CN112528382B - 多级平台的平马道三维自动开挖设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级平台的平马道三维自动开挖设计方法，采用参数化设计方法，根据上、下相邻级两平台间的高程差及开挖坡度设计参数，创建辅助圆、寻找所述辅助圆满足设计要求的切线；然后创建偏移曲线、求解所述切线与所述偏移曲线的交点，形成平马道内侧和外侧控制曲线；之后，再利用每级平马道内侧和外侧所述控制曲线形成封闭曲面，实现多级平台的平马道三维自动开挖设计。本发明采用计算机系统辅助多级平台的三维开挖设计，设计方法流程统一且规范，非常适合编制程序；采用三维设计软件‑CATIA，仅需要5min即可完成多级平台的平马道三维开挖设计，大幅提升了重力坝及包含多级平台建筑物的开挖设计效率。
Description
技术领域
本发明涉及水工建筑物三维开挖设计方法，尤其是涉及多级平台的平马道三维自动开挖设计方法。
背景技术
随着三维设计在水利行业内的广泛运用，不可避免要面临水工建筑物的三维开挖设计，由于水工建筑物的复杂性，三维开挖设计往往是这些水工建筑物三维设计中较复杂的部分。
目前，水工建筑物开挖面设计最主要的方法为拉伸曲面、扫略曲面和多截面曲面，这些方法都有各自适用的范围。拉伸曲面法存在的不足是仅适用于沿单一方向的开挖；扫略曲面法可以沿曲线或者折线等引导线进行开挖，存在的不足是当引线的曲率较大时，经常会出现自相交的问题；多截面曲面法适用于多个控制断面间创建开挖面，存在的不足是稍微复杂的开挖设计的控制断面难以事先确定。因此，对于水工建筑物中具有多级平台的平马道开挖，以上三种方法均不能实现。
发明内容
本发明目的在于提供一种适用范围广的多级平台的平马道三维自动开挖设计方法。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述多级平台的平马道三维自动开挖设计方法，采用参数化设计方法，根据上、下相邻级两平台间的高程差及开挖坡度设计参数，创建辅助圆、寻找所述辅助圆满足设计要求的切线；然后创建偏移曲线、求解所述切线与所述偏移曲线的交点，形成平马道内侧和外侧控制曲线；之后，再利用每级平马道内侧和外侧所述控制曲线形成封闭曲面，实现多级平台的平马道三维自动开挖设计。
优选地，所述多级平台的平马道三维自动开挖设计方法，包括下述步骤：
S1，采用折线分别将每一级平台位于上游侧的端点、下游侧的端点相连，得到多级平台的上游侧控制折线、下游侧控制折线；每一级平台位于上游侧的所述端点是指：该级平台位于上游侧宽度方向的两个端点；同理，每一级平台位于下游侧的所述端点是指：该级平台位于下游侧宽度方向的两个端点；
S2，通过上游侧和下游侧所述的控制折线生成开挖方向控制轴系，用于控制上游侧和下游侧开挖曲线的偏移方向，从而确保开挖曲线往多级平台范围的外侧进行偏移；通过控制折线生成开挖方向控制轴系方法如下：
S2.1，在所述上游侧控制折线上，任取相邻两个端点的连线在水平面上的投影作为X轴，建立直角坐标系；所述X轴正方向与多级平台走向一致，Z轴正方向垂直向上，Y轴正方向按右手螺旋方向确定，所述Y轴正方向为上游侧开挖偏移方向；在所述下游侧控制折线上，任取相邻两个端点的连线在水平面上的投影作为X'轴，建立直角坐标系；所述X'轴正方向与多级平台走向一致，Z'轴正方向垂直向下，Y'轴正方向按右手螺旋方向确定，所述Y'轴正方向为下游侧开挖偏移方向；
