计参数中轨道沿线的地理坐标，将地理坐标转换为平面坐标，基于平面坐标沿轨道延伸方向绘制出轨道路线，具体的，可以按照平面坐标的连续性依次连接各平面坐标点，完成轨道路线绘制。

在一种优选实施方式中，在步骤S31中，将对象的参数变量与相关的设计参数的数值关联的步骤包括：将对象的参数变量与与对象名称相同的设计参数的数值直接关联；和/或将对象的参数变量与至少一个设计参数的数值通过换算公式关联。

在一种优选实施方式中，对象为隧道内轮廓；基于外部数据库中与隧道内轮廓关联的设计参数通过如下换算公式，能够快速得到隧道内轮廓的参数变量数值，提高了绘图速度。当隧道为无仰拱时：得到隧道内轮廓的边墙圆弧角度r₂为：

隧道内轮廓的拱顶圆弧角度φ为：

当隧道为有仰拱时：得到隧道内轮廓的边墙圆弧角度r₂为：

隧道内轮廓的拱顶圆弧角度φ为：

仰拱圆弧半径r₃为：

其中，f表示拱顶圆弧中点到边墙终点的距离，

b₀、w、f₀和h'均为外部数据库中与隧道内轮廓关联的设计参数，b₀表示拱顶圆弧起点与边墙圆弧起点的水平距离，w表示隧道加宽距离；f₀为拱顶圆弧起点到中点的竖直距离，h'为边墙圆弧起点到终点的竖直距离。

在本发明的一种应用场景中，本方法应用于重庆市第四期轨道交通项目27号线区间隧道，具体执行流程示意图如图2所示。在设备中输入项目名称轨道交通项目27号线，并指定项目存放的位置，例如存放在C盘根目录下，之后会在指定目录下生成一个名为轨道交通项目27号线的文件夹，该文件夹用于存储外部数据库，可具体包括“隧道内轮廓与建筑限界设计基础信息表”，“隧道支护参数基础信息表”，“轨面参数基础信息表”，“线路数据基础信息表”等文件。根据27号线的工程项目的设计原则，招标文件，设计规范要求，修改当前项目的“隧道内轮廓与建筑限界设计基础信息表”，“隧道支护参数基础信息表”文件的参数信息。

在本应用场景中，按照本发明方法可在短时间内绘制出27号线区间隧道钻爆段，盾构段内轮廓设计图，衬砌设计图，钢筋设计图，钢架设计图，图框，延米工程材料数量，说明。隧道衬砌设计图幅采用原型化设计，将27号线项目总体组提供的统一格式的图框拷入指定位置，采用原型化的设计方式实现全套图纸调用该图框，未调用图框的设计图如图3所示，调用了图框的设计图如图4－图7所示，特别说明在图3－图7中的文字部分仅为示意作用，文字部分内容不清楚不影响本发明的技术方案说明。

在本应用场景中，读取当前工程项目的“隧道内轮廓与建筑限界设计基础信息表”，“隧道支护参数基础信息表”文件中的盾构区间实际管片参数、错缝要求等设计参数。从下部标准管片开始布置，依次左右两侧交替布置标准管片，然后拼装邻接管片，最后布置楔形管片，根据路线专业提供的线路数据表、沿路线布置三维隧道模型，如图8，图9所示。沿轨道路线依次调用管片和承台等实体，获得如图10所示的区间钻爆段三维隧道衬砌模型。

在铁路项目方面，采用本发明提出的方法可以快速完成铁路隧道全套时速120km/s，160km/s，350km/s客运铁路所有类型的设计图，已经在新建铁路重庆至黔江线，成渝改建铁路等数条长大铁路干线中实现。在公路、市政项目方面，采用本发明提出的方法可以快速生成多种设计院风格的出图格式全套所有类型的隧道标准图，包括衬砌图，钢筋图，钢架图、超前支护图、防排水图，已经在三纵线红岩村隧道，重庆二横线土主隧道，重庆一横线歇马接线隧道、成渝高速中梁山隧道扩容改造工程、重庆轻轨延伸线跳蹬至江津中梁山隧道等几十个长大公路、市政隧道中实现。在轨道方面，采用本发明提出的方法可以完成钻爆法、盾构法等区间隧道衬砌设计图，已经在重庆市域快线璧铜线，重庆市轨道交通27号线工程，等城市轨道快线中实现。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种隧道设计图和三维模型自动生成方法，其特征在于，包括：

