CN115495830B - 一种基于三维数字模型的工程智能设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于三维数字模型的工程智能设计方法及系统，属于工程设计领域，开发了智能设计软件，从基本模块导入设计对象的三维数字化模型和力学计算所需要的参数，在力学计算模块中根据设计对象类型和工作条件、采用相应的力学方法计算获得各工况下设计对象的计算结果，根据计算结果中的相关参数指标和行业标准/安全需求确定潜在安全风险等级、部位和类型，然后在加固模块和监测模块中再根据设计准则智能选择加固措施和监测仪器、并给出候选布置方案，最终结合具体工程特点及其对应的工程安全要求、投资条件等，推荐其中的最佳设计方案，完成智能设计。本发明可以通过计算机智能推荐出最优工程设计方案，实现工程安全和投资之间的最佳平衡。

Description

一种基于三维数字模型的工程智能设计方法及系统

技术领域

本发明属于基础建设和资源开采工程设计领域，具体涉及一种基于三维数字模型的工程智能设计方法及系统。

背景技术

目前，我国基础建设（包括水利水电、交通、住建等）和资源开采（油气、矿山等）领域正大力推广数字化技术的工程应用，以期实现企业数字化转型升级，促进这些行业经营模式的转变、发展数字经济。迄今为止，一些特大型设计企业主干专业已经能够实现专业数字化技术的普及应用和成果的三维数字化交付，并正在积极解决跨专业协同问题，以期实现多专业全流程的数字化。与此同时，针对我国基础建设和资源开采领域的现实情况，一些研发机构正努力将现有技术定制化和“平民化”，降低数字化技术应用成本，为中小型企业数字化转型升级提供现实可行的解决方案，从而实现数字化技术的普及应用。

数字化的普及为人工智能技术应用奠定了良好基础，互联网（数字化的代表）的社会化普及使得基于图像识别技术（人工智能）的刷脸验证、车牌自动识别等走进日常生活。总体而言，人工智能是数字化技术不断发展的结果，典型特征之一是根据输入条件进行智能判断、给出结果并可能实现自动控制。与其他行业的发展规律一致地，基础建设和资源开采领域数字化技术应用到一定阶段以后，势必催生人工智能技术的发展。这些领域工程加固和监测智能设计的基础仍然是能被计算机识别和处理的数字化成果（三维数字化模型），但具体实现方式和依赖的核心技术会有所不同，其核心在于风险位置和类型的判断依赖的力学计算，依据仍然是行业标准、专业方法乃至经验等设计准则。

上述的力学计算起到验证设计方案工程安全性的作用，工程设计方案安全性往往都采用力学方法、模拟工程对象（边坡、洞室、地基等）的实际工作条件（开挖/采、地震、工程荷载作用等）进行计算，根据计算结果进行安全性评估，因此诞生了很多目前普遍使用的力学计算方法如针对边坡安全性的极限平衡、针对隧洞挤压变形问题的CCM、通用性的有限元、有限差分和离散元等。

在根据工程需求拟定设计方案以后，基础建设和资源开采领域工程设计的核心工作任务之一开展力学计算、验算方案的工程安全性，根据验算结果进行调整、再验算，如此反复，形成满足安全要求的设计方案。在此基础上计算工程量和工程投资，视投资合理性可能进一步优化设计，如此多次反复，形成最终的设计方案。由于影响工程安全和经济性的因素很多，且各工程之间差异较大，尽管经过多次反复，仍然难以保证设计方案在工程安全和经济合理性之间的最佳平衡关系，成为基础建设和资源开采领域工程设计长期存在的痛点问题。

在上述采用力学计算调整设计方案过程中，针对局部问题的加固设计和潜在风险部位的监测设计是两项重要的具体工作内容，涉及到行业标准、专业方法、约定等多个方面的要求，是影响设计难度、工作质量和效率的关键环节。

在既往的传统工作方式下、特别是大型工程的设计过程中，复核验算、加固设计、监测设计由不同岗位的专业人员协同完成，协同效果取决于各专业人员的知识面和协同工作方式，人为因素对设计成果质量（合理性）和工作效率的影响非常突出。实现数字化升级以后，采用数据共享形式的协同可以大幅提高效率，但不能解决专业之间的知识壁垒问题，对设计成果质量的改善有限。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于三维数字模型的工程设计智能推荐方法及系统，用于解决工程加固和监测智能设计过程中需要不同专业人员协同设计带来过多人为因素影响的问题。

