CN114892688A - 一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法及系统 - Google Patents

一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及岩土工程设计领域，特别是一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法及系统，方法包括以下步骤：S1，在二维空间设置锚杆框架梁的属性，并根据锚杆框架梁分布锚杆，获取锚杆的相对位置关系和属性参数；S2，根据锚杆在实际三维地形中的布置规则和锚杆的相对位置关系，在三维地形中创建出锚杆布设的实际三维模型。本发明的方法和系统将锚杆框架梁的二维设计结果投射到了三维的地形模型中，生成的是锚杆布设三维模型，因此，最后生成的锚杆布设三维模型是根据边坡实际地形起伏变化生成的，边坡锚杆框架梁的三维设计结果更贴合实际施工场景，设计参数准确，误差小，提高了施工的效率。

Description

一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法及系统
技术领域
本发明涉及岩土工程设计领域，特别是一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法及系统。
背景技术
在工程边坡防护中，为加固边坡岩土体，通常会采用锚杆框架梁加固，需要时也可将锚杆换成锚索，做成锚索框架梁。目前的框架梁设计方法基于二维设计，首先通过平面图圈定加固范围(图1)，再根据范围计算所需锚杆的行数与列数，再通过代表性剖面图确定各个位置的锚杆长度(图2)，最后再给出布置的行列示意图(图3)。
在框架梁的设计过程中，设计人员根据需要加固的已知范围，计算出需要布置锚杆的行数与列数，但是由于实际加固地形起伏变化，传统的设计方式难以将布置的锚杆行列位置与其在实际地形中的位置准确对应起来，其计算出的行列数只是个大概估计值，也难以判断，或是仅能凭经验判断所给锚杆行列数是否完全覆盖加固区域，可能会导致设计加固的范围与实际需要加固的范围错位，加固覆盖范围不到位的情况。而最终设计出的布置图也是基于平面的，到施工时仍需要施工人员凭借其经验将设计布置的加固范围映射到实际需要的加固范围，增加施工难度，更易造成施工失误，影响工程建设。特别是当加固范围非常不规则时，这种问题尤为明显，很难计算出所需锚杆的行列数。
发明内容
本发明针对目前边坡锚杆框架梁设计中由于实际加固地形起伏变化，二维设计出的锚杆位置与施工实际情况偏差较大的问题，借助OpenRail Designer软件平台进行二次开发，提出了一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法及系统。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，包括以下步骤：
S1，在二维空间设置锚杆框架梁的属性，并根据锚杆框架梁分布锚杆，获取锚杆的相对位置关系和属性参数；
S2，根据锚杆在实际三维地形中的布置规则和锚杆的相对位置关系，在三维地形中创建出锚杆布设的实际三维模型。
作为本发明的优选方案，步骤S1具体包括以下步骤：
S11，根据需要加固的已知范围，以二维的单元格组指代锚杆框架梁，按照二维单元格的行数和列数来确定布置锚杆的行数与列数；
S12，根据锚杆的行数与列数确定单元格的坐标，并且建立单元格坐标和锚杆属性参数之间的关联关系。
在进行锚杆框架梁的二维设计时，考虑到锚杆和锚杆框架梁的位置关系跟行列分布的表格和表格框架类似，因此，以二维的单元格组指代锚杆框架梁，以单元格指代锚杆，能够直观的对锚杆和锚杆框架进行设计，删除、修改、增添都很方便。并且除了能设计几何形状规则的锚杆框架，还能设计几何形状不规则的锚杆框架，无论锚杆框架是什么形状，都能适应性地布设锚杆。
作为本发明的优选方案，步骤S11还包括：通过在单元格中填充的不同图案来区分是否设置锚杆。
