CN115329429A - 一种圆拱直墙型顶拱构件参数化模型的建模方法 - Google Patents

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杨东
陈润泽
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Abstract

本发明公开了一种圆拱直墙型顶拱构件参数化模型的建模方法，包括以下步骤：创建圆拱直墙型顶拱的模型；定义模型图形的输入参数及输入参数之间的逻辑运算参数，逻辑运算参数用于实现构成所述模型的几何图形之间的约束关系；定义模型的模型输出量，模型输出量包括：模型体积、顶拱段表面积、相关的支护量、开挖量。根据上述技术方案，可以借助Rev i t软件的“族”功能完成地下洞室圆拱直墙型顶拱构件参数化三维模型的创建，通过对B I M模型信息的二次加工，实现相关工程量的自动统计，解决Rev i t软件中针对不规则洞室顶拱型式族建模效率低、模型信息应用程度低等问题。

Description

一种圆拱直墙型顶拱构件参数化模型的建模方法
技术领域
本发明属于水电水利工程BIM技术领域，具体而言，涉及一种Revit平台的圆拱直墙型顶拱构件参数化BIM模型的建模方法。
背景技术
在水电水利工程中，地下厂房洞室工程是一种常见的施工工程，但由于受所处地质条件、施工方法等因素影响，其顶拱开挖结构跨度大、几何尺寸不一、支护材质及型式等属性不同、非标准构件多，模型建立及信息附加工作量巨大，因此需要对洞室顶拱信息模型实现参数化创建，基于三维设计软件通过一系列参数和规则驱动三维模型生成，使模型根据相关工程内容改变而自动更新，加快建模速度，提高标准化程度。
Revit是目前一种的主流BIM软件，具有数据兼容﹑参数化建模、二次开发等功能。在Revit平台中，模型建立通过创建各种构件族的实例来完成，参数化建模主要依靠创建具有几何尺寸、材质、运维等信息的族来实现，通过改变族模型的控制参数来改变结构部件的形状，实现快速建模及应用。《水电站地下厂房设计规范》(NB/T 35090-2016)明确指出：主厂房和主变压器洞断面宜采用圆拱直墙形，圆拱直墙形断面的顶拱矢跨比需结合围岩条件和岩石强度应力比确定，且需对顶拱拱座处进行修圆处理。圆拱直墙形为三圆弧段相切且下部与竖向直线相切连接型式，曲线设计相对复杂，Revit平台建立圆拱直墙形信息模型过程中存在以下问题：
(1)Revit平台中不包含适合规范和工程经验的地下洞室顶拱型式构件族，软件自带的模型族库尚不能满足地下工程结构BIM模型需要。因此需根据通用族模型类别创建适用于各类大小尺寸下的地下洞室圆拱直墙型构件，保证构件的通用性。
(2)地下洞室顶拱型式，一般需通过开挖、支护等措施形成，需统计其施工过程中的工程量，而Revit软件只能统计已建立实体模型的工程量，相关的开挖量与支护量无法直接输出。因此需建立起模型开挖量、支护量与顶拱构件参数之间的关系，准确高效输出该部分工程量。
发明内容
为解决上述目的，本申请提供了一种圆拱直墙型顶拱构件参数化模型的建模方法，包括以下步骤：
创建圆拱直墙型顶拱的模型，包括：定义模型对应的族类别、材质类型、名称，选择REVIT对应功能，生成模型对应的顶拱结构；顶拱结构为地下工程顶拱开挖后在岩体表面喷射的一定厚度的混凝土，其顶拱结构包括两段直墙与三段内切圆拱，左右两段圆拱圆心处于同一水平直线，中间圆拱圆心处于左右两段圆拱圆心连线段的垂直平分线上；
定义模型的逻辑运算参数，逻辑运算参数用于实现使用基本参数计算构成模型的几何图形之间的约束关系；几何图形由图形输入参数控制；
定义模型的模型输出量，模型输出量包括：模型体积、顶拱段表面积、相关的支护量、开挖量。
其中，选择的REVIT对应功能包括放样功能，对应的轮廓为矩形，放样路径为圆拱结构对应的空间几何结构。
其中轮廓的基本参数包括：圆拱直墙构件的长度、喷混凝土的厚度；
放样路径的参数包括：构件宽度、直墙高度、中间大圆拱半径、左右侧小圆拱半径。