本发明第一方面，公开一种基于三维数字模型的工程智能设计方法，所述方法包括：

设计满足工程设计所需的软件架构，建立设计对象的数据结构，进行通用图形几何算法和应用功能开发，以导入设计对象三维模型和设计对象工作条件；

基于设计对象三维模型进行力学计算功能开发，基于导入的设计对象三维模型和设计对象工作条件实现各类工作条件下设计对象的力学计算，根据力学计算结果中的相关参数指标和行业标准/安全需求确定潜在安全风险等级、部位和类型；

进行材料与加固件数据库、加固件选择与布置设计准则、加固设计的操作功能开发，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选加固措施；

进行监测仪器库、监测仪器选择与布置设计准则、监测设计的操作功能开发，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选监测措施；

根据工程安全和工程投资要求，从候选加固措施和候选监测措施中筛选最佳加固措施和最佳监测措施作为工程设计智能推荐方案。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述数据结构同时兼容不规则和规则设计对象的三维数字化模型以及设计对象的属性与参数值；

所述设计对象三维模型包括不规则地质体和岩土工程结构对象的三维数字化模型；

不规则地质体包括地表、地层和断裂；

岩土工程结构对象包括规则和不规则的开挖轮廓和加固结构；

所述设计对象三维模型中包含力学计算所需要的全部参数，包括地层、断裂、加固结构的物理力学参数。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述通用图形几何算法和应用功能包括：规则与不规则设计对象三维模型的二维剖切、三维剖切、二维交切封闭和三维共点交切封闭；

其中，二维交切封闭是根据二维工程图中的不规则多段线彼此之间的交切关系及其与指定边界的交切关系寻找出的闭合回路组成的严格封闭的二维区域；

三维共点交切封闭是指三维不规则空间彼此面相交时不仅共交线，而且在交线上共节点；

二维剖切、三维剖切、二维交切封闭和三维共点交切封闭的算法采用离散数学理论和拓扑学方法。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于设计对象三维模型进行力学计算功能开发的方式包括内置、外接和微服务；

其中，内置是指直接在当前工程设计软件中嵌入相关力学计算方法，完成力学计算，获取计算结果；

外接是指调用第三方软件进行力学计算，完成力学计算后返回计算结果；

微服务是指采用C/S后B/S架构的情形，在服务器完成力学计算，返回计算结果；

所述力学计算的方法包括极限平衡法、关键块体法、有限元法、有限差分法或离散元法，力学计算结果中的参数指标包括安全系数、变形、应力、应变、张开量或错动量。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述加固件选择与布置设计准则包括加固件的适用范围、加固设计的行业标准和专家经验；所述监测仪器选择与布置设计准则包括仪器适用范围、行业性设计标准和专家经验。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选加固措施具体包括：

针对边坡，优先使用极限平衡方法，其次是数值方法，将计算获得的安全系数大小作为加固方案设计的首选输入参数；

针对洞室，在国内水电行业应用时，首选水工隧洞支护设计规范，其他行业首选基于BQ围岩分级的设计规范，在海外工程应用时首选Q系统；

针对隧洞工程，当存在大变形风险时，使用收敛应变法进行复核；存在岩爆风险时，使用改进的安省法进行复核；

所述候选加固措施包括选择的加固件和和技术上可行的布置位置。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选监测措施具体包括：

建立力学计算结果中的参数指标与监测仪器选择的关系，包括变形计算结果与变形监测仪器关联的基本关系、应变与应变计或压力计管理的基本关系、加固件受力情况和测力计关联的基本关系、张开变形与侧缝计关联的基本关系、错动变形与位错计关联的基本关系；

根据力学计算结果中的参数指标大小进行分级，选择出候选监测措施；

所述候选监测措施包括选择的监测仪器和技术可行的布置位置。

本发明第二方面，公开一种基于三维数字模型的工程智能设计系统，所述系统包括：

基本模块：用于设计满足工程设计所需的软件架构，建立设计对象的数据结构，进行通用图形几何算法和应用功能开发，以导入设计对象三维模型和设计对象工作条件；

力学计算模块：用于基于设计对象三维模型进行力学计算，基于导入的设计对象三维模型和设计对象工作条件实现各类工作条件下设计对象的力学计算，根据力学计算结果中的相关参数指标和行业标准/安全需求确定潜在安全风险等级、部位和类型；