设置锚杆的单元格用一种图例，没有设置锚杆的单元格用另一种图例，能直观的反映出锚杆的分布情况，便于锚杆位置的修改，比如，当确定需要加固的已知范围后，就能根据单元格填充的图例，判断锚杆的布设是否在已知范围之内，如果没有，就可以进行删除或修改，无须到设计定稿施工后才知道锚杆布置的情况。提高了设计的效率和准确度。
作为本发明的优选方案，步骤S12中所述单元格坐标和锚杆属性参数之间的关联关系通过哈希表来实现，所述哈希表中存储了单元格坐标及其对应的锚杆属性参数。
采用哈希表建立单元格坐标和锚杆对象属性之间一一对应的关联，便于程序后台根据单元格坐标调用相应的锚杆参数。
作为本发明的优选方案，锚杆的属性参数包括孔径、下倾角、锚固类型、单孔数、预应力锚杆直径、锚杆长度、自由段长度和锚固段长度；
作为本发明的优选方案，锚杆框架梁的属性包括地形模型、框架梁的间距、锚杆的分布参数、建立模型的三维基点和锚杆框架梁所在坡面的倾向。
正是因为建立模型的三维基点和锚杆框架梁所在坡面的倾向属性的引入，在进行边坡锚杆框架梁设计的时候，才能根据边坡起伏，确定锚杆实际的三维坐标，使得锚杆的设计更为准确，减小了误差，提高了施工的效率，避免了不必要的浪费。
作为本发明的优选方案，锚杆框架梁所在坡面的倾向包括Y轴正方向和X轴正方向；以基点为原点，沿坡面指向上坡的方向为Y轴正方向，沿坡面向右与Y轴正方向垂直的方向为X轴正方向。
作为本发明的优选方案，步骤S2具体包括以下步骤：
S21，根据锚杆在实际三维地形中的布置规则和锚杆的相对位置关系，计算出锚杆在实际三维地形中的锚杆三维坐标；
S22，在锚杆三维坐标处建立锚杆的模型；
S23，在锚杆模型之间采用混凝土框架模型进行连接，生成在三维地形中创建出锚杆布设的实际三维模型。
作为本发明的优选方案，步骤S21中的所述锚杆在实际三维地形中的布置规则包括投影到地形坡面后，在坡面的单元格节点间距相等。
基于相同的构思，本发明还提出了一种边坡锚杆框架梁的三维设计系统，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的方法和系统将锚杆框架梁的二维设计结果投射到了三维的地形模型中，生成的是锚杆布设三维模型，因此，最后生成的锚杆布设三维模型是根据边坡实际地形起伏变化生成的，边坡锚杆框架梁的三维设计结果更贴合实际施工场景，设计参数准确，误差小，提高了施工的效率。
附图说明：
图1为本发明背景技术中通过平面图圈定加固范围示意图；
图2为本发明背景技术中通过代表性剖面图确定各个位置的锚杆(索)长度示意图；
图3为本发明背景技术中框架梁平面布置图；
图4为本发明实施例1中一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法流程图；
图5为本发明实施例2中框架梁设计程序界面；
图6为本发明实施例2中锚杆(索)编辑器界面示意图；
图7为本发明实施例2中在编辑器中选择单元格示意图；
图8为本发明实施例2中在编辑器中添加锚杆(索)并显示属性示意图；
图9为本发明实施例2中异形范围布置的锚杆(索)示意图；
图10(a)为本发明实施例2中矩形框架梁三维模型；
图10(b)为本发明实施例2中矩形地形模型中的框架梁三维模型；
图11(a)为本发明实施例2中异形布置框架梁三维模型；
图11(b)为本发明实施例2中异形布置地形模型中的框架梁三维模型。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，流程图如图4所示，包括以下步骤：
S1，在二维空间设置锚杆框架梁的属性，并根据锚杆框架梁分布锚杆，获取锚杆的相对位置关系和属性参数；
S2，根据锚杆在实际三维地形中的布置规则和锚杆的相对位置关系，在三维地形中创建出锚杆布设的实际三维模型。
作为本发明的优选方案，步骤S1具体包括以下步骤：
S11，根据需要加固的已知范围，以二维的单元格组指代锚杆框架梁，按照二维单元格的行数和列数来确定布置锚杆的行数与列数；
S12，根据锚杆的行数与列数确定单元格的坐标，并且建立单元格坐标和锚杆属性参数之间的关联关系。