进一步的，逻辑运算参数包括：大小圆拱半径差、中心大圆拱矢高、结构总高、中心圆拱水平长度、中心圆拱弧长、左右圆拱弧长，逻辑运算参数基于图形输入参数进行计算,计算方法包括：
大小圆拱半径差的计算公式为：ΔR＝R1-R2，其中ΔR为大小圆拱半径差、R1为中间大圆拱半径、R2为左右侧小圆拱半径；
中心大圆拱矢高的计算公式为：
Figure BDA0003789448760000031
其中，Hs为中心圆拱矢高、ΔR为大小圆拱半径差、R1为中间大圆拱半径、R2为左右侧小圆拱半径；
结构总高计算公式为：
Figure BDA0003789448760000032
其中，H为结构总高、Hw为直墙墙高、Hs为中心圆拱矢高、B为圆拱宽度；
中心圆拱水平长度计算公式为：D＝2×(R1 2-(R1-Hs)2)，其中，D为中心圆拱长度、R1为中间大圆拱半径、Hs为中心圆拱矢高；
中心圆拱弧长的计算公式为：
Figure BDA0003789448760000033
其中，S1为中心圆拱弧长、R1为中间大圆拱半径、Hs为中心圆拱矢高；
左右小圆拱弧长的计算公式为：
Figure BDA0003789448760000034
其中，S2为左右圆拱弧长、R1为中间大圆拱半径、R2为左右侧小圆拱半径。
进一步的，逻辑运算参数的计算方法还包括基本参数数值输入的验算方法，包括：
计算顶拱设计模型的矢跨比，判断所述矢跨比是否符合规范；
矢跨比的计算方法为：K＝(H-HW)/B，其中，K为矢跨比，H为结构总高、Hw为直墙墙高、B为圆拱宽度。
进一步的，模型对应的族类别为常规类型、材质类型为现浇混凝土、名称为圆拱直墙型顶拱_Hw/B_喷混厚δ。
进一步的，模型输出量的参数包括：支护锚杆根数、圆拱直墙段开挖体积量，计算方法包括：
支护锚杆根数的计算方法为：
Figure BDA0003789448760000041
其中，N为支护锚杆根数、a和b为支护锚杆的间距与排距、Hw为直墙墙高、S1为中心圆拱弧长、S2为左右圆拱弧长、L为圆拱直墙的长度；
圆拱直墙段开挖体积量的计算方法为：
Figure BDA0003789448760000042
其中，M为圆拱直墙开挖量、B为圆拱宽度、H为结构总高。
锚杆根数还包括除去直墙段支护面积后的锚杆根数，计算方法为：
Figure BDA0003789448760000043
其中，N为锚杆根数、a和b为锚杆的间距与排距、S1为中心圆拱弧长、S2为左右圆拱弧长、L为圆拱直墙的长度。
进一步的，选择REVIT软件对应功能还包括拉伸功能，拉伸功能对应的断面为圆拱结构对应的几何结构，拉伸功能对应的拉伸方向为断面所在平面的法向方向；拉伸的长度为直墙长度。
其中，断面的基本参数包括：喷混凝土的厚度、圆拱宽度、直墙墙高、中间大圆拱半径、左右侧小圆拱半径；
所述拉伸路径的基本参数包括：圆拱直墙构件的长度。
根据本发明，实现了参数化驱动的圆拱直墙型顶拱构件BIM模型的创建，通过修改基本输入参数，即可准确快速创建地下洞室圆拱直墙模型；另一方面，通过参数化BIM模型，建立各基本输入参数间与圆拱直墙段喷混凝土量、支护量以及开挖量的计算关系，实现从模型到输出工程量之间的无缝衔接，计算结果精度高，能满足各种应用场景下的使用需求。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的基于Revit平台的建模方法步骤图；
图2是根据本发明实施例提供的基于Revit平台的放样建模原理示意图；
图3是根据本发明实施例提供的放样建模过程参数示意图；
图4是根据本发明实施例提供的基于Revit平台的建模方法模型输出量示意图；
图5是根据本发明实施例提供的基于Revit平台的拉伸建模原理示意图；
图6是根据本发明实施例提供的拉伸建模过程参数示意图。
具体实施方式
本发明提供的基于Revit平台构建地下洞室圆拱直墙型顶拱BIM模型的建模方法，借助Revit软件的“族”功能完成地下洞室圆拱直墙型顶拱构件参数化三维模型的创建，通过控制模型的空间尺寸参数，实现地下洞室圆拱直墙型顶拱BIM模型的参数化设计；通过对BIM模型信息的二次加工，实现相关工程量的自动统计，解决Revit软件中针对不规则洞室顶拱型式族建模效率低、模型信息应用程度低等问题。