加固模块：用于建立材料与加固件数据库、加固件选择与布置设计准则和加固设计的操作功能，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选加固措施；

监测模块：用于建立监测仪器库、监测仪器选择与布置设计准则和监测设计的操作功能，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选监测措施；

智能推荐模块：用于根据工程安全和工程投资要求，从候选加固措施和候选监测措施中筛选最佳加固措施和最佳监测措施作为工程设计智能推荐方案。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1）本发明为工程加固和监测设计提供一种智能化设计方法，将依赖输入参数的加固和监测设计准则内置在计算机软件内，通过基于数字化模型的力学计算获得其中的输入参数，由计算机完成专业任务和大量的反复工作，从而打破专业间的知识壁垒，避免需要不同专业人员协同设计带来的人为因素影响，实现智能化设计，大幅提高设计方案的针对性和效果；

2）本发明根据行业标准对工程安全的要求选定必须采用的加固和监测措施及其布置，并计算相应的工程投资，然后根据具体工程对安全要求情况和投资能力，增补必要的加固和监测手段，智能推荐出最优工程设计方案，实现工程安全和投资之间的最佳平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于三维数字模型的工程智能设计方法的软件开发流程图；

图2为本发明的二维交切封闭示意图；

图3为本发明的三维共点交切封闭示意图；

图4为本发明的大变形问题加固设计CCM方法实原理图；

图5为本发明的基于三维数字模型的工程智能设计方法的工程设计流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种通过集成力学计算技术、加固和监测设计相关行业标准、方法、约定的方式，在三维数字化模型上对通过计算机技术打破专业壁垒，实现潜在问题的智能判断和工程措施的智能选择，并根据工程投资要求推荐保证安全前提下的最佳设计方案，实现智能设计。

本发明公开一种基于三维数字模型的工程智能设计方法，进行主要服务于计算机软件开发，通过软件帮助工程设计人员实现工程加固和监测的智能设计。

请参阅图1，本发明的一种基于三维数字模型的工程智能设计方法的智能设计软件开发流程图，包括基本模块开发、力学计算模块开发、监测模块开发和加固模块开发。

S1、基本模块开发

基本模块开发主要是设计满足工程设计所需的软件架构，建立设计对象的数据结构，进行通用图形几何算法和应用功能开发，组成智能设计软件的基本模块。

本发明的基本模块是在相对通用的图形引擎基础上增加力学计算模块、监测模块、加固模块这三个应用模块所需要的图形几何算法和特定数据结构，因此，基本模块开发适合在已有的图形引擎基础上开展开发工作，其中适合于不规则对象、离散数学算法理论的图形引擎优于常用的规则对象参数化图形引擎。

为满足后续在三维模型基础上直接开展力学计算、加固和监测布置设计的要求，该软件需要能导入包括地质体、边坡和洞室等岩土工程结构对象的三维数字化模型，并且能够兼容这些设计对象的专业参数，比如设计对象工作条件/工况等，因此设计对象的数据结构需要同时兼容不规则和规则设计对象的三维数字化模型以及设计对象的属性与参数值，数据结构需要同时兼容不规则和规则对象的三维数字化模型以及模型对象的属性与参数值，以满足后续力学计算、加固和监测设计过程图形操作和输入参数赋值的需要。

智能设计软件中需要针对设计对象（边坡、洞室、地基等）的具体特点专门设计和开发对应的数据结构，其中的核心是规则/不规则对象耦合几何对象，如不规则多段线中包含的弧线、样条线段等，边坡中的平面、扭面、弧形面等规则面与不规则面组合成独立的对象等，其共同特点是个案多、需求分析和开发时需要一一“枚举”，然后进行抽象分类、设计和开发适合每一类型的数据结构。

设计对象三维模型包括不规则地质体和岩土工程结构对象的三维数字化模型，不规则地质体包括地表、地层和断裂等，岩土工程结构对象包括规则和不规则的开挖轮廓（开挖边坡、洞室等）和加固结构（锚杆、锚索等）。设计对象三维模型中还包含力学计算所需要的全部参数，比如地层、断裂、加固结构的物理力学参数。