在进行锚杆框架梁的二维设计时，考虑到锚杆和锚杆框架梁的位置关系跟行列分布的表格和表格框架类似，因此，以二维的单元格组指代锚杆框架梁，以单元格指代锚杆，能够直观的对锚杆和锚杆框架进行设计，删除、修改、增添都很方便。并且除了能设计几何形状规则的锚杆框架，还能设计几何形状不规则的锚杆框架，无论锚杆框架是什么形状，都能适应性地布设锚杆。
作为本发明的优选方案，步骤S11还包括：通过在单元格中填充的不同图案来区分是否设置锚杆。
设置锚杆的单元格用一种图例，没有设置锚杆的单元格用另一种图例，能直观的反映出锚杆的分布情况，便于锚杆位置的修改，比如，当确定需要加固的已知范围后，就能根据单元格填充的图例，判断锚杆的布设是否在已知范围之内，如果没有，就可以进行删除或修改，无须到设计定稿施工后才知道锚杆布置的情况。提高了设计的效率和准确度。
作为本发明的优选方案，步骤S12中所述单元格坐标和锚杆属性参数之间的关联关系通过哈希表来实现，所述哈希表中存储了单元格坐标及其对应的锚杆属性参数。
采用哈希表建立单元格坐标和锚杆对象属性之间一一对应的关联，便于程序后台根据单元格坐标调用相应的锚杆参数。
作为本发明的优选方案，锚杆的属性参数包括孔径、下倾角、锚固类型、单孔数、预应力锚杆直径、锚杆长度、自由段长度和锚固段长度；
作为本发明的优选方案，锚杆框架梁的属性包括地形模型、框架梁的间距、锚杆的分布参数、建立模型的三维基点和锚杆框架梁所在坡面的倾向。
正是因为建立模型的三维基点和锚杆框架梁所在坡面的倾向属性的引入，在进行边坡锚杆框架梁设计的时候，才能根据边坡起伏，确定锚杆实际的三维坐标，使得锚杆的设计更为准确，减小了误差，提高了施工的效率，避免了不必要的浪费。
作为本发明的优选方案，锚杆框架梁所在坡面的倾向包括Y轴正方向和X轴正方向；以基点为原点，沿坡面指向上坡的方向为Y轴正方向，沿坡面向右与Y轴正方向垂直的方向为X轴正方向。
作为本发明的优选方案，步骤S2具体包括以下步骤：
S21，根据锚杆在实际三维地形中的布置规则和锚杆的相对位置关系，计算出锚杆在实际三维地形中的锚杆三维坐标；
S22，在锚杆三维坐标处建立锚杆的模型；
S23，在锚杆模型之间采用混凝土框架模型进行连接，生成在三维地形中创建出锚杆布设的实际三维模型。
作为本发明的优选方案，步骤S21，中的所述锚杆在实际三维地形中的布置规则包括投影到地形坡面后，在坡面的单元格节点间距相等。
实施例2
本发明所涉及的一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法及系统，可以将锚杆替换为锚索，方法相同，因此也可以叫做一种边坡锚杆(索)框架梁的三维设计方法及系统，其基于OpenRail Designer软件进行二次开发形成。
通过OpenRail Designer软件平台提供的AddIn接口，可以将自定义的命令添加到软件中，再将命令与界面按钮绑定，即可通过点击按钮执行自定义命令。本发明涉及的锚杆框架梁的三维设计系统通过这种方式进行二次开发，将设计过程封装到自定义的命令对象中。
1.锚杆(索)框架梁程序界面
点击软件界面中的锚杆(索)框架梁创建按钮，即可调出锚杆(索)框架梁窗体，窗体包含框架梁的所有属性信息，如框架梁类型、型号、锚杆(索)、基点、所属地形模型等，如图5。
其中，【地模】表示框架梁所加固范围对应的地形模型；
【型号】表示框架梁的间距，如4×4型号表示节点行列间距均为4m；
【锚杆(索)】为框架梁的锚杆(索)编辑器，同时存储锚杆(索)的分布情况；
【基点】表示面向框架梁时，框架梁左下角节点的位置，作为模型建立的基点；
【倾向】表示锚杆框架梁所在坡面的大致倾向，以确定框架梁的行列延伸方向。
2.锚杆(索)布置
点击属性栏【锚杆(索)】对应按钮，即可打开锚杆(索)编辑器，如图6。在编辑器中，左侧为与锚杆(索)行列相对应的表格，右侧为行列节点单元格所对应锚杆(索)的属性。该编辑器提供添加、移除锚杆(索)的功能，还可以选中某一单元格修改对应锚杆(索)的属性，也可以选中多个单元格以同时修改属性，简单方便。
