CN112270024A - 基于bim技术的隧道快速建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于BIM技术的隧道快速建模方法，用于盾构施工设计，其步骤为：1)创建隧道骨架线即隧道中心设计轴线，2)生成衬砌圆环UDF、中心轴线，3)创建“骨架驱动参数化”隧道模型：定义用于记录与衬砌圆环UDF输入条件一致的中心点、中心轴线的列表，并采用知识工程语句，4)将隧道模型特征，相关联参数点选，生成隧道超级副本，条件为隧道平、纵断面中心线：只需导入或者绘制任意隧道平、纵断面中心线，套用隧道超级副本，就能实现隧道模型的快速生成。在盾构施工中随着进度的推移、施工的深化，工况也随之不断改变，通过修改关键参数尺寸，就能得到与实际工程要求相一致的设计结果，可大大提高工作速率和建模质量。

Description

基于BIM技术的隧道快速建模方法
技术领域
本发明涉及一种隧道工程BIM技术，尤其是涉及一种“骨架驱动模型”参数化快速建立盾构隧道的方法。
背景技术
市政工程有其特有的专业领域，包括：地理信息、工程地质、线路、路基、桥梁、隧道、机电等。BIM技术的引入，并得到推广应用。其中，CATIA是法国达索公司开发，处于世界领先的CAD/CAE/CAM一体化软件。它涵盖了工程设计、产品设计、三维建模、应力分析、模拟仿真、工程图生成到下料加工的全过程，被广泛用于汽车制造、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造等行业。CATIA并行工程的BIM工作环境使得建模周期大大缩短，强大的三维参数化建模功能，使得工程师、工程技术人员能够快速、高效地完成大型复杂的三维参数化建模工作。
目前，CATIA骨架驱动参数化建模采用以下方法：
1.参数化建模介绍
BIM技术核心包含模型与信息。实际工程运用中，工程信息瞬息万变，BIM模型的维护及多次反复修改是无法避免的。以往CAD建模均采用固定值定义几何体，每一个几何体都有其固定的特征，如要修改则需要找到其在构筑物中的位置及元素信息并进行重新绘制，如此反复极大的影响工作效率。参数化建模的意义及目的在于工程师可以在预先设定的模板下，通过尺寸驱动随意修改庞大模型中某个构件的形状、属性等各项参数，从而引起与其相关构筑物全数据的自动更新、改变。
2.骨架驱动参数化建模方法
(1)骨架关联
CATIA骨架关联设计即主元线框设计，是在对工程施工分部分项中各构筑物、构件进行充分认识、分析、拆解后，结合工程施工流程运用主要线框控制几何体元素，对整个工程结构进行有效的总体控制，形成类似于树干状的结构模型，并建立有效的可变参数信息在整个框架体系中传递流转的自顶而下的协同建模方法。按照自顶向下的建模方式，模型特征之间，几何体之间，构件之间，装配体之间的各种联系从交叉形态变成了树状结构，从而使联系本身也被有序地管控起来，这使整个工程模型从顶层到底层都具备一种点到点的关联性。换名话说，子元素永远知道它的父元素是什么，这是因为它需要该信息来定义其工作环境。但是，父元素并不在意它是否有子元素，因为子元素属性定义对父元素没有影响。这种体系考虑到了在不同工作环境下父元素的更新和唯一性。
骨架关联建模思路：1.以CATIA自顶而下的关联为基础；2.充分认识工程结构及设计流程；3.以主要线框控制元素为依托；4.建立树结构逻辑菜单；5.运用CATIA软件关联引用机制建立参数化信息框架。
(2)UDF参数化模板
用户特征(UDF)作为大体量建筑模型实现“骨架驱动”联动的重要组成元素。建模过程中，技术人员的所有操作都可以通过系统设置保存在UDF中。其中各种构件属性数值、几何特征也将同时作为系统参数记录在内。这些参数通常利用约束尺寸的方法进行设定。约束尺寸就是在CATIA草图模式中，将构件形状与尺寸相关联，通过约束尺寸来实现对几何形状的控制。UDF制作过程中，每一形状尺寸都有唯一性、特定性，不可过多或者过少约束。只有条件满足系统要求后，系统才会将这些尺寸发布为系统参数。除了系统参数，技术人员还可以在UDF内轻松自定义所需的各项参数和属性设置(比如几何参数弧度、长度；物理参数频率、体积、密度、温度等；实数、质数、字符串等等)。自定义参数设置后，利用几何公式可以实现各项参数间的联接，添加参数间的各种联系。这样才能实现完美理想的UDF参数化模板。
3.CATIA知识工程阵列