S3，任取两个上、下相邻的高一级平台j和低一级平台i，首先寻找高一级所述平台j的平马道内侧和外侧控制曲线；其中，i和j为≥1的自然数，j=i+1；获取平台j内侧控制曲线的步骤如下：
S3.1，将平台j下游侧两个端点中与低一级所述平台i下游侧相邻的端点作为基准点，定义为B点，平台j下游侧另一个端点定义为B'点；平台i下游侧与平台j相邻的端点定义为A点，平台i下游侧另一个端点定义为E点；
S3.2，计算平台i和平台j的高程差h；
S3.3，将所述A点沿竖直方向投影至所述B点所在高程平面上的点，定义为C点；
S3.4，设拟开挖坡度为1:n，以所述C点为圆心，以半径R = n×h为半径做辅助圆；
S3.5，以B点为起点，做圆的切线，获得两条切线，即切线BD1和切线BD2，由S2中的Y'轴正方向确定满足要求的其中一条切线BD2，确保切线BD2在多级平台范围的外侧，即切BD2在Y'轴的正方向侧；
S3.6，则平面ABD2为满足拟开挖坡度的平面；
S3.7，将A点到所述E点的直线AE沿竖直方向投影至B点所在高程平面上，得到CF直线，将所述CF直线向Y'轴正方向偏移所述半径R的距离，获得GH直线，则平面AEHG也为满足拟开挖坡度的平面；
S3.8，将直线BD2与直线GH延伸相交的点，定义为M点，则折线BMH为平马道内侧控制曲线，平面AMB和平面AMHE为平台j所对应的平马道设计开挖面；
获取平台j外侧控制曲线的步骤如下：
S3.1.1，将平台j下游侧所述B'点作为基准点；
S3.2.1，计算平台i和平台j的高程差h；
S3.3.1，将所述A点沿竖直方向投影至所述B'点所在高程平面上的点，定义为C'点；
S3.4.1，设拟开挖坡度为1:n，以所述C'点为圆心，以半径R’=R+L为半径做辅助圆；式中，L为设计马道宽度，即内侧控制曲线与外侧控制曲线之间的偏移距离；
S3.5.1，以B'点为起点，做圆的切线，获得两条切线，即切线B'D'1和切线B'D'2，由S2中的Y'轴正方向确定满足要求的其中一条切线B'D'2，确保切线B'D'2在多级平台范围的外侧，即切B'D'2在Y'轴的正方向侧；
S3.6.1，则平面A B'D'2为满足拟开挖坡度的平面；
S3.7.1，将A点到所述E点的直线AE沿竖直方向投影至B'点所在高程平面上，得到C'F'直线，将所述C'F'直线向Y'轴正方向偏移所述半径R'的距离，获得G'H'直线，则平面AEH'G'也为满足拟开挖坡度的平面；
S3.8.1，将直线B'D'2与直线G'H'延伸相交的点，定义为M'点，则折线B'M'H'为平马道外侧控制曲线，平面AM'B'和平面AM'H'E为平台j所对应的平马道设计开挖面；
由平马道内侧控制曲线BMH和平马道外侧控制曲线B’M’H’进行封闭，从而形成平马道开挖面，即平面BMHH’M’B’B，与平台j对应的平马道内侧设计开挖面，即平面AMB和平面AMHE，共同形成平台j对应的平马道设计开挖面；
S.4，与平台j相邻的上一级平台，利用平台j对应的平马道外侧控制曲线B’M’H’代替直线AE，重复第3步骤，即完成上一级平台对应的平马道开挖设计；依次循环，完成所有平台对应的平马道开挖设计。
本发明采用计算机系统辅助多级平台的三维开挖设计，设计方法流程统一且规范，非常适合编制程序；采用三维设计软件-CATIA，仅需要5min即可完成多级平台的平马道三维开挖设计，大幅提升了重力坝及包含多级平台建筑物的开挖设计效率。
附图说明
图1是本发明实施例所述四级平台的平马道上、下游侧控制折线的示意图。
图2是本发明实施例通过控制折线生成开挖方向控制轴系的示意图。