设计人员根据需要加固的已知范围，估算出大概需要布置锚杆(索)的行数与列数，在表格中选中需要布置锚杆(索)的单元格，点击【添加】按钮，即可添加锚杆(索)到程序中。
当设计人员选中部分单元格，点击【添加】按钮后，如图7，程序在内部生成一个哈希表(用于存储键值对)，根据选中的行列坐标，为每个坐标生成一个锚杆对象(默认为锚杆)，将其作为键值对(键：行列坐标，值：锚杆对象)存放到内部的哈希表中，此时就建立了编辑器的行列坐标与锚杆(索)对象的一一对应关系。同时，界面单元格也会显示不同的图案填充，表示该单元格已添加锚杆(索)对象，如图8，单元格用“⊙”填充表示锚杆对象，用“□”填充表示锚索对象。点击【移除】按钮，则可以将选中行列坐标在表格中的填充清除，同时将程序内部哈希表中与选中单元格坐标对应的锚杆(索)对象移除。
布置锚杆(索)后，程序会给锚杆(索)对象设置默认参数，当然设计人员也可以进行修改。选中需要修改的单元格，即可在右侧的属性栏进行参数的修改。
当选中表格中的单元格后，会触发程序内部的选中事件，进而在编辑器右侧的属性栏中显示出单元格坐标所对应锚杆(索)对象的属性，如图7。这样即可在属性栏中对布置的锚杆(索)进行参数设置。
属性设置完成后点击【确定】即可。若布置多了，可以选中移除，若布置少了，也可以继续添加，方便设计修改。例如，此处布置8行13列，其中下面3行为锚杆，上面5行为锚索，右侧属性栏显示当前选中单元格(09排04列)对应的锚索属性。
该编辑器不仅可以进行规则的矩形范围布置，也可以根据需求进行异形加固范围的布置。根据需要加固的范围，大概估算需要布置锚杆(索)的位置，在编辑器中选中大概对应的单元格进行添加即可，如图9。
3.输入基础数据
在创建锚杆(索)框架梁之前，需要输入其基础数据，如类型、型号、地模、基点以及倾向等参数。其中最重要的为地模、基点和倾向三个参数。
点击界面中【地模】对应按钮，选择加固范围所在的三维地形模型(软件中的三维地形模型为Terrain Model类型，鼠标点击拾取即可)。
点击界面中【基点】对应按钮，通过在地形上选取一个点，程序可以提取其在地形上的投影点作为框架梁左下角基点。
点击界面中【倾向】对应按钮，在地形上绘制一条代表坡面倾向的直线，程序即可确定框架梁行和列的延伸方向，即倾向方向为列的延伸方向，其在坡面上的垂向即为行的延伸方向(即走向)。该方向的具体使用与框架梁布置规则有关，若采用锚杆束间距相等规则，则倾向与走向需能够代表加固范围坡面的整体倾向与走向，若采用锚杆框架梁行间距相等且行内节点距离相等规则，则倾向需能够代表坡面整体倾向，走向仅为整体方向，每个节点处的实际走向则需根据地形进一步计算。
4.锚杆框架梁放置
设置好所有属性后，在程序界面点击【确定】按钮，即可将锚杆(索)按照编辑器表格中的布置，以某种锚杆(索)框架梁布置规则(如行间距相等且行内节点距离相等，或锚杆(索)束间距相等)，建立出三维模型，根据选择的基点与方向放置到地形模型中，如图10、图11所示。图10是矩形范围布置的锚杆(索)框架梁三维模型，其中，图10(a)是矩形框架梁三维模型，图10(b)是矩形地形模型中的框架梁三维模型，图11是异形布置的锚杆(索)框架梁三维模型，其中，图11(a)是异形布置框架梁三维模型，图11(b)是异形布置地形模型中的框架梁三维模型。
当点击【确定】按钮后，程序根据所选基点和倾向在地形模型上建立局部坐标系，以基点为原点，沿倾向指向上坡的方向为Y轴正方向，沿坡面向右与Y轴垂直的方向为X方向。同时，将编辑器布置图中左下角锚杆(索)对象的坐标设置为原点坐标。
框架梁中锚杆(索)位于框架节点，节点在实际地形中的布置规则，常见的有两种方式：第一种为锚杆(索)束间距相等，如布置为4×4，表示锚杆(索)行间距均为4m，行内束间距也均为4m；第二种为行间距相等且行内节点距离相等，行间距相等与第一种方式相同，行内节点距离相等则需要节点在地面上实际布置位置的距离相等。
