CN115640634A - 一种高速公路施工场景动态建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及道路、桥梁场景建模技术领域，更具体而言，涉及一种高速公路施工场景动态建模方法。包括步骤：S1、确定建立高速公路动态施工场景的模型参数，包括路、桥、隧道中组成部件；S2、通过公路设计和施工数据计算动态建立路、桥、隧道阶段模型；S3、公路施工场景合成，解决路、桥、隧道与地形几何模型碰撞问题；S4、采用混合并行计算快速生成施工阶段模型。该建模方法结合施工阶段的进度数据，自动生成不同施工阶段场景模型，真实反映出施工过程中地面模型与构筑物模型融合后的变化过程，建模效率和灵活性完全满足施工需求，且无需借助任何第三方软件和人工干预，完全自主版权。本发明主要应用于高速公路施工场景动态建模方面。

Description

一种高速公路施工场景动态建模方法

技术领域

本发明涉及道路、桥梁场景建模技术领域，更具体而言，涉及一种高速公路施工场景动态建模方法。

背景技术

目前BIM技术在工程建设领域的应用发展迅猛，BIM技术能将参数与信息实现共享与可视化，从而为工程设计、建设和运维提供帮助。近年来BIM技术也逐渐在高速公路建设中得到应用，建立的道路设计、施工建设及运维的协同工作平台为公路建设全周期提供了直观的信息管理。

建立高速公路BIM技术应用的关键问题是公路场景的建模。现有的公路建模，通常是采用第三方建模软件预先生成路桥隧的三维模型，通过一些标注、图表信息体现施工进度，不能直观展示目前施工状态的三维模型。参数化建模技术，为自动生成模型提高一种途径，但参数模型缺少与施工进度数据的关联，不能生成施工阶段模型。与地形的碰撞处往往通过第三方插件进行人工编辑，相关技术自动化程度低、效率低下，而且受版权限制。因此，需要建立一种在共享设计、施工数据基础上，自动建立公路建设场景的动态建模方法。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种自主版权的高速公路施工场景动态建模方法，该建模方法结合施工横纵方向特点，建立动态参数化模型，可动态生成任意施工阶段模型，可避免公路场景中地形覆盖和去除覆盖地形出现裂缝，解决了高速公路与地形间碰撞问题。依据二维设计、施工数据，利用计算机图形学并、交、差集合、空间分割、混合并行计算等一系列处理，快速生成与施工数据一一对应的三维场景动态模型。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种高速公路施工场景动态建模方法，包括以下步骤：

S1、确定建立高速公路动态施工场景的模型参数，包括路、桥、隧道中组成部件；

S2、动态建立路、桥、隧道阶段模型，通过公路设计和施工数据计算模型；

S3、公路施工场景合成，解决路、桥、隧道与地形几何模型碰撞问题；

S4、采用混合并行计算生成施工阶段模型。

所述S1的操作步骤为，S11、路基按照桩号横断面上的边坡、平台和边沟设计参数计算关键点，施工阶段路基高程作为阶段模型控制参数；

S12、桥梁按照上下部结构组成进行分类拆分，每种类型由几何参数、位置变化参数定义，施工阶段模型由各部件的高度、长度或宽度的施工数据决定；

S13、隧道主体结构洞身由三心圆参数定义，长度表示掘进、初衬、防水的施工阶段横向参数，厚度表示隧道墙壁厚度变化。

所述S2的操作步骤为，S21、根据公路设计路线生成路线逐桩坐标，在此基础上结合路基横断面设计，生成路基横断面上的关键点；

S22、在路基施工阶段，输入当前路基左右幅的路基顶面高程，确定所在设计关键点位置，进行线性插值得到当前施工状态的关键点序列，连接连续桩号相同属性关键点形成路基面，形成路基施工模型；

S23、按照桥梁设计参数，实例化建立每座桥梁每个部件的几何模型，根据桩基础、墩台施工高度，由部件的底面放样生成不同施工阶段模型；

S24、根据隧道三心圆参数生成隧道横断面外墙轮廓点，相邻断面连续两个对应点连接生成四边形，建立隧道洞身设计模型，输入洞身掘进长度，采用线性插值生成当前施工位置洞身模型，根据初衬、二衬、防水施工进度，改变内墙壁厚度，结合掘进长度，动态生成隧道施工阶段模型。