下面结合说明书附图对本发明的具体实现方式做详细描述。
图1提供了本申请建模方法步骤图，如图所示，包括以下内容：
步骤S100：创建圆拱直墙型顶拱的模型，包括：定义模型对应的族类别、材质类型、名称，选择REVIT对应功能，生成该模型对应的顶拱结构；顶拱结构为地下工程顶拱开挖后在岩体表面喷射的一定厚度的混凝土，本申请中的顶拱结构包括两段直墙与三段内切圆拱，左右两段圆拱圆心处于同一直线，中间圆拱圆心处于左右两段圆拱圆心连线段的垂直平分线上；如图3所示，其中左右两段圆拱圆心O2与O3处于同一直线，中间圆拱圆心O1处于O2与O3连线段的垂直平分线上。
实现过程中，本申请提供了两种REVIT对应功能来实现建模。
第一种为使用放样功能实现的方法(步骤S101)：
选择Revit“族”功能中提供的“放样”方法创建，放样方法需要给软件提供“轮廓”与“放样路径”。
具体如图2所示，确定模型的轮廓为矩形，放样路径为两段直墙与三段内切圆拱。
图2的P210为轮廓和放样路径的示意图，其中P211示意轮廓为矩形，P213示意为圆拱直墙的长度L，P212为放样路径，其中的箭头为放样的方向，如图可示放样路径为三段内切圆拱形；P214为喷混凝土的厚度δ；
按P210图中示意的放样路径进行放样处理后，生成结构如P220所示的模型结构。
建模过程对应产生基本参数如图3的所示，其中轮廓的基本参数包括圆拱直墙的长度L；喷混凝土的厚度δ；放样路径的基本参数包括圆拱宽度B、直墙墙高Hw、中间大圆拱半径R1、左右侧小圆拱半径R2。
第二种为使用拉伸功能实现的方法(步骤S102)：
选择Revit“族”功能中提供的“拉伸”方法创建。
具体如图5所示，首先确定拉伸对应的断面为圆拱结构对应的几何结构，如图5中P512所示，其断面为三段内切圆拱形，P513示意了对应的拉伸方向为所述断面所在平面的法向方向；拉伸的长度为直墙长度，如P511所示的矩形长度。按P510图中示意的拉伸路径进行拉伸处理后，生成结构如P520所示的模型结构。
断面的基本参数包括：喷混凝土的厚度δ、圆拱宽度B、直墙墙高Hw、中间大圆拱半径R1、左右侧小圆拱半径R2；
所述拉伸路径的基本参数包括：圆拱直墙的长度L。
步骤S110：定义模型的逻辑运算参数：
逻辑运算参数用于实现本模型的构成元素，即几何图形之间的约束关系，实现过程通过模型的基本参数计算实现；在本申请中，圆拱直墙型顶拱的构成元素至少包括三段圆弧、两条直线，如图3、图6的几何图形。
逻辑运算参数如图3所示，包括：大小圆拱半径差ΔR、中心大圆拱矢高Hs、结构总高H、中心圆拱水平长度D、中心圆拱弧长S1、左右圆拱弧长S2，以上逻辑运算参数的计算过程需要输入基本参数计算获得。
具体的计算方法包括：
1)大小圆拱半径差的计算公式为：
ΔR＝R1-R2，其中ΔR为大小圆拱半径差、R1为中间大圆拱半径、R2为左右侧小圆拱半径；
2)中心大圆拱矢高的计算公式为：
Figure BDA0003789448760000071
其中，Hs为中心圆拱矢高、ΔR为大小圆拱半径差、R1为中间大圆拱半径、R2为左右侧小圆拱半径；
3)结构总高计算公式为：
Figure BDA0003789448760000081
其中，H为结构总高、Hw为直墙墙高、Hs为中心圆拱矢高、B为圆拱宽度；
4)中心圆拱水平长度计算公式为：
D＝2×(R1 2-(R1-Hs)2)，其中，D为中心圆拱长度、R1为中间大圆拱半径、Hs为中心圆拱矢高；
5)中心圆拱弧长的计算公式为：
Figure BDA0003789448760000082
其中，S1为中心圆拱弧长、R1为中间大圆拱半径、Hs为中心圆拱矢高；
6)左右小圆拱弧长的计算公式为：
Figure BDA0003789448760000083
其中，S2为左右圆拱弧长、R1为中间大圆拱半径、R2为左右侧小圆拱半径。
