CN115659474A - 一种实现bim与sap2000基坑开挖计算一体化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，包括：用Revit软件建立BIM参数化模型，三维参数化模型有效地集成了项目的各种相关信息并约定好后续计算分析所需的结构及其属性的命名规范，将三维的BIM模型导出为通用的IFC文件，获取IFC文件中所有实例单元的几何信息和模型单元的参数属性，以提取计算所需的关键模型数据，在获取BIM模型参数、几何信息的基础上，通过程序建立适用于荷载‑结构分析模型的基坑模型，生成.S2K格式文件导入SAP2000中进行计算分析，来实现BIM‑SAP2000基坑计算一体化技术。

Description

一种实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法

技术领域

本发明涉及深基坑(例如地铁车站、地下市政道路、地下市政管廊等)开挖和BIM-SAP2000数据接口技术领域技，尤其涉及一种实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法。

背景技术

当前城市建设正顺应潮流不断加速，地面交通压力也随之越来越大，构建地铁交通网络缓解城市交通压力已成为各城市的建设热点或未来规划。修建地铁自然离不开深基坑工程的施工，而地铁布线和地铁车站的选址多在人流密集处或市政要地，工程较隐蔽，施工环境复杂，影响因素众多，施工质量要求严格。在施工中任何问题的处理不当都会对已有环境和施工现场带来一系列安全隐患。

BIM的应用与研究在建筑结构等领域发展迅速，许多结构设计软件与BIM软件之间已经有较成熟的数据模型转换接口，其原理基本是基于IFC的中间格式进行的，但岩土工程领域由于文件格式和参数选取等原因导致BIM的应用实例较少。针对上述问题，应从基于基坑工程开挖计算的设计角度出发，对开挖工程支护结构做合理设计，而目前的深基坑工程设计与计算分析还处于割裂状态，难以完成高效的工程任务。

发明内容

本发明提供了一种实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，用以解决或者至少部分解决现有技术中存在的深基坑工程设计与计算分析互相割裂，难以完成高效的工程任务的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，包括：

S1：建立BIM参数化模型，并将BIM参数化模型导出为IFC文件，根据图元所对应的工程对象的类型进行识别属性标注，其中，IFC文件包括多个图元，图元包含的几何信息和参数信息通过数据块的形式存储，图元与工程对象具有对应关系，工程对象的类型包括基坑支护结构、基坑内支撑和土体；

S2：利用解析程序对IFC文件进行解析，根据标注的识别属性识别出图元所对应的工程对象，然后分别提取出图元包含的几何信息和参数信息，并将几何信息与物理参数进行匹配绑定，其中，提取出的几何信息和参数信息分别存储为OBJ文件和JSON文件，几何信息包括关键几何图形顶点坐标和图形的拓扑信息，参数信息包括物理参数和施工参数；

S3：根据解析程序得到的几何信息，从基坑支护结构和基坑内支撑中提取几何关键点坐标，同时记录关键高程信息，然后对提取得到的几何关键点坐标进行排序，基于排序后的节点和关键高程信息，生成SAP2000基坑开挖计算的计算要素，构成支持SAP2000计算的格式文件，其中，关键高程信息包括基坑内支撑的高程、基坑外地基土的分层界面高程；