图2.1是本发明实施例上、下游侧控制折线上每个端点的开挖方向控制轴系示意图。
图3是本发明实施例求解平马道内侧控制曲线的示意图。
图3.1是图3的I部放大图。
图4是本发明实施例求解下游侧平马道外侧控制曲线的示意图。
图4.1是图4的J部放大图。
图5是本发明实施例形成第二级平台对应的平马道设计开挖面示意图。
图5.1是图5的K部放大图。
图6是本发明实施例四级平台下游侧平马道开挖设计曲线示意图。
图7是本发明实施例四级平台上、下游侧平马道开挖设计曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本发明所述的多级平台的平马道三维自动开挖设计方法，现以四级平台的平马道为例进行描述：
S1，如图1所示，采用折线依次将第一级平台1、第二级平台2、第三级平台3、第四级平台4位于上游侧的端点1.1、1.2、2.1、2.2、3.1、3.2、4.1、4.2相连，得到四级平台的上游侧控制折线5，如图1中虚线所示。
采用折线将第一级平台1、第二级平台2、第三级平台3、第四级平台4位于下游侧的端点1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2相连，得到四级平台的下游侧控制折线6；如图1中点划线所示。
每一级平台位于上游侧的端点是指：该级平台位于上游侧宽度方向的两个端点；同理，每一级平台位于下游侧的端点是指：该级平台位于下游侧宽度方向的两个端点。
S2，通过上游侧和下游侧控制折线生成开挖方向控制轴系，用于控制上游侧和下游侧开挖曲线的偏移方向，从而确保开挖曲线往多级平台范围的外侧进行偏移；通过控制折线生成开挖方向控制轴系，如图2所示，具体方法如下：
S2.1，在上游侧控制折线上，取相邻两个端点1-2、2-1的连线在水平面上的投影作为X轴，建立直角坐标系；X轴正方向与四级平台走向一致，Z轴正方向垂直向上，Y轴正方向按右手螺旋方向确定，Y轴正方向为上游侧开挖偏移方向；在下游侧控制折线上，取相邻两个端点1-2、2-1的连线在水平面上的投影作为X'轴，建立直角坐标系；所述X'轴正方向与四级平台走向一致，Z'轴正方向垂直向下，Y'轴正方向按右手螺旋方向确定，Y'轴正方向为下游侧开挖偏移方向。
按照S2.1的方法，生成上、下游侧控制折线上每个端点的开挖方向控制轴系，如图2.1所示。
S3，根据上、下游侧控制折线及开挖方向控制轴系，生成上、下游侧四级平台的平马道开挖设计曲线；
如图3、图3.1所示，根据下游侧控制折线及开挖方向控制轴系，生成下游侧四级平台的平马道开挖设计曲线，步骤如下：
S3.1，取第一级平台1和第二级平台2，首先寻找第二级平台2的平马道内侧和外侧控制曲线；将平台2下游侧两个端点中与平台1下游侧相邻的端点2-1作为基准点，定义为B点，平台2下游侧另一个端点2-2定义为B'点；平台1下游侧与平台2相邻的端点1-2定义为A点，平台1下游侧另一个端点1-1定义为E点；
S3.2，计算平台1和平台2的高程差h；
S3.3，将A点沿竖直方向投影至B点所在高程平面上的点，定义为C点；
S3.4，设拟开挖坡度为1:n，以C点为圆心，以半径R = n×h为半径做辅助圆；
S3.5，以B点为起点，做圆的切线，获得两条切线，即切线BD1和切线BD2，由S2中的Y'轴正方向确定满足要求的其中一条切线BD2，确保切线BD2在四级平台范围的外侧，即切BD2在Y'轴的正方向侧；
S3.6，则平面ABD2为满足拟开挖坡度的平面；