CATIA知识工程阵列是集合参数化关联、知识工程规则，对某不定数量的对象(如构件的点、线、面；超级副本；UDF模板等)进行几何特征自动构建的方法，该方法也是实现“骨架驱动参数化”建模的核心技术。此方法的关键路径在于CATIA知识工程语言的编写。知识工程语言(EKL)是用于定义知识工程阵列解法不同大型模型间构件中可用的各种知识工程项目的语言。知识工程语言分为4个不同的等级(由低到高)，从非常简单的数学语言(M-EKL)到最完善的高级语言(A-EKL)。
(1)数学工程语言(M-EKL)此语言包含语言运算符和数值函数(数学、测量等)，它们是在知识工程阵列中表达构件向参数赋值的方程组所必需的。
(2)核心工程语言(C-EKL)为控制结构的关键字，如：规则中的条件语句“if lx＝＝0{lk＝`几何图形集.1\.1`}else{lk＝lk＝`几何图形集.1\.2`}”该语句说明：当LX＝0时曲线LK就等于方形轮廓，否则LK等于圆形轮廓。
(3)扩展工程语言(X-EKL)此语言包含可用于EKL的应用包，且通过以下2种方式向EKL语言添加函数：CAA开发(用户开发)、用户函数。
(4)高级工程语言(A-EKL)此语言继承了C-EKL的大多数运算符、关键字和函数。CATIA应用程序旨在创建由知识工程类型的各类丰富对象。A-EKL是通过紧密集成的知识工程项目将它们作为知识工程对象操作的语言级别,分别包括：BKT中的行为；PKT中的阵列；PEO中的符合约束的特征。
基于上述方法，可以设计一种基于BIM技术的隧道快速建模方法，在盾构施工中随着进度的推移、施工的深化，工况也随之不断改变，通过修改关键参数尺寸，就能得到与实际工程要求相一致的设计结果，可大大提高工作速率和建模质量。
发明内容
本发明是要提供一种基于BIM技术的隧道快速建模方法，用于得到与实际工程要求相一致的设计结果，可大大提高工作速率和建模质量。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于BIM技术的隧道快速建模方法，用于盾构施工设计，包括如下步骤：
1)创建隧道骨架线即隧道中心设计轴线：
将纵面中心按法线向投影到xy平面即地面标高，通过法则曲线命令定义其生成的纵断面中心线投影线的所含曲线参数即该投影线的点位坐标，得出与隧道平面中心线在同一地面标高的法则曲线；当条件满足时，利用扫掠命令将引导线设置成平面中心线，参考曲面xy平面即地面标高，，角度参考引用法则曲线，通过计算，软件将平纵两中心线自动拟合生成工程实际施工的隧道中心轴线；
2)生成衬砌圆环UDF、中心轴线：
以隧道中心线为基准，确立衬砌圆环中心原点即UDF生成条件之一，在定位草图模式下，绘制衬砌圆环轮廓，并过中心原点与衬砌圆环封顶块中心点做一直线，此为衬砌圆环中心轴线，也是另一UDF生成条件；通过用户参数：半径、壁厚、旋转角度的添加，与衬砌圆环轮廓相关联，完成后调整UDF参数以测试能否成功运行控制图形变化驱动；
3)创建“骨架驱动参数化”隧道模型：
定义用于记录与衬砌圆环UDF输入条件一致的中心点、中心轴线的列表，并采用知识工程语句；
4)将隧道模型特征，相关联参数点选，生成隧道超级副本，条件为隧道平、纵断面中心线：只需导入或者绘制任意隧道平、纵断面中心线，套用隧道超级副本，就能实现隧道模型的快速生成，其中，隧道的中心轴线、外径、内径；衬砌圆环的壁厚、间距参数可以根据工程设计、施工要求进行快速调整、更新修改。
所述知识工程语句包括：
1)定义用于记录与衬砌圆环UDF输入条件一致的中心点、中心轴线的列表：
p1＝CreateOrModifyDatum("point",`几何图形集.1\管片定点1`,`关系\知识工程阵列.1\管片定点1`,i)；
p1＝pointoncurve(`几何图形集.1\提取.1`,`几何图形集.1\管片定点1\点.1`,`管片间距`*2*i,false)；
zx1＝CreateOrModifyDatum("line",`几何图形集.1\隧道中心线1`,`关系\知识工程阵列.1\隧道中心线1`,j)；
if j＝＝1
zx1＝lineangle(`几何图形集.1\极值线1\极值线.27`,`几何图形集.1\平面1\平面.2`,`几何图形集.1\管片定点1\点.1`,false,`管片间距`,0mm,`角度.1`,true)；
else
zx1＝lineangle(`关系\知识工程阵列.1\极值线1`->GetItem(j),`关系\知识工程阵列.1\平面1`->GetItem(j),`关系\知识工程阵列.1\管片定点1`->GetItem(j-1),false,`管片间距`,0mm,`角度.1`,true)；