所述S3的操作步骤为，S31、提取地形不规则三角网中的高程点，构成地形顶点集T；

S32、计算路基与地形接触面中的顶点集R，同时计算接触面边界上的线段集C，计算桥梁桩桩底面多边形的顶点集BR1及线段集BC1，计算承台与地形接触面多边形的顶点集BR2及线段集BC2，并形成总的顶点集合BR＝BR1+BR2和约束线段集BC＝BC1+BC2；

S33、判断线段集C、BC中是否存在相交线段，如出现相交情况，两线段从交点处分解为四条线段，记总的线段集为L；

S34、对顶点集T+R+BR和线段集L应用约束Delaunay三角剖分，形成统一的地形表面三角网S；

S35、隧道洞口与地形表面接触面用空间倾斜多边形表示，向水平面投影后形成平面多边形，并进行三角化形成三角形集M，地形表面三角网S与洞口三角形进行M进行差计算S＝S-M，形成地表缺口；

S36、将碰撞处理后的地形三角网与路、桥、隧道几何模型组合成高速公路场景模型。

道路施工桩号通过建立线程部署到GPU计算单元上；桥梁和隧道施工中的单个对象采用CPU单核计算机其几何模型。

划分路、桥、隧道组成部件，每个部件的施工进度与相关参数关联，实现施工数据驱动的阶段模型生成。

所述步骤S22中，输入路基面施工高程值后，搜索所处设计关键点对，利用线性插值计算后生成施工阶段路基关键点序列坐标。

所述步骤S32中，实现路基及桥梁与地形碰撞，实现地形几何模型与路桥模型的融合，桥梁与地形碰撞包括桩基础和承台。

所述步骤S35中，隧道与地形的碰撞处理，几何布尔差运算裁剪掉洞口处地形。

建立混合并行计算模型，快速生成路、桥、隧道施工阶段模型，路基采用基于数据级的GPU并行计算，桥隧采用基于任务级的CPU多核并行计算。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)在现有参数化建模方法基础上，结合施工横纵方向特点，建立动态参数化模型，可动态生成任意施工阶段模型；

(2)混合并行计算模型提高施工阶段计算效率。针对路、桥、隧数据特点，路基断面数据密切计算相似，利用GPU进行数据级并行计算，而桥隧组成复杂，利用CPU多核进行任务级并行计算，大幅缩短了模型计算时间。

(3)地形与路基采用构建CDT三角网、地形与隧道口采用几何布尔运算，避免了公路场景中地形覆盖和去除覆盖地形出现裂缝，解决了高速公路与地形间碰撞问题。

(4)根据建模流程，利用路、桥、隧设计和施工数据自动生成施工阶段公路场景模型，提高了场景建模的效率。

整个建模过程只需要准备原始地面高程数据以及路、桥、隧设计数据，结合施工阶段的进度数据，便可自动生成不同施工阶段场景模型，真实反映出施工过程中地面模型与构筑物模型变化过程，建模效率和灵活性完全满足施工需求。本发明从动态模型的建立、不同模型之间碰撞融合处理到施工场景的搭建，无需借助任何第三方软件和人工干预，完全自主版权。

附图说明

图1为本发明建模方法流程图；

图2为本发明路基施工过程几何模型变化示意图；

图3为本发明桥梁施工阶段模型变化示意图；

图4为本发明桥梁花瓶墩施工阶段模型图；

图5为本发明隧道洞身施工阶段模型变化示意图；

图6为本发明隧道洞身模型衬砌参数变化示意图；

图7为本发明路基与地形融合三角网图；

图8为本发明融合后的施工场景图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1至图8所示，一种高速公路施工场景动态建模方法，在路桥隧的设计图纸基础上，结合施工过程中的横纵变化特点，建立路桥隧道的动态参数模型。