步骤S1，建立图形数据库，所述图形数据库包括多个用于构成二维设计图的对象以及所述对象的参数变量，所述图形数据库还包括多个用于构建三维模型的实体以及所述实体的参数变量，每个实体对应有至少一个设计参数；

设置多个图像模版，所述图像模版与不同类型、不同区间的二维设计图一一对应，每个图形模版包括多个对象，将各对象在隧道设计中的名称作为所述对象的名称；

步骤S2，创建外部数据库，所述外部数据库用于存储用户输入的多个设计参数，所述设计参数包括名称和数值；

步骤S3，包括步骤S31和/或步骤S32；

所述步骤S31为：基于用户选择的图形模版，将对象的参数变量与相关的设计参数的数值关联，依据图形模版中各对象的位置关系串行或并行地从图形数据库中加载所述图形模版中的对象，生成二维设计图；

所述步骤S32为：获取轨道路线，将实体的参数变量赋值为对应的设计参数的数值，沿所述轨道路线依次调用实体完成隧道铺设，生成隧道三维模型。

2.如权利要求1所述的隧道设计图和三维模型自动生成方法，其特征在于，设置有交互程序，所述交互程序与所述外部数据库之间设有数据链接，用户通过交互程序可输入或修改或删除外部数据库中的设计参数。

3.如权利要求2所述的隧道设计图和三维模型自动生成方法，其特征在于，在所述步骤S31中，在匹配的图形模版中，按照从左到右、从上到下的顺序建立不同对象间的位置和尺寸对应关系，当用户通过交互程序修改部分设计参数的数值时，通过不同对象间的位置和尺寸对应关系调节二维设计图中对象的位置和尺寸。

4.如权利要求1所述的隧道设计图和三维模型自动生成方法，其特征在于，所述图形数据库包括隧道内轮廓与建筑限界设计基础信息表、隧道支护参数基础信息表、轨面参数基础信息表和线路数据基础信息表。

5.如权利要求1所述的隧道设计图和三维模型自动生成方法，其特征在于，在所述步骤S32中，

所述实体包括管片；沿所述轨道路线依次调用图形数据库中的管片进行隧道铺设的过程包括：

从隧道下部管片开始布置，依次左右两侧交替布置管片，然后拼装邻接管片，最后布置楔形管片，根据联络通道的里程位置，创建出左右线的联络通道，完成隧道三维模型创建。

6.如权利要求1所述的隧道设计图和三维模型自动生成方法，其特征在于，所述对象包括直线、圆弧、圆、文字、曲线和椭圆。

7.如权利要求1所述的隧道设计图和三维模型自动生成方法，其特征在于，所述步骤S31中，还包括加载图框，将生成的二维设计图放入加载的图框后输出的步骤。

8.如权利要求1所述的隧道设计图和三维模型自动生成方法，其特征在于，在所述步骤S32中，通过提取设计参数中轨道沿线的地理坐标，将所述地理坐标转换为平面坐标，基于所述平面坐标沿轨道延伸方向绘制出所述轨道路线。

9.如权利要求1所述的隧道设计图和三维模型自动生成方法，其特征在于，在所述步骤S31中，将对象的参数变量与相关的设计参数的数值关联的步骤包括：

将对象的参数变量与所述对象名称相同的设计参数的数值直接关联；

和/或将对象的参数变量与至少一个设计参数的数值通过换算公式关联。

10.如权利要求9所述的隧道设计图和三维模型自动生成方法，其特征在于，所述对象为隧道内轮廓；

基于外部数据库中与隧道内轮廓关联的设计参数通过如下换算公式得到隧道内轮廓的参数变量数值：

当隧道为无仰拱时：

得到隧道内轮廓的边墙圆弧角度r₂为：

隧道内轮廓的拱顶圆弧角度φ为：

当隧道为有仰拱时：

得到隧道内轮廓的边墙圆弧角度r₂为：

隧道内轮廓的拱顶圆弧角度φ为：

仰拱圆弧半径r₃为：

其中，f表示拱顶圆弧中点到边墙终点的距离，

b₀、w、f₀和h'均为外部数据库中与隧道内轮廓关联的设计参数，b₀表示拱顶圆弧起点与边墙圆弧起点的水平距离，w表示隧道加宽距离；f₀为拱顶圆弧起点到中点的竖直距离，h'为边墙圆弧起点到终点的竖直距离。

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