S4：将支持SAP2000计算的格式文件导入SAP2000中进行计算分析，实现BIM与SAP2000基坑开挖计算的一体化。

在一种实施方式中，步骤S1中根据工程对象的类型进行识别属性标注包括：

对基坑支护结构的实体采用弹性本构模型进行标注，对基坑内支撑实体采用梁单元模型进行标注，对土体采用土体本构模型进行标注。

在一种实施方式中，S2在利用解析程序对IFC文件进行解析时，将完整的图元设计为类，将图元内所包含的信息设计为类成员，提取图元包含的几何信息的方式为：

采用三角单元解析函数对IFC文件中的各个图元逐一解析，获取BIM参数化模型中各个图元的关键几何图形顶点坐标和图形的拓扑信息。

在一种实施方式中，S2中提取图元包含的参数信息的方式为：

利用模型属性参数数值解析函数获取各图元所对应的工程对象的物理参数和施工参数。

在一种实施方式中，步骤S2中将几何信息与物理参数进行匹配绑定，包括：

当解析程序对一个图元的数据块进行解析操作时，生成一个通用唯一识别码UUID，并赋值给该数据块中的所有数据；

将生成的UUID传输到OBJ文件与JSON文件中，实现OBJ文件中的几何信息与JSON文件的物理参数信息之间的匹配绑定。

在一种实施方式中，步骤S3中的关键高程信息包括土层分界处的高程、支撑设置的高程、开挖面的高程。

在一种实施方式中，步骤S3中基于排序后的节点和关键高程信息，生成SAP2000基坑开挖计算的计算要素，包括：

根据提取的关键高程信息，将XOY平面上的投影点复制到对应的高程处，对所有节点进行排序并编号，遍历所有节点，按逆时针排列生成面域，其中，XOY平面上的投影点为几何关键点投影到XOY平面得到的点；

根据解析程序得到的识别属性和UUID确定基坑内支撑的坐标，通过坐标匹配获取两个节点在SAP2000中的节点编号，输出字符串至.S2K文件，生成相应的框架单元；

通过高程插值计算关键高程处节点的土压力；

采用SAP2000中的面弹簧模拟土弹簧，通过遍历与面域关联的节点的高程，检索开挖面高程以下的所有面域，在检索到的面域上与对应的高程进行关联。

在一种实施方式中，遍历所有节点，按逆时针排列生成面域，包括：

获取关键高程的数量，确定需要复制节点的数量；

将投影面上的节点复制到对应的高程处；

按照逆时针方向将每个节点与其同层对应节点以及其下层节点顺次连接，形成面域几何体；

根据面域内各节点坐标判定该面域所属的OBJ几何体，并通过OBJ几何体的UUID值匹配出对应的物理参数，将该面域的所有信息按照.S2K文件的数据结构流输出，其中，OBJ几何体与OBJ文件对应。

在一种实施方式中，在步骤S2之后，所述方法还包括：对从IFC文件中提取的信息进行组织，按照计算软件SAP2000中的数据结构进行序列化，得到每个节点的坐标和节点编号。

在一种实施方式中，所述方法还包括：通过索引节点坐标中Z坐标最小值所对应的节点编号，对这些节点编号所对应的节点设置计算所需的边界条件。

相对于现有技术，本发明的优点和有益的技术效果如下：

本发明提供的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，利用Revit软件建立BIM参数化模型，三维参数化模型有效地集成了项目的各种相关信息并约定好后续计算分析所需的结构及其属性的命名规范，将三维的BIM模型导出为通用的IFC文件，通过解析程序获取IFC文件中所有实例单元(图元)的几何信息和模型单元的参数属性，从而实现计算所需的关键模型数据的提取，接着，根据解析程序得到的几何信息，从基坑支护结构和基坑内支撑中提取几何关键点坐标，同时记录关键高程信息，然后对提取得到的几何关键点坐标进行排序，基于排序后的节点和关键高程信息，生成SAP2000基坑开挖计算的计算要素，构成.S2K格式文件，该文件导入SAP2000中进行计算分析，实现了BIM-SAP2000基坑计算的一体化，解决了现有技术中存在的深基坑工程设计与计算分析互相割裂，难以完成高效的工程任务的技术问题。

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是本发明实施例中提供的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法的流程图；

图2是本发明实施例中OBJ图元构件的示意图，OBJ图元构件是一种轻量级的几何定义类文件格式，可灵活兼容各种三维几何编辑程序或软件；

图3是本发明实施例中JOSN文件的示意图，JOSN文件是一种易于人阅读编写同时也易于机器解析的轻量级数据交换格式，本身的数据结构是一个序列化的对象集，文件中的数据以键值对的形式保存，其数据结构层次清晰，适合参数匹配读取；

图4是本发明实施例中内支撑与面域节点的示意图；

图5是本发明实施例中离散点投影示意图；

图6是本发明实施例中凸多边形排序算法(地铁车站式基坑，几何形状重构就要涉及排序问题，凸图形顶点排序问题采用通用算法。)

图7是本发明实施例中凹多边形顶点排序算法中初始基点的示意图，(不同于凸多边形，凹多边形没有通用的顶点排序算法，其排序算法因图形而异，本发明设计了一套适用于本模型的顶点排序算法)；