基本模块的图形引擎中图形几何算法的重点是二维交切封闭和三维共点交切封闭，因此，本发明通用图形几何算法和应用功能包括规则与不规则设计对象三维模型的二维剖切、三维剖切、二维交切封闭和三维共点交切封闭。其中，二维交切封闭是根据二维工程图中的不规则多段线彼此之间的交切关系及其与指定边界的交切关系寻找出的闭合回路组成的严格封闭的二维区域；三维共点交切封闭是指三维不规则空间彼此面相交时不仅共交线，而且在交线上共节点，从而满足从工程三维数字化模型直接生成力学计算模型的需要。

如图2所示为二维交切封闭，要求能够将二维工程图中的不规则多段线、根据彼此之间及其与指定边界的交切关系寻找出“闭合回路”，形成严格封闭的二维区域，满足力学计算时材料分区的要求。

如图3所示为三维交切封闭，三维交切封闭包括共线交切封闭（面~面共线相交）和共点交切封闭（面~面共点相交），不规则的空间面彼此相交时，由于此时面的几何形态由网格空间连接关系确定，面~面求交实际是大量网格求交，本发明要求面~面求交不仅共交线、而且共节点，即共点交切。对于彼此相交的网格，共点交切的实施流程如下：

1）计算网格边界彼此相交的交点；

2）对交点进行排序，形成交线，明确需要被裁剪成两个部分的面；

3）复制交点，两个交点分别属于被裁剪面的其中一个部分；

4）对分属每部分的交点按照排序结果连线；

5）同时对被裁剪后的两部分临近交线的网格进行优化，交线的每个节点被两侧网格共用，实现共点交切。

二维剖切、三维剖切、二维交切封闭和三维共点交切封闭的算法宜采用离散数学理论和拓扑学方法，以适应工程三维模型中不规则对象无法用公式描述的现实需要，从数据合法性和可靠性角度，不宜使用公式拟合、求交等连续数学方法。

在基本模块的基础上，计算模块、加固模块和监测模块为平行关系，可同步开发。

S2、力学计算模块开发

力学计算模块开发主要基于设计对象三维模型进行力学计算功能开发，基于导入的设计对象三维模型和设计对象工作条件/工况实现各类工作条件/工况下设计对象的力学计算。

计算模块包括二维计算接口和三维计算接口，能够基于基本模块的三维数字化模型开展力学计算，因此能够通过三维工程模型剖切生成二维计算模型和直接利用三维工程模型生成三维数值计算模型，并能够将工程模型中的参数自动带入计算模型。

在上述基本模块基础上，通过内置、外接、微服务等形式实现力学计算，进行计算模块的内置计算功能开发，形成软件的核心模块。其中，内置指直接在软件内加入相关力学计算方法，在软件内完成计算，适用于如解析法、极限平衡法、关键块体法等过程相对简捷的方法；

外接是指调用第三方软件进行力学计算，生成力学计算所需要的全部数据，返回计算结果；

微服务与外接相似，是指采用C/S后B/S架构的情形，在服务器完成力学计算，返回计算结果；

外接和微服务适合于计算过程对计算机资源要求较高、耗时较长的方法，如数值方法。

基于工程三维数字化模型开展力学计算的实现方式包括内置、外接和微服务三种方式，但无论哪种方式，都要求所有操作在智能设计软件内完成，外接和微服务方式能够调用大多数常用的力学计算软件，无需脱离本软件直接操作第三方软件，消除传统工作方式下工程设计和力学计算分开执行引起的专业知识衔接问题。

所述内置、外接和微服务所使用的力学计算的方法兼容现实中常用的方法，比如极限平衡法、关键块体法、有限元法、有限差分法或离散元法等，对应的力学计算结果中的参数指标包括安全系数、变形、应力、应变、张开量或错动量等。

基于设计对象的力学计算结果中的参数指标即可确定潜在风险等级、部位和类型，从而进行加固件选择与布置、监测仪器选择与布置。

S3、加固模块开发

加固模块是在基本模块的基础上进行材料与加固件数据库、加固件选择与布置设计准则、加固设计的操作功能开发，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选加固措施。候选加固措施包括选择的加固件和和技术上可行的布置位置。