根据标准路基横断面设计图，建立道路左右幅路基填挖方横断面的参数模型。

路基按照中心点分成左右幅，分别设置填方或挖方模板。填方从中心点按照左右幅分别向路基坡口(坡脚)方向按照路面、边坡(多级时边坡、平台重复)、护坡道、排水沟顺序提取参数，挖方按照开挖线、边坡(多级时平台、边坡重复)、碎落台、边沟、路面顺序提取参数。根据计算出的数据生成横断面上关键点Pi，P0 P1 P2…Pn坐标，其中P0为路面最左(右)点，Pn为坡脚(口)点，并设置flag，区分边坡、排水沟、碎落台等，连接同属性关键点坐标Pi构成横断面静态数据模型。

结合横断面左右幅施工高度和宽度数据，对横断面静态数据模型进行线性插值，生成施工阶段的动态横断面数据模型。结合路线施工长度数据，连接相邻横断面模型同属性关键点坐标，构成路基施工过程中的动态参数模型。

按照桥梁的组成，分别建立桥梁的桥跨结构(上部结构)、支座、桥墩、桥台及墩台桩基础参数模型。每部分按照结构不同进行分类，形成不同结构的多类型参数模型，并提取施工过程中体现模型变化的横纵向参数。

根据桥梁施工过程，桥墩、桥台及墩台桩基础由施工高度生成局部模型(纵向参数高度控制)。桥跨结构(上部结构)、支座由高度和长度生成局部模型(横向和纵向参数控制)。

建立隧道的洞门和洞身参数。

洞身按照设定距离(如1米、10米间隔)自动建立横断面数据模型。横断面由拱顶、拱墙、仰拱三部分组成，根据三心圆参数建立断面几何数据模型。隧道洞口模型包括洞门、边仰坡模型。根据具体的结构类型建立参数模型。

施工过程中，利用掘进长度参数，生成洞身模型外轮廓。再结合超前支护、明洞施工、洞身开挖、初期支护施工、防水、二衬挂钢筋网、二次衬砌施工等过程改变圆半径参数，由横断面形式生成纵向内轮廓线，从而建立洞身动态参数模型。

根据现场采集施工数据，动态生成施工阶段模型，并利用CPU多核与GPU并行计算提高速度。

路基施工阶段模型生成

路基施工数据组成：桩号、左(右)幅、路面高程h。设路基设计参数模型中第i顺序点的高程为hi，h0为路面高程，hn为坡脚(口)高程。根据左右幅路面施工高程h，按照下列步骤生成路基横断面施工顺序点。

(1)确定当前高度h确定所在顺序点区间，当hk≤h<hk+1时，利用区间高度和施工高度，结合Pk和Pk+1坐标插值计算h高度对应点V。

(2)在(1)基础上，形成当前施工阶段横断面上顺序点V0…Vn，V0为设计坡脚(口)点。

(3)筛选顺序点V0…Vn，结合顺序点的flag，去掉没有施工的顺序点，形成当前施工断面的顺序点序列。

(4)根据已经施工的相邻桩号上的顺序点属性，进行顶点连接形成四边形，建立几何模型，同时根据连续桩号间的距离计算顶点纹理坐标。

桥梁施工阶段模型生成

对桥梁进行分解，根据每个部件的结构及施工步骤，动态生成几何模型。

(1)桥下部结构

桩基础：一般为圆柱体，由施工高度数据生成桩基础的阶段几何模型。

桥墩：类型较多，根据施工的高度及设计模型的水平截面，生成阶段几何模型。如图4所示，一种花瓶墩动态建模方法，首先根据设计图纸生成桥墩轮廓关键点序列(由下向上分成4个序列)，根据施工高度数据h，定位落在每条序列中点对ViVj，再根据点Vi和Vj的z值及高度h插值计算当前4个序列最高点坐标，最后进行顶点连接形成4个侧面和顶面。其它桥梁结构部件方法类似。

桥台：由施工高度及台身、台帽的水平截面生成阶段几何模型。

(2)桥上部结构

桥梁：分为预制和现浇两种方式，对于预制方式，直接根据施工完成状态，自动将计算生成的几何模型放置所在位置。现浇方式横向采用参数桩号控制，纵向采用参数高度控制，结合桥面逐桩坐标，生成阶段几何模型。