由于在本步骤中，通过改变族模型的控制参数来实现圆拱直墙型顶拱的形状，结果需要符合《水电站地下厂房设计规范》(NB/T 35090-2016)的要求。因此，还需要验算逻辑运算参数的计算结果是否符合规范，具体实现过程为输入基本参数数值计算顶拱设计模型的矢跨比，判断所述矢跨比是否符合规范；
所述矢跨比的计算方法为：
K＝(H-HW)/B，其中，K为矢跨比，H为结构总高、Hw为直墙墙高、B为圆拱宽度。应符合的规范为《水电站地下厂房设计规范》(NB/T 35090-2016)。
如果根据输入的基本参数计算得出的矢跨比不符合规范，还需要不断调整模型的输入基本参数数值直至满足要求为止。
至此，模型的构造基本完成，可以将该圆拱直墙族“族类别”设置为“常规模型”，其材质类型设置为现浇混凝土，其命名标准为圆拱直墙型顶拱_Hw/B_喷混厚δ。
在实际的工程设计应用中，还需要建立模型开挖量、支护量与顶拱构件参数之间的关系，准确高效输出该部分工程量。
步骤S120定义模型输出量，包括：支护表面面积、圆拱直墙段支护锚杆根数、圆拱直墙段开挖体积量。
假设圆拱直墙洞周全部进行支护，支护锚杆(锚索)支护参数为φ25@a×bm(用直径25mm的锚杆，间距与排距分别为a和b)，具体计算如下：
1)支护表面面积的算法为：
Sur＝(2×Hw+S1+2×S2)×L，
其中，Sur为支护表面面积、S1为中心圆拱弧长、S2为左右圆拱弧长、L为圆拱直墙的长度；
2)圆拱直墙段支护量即支护锚杆根数，支护锚杆根数与支护表面面积有关，其的计算方法为：
Figure BDA0003789448760000091
即：
Figure BDA0003789448760000092
其中，N为支护锚杆根数、a和b为支护锚杆的间距与排距、Hw为直墙墙高、S1为中心圆拱弧长、S2为左右圆拱弧长、L为圆拱直墙的长度、Sur为支护表面面积；
支扩n锚杆根数还包括除去直墙段支护面积后的锚杆根数，计算方法为：
Figure BDA0003789448760000093
其中，N1为支护锚杆根数、a和b为支护锚杆的间距与排距、S1为中心圆拱弧长、S2为左右圆拱弧长、L为圆拱直墙的长度。
3)圆拱直墙开挖量的计算方法为：
Figure BDA0003789448760000101
其中，M为圆拱直墙段开挖体积量、B为圆拱宽度、H为结构总高。
虽然Revit软件明细表功能无法直接得出圆拱直墙段支护量与开挖量，但是可以通过设置支护量与开挖量为共享参数，通过Hw、S2、S1、L、B等基本参数由Revit软件自动计算得出以上结果，并最终在圆拱直墙型构件工程量表中体现，如图4所示，其中的开挖量、支护表面面积、支护量都在本步骤中提供算法计算得出。
本发明提供了两种地下厂房洞室圆拱直墙结构BIM模型的创建方法，实现了参数化驱动的模型的创建，通过修改基本输入参数，即可准确快速创建地下洞室圆拱直墙模型；另一方面，通过参数化BIM模型，建立各基本输入参数间与圆拱直墙段喷混凝土构件工程量、支护量以及开挖量的计算关系，实现从模型到输出工程量之间的无缝衔接，计算结果精度高，能满足各种应用场景下的使用需求。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种圆拱直墙型顶拱构件参数化模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
创建圆拱直墙型顶拱构件模型，包括：定义所述模型对应的族类别、材质类型、名称，选择REVIT对应功能，生成所述模型对应的顶拱结构；所述顶拱结构为地下工程顶拱开挖后在岩体表面喷射的一定厚度的混凝土，包括两段直墙与三段内切圆拱，左右两段圆拱圆心处于同一水平直线，中间圆拱圆心处于左右两段圆拱圆心连线段的垂直平分线上；
定义所述模型的逻辑运算参数，所述逻辑运算参数用于实现构成所述模型的几何图形之间的约束关系，所述几何图形由图形输入参数控制；
定义所述模型的模型输出量，所述模型输出量包括：模型体积、顶拱段表面积、相关的支护量、开挖量。
2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，
所述选择REVIT软件对应功能包括放样功能，所述放样功能对应的轮廓为矩形，放样路径为所述顶拱结构对应的空间几何结构。