S3.7，将A点到E点的直线AE沿竖直方向投影至B点所在高程平面上，得到CF直线，将CF直线向Y'轴正方向偏移半径R的距离，获得GH直线，则平面AEHG也为满足拟开挖坡度的平面；
S3.8，将直线BD2与直线GH延伸相交的点，定义为M点，则折线BMH为平马道内侧控制曲线，平面AMB和平面AMHE为平台2所对应的平马道设计开挖面。
获取平台2外侧控制曲线，如图4、图4.1所示，步骤如下：
S3.1.1，将平台2下游侧B'点作为基准点；
S3.2.1，计算平台1和平台2的高程差h；
S3.3.1，将A点沿竖直方向投影至B'点所在高程平面上的点，定义为C'点；
S3.4.1，设拟开挖坡度为1:n，以C'点为圆心，以半径R’=R+L为半径做辅助圆；式中，L为设计马道宽度，即内侧控制曲线与外侧控制曲线之间的偏移距离；
S3.5.1，以B'点为起点，做圆的切线，获得两条切线，即切线B'D'1和切线B'D'2，由S2中的Y'轴正方向确定满足要求的其中一条切线B'D'2，确保切线B'D'2在四级平台范围的外侧，即切B'D'2在Y'轴的正方向侧；
S3.6.1，则平面A B'D'2为满足拟开挖坡度的平面；
S3.7.1，将A点到E点的直线AE沿竖直方向投影至B'点所在高程平面上，得到C'F'直线，将C'F'直线向Y'轴正方向偏移半径R'的距离，获得G'H'直线，则平面AEH'G'也为满足拟开挖坡度的平面；
S3.8.1，将直线B'D'2与直线G'H'延伸相交的点，定义为M'点，则折线B'M'H'为平马道外侧控制曲线，平面AM'B'和平面AM'H'E为平台2所对应的平马道设计开挖面。
由平马道内侧控制曲线BMH和平马道外侧控制曲线B’M’H’进行封闭，从而形成平马道开挖面，即平面BMHH’M’B’B，与平台2对应的平马道内侧设计开挖面，即平面AMB和平面AMHE，共同形成平台2对应的平马道设计开挖面；如图5、图5.1所示。
S.4，与平台2相邻的第三级平台3，利用平台2对应的平马道外侧控制曲线B’M’H’代替直线AE，重复第3步骤，即完成第三级平台对应的平马道开挖设计；依次循环，完成四级平台对应的平马道开挖设计曲线；如图6所示。
根据上游侧控制折线及开挖方向控制轴系，通过三维设计软件-CATIA生成上游侧四级平台的平马道开挖设计曲线，从而形成如图7所示的四级平台上、下游侧平马道开挖设计曲面。
Claims (1)
1.一种多级平台的平马道三维自动开挖设计方法，其特征在于：采用参数化设计方法，根据上、下相邻级两平台间的高程差及开挖坡度设计参数，创建辅助圆、寻找所述辅助圆满足设计要求的切线；然后创建偏移曲线、求解所述切线与所述偏移曲线的交点，形成平马道内侧和外侧控制曲线；之后，再利用每级平马道内侧和外侧所述控制曲线形成封闭曲面，实现多级平台的平马道三维自动开挖设计；
包括下述步骤：
S1，采用折线分别将每一级平台位于上游侧的端点、下游侧的端点相连，得到多级平台的上游侧控制折线、下游侧控制折线；每一级平台位于上游侧的所述端点是指：该级平台位于上游侧宽度方向的两个端点；同理，每一级平台位于下游侧的所述端点是指：该级平台位于下游侧宽度方向的两个端点；
S2，通过上游侧和下游侧的所述控制折线生成开挖方向控制轴系，用于控制上游侧和下游侧开挖曲线的偏移方向，从而确保开挖曲线往多级平台范围的外侧进行偏移；通过控制折线生成所述方向控制轴系的方法如下：