首先创建工程加固设计所需要的材料（钢筋、钢绞线等）数据库和加固件（锚杆、锚索等）数据库，以满足投资计算和布置设计方面的要求。

然后在加固模块软件中内置各种加固件选择和布置设计准则，加固件的选择与布置设计准则包括加固件的适用范围、加固设计的行业标准和专家经验等。

最后根据力学计算结果中的参数指标选择加固件和技术上可行的布置位置。

将力学计算结果用于加固件选择和布置的智能设计时，不仅需要考虑加固件的适用范围，还需要依据相关的设计规范/标准、行业约定的设计方法乃至专家经验等，其中的专家经验可以是统计结果。选择候选加固措施时的基本准则包括：

在加固件选择时，首先考虑加固件所能提供的加固力和设计安全系数所需加固力之间的关系，其次是加固件的作用范围（如长度）与潜在风险区几何尺寸（如深度），判断能否满足布置要求；

鉴于问题的复杂性和设计方案的非唯一性，将基于计算结果的设计参数与已实施同类工程的统计结果进行对比，验证其现实合理性，并以此提高智能设计方案的可靠性。

下面结合不同设计对象的具体特点进行候选加固措施选择说明。

针对边坡，力学计算优先使用极限平衡法，其次是数值法，将计算获得的安全系数大小作为加固方案设计的首选输入参数；

针对洞室，在国内水电行业应用时首选水工隧洞支护设计规范、其他行业首选基于BQ围岩分级的设计规范，在海外工程应用时首选Q系统。无论哪种情形，都可使用洞室围岩支护工程案例统计结果进行复核；

针对隧洞工程，当存在大变形风险时，使用收敛应变法（CCM）进行复核；当存在岩爆风险时，使用改进的安省法进行复核。

S4、监测模块开发

监测模块主要是在基础模块的基础上进行监测仪器库、监测仪器选择与布置设计准则、监测设计的操作功能开发，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选监测措施。候选监测措施包括选择的监测仪器和技术可行的布置位置。

首先创建工程安全监测的监测仪器数据库，从而允许计算机针对计算结果揭示的问题在数据库中选择合适的仪器、动态创建相应的监测数据记录表单与数据库。

然后在监测模块中内置各种监测仪器选择与布置设计准则，包括仪器适用范围、行业性设计标准和专家经验等。

最后基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选监测措施，具体包括：

建立力学计算结果中的参数指标与监测仪器选择的关系，包括变形计算结果与变形监测仪器关联的基本关系、应变与应变计或压力计管理的基本关系、加固件受力情况和测力计关联的基本关系、张开变形与侧缝计关联的基本关系、错动变形与位错计关联的基本关系。根据力学计算结果中的参数指标大小进行分级，进行监测仪器选择和布置。

S5、根据工程安全和工程投资要求，从候选加固措施和候选监测措施中筛选最佳加固措施和最佳监测措施作为工程设计智能推荐方案。

在加固模块、监测模块的基础上，根据行业标准对工程安全的要求选定必须采用的加固和监测措施及其布置，并计算相应的工程投资；然后根据具体工程对安全要求情况和投资能力，增补必要的加固和监测手段，整个过程依赖计算机软件完成，实现智能化设计。

加固模块和监测模块开发需要考虑设计对象类型、行业或地区技术标准、加固件和监测仪器适应范围与条件、专业性设计方法、专家经验等多个方面因素的影响，需要专业和软件两方面知识的深度融合，对专业需求分析、抽象分类以后制定开发方案，再针对具体需要开发应用功能。图4所示的大变形问题加固设计CCM方法实原理图体现了上述开发思路，涉及三个层次：

设计对象：圆形或跨高比接近的隧洞/隧道工程

专业分类：针对软件引起的挤压大变形问题

专业方法：围岩收敛应变解方法（CCM法），是一个用于估算作用在隧洞掌子面后方支护结构上的荷载的解析方法，根据变形程度选择加固件和推荐加固参数，是实现智能设计的具体环节。