图8是本发明实施例中凹多边形顶点排序算法中基点前移并清除节点的示意图；

图9是本发明实施例中凹多边形顶点排序算法中更换搜索方向的示意图；

图10是本发明实施例中复制节点的示意图；

图11是本发明实施例中导入文件界面示意图。

具体实施方式

本发明提供一种实现BIM与SAP2000基坑开挖计算的一体化方法。主要用Revit软件建立BIM参数化模型，对IFC文件进行前处理，提取计算所需的关键模型数据，然而采用BIM技术对深基坑工程进行参数化建模需要解决以下关键问题：(1)将具体信息集成到参数化模型中。(2)约定工程对象的识别属性，以确保解析程序可以高效准确的识别。(3)提取工程对象的几何模型。(4)提取工程对象的物理参数信息。(5)将工程对象的属性与工程对象的几何实体绑定问题。

为实现BIM-SAP2000基坑计算一体化技术，需要在获取BIM模型参数、几何信息的基础上，通过程序建立适用于荷载-结构分析模型的基坑模型，生成.S2K格式文件导入SAP2000中，利用SAP2000模拟基坑开挖问题有如下五个计算要素需要在模型中体现，分别为：基坑支护结构、基坑内支撑、基坑外土压力、基坑内土弹簧、开挖面。其中通过.S2K文件生成计算模型，需要解决以下关键问题：提取几何信息、节点排序和生成计算要素(面域、框架单元、基坑外土压力、土弹簧)。

总体来说，本发明以参数化BIM模型为对象，开发了一套BIM-SAP2000软件的接口程序，建立适用于荷载-结构分析模型的基坑模型，生成.S2K格式文件导入SAP2000中，完成BIM-SAP2000软件的一体化。BIM的应用与研究在建筑结构等领域发展迅速，许多结构设计软件与BIM软件之间已经有较成熟的数据模型转换接口，其原理基本是基于IFC的中间格式进行的，但岩土工程领域由于文件格式和参数选取等原因BIM的应用实例较少。该方法促进BIM在技术领域实现力学计算，弥补BIM用于基坑计算技术不足的缺陷。并且该方法与传统的人工重复建模相比，工业生产效率明显提高，从而显著解决了目前的工程设计与计算分析还处于割裂状态的问题。可见，本发明具有较好的技术优越性，使用前景广阔，值得在行业内尝试和推广。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，包括：

S1：建立BIM参数化模型，并将BIM参数化模型导出为IFC文件，根据图元所对应的工程对象的类型进行识别属性标注，其中，IFC文件包括多个图元，图元包含的几何信息和参数信息通过数据块的形式存储，图元与工程对象具有对应关系，工程对象的类型包括基坑支护结构、基坑内支撑和土体；

S2：利用解析程序对IFC文件进行解析，根据标注的识别属性识别出图元所对应的工程对象，然后分别提取出图元包含的几何信息和参数信息，并将几何信息与物理参数进行匹配绑定，其中，提取出的几何信息和参数信息分别存储为OBJ文件和JSON文件，几何信息包括关键几何图形顶点坐标和图形的拓扑信息，参数信息包括物理参数和施工参数；

S3：根据解析程序得到的几何信息，从基坑支护结构和基坑内支撑中提取几何关键点坐标，同时记录关键高程信息，然后对提取得到的几何关键点坐标进行排序，基于排序后的节点和关键高程信息，生成SAP2000基坑开挖计算的计算要素，构成支持SAP2000计算的格式文件，其中，关键高程信息包括基坑内支撑的高程、基坑外地基土的分层界面高程；

S4：将支持SAP2000计算的格式文件导入SAP2000中进行计算分析，实现BIM与SAP2000基坑开挖计算的一体化。

请参见图1，是本发明实施例中提供的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法的流程图。

具体来说，上述方法的步骤S1是参数化建模，步骤S2是模型的几何信息和参数信息的提取，提取出的信息作为后续基坑分析计算的基础，步骤S3是基于提取出的几何信息和参数信息进行关键点坐标的提取和高程信息的记录，并进一步生成基坑计算模型的计算要素，步骤S4是利用S3得到的文件在SAP2000中进行计算分析。