桥面：由钢筋和混凝土浇筑形成的桥面模型有横向参数桩号，纵向参数为横断面方向长度，厚度参数。

(3)桥附属结构

栏杆：由桩号参数及高度参数、形状参数生成阶段几何模型。

交通标识牌：由国家标准生成各类型模型库，根据位置及类型，直接安装模型，编辑版面内容。

隧道施工阶段模型生成

隧道施工阶段主要体现在洞身施工过程建模，涉及模型变化的主要步骤有掘进、初衬、防水、二衬。

掘进过程形成隧道的墙壁，通过掘进长度和隧道断面参数动态计算生成隧道墙壁几何模型。后续工序在此模型基础上通过厚度参数建立内壁模型，赋予不同纹理表现。如图6所示，隧道洞身动态建模方法，首先根据设计图纸三心圆参数生成洞身外轮廓关键点序列，结合路线逐桩坐标数据，进行几何平移和旋转变换生成每个桩号的洞身断面外轮廓关键点序列。根据掘进长度，确定已经施工桩号序列。再根据初衬、防水、二衬施工进程，读取对应衬砌参数，重新计算每个桩号处洞壁厚度h，并利用圆心和外轮廓点坐标插值计算内轮廓点坐标。

CPU多核与GPU并行计算

道路施工过程中，设计道、桥、隧道的阶段模型计算量大，为了快速生成阶段几何模型，根据模型计算特点，利用计算机硬件进行并行计算提高速度。

路基模型GPU并行计算。道路施工路线较长时，桩号数目较多，每个桩号的顺序点计算独立性强，建立线程部署到GPU计算单元上。具体过程是(1)初始化桩号设计参数，分别host内存；(2)申请device内存；(3)从host将桩号数据拷贝到Device；(4)运行每个桩号对应的核函数(计算桩号施工阶段的关键点)；(5)将device上的计算结果拷贝到host；(6)释放host和device上分配的内存。

桥梁和隧道相对数量较小，对施工中的单个对象采用CPU单核计算其几何模型，CPU核心数越多性能提高越显著。具体步骤：(1)检测计算机CPU核心数目；(2)创建与核心数相等的计算线程；(3)分配计算对象线程；(4)等待线程结束；(5)重复(3)，直至任务完成。

结合与地形的碰撞方式，进行路、桥、隧道与地形的融合建模。

高速公路施工场景由路、桥、隧道几何模型和地形组成。融合建模步骤包括：

1、提取地形不规则三角网中的顶点，构成地形顶点集T；

2、对相邻桩号形成的断面点，连接形成多边形V0…VW…W0；

3、计算路基多边形中每条边与其它多边形边交点，并将两相交边分别分解为二条线段。提取分解后的多边形顶点形成集合R，边形成约束线段集合C。

4、计算桥梁桩桩底面多边形(圆离散化)的顶点集BR1及线段集BC1。计算承台与地形接触面多边形的顶点集BR2及线段集BC2，并形成总的顶点集合BR＝BR1+BR2和约束线段集BC＝BC1+BC2。

5、对顶点集T+R+BR和约束集C+BC应用约束Delaunay三角剖分(CDT：ConstrainedDelaunay Triangulations)，形成统一的地形表面三角网S。

6、隧道洞口与地形表面接触面用空间倾斜多边形表示，向水平面投影后形成平面多边形，并进行三角化形成三角形集M。

7、地形表面三角网S与洞口三角形进行M进行差计算S＝S-M，形成地表缺口。

8、地形三角网与路、桥、隧几何模型组合成高速公路场景模型。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速公路施工场景动态建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定建立高速公路动态施工场景的模型参数，包括路、桥、隧道中组成部件；

S2、动态建立路、桥、隧道阶段模型，通过公路设计和施工数据计算模型；

S3、公路施工场景合成，解决路、桥、隧道与地形几何模型碰撞问题；

S4、采用混合并行计算生成施工阶段模型。

2.根据权利要求1所述的一种高速公路施工场景动态建模方法，其特征在于：所述S1的操作步骤为，S11、路基按照桩号横断面上的边坡、平台和边沟设计参数计算关键点，施工阶段路基高程作为阶段模型控制参数；