图4所示的CCM法是基于理想弹塑性理论建立的一种解析方法，对围岩变形特征和支护需要通过三条基本曲线表达，这三条曲线分别为：

（1）轴向变形曲线(LDP)：描述各断面围岩径向变形大小随隧洞轴线的变化，即掌子面前后方的分布特征，揭示围岩变形是否趋于收敛、即围岩是否趋于稳定。其中断面位置采用与掌子面的距离表示，即图中右侧纵轴。

（2）围岩响应曲线（GRC）：描述了掌子面后方围岩最大径向变形与支护压力的关系，其中最大径向变形用横坐标表示，支护压力由左侧纵坐标定义。

（3）支护压力曲线：表示给定的支护设计方案所能能够提供的支护压力及其与围岩径向变形的协同关系，后者指支护安装以后完全发挥作用所需要经历的围岩变形量。

在完成基本模块、力学计算模块、加固模块和监测模块开发后，即可进行工程智能设计。如图5所示为本发明的基于三维数字模型的工程智能设计方法的工程设计流程图，先从基本模块导入设计对象的三维数字化模型和力学计算所需要的参数，在力学计算模块中根据设计对象类型和工作条件（工况）、采用相应的力学方法计算获得各工况下设计对象的计算结果，根据计算结果中的相关参数指标和行业标准/安全需求确定潜在安全风险等级、部位和类型，然后在加固模块和监测模块中在根据设计准则智能选择加固措施和监测仪器、并给出候选布置方案，最终结合具体工程特点及其对应的工程安全要求、投资条件等，推荐其中的最佳设计方案，完成智能设计。

本发明将依赖输入参数指标的加固和监测设计准则内置在计算机软件内，通过基于数字化模型的力学计算获得其中的输入参数指标，从而实现计算机智能推荐，实现工程安全和投资之间的最佳平衡。

与上述方法实施例相对应，本发明提出一种基于三维数字模型的工程智能设计系统，所述系统包括：

基本模块：用于设计满足工程设计所需的软件架构，建立设计对象的数据结构，进行通用图形几何算法和应用功能开发，以导入设计对象三维模型和设计对象工作条件/工况；

力学计算模块：用于基于设计对象三维模型进行力学计算，基于导入的设计对象三维模型和设计对象工作条件/工况实现各类工作条件/工况下设计对象的力学计算；

加固模块：用于建立材料与加固件数据库、加固件选择与布置设计准则和加固设计的操作功能，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选加固措施；

监测模块：用于建立监测仪器库、监测仪器选择与布置设计准则和监测设计的操作功能，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选监测措施；

智能推荐模块：用于根据工程安全和工程投资要求，从候选加固措施和候选监测措施中筛选最佳加固措施和最佳监测措施作为工程设计智能推荐方案。

以上系统实施例和方法实施例是一一对应的，系统实施例简述之处请参阅方法实施例即可。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三维数字模型的工程智能设计方法，其特征在于，所述方法包括：

设计满足工程设计所需的软件架构，建立设计对象的数据结构，进行通用图形几何算法和应用功能开发，以导入设计对象三维模型和设计对象工作条件；

基于设计对象三维模型进行力学计算功能开发，基于导入的设计对象三维模型和设计对象工作条件实现各类工作条件下设计对象的力学计算，根据力学计算结果中的相关参数指标和行业标准/安全需求确定潜在安全风险等级、部位和类型；

进行材料与加固件数据库、加固件选择与布置设计准则、加固设计的操作功能开发，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选加固措施；

进行监测仪器库、监测仪器选择与布置设计准则、监测设计的操作功能开发，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选监测措施；

根据工程安全和工程投资要求，从候选加固措施和候选监测措施中筛选最佳加固措施和最佳监测措施作为工程设计智能推荐方案；

所述设计对象的数据结构同时兼容不规则和规则设计对象的三维数字化模型以及设计对象的属性与参数值；

所述设计对象三维模型包括不规则地质体和岩土工程结构对象的三维数字化模型；

不规则地质体包括地表、地层和断裂；

岩土工程结构对象包括规则和不规则的开挖轮廓和加固结构；

所述设计对象三维模型中包含力学计算所需要的全部参数，包括地层、断裂、加固结构的物理力学参数；

所述加固件选择与布置设计准则包括加固件的适用范围、加固设计的行业标准和专家经验；

所述监测仪器选择与布置设计准则包括仪器适用范围、行业性设计标准和专家经验。

2.根据权利要求1所述的基于三维数字模型的工程智能设计方法，其特征在于，所述通用图形几何算法和应用功能包括：规则与不规则设计对象三维模型的二维剖切、三维剖切、二维交切封闭和三维共点交切封闭；