S1采用Revit软件建立BIM参数化模型，三维参数化模型有效地集成了项目的各种相关信息并约定好后续计算分析所需的结构及其属性的命名规范，将三维的BIM模型导出为通用的IFC文件。在Revit软件中，图元为BIM模型的基本构成单位。在IFC文件内部，每个图元的所有信息在同一个数据块由多行语句逐行描述，形成一个整体。读取解析IFC文件时，规定按面向对象程序设计(Object Oriented Programming)，将完整图元设计为类，将图元内所含信息设计为类成员，保证图元所有信息的匹配。

S2通过设计解析程序获取IFC文件中所有实例单元的几何信息和模型单元的参数属性，以提取计算所需的关键模型数据(几何信息和参数信息)。解析程序作用于BIM模型数据提取的全过程。根据IFC文件的数据结构，对IFC文件进行解析，从中提取出工程计算所需要的几何模型信息、参数化建模时附带的物理参数信息、施工信息(也即BIM建模时的特殊高程标记)。当将BIM模型的IFC文件上传给解析程序时，程序将执行上述功能，并根据本构模型这一属性判定该图元是否为实体单元。

S3和S4，在获取BIM模型参数、几何信息的基础上,生成SAP2000基坑开挖计算的计算要素，生成.S2K格式文件导入SAP2000中进行计算分析，来实现BIM-SAP2000基坑计算一体化。

在一种实施方式中，步骤S1中根据工程对象的类型进行识别属性标注包括：

对基坑支护结构的实体采用弹性本构模型进行标注，对基坑内支撑实体采用梁单元模型进行标注，对土体采用土体本构模型进行标注。

具体来说，由于工程对象中最能体现不同对象特异性差异的参数是本构模型，而基坑支护结构一般处于弹性状态，因此本实施方式基坑支护结构实体采用弹性本构模型进行标注。横向支撑实体均采用梁单元模型进行标注。具体实施过程中，可用岩土体本构模型(如：PH模型、摩尔库伦模型、剑桥模型等)对基坑工程所涉及的土体的本构模型进行标注。解析程序将根据每个图元块体的本构模型标签识别出BIM模型中的土体与基坑支护结构实体，方便后续的数据解析，实现工程对象的识别与分类。

在一种实施方式中，S2在利用解析程序对IFC文件进行解析时，将完整的图元设计为类，将图元内所包含的信息设计为类成员，提取图元包含的几何信息的方式为：

采用三角单元解析函数对IFC文件中的各个图元逐一解析，获取BIM参数化模型中各个图元的关键几何图形顶点坐标和图形的拓扑信息。

具体实施过程中，在Revit软件中建立好BIM模型之后按IFC2×3标准导出IFC文件。利用开源工具包IFCOpenShell中IfcGeom命名空间内的TriangulationElement(三角单元解析函数)类成员函数对IFC文件中的各个图元逐一解析，从而获取模型中各个图元的完整几何信息以及各几何要素之间的拓扑信息。其中，IfcGeom是工具包中的一个命名空间，该命名空间包含负责获取、操作BIM模型的几何数据的各个函数。TriangulationElement是按三角形网格的形式获取模型数据块内几何点、拓扑的函数。几何信息遵循计算机图形学中先解析，后重构的原则。在解析IFC文件时，程序仅能获取图元的关键几何图形顶点坐标和图形的拓扑信息，比如：构成某线段的两图形顶点、构成某面域的四图形顶点、构成某实体的六个面域等。在获取到这些数据后再将这些图元按三角形面重构，所有工程对象的几何数据将转化为OBJ文件格式，图2所示为OBJ图元构件。OBJ文件是一种轻量级的几何定义类文件格式，可灵活兼容各种三维几何编辑程序或软件，提取的几何信息不仅可以解析，也可以传给前端进行显示。