根据锚杆(索)在实际地形中的布置规则，即可根据原点的锚杆(索)和间距计算出所有单元格对应锚杆(索)对象在实际三维地形中的坐标。在每个节点坐标位置创建锚杆(索)模型，节点之间的连接采用混凝土框架模型，如此即可将编辑器中的锚杆(索)布置在三维地形中创建出实际的模型。
由于之前在编辑器中的布置和数量为大概估计值，此时，设计人员可以根据三维地形模型中需要加固的范围和框架梁模型所覆盖的范围进行对比，判断所设计框架梁加固范围是否满足需求。如需对框架梁的行列数进行增减，或是对其某些属性进行修改，则可再次通过框架梁模型返回到设计程序界面进行修改，修改完成后再次点击【确定】按钮，即可重新生成锚杆(索)框架梁模型。如此往复调整几次，设计人员即可得到满足实际加固需求的锚杆(索)框架梁，可据此生成工程所需的平面布置图以及工程数量，也可将三维模型交付施工人员，便于施工。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在二维空间设置锚杆框架梁的属性，并根据锚杆框架梁分布锚杆，获取锚杆的相对位置关系和属性参数；
S2，根据锚杆在实际三维地形中的布置规则和锚杆的相对位置关系，在三维地形中创建出锚杆布设的实际三维模型。
2.如权利要求1所述的一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：
S11，根据需要加固的已知范围，以二维的单元格组指代锚杆框架梁，按照二维单元格的行数和列数来确定布置锚杆的行数与列数；
S12，根据锚杆的行数与列数确定单元格的坐标，并且建立单元格坐标和锚杆属性参数之间的关联关系。
3.如权利要求2所述的一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，其特征在于，步骤S11还包括：通过在单元格中填充的不同图案来区分是否设置锚杆。
4.如权利要求2所述的一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，其特征在于，步骤S12中所述单元格坐标和锚杆属性参数之间的关联关系通过哈希表来实现，所述哈希表中存储了单元格坐标及其对应的锚杆属性参数。
5.如权利要求4所述的一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，其特征在于，锚杆的属性参数包括孔径、下倾角、锚固类型、单孔数、预应力锚杆直径、锚杆长度、自由段长度和锚固段长度。
6.如权利要求1所述的一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，其特征在于，锚杆框架梁的属性包括地形模型、框架梁的间距、锚杆的分布参数、建立模型的三维基点和锚杆框架梁所在坡面的倾向。
7.如权利要求6所述的一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，其特征在于，锚杆框架梁所在坡面的倾向包括Y轴正方向和X轴正方向；以基点为原点，沿坡面指向上坡的方向为Y轴正方向，沿坡面向右与Y轴正方向垂直的方向为X轴正方向。
8.如权利要求1-7任一所述的一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：
S21，根据锚杆在实际三维地形中的布置规则和锚杆的相对位置关系，计算出锚杆在实际三维地形中的锚杆三维坐标；
S22，在锚杆三维坐标处建立锚杆的模型；
S23，在锚杆模型之间采用混凝土框架模型进行连接，在三维地形中创建出锚杆布设的实际三维模型。
9.如权利要求7所述的一种边坡锚杆框架梁的三维设计方法，其特征在于，步骤S21中的所述锚杆在实际三维地形中的布置规则包括投影到地形坡面后，在坡面的锚杆束间距相等。
10.一种边坡锚杆框架梁的三维设计系统，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至9中任一项所述的方法。
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