S12、桥梁按照上下部结构组成进行分类拆分，每种类型由几何参数定义，施工阶段模型由各部件的高度、长度或宽度决定；

S13、隧道主体结构洞身由三心圆参数定义，长度表示掘进、初衬、防水的施工阶段横向参数，厚度表示隧道墙壁厚度变化。

3.根据权利要求2所述的一种高速公路施工场景动态建模方法，其特征在于：所述S2的操作步骤为，S21、根据公路设计路线生成路线逐桩坐标，在此基础上结合路基横断面设计，生成路基横断面上的关键点；

S22、在路基施工阶段，输入当前路基左右幅的路基顶面高程，确定所在设计关键点位置，进行线性插值得到当前施工状态的关键点序列，连接连续桩号相同属性关键点形成路基面，形成路基施工模型；

S23、按照桥梁设计参数，实例化建立每座桥梁每个部件的几何模型，根据桩基础、墩台施工高度，由部件的底面放样生成不同施工阶段模型；

S24、根据隧道三心圆参数生成隧道横断面外墙轮廓点，相邻断面连续两个对应点连接生成四边形，建立隧道洞身设计模型，输入洞身掘进长度，采用线性插值生成当前施工位置洞身模型，根据初衬、二衬、防水施工进度，改变内墙壁厚度，结合掘进长度，动态生成隧道施工阶段模型，此方法同样满足特殊灯光带和紧急停车带模型建立。

4.根据权利要求3所述的一种高速公路施工场景动态建模方法，其特征在于：所述S3的操作步骤为，S31、提取地形不规则三角网中的高程点，构成地形顶点集T；

S32、计算路基与地形接触面中的顶点集R，同时计算接触面边界上的线段集C，计算桥梁桩桩底面多边形的顶点集BR1及线段集BC1，计算承台与地形接触面多边形的顶点集BR2及线段集BC2，并形成总的顶点集合BR＝BR1+BR2和约束线段集BC＝BC1+BC2；

S33、判断线段集C、BC中是否存在相交线段，如出现相交情况，两线段从交点处分解为四条线段，记总的线段集为L；

S34、对顶点集T+R+BR和线段集L应用约束Delaunay三角剖分，形成统一的地形表面三角网S；

S35、隧道洞口与地形表面接触面用空间倾斜多边形表示，向水平面投影后形成平面多边形，并进行三角化形成三角形集M，地形表面三角网S与洞口三角形进行M进行差计算S＝S-M，形成地表缺口；

S36、将碰撞处理后的地形三角网与路、桥、隧道几何模型组合成高速公路场景模型。

5.根据权利要求4所述的一种高速公路施工场景动态建模方法，其特征在于：路基施工过程中横断面关键点计算通过建立线程部署到GPU计算单元上；桥梁和隧道施工中的单个对象采用CPU单核计算其几何模型。

6.根据权利要求2所述的一种高速公路施工场景动态建模方法，其特征在于：根据施工工序拆分路、桥、隧道构筑物部件，每个部件的施工进度与相关模型参数关联，实现施工数据驱动阶段模型生成。

7.根据权利要求3所述的一种高速公路施工场景动态建模方法，其特征在于：所述步骤S22中，输入路基面施工高程值后，搜索所处设计关键点对，利用线性插值计算后生成施工阶段路基关键点序列坐标。

8.根据权利要求4所述的一种高速公路施工场景动态建模方法，其特征在于：所述步骤S32中，实现路基及桥梁与地形碰撞，实现地形几何模型与路桥模型的融合，桥梁与地形碰撞包括桩基础和承台。

9.根据权利要求4所述的一种高速公路施工场景动态建模方法，其特征在于：所述步骤S35中，隧道与地形的碰撞处理，几何布尔差运算裁剪掉洞口处地形。

10.根据权利要求5所述的一种高速公路施工场景动态建模方法，其特征在于：建立混合并行计算模型，快速生成路、桥、隧道施工阶段模型，路基采用基于数据级的GPU并行计算，桥隧采用基于任务级的CPU多核并行计算。

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