S2.1，在上游侧控制折线上，任取相邻两个端点的连线在水平面上的投影作为X轴，建立直角坐标系；所述X轴正方向与多级平台走向一致，Z轴正方向垂直向上，Y轴正方向按右手螺旋方向确定，所述Y轴正方向为上游侧开挖偏移方向；在下游侧控制折线上，任取相邻两个端点的连线在水平面上的投影作为X'轴，建立直角坐标系；所述X'轴正方向与多级平台走向一致，Z'轴正方向垂直向下，Y'轴正方向按右手螺旋方向确定，所述Y'轴正方向为下游侧开挖偏移方向；
S3，任取两个上、下相邻的高一级平台j和低一级平台i，首先寻找高一级所述平台j的平马道内侧和外侧控制曲线；其中，i和j为≥1的自然数，且j=i+1；获取平台j内侧控制曲线的步骤如下：
S3.1，将平台j下游侧两个端点中与低一级所述平台i下游侧相邻的端点作为基准点，定义为B点，平台j下游侧另一个端点定义为B'点；平台i下游侧与平台j相邻的端点定义为A点，平台i下游侧另一个端点定义为E点；
S3.2，计算平台i和平台j的高程差h；
S3.3，将所述A点沿竖直方向投影至所述B点所在高程平面上的点，定义为C点；
S3.4，设拟开挖坡度为1:n，以所述C点为圆心，以半径R = n×h为半径做辅助圆；
S3.5，以B点为起点，做圆的切线，获得两条切线，即切线BD1和切线BD2，由S2中的Y'轴正方向确定满足要求的其中一条切线BD2，确保切线BD2在多级平台范围的外侧，即切BD2在Y'轴的正方向侧；
S3.6，则平面ABD2为满足拟开挖坡度的平面；
S3.7，将A点到所述E点的直线AE沿竖直方向投影至B点所在高程平面上，得到CF直线，将所述CF直线向Y'轴正方向偏移所述半径R的距离，获得GH直线，则平面AEHG也为满足拟开挖坡度的平面；
S3.8，将直线BD2与直线GH延伸相交的点，定义为M点，则折线BMH为平马道内侧控制曲线，平面AMB和平面AMHE为平台j所对应的平马道设计开挖面；
获取平台j外侧控制曲线的步骤如下：
S3.1.1，将平台j下游侧所述B'点作为基准点；
S3.2.1，计算平台i和平台j的高程差h；
S3.3.1，将所述A点沿竖直方向投影至所述B'点所在高程平面上的点，定义为C'点；
S3.4.1，设拟开挖坡度为1:n，以所述C'点为圆心，以半径R’=R+L为半径做辅助圆；式中，L为设计马道宽度，即内侧控制曲线与外侧控制曲线之间的偏移距离；
S3.5.1，以B'点为起点，做圆的切线，获得两条切线，即切线B'D'1和切线B'D'2，由S2中的Y'轴正方向确定满足要求的其中一条切线B'D'2，确保切线B'D'2在多级平台范围的外侧，即切B'D'2在Y'轴的正方向侧；
S3.6.1，则平面A B'D'2为满足拟开挖坡度的平面；
S3.7.1，将A点到所述E点的直线AE沿竖直方向投影至B'点所在高程平面上，得到C'F'直线，将所述C'F'直线向Y'轴正方向偏移所述半径R'的距离，获得G'H'直线，则平面AEH'G'也为满足拟开挖坡度的平面；
S3.8.1，将直线B'D'2与直线G'H'延伸相交的点，定义为M'点，则折线B'M'H'为平马道外侧控制曲线，平面AM'B'和平面AM'H'E为平台j所对应的平马道设计开挖面；
由平马道内侧控制曲线BMH和平马道外侧控制曲线B’M’H’进行封闭，从而形成平马道开挖面，即平面BMHH’M’B’B，与平台j对应的平马道内侧设计开挖面，即平面AMB和平面AMHE，共同形成平台j对应的平马道设计开挖面；
S4，与平台j相邻的上一级平台，利用平台j对应的平马道外侧控制曲线B’M’H’代替直线AE，重复第3步骤，即完成上一级平台对应的平马道开挖设计；依次循环，完成所有平台对应的平马道开挖设计。
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