其中，二维交切封闭是根据二维工程图中的不规则多段线彼此之间的交切关系及其与指定边界的交切关系寻找出的闭合回路组成的严格封闭的二维区域；

三维共点交切封闭是指三维不规则空间彼此面相交时不仅共交线，而且在交线上共节点；

二维剖切、三维剖切、二维交切封闭和三维共点交切封闭的算法采用离散数学理论和拓扑学方法。

3.根据权利要求1所述的基于三维数字模型的工程智能设计方法，其特征在于，所述基于设计对象三维模型进行力学计算功能开发的方式包括内置、外接和微服务；

其中，内置是指直接在当前工程设计软件中嵌入相关力学计算方法，完成力学计算，获取计算结果；

外接是指调用第三方软件进行力学计算，完成力学计算后返回计算结果；

微服务是指采用C/S后B/S架构的情形，在服务器完成力学计算，返回计算结果；

所述力学计算的方法包括极限平衡法、关键块体法、有限元法、有限差分法或离散元法，力学计算结果中的参数指标包括安全系数、变形、应力、应变、张开量或错动量。

4.根据权利要求1所述的基于三维数字模型的工程智能设计方法，其特征在于，所述基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选加固措施具体包括：

针对边坡，使用极限平衡方法或数值计算方法，将计算获得的安全系数大小作为加固方案设计的输入参数；

针对洞室，在国内水电行业应用时，选择水工隧洞支护设计规范，其他行业选择基于BQ围岩分级的设计规范，在海外工程应用时选择Q系统；

针对隧洞工程，当存在大变形风险时，使用收敛应变法进行复核；存在岩爆风险时，使用改进的安省法进行复核；

所述候选加固措施包括选择的加固件和和技术上可行的布置位置。

5.根据权利要求1所述的基于三维数字模型的工程智能设计方法，其特征在于，所述基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选监测措施具体包括：

建立力学计算结果中的参数指标与监测仪器选择的关系，包括变形计算结果与变形监测仪器关联的基本关系、应变与应变计或压力计管理的基本关系、加固件受力情况和测力计关联的基本关系、张开变形与侧缝计关联的基本关系和错动变形与位错计关联的基本关系；

根据力学计算结果中的参数指标大小进行分级，选择出候选监测措施；

所述候选监测措施包括选择的监测仪器和技术可行的布置位置。

6.一种基于三维数字模型的工程智能设计系统，其特征在于，所述系统包括：

基本模块：用于设计满足工程设计所需的软件架构，建立设计对象的数据结构，进行通用图形几何算法和应用功能开发，以导入设计对象三维模型和设计对象工作条件；

力学计算模块：用于基于设计对象三维模型进行力学计算，基于导入的设计对象三维模型和设计对象工作条件实现各类工作条件下设计对象的力学计算，根据力学计算结果中的相关参数指标和行业标准/安全需求确定潜在安全风险等级、部位和类型；

加固模块：用于建立材料与加固件数据库、加固件选择与布置设计准则和加固设计的操作功能，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选加固措施；

监测模块：用于建立监测仪器库、监测仪器选择与布置设计准则和监测设计的操作功能，实现基于设计对象的力学计算结果中的参数指标选择候选监测措施；

智能推荐模块：用于根据工程安全和工程投资要求，从候选加固措施和候选监测措施中筛选最佳加固措施和最佳监测措施作为工程设计智能推荐方案；

所述设计对象的数据结构同时兼容不规则和规则设计对象的三维数字化模型以及设计对象的属性与参数值；

所述设计对象三维模型包括不规则地质体和岩土工程结构对象的三维数字化模型；

不规则地质体包括地表、地层和断裂；

岩土工程结构对象包括规则和不规则的开挖轮廓和加固结构；

所述设计对象三维模型中包含力学计算所需要的全部参数，包括地层、断裂、加固结构的物理力学参数；

所述加固件选择与布置设计准则包括加固件的适用范围、加固设计的行业标准和专家经验；

所述监测仪器选择与布置设计准则包括仪器适用范围、行业性设计标准和专家经验。

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