在一种实施方式中，S2中提取图元包含的参数信息的方式为：

利用模型属性参数数值解析函数获取各图元所对应的工程对象的物理参数和施工参数。

具体实施过程中，用IFCOpenShell工具包中IFCparse头文件中IFC2×3命名空间下IFC_PARSE_API的IfcPropertySingleValue(模型属性参数数值解析函数)类成员函数逐行获取工程对象数据块内的物理参数信息(工程对象数据块中包含了BIM单个图元中的所有信息，工程对象数据块是BIM模型图元的计算机数据化的表达形式)，并将相应的参数信息保存在JSON格式的文件中，图3为JSON格式文件示例。IfcPropertySingleValue用来读取储存在BIM参数化建模时标注的属性名与对应的值。JSON格式文件是一种被广泛接受的易于人阅读编写同时也易于机器解析的轻量级数据交换格式。JSON文件本身的数据结构是一个序列化的对象集，文件中的数据以键值对的形式保存，其数据结构层次清晰，适合参数匹配读取。使用开源工具包nlohmann中的库函数可以轻易对JSON文件进行各种操作，方便后续物理参数与几何模型的匹配。在进行BIM模型整体解析时，几何信息、参数信息分别进行解析，几何体生成了OBJ文件，所有的属性名以及对应的参数生成了JSON格式的文件，此时图元中的几何信息与参数信息之间不具有对应关系。因此在拆分图元数据块解析之前对该图元的所有成员信息做了全局唯一标记(UUID)，并将UUID作为几何、参数的一种特定的绑定属性，匹配相同的UUID即可重新获取几何体与其参数的对应关系。JSON文件作为Web页面的脚本语言而被应用，可拓展性很强，方便和前端之间通讯。

在一种实施方式中，步骤S2中将几何信息与物理参数进行匹配绑定，包括：

当解析程序对一个图元的数据块进行解析操作时，生成一个通用唯一识别码UUID，并赋值给该数据块中的所有数据；

将生成的UUID传输到OBJ文件与JSON文件中，实现OBJ文件中的几何信息与JSON文件的物理参数信息之间的匹配绑定。

具体实施过程中，为了将工程对象的几何信息与物理参数重新匹配绑定，运用通用唯一识别码UUID将两者建立联系。当解析程序对一个数据块进行解析操作时，将首先生成一个UUID并赋值给该数据块中的所有数据，并将该UUID值传输到几何OBJ文件与属性JSON文件中。使用键值对检索将相同UUID标记的OBJ文件内的几何体和JSON文件中的属性进行配对即可实现工程对象的绑定。

在一种实施方式中，步骤S3中的关键高程信息包括土层分界处的高程、支撑设置的高程、开挖面的高程。

具体实施过程中，如图4所示，为了方便创建框架单元和土弹簧所需的节点，需要编写新的程序(即坐标提取程序)分别从基坑支护结构和基坑内支撑中提取几何关键点坐标(支护结构的图元顶点和基坑支撑的顶点)，并将它们投影到XOY平面上，如图5所示。同时记录开挖面、内支撑高程、土层分界高程等关键高程信息，完成几何信息的提取。

在SAP2000软件中，所有几何建模、施加荷载都基于节点。为生成有序节点，需要对几何关键点进行排序：

①对于凸图形顶点排序问题采用通用算法，如图6所示。以四边形的重心为原点建立局部坐标系，并计算在局部坐标系下各顶点与原点所构成向量的坐标；计算各向量与局部坐标系X’轴的夹角；将夹角按升序(或降序)排序并引索对应的顶点即实现凸多边形顶点的逆时针(或顺时针)排序。

②不同于凸多边形，凹多边形没有通用的顶点排序算法，其排序算法因图形而异，本发明设计了一套适用于本模型的顶点排序算法，实现了该投影形式下凹图形的顶点排序。如图7所示，图中圆形区域为搜索步长的范围，搜索步长需要事先根据几何关键点的间距进行预估，取略大于两点间距值为宜；算法规定四种搜索模式，分别为：向上搜索、向下搜索、向左搜索、向右搜索；选取图中某一节点为初始搜索基点，将其存入排序容器且序列定为1，规定并保持初始的搜索方向向右，直到点阵的拐角处。当有节点同时满足搜索步长范围要求和搜索方向要求时，将该节点捕获并存入排序容器。如图8所示，当有节点被捕获后，立即按当前的搜索方向将搜索基点移动至该捕获点，同时清除原搜索基点。保持上述节点获取方式直到点阵的拐角处。如图9所示，当目前搜索节点为点阵转角时，若继续按当前的搜索方向执行捕获命令将无法获取到新的节点。这时更换搜索方向(如向上)并尝试以新的搜索方向捕获节点，若能捕获到新的节点，将按新的搜索方向继续捕获节点只到下一拐角处；若无法捕获到新的节点，将更换搜索方向继续尝试。由于算法中每次移动搜索基点时会清除原基点，则搜索基点移动路径上的所有节点将被清除，点阵中的节点数将逐渐变少，直到仅剩一个节点。这时所有节点都已存入排序容器中，读取排序容器的下标即可得到图4中节点排序的结果。