2)调用批量复制衬砌圆环UDF，生成隧道模型：
s3＝CreateOrModifyTemplate("kp|gp321",`几何图形集.1\管片1`,`关系\知识工程阵列.1\列表.12`,y)；
s3->SetAttributeObject("qx",`几何图形集.1\提取.1`)；
s3->SetAttributeObject("zxx1",`关系\知识工程阵列.1\隧道中心线1`->GetItem(y))；
s3->SetAttributeObject("zxx2",`关系\知识工程阵列.1\隧道中心11`->GetItem(y))；
if y＝＝1。
本发明的有益效果是：本发明的基于BIM技术的隧道快速建模方法，在盾构施工中随着进度的推移、施工的深化，工况也随之不断改变，通过修改关键参数尺寸，就能得到与实际工程要求相一致的设计结果，可大大提高工作速率和建模质量。
附图说明
图1是通过法则计算平、纵曲线，拟合隧道中心设计轴线示意图；
图2是初始单环管片UDF调用、布置图；
图3是区间隧道自动生成图；
图4是成型隧道参数化设置图。
具体实施方式
本发明的基于BIM技术的隧道快速建模方法，以某新建大型越江隧道为例：最大坡度4.95％，最小平面曲率半径为750m；单层预制钢筋混凝土管片，外径Φ11360mm，内径Φ10400mm，管片厚度480mm，宽1500mm；管片分为8块。，
该方法包括如下步骤：
(1)创建隧道骨架线即隧道中心设计轴线：将纵面中心按法线向投影到xy平面(地面标高)，通过法则曲线命令定义其生成的纵断面中心线投影线的所含曲线参数即该投影线的点位坐标，得出与隧道平面中心线在同一地面标高的法则曲线。当条件满足时，利用扫掠命令将引导线设置成平面中心线，参考曲面xy平面(地面标高)，角度参考引用法则曲线。通过计算，软件将平纵两中心线自动拟合生成工程实际施工的隧道中心轴线，见图1。
(2)生成衬砌圆环UDF、中心轴线：以隧道中心线为基准，确立衬砌圆环中心原点即UDF生成条件之一。在定位草图模式下，绘制衬砌圆环轮廓，并过中心原点与衬砌圆环封顶块中心点做一直线，此为衬砌圆环中心轴线，也是另一UDF生成条件。通过用户参数(半径、壁厚、旋转角度)添加，与衬砌圆环轮廓相关联。完成后调整UDF参数以测试能否成功运行控制图形变化驱动，见图2。
(3)创建“骨架驱动参数化”隧道模型(见图3)：定义用于记录与衬砌圆环UDF输入条件一致的中心点、中心轴线的列表。知识工程语句为：
1)定义用于记录与衬砌圆环UDF输入条件一致的中心点、中心轴线的列表。知识工程语句为：
p1＝CreateOrModifyDatum("point",`几何图形集.1\管片定点1`,`关系\知识工程阵列.1\管片定点1`,i)；
p1＝pointoncurve(`几何图形集.1\提取.1`,`几何图形集.1\管片定点1\点.1`,`管片间距`*2*i,false)；
zx1＝CreateOrModifyDatum("line",`几何图形集.1\隧道中心线1`,`关系\知识工程阵列.1\隧道中心线1`,j)；
if j＝＝1
zx1＝lineangle(`几何图形集.1\极值线1\极值线.27`,`几何图形集.1\平面1\平面.2`,`几何图形集.1\管片定点1\点.1`,false,`管片间距`,0mm,`角度.1`,true)；
else
zx1＝lineangle(`关系\知识工程阵列.1\极值线1`->GetItem(j),`关系\知识工程阵列.1\平面1`->GetItem(j),`关系\知识工程阵列.1\管片定点1`->GetItem(j-1),false,`管片间距`,0mm,`角度.1`,true)；
2)调用批量复制衬砌圆环UDF，生成隧道模型。知识工程语句为：
s3＝CreateOrModifyTemplate("kp|gp321",`几何图形集.1\管片1`,`关系\知识工程阵列.1\列表.12`,y)；
s3->SetAttributeObject("qx",`几何图形集.1\提取.1`)；
s3->SetAttributeObject("zxx1",`关系\知识工程阵列.1\隧道中心线1`->GetItem(y))；
s3->SetAttributeObject("zxx2",`关系\知识工程阵列.1\隧道中心11`->GetItem(y))；
if y＝＝1
s3->SetAttributeObject("jd1",`几何图形集.1\管片定点1\点.1`)；