3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，
所述轮廓的基本参数包括：构件长度、喷混凝土的厚度；
所述放样路径的参数包括：顶拱宽度、直墙高度、中间大圆拱半径、左右侧小圆拱半径。
4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述逻辑运算参数包括：大小圆拱半径差、中心大圆拱矢高、结构总高、中心圆拱水平长度、中心圆拱弧长、左右圆拱弧长，所述逻辑运算参数基于图形输入参数进行计算，计算方法包括：
所述大小圆拱半径差的计算公式为：ΔR＝R1-R2，其中ΔR为大小圆拱半径差、R1为中间大圆拱半径、R2为左右侧小圆拱半径；
所述中心大圆拱矢高的计算公式为：
Figure FDA0003789448750000021
其中，Hs为中心圆拱矢高、ΔR为大小圆拱半径差、R1为中间大圆拱半径、R2为左右侧小圆拱半径；
所述结构总高计算公式为：
Figure FDA0003789448750000022
其中，H为结构总高、Hw为直墙墙高、Hs为中心圆拱矢高、B为顶拱宽度；
所述中心圆拱水平长度计算公式为：D＝2×(R1 2-(R1-Hs)2)，其中，D为中心圆拱长度、R1为中间大圆拱半径、Hs为中心圆拱矢高；
所述中心圆拱弧长的计算公式为：
Figure FDA0003789448750000023
其中，S1为中心圆拱弧长、R1为中间大圆拱半径、Hs为中心圆拱矢高；
所述左右小圆拱弧长的计算公式为：
Figure FDA0003789448750000024
其中，S2为左右圆拱弧长、R1为中间大圆拱半径、R2为左右侧小圆拱半径。
5.根据权利要求4所述的建模方法，其特征在于，所述逻辑运算参数的计算方法还包括基本参数数值输入的验算方法，包括：
计算顶拱模型的矢跨比，判断所述矢跨比是否符合规范；
所述矢跨比的计算方法为：
K＝(H-HW)/B，其中，K为矢跨比、H为结构总高、Hw为直墙墙高、B为圆拱宽度。
6.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述模型对应的族类别为常规类型、所述材质类型为现浇混凝土、所述名称为圆拱直墙型顶拱_Hw/B_喷混厚δ。
7.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述模型输出量的参数包括：支护锚杆根数、圆拱直墙段开挖体积量，计算方法包括：
所述支护锚杆根数的计算方法为：
Figure FDA0003789448750000031
其中，N为支护锚杆根数、a和b为支护锚杆的间距与排距、Hw为直墙墙高、S1为中心圆拱弧长、S2为左右圆拱弧长、L为圆拱直墙的长度；
所述圆拱直墙段开挖体积量的计算方法为：
Figure FDA0003789448750000032
其中，M为圆拱直墙段开挖体积量、B为圆拱宽度、H为结构总高。
8.根据权利要求7所述的建模方法，其特征在于，所述支护锚杆根数还包括除去直墙段支护面积后的锚杆根数，计算方法为：
Figure FDA0003789448750000033
其中，N1为支护锚杆根数、a和b为支护锚杆的间距与排距、S1为中心圆拱弧长、S2为左右圆拱弧长、L为圆拱直墙的长度。
9.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述选择REVIT软件对应功能包括拉伸功能，所述拉伸功能对应的断面为所述顶拱结构对应的几何结构，所述拉伸功能对应的拉伸方向为所述断面所在平面的法向方向；拉伸的长度为所述构件的长度。
10.根据权利要求9所述的建模方法，其特征在于,
所述断面的基本参数包括：喷混凝土的厚度、圆拱宽度、直墙墙高、中间大圆拱半径、左右侧小圆拱半径；
所述拉伸路径的基本参数包括：圆拱直墙型构件的长度。
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