else
s3->SetAttributeObject("jd1",`关系\知识工程阵列.1\管片定点1`->GetItem(y-1))；
if y＝＝1
s3->SetAttributeObject("jd2",`几何图形集.1\管片定点2\点.6`)；
else
s3->SetAttributeObject("jd2",`关系\知识工程阵列.1\管片定点2`->GetItem(y-1))；
EndModifyTemplate(s3)
s3.Name＝""+(2*y-1)+"环"。
(4)将模型特征，相关联参数点选，生成隧道超级副本，见图4。条件为隧道平、纵断面中心线：只需导入或者绘制任意隧道平、纵断面中心线。套用隧道超级副本，就能实现隧道模型的快速生成。隧道的中心轴线、外径、内径；衬砌圆环的壁厚、间距等参数都可以根据工程设计、施工要求进行快速调整、更新修改。

Claims (2)

1.一种基于BIM技术的隧道快速建模方法，用于盾构施工设计，其特征在于，包括如下步骤：
1)创建隧道骨架线即隧道中心设计轴线：
将纵面中心按法线向投影到xy平面即地面标高，通过法则曲线命令定义其生成的纵断面中心线投影线的所含曲线参数即该投影线的点位坐标，得出与隧道平面中心线在同一地面标高的法则曲线；当条件满足时，利用扫掠命令将引导线设置成平面中心线，参考曲面xy平面即地面标高，，角度参考引用法则曲线，通过计算，软件将平纵两中心线自动拟合生成工程实际施工的隧道中心轴线；
2)生成衬砌圆环UDF、中心轴线：
以隧道中心线为基准，确立衬砌圆环中心原点即UDF生成条件之一，在定位草图模式下，绘制衬砌圆环轮廓，并过中心原点与衬砌圆环封顶块中心点做一直线，此为衬砌圆环中心轴线，也是另一UDF生成条件；通过用户参数：半径、壁厚、旋转角度的添加，与衬砌圆环轮廓相关联，完成后调整UDF参数以测试能否成功运行控制图形变化驱动；
3)创建“骨架驱动参数化”隧道模型：
定义用于记录与衬砌圆环UDF输入条件一致的中心点、中心轴线的列表，并采用知识工程语句；
4)将隧道模型特征，相关联参数点选，生成隧道超级副本，条件为隧道平、纵断面中心线：只需导入或者绘制任意隧道平、纵断面中心线，套用隧道超级副本，就能实现隧道模型的快速生成，其中，隧道的中心轴线、外径、内径；衬砌圆环的壁厚、间距参数可以根据工程设计、施工要求进行快速调整、更新修改。
2.根据权利要求1所述的基于BIM技术的隧道快速建模方法，其特征在于：所述知识工程语句包括：
1)定义用于记录与衬砌圆环UDF输入条件一致的中心点、中心轴线的列表：
p1＝CreateOrModifyDatum("point",`几何图形集.1\管片定点1`,`关系\知识工程阵列.1\管片定点1`,i)；
p1＝pointoncurve(`几何图形集.1\提取.1`,`几何图形集.1\管片定点1\点.1`,`管片间距`*2*i,false)；
zx1＝CreateOrModifyDatum("line",`几何图形集.1\隧道中心线1`,`关系\知识工程阵列.1\隧道中心线1`,j)；
if j＝＝1
zx1＝lineangle(`几何图形集.1\极值线1\极值线.27`,`几何图形集.1\平面1\平面.2`,`几何图形集.1\管片定点1\点.1`,false,`管片间距`,0mm,`角度.1`,true)；
else
zx1＝lineangle(`关系\知识工程阵列.1\极值线1`->GetItem(j),`关系\知识工程阵列.1\平面1`->GetItem(j),`关系\知识工程阵列.1\管片定点1`->GetItem(j-1),false,`管片间距`,0mm,`角度.1`,true)；
2)调用批量复制衬砌圆环UDF，生成隧道模型：
s3＝CreateOrModifyTemplate("kp|gp321",`几何图形集.1\管片1`,`关系\知识工程阵列.1\列表.12`,y)；
s3->SetAttributeObject("qx",`几何图形集.1\提取.1`)；
s3->SetAttributeObject("zxx1",`关系\知识工程阵列.1\隧道中心线1`->GetItem(y))；
s3->SetAttributeObject("zxx2",`关系\知识工程阵列.1\隧道中心11`->GetItem(y))；
if y＝＝1。
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