在完成节点排序后需要依据节点信息生成各项计算要素(面域、框架单元、基坑外土压力、土弹簧)。如图10所示，根据前面提取的关键高程信息，将XOY平面上的投影点复制到各个高程处(以三层节点示意)。最后输出能够被SAP2000读取的.S2K文件，在SAP2000中导入文件(如图11所示)并计算。

在一种实施方式中，步骤S3中基于排序后的节点和关键高程信息，生成SAP2000基坑开挖计算的计算要素，包括：

根据提取的关键高程信息，将XOY平面上的投影点复制到对应的高程处，对所有节点进行排序并编号，遍历所有节点，按逆时针排列生成面域，其中，XOY平面上的投影点为几何关键点投影到XOY平面得到的点；

根据解析程序得到的识别属性和UUID确定基坑内支撑的坐标，通过坐标匹配获取两个节点在SAP2000中的节点编号，输出字符串至.S2K文件，生成相应的框架单元；

通过高程插值计算关键高程处节点的土压力；

采用SAP2000中的面弹簧模拟土弹簧，通过遍历与面域关联的节点的高程，检索开挖面高程以下的所有面域，在检索到的面域上与对应的高程进行关联。

在一种实施方式中，遍历所有节点，按逆时针排列生成面域，包括：

获取关键高程的数量，确定需要复制节点的数量；

将投影面上的节点复制到对应的高程处；

按照逆时针方向将每个节点与其同层对应节点以及其下层节点顺次连接，形成面域几何体；

根据面域内各节点坐标判定该面域所属的OBJ几何体，并通过OBJ几何体的UUID值匹配出对应的物理参数，将该面域的所有信息按照.S2K文件的数据结构流输出，其中，OBJ几何体与OBJ文件对应。

在一种实施方式中，在步骤S2之后，所述方法还包括：对从IFC文件中提取的信息进行组织，按照计算软件SAP2000中的数据结构进行序列化，得到每个节点的坐标和节点编号。

在获取到计算所需的所有信息后(步骤S2)，需要对IFC文件中提取的信息进行组织，按照计算软件(SAP2000)中的数据结构进行序列化。在进行序列化操作时的节点信息中同时包括XYZ坐标和节点编号，通过节点的坐标即可引索节点编号。

在一种实施方式中，所述方法还包括：通过索引节点坐标中Z坐标最小值所对应的节点编号，对这些节点编号所对应的节点设置计算所需的边界条件。

对索引到的所有节点施加固定约束，即设置计算所需的边界条件。

为了更清楚地对本发明的方法的实施过程中，以下结合附图1～8对本发明方法进一步详细说明。

使用本发明方法时，操作步骤如下：

步骤1：用Revit软件建立BIM参数化模型，特别地，绘制出开挖面的高程并用“开挖”关键字进行标注，按2×3标准导出IFC文件。

步骤2：将参数化模型导出的IFC文件输入解析程序，解析程序遍历该IFC文件并逐一解析每个数据块内的图元块体。

本发明中步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：解析程序在读取图元数据块时将基于当前的时间生成一个全局唯一识别码(UUID)作为该图元的基本属性。

步骤2.2：随后调用IfcGeom命名空间内的各函数，解析当前图元的几何信息，并利用TriangulationElement函数将图元的各个面分解为三角面片。解析完成的图元几何信息按obj的数据结构写入.obj文件，同时也将步骤2.1中的图元UUID写入.obj文件中该图元的对应位置。图1所示为OBJ图元构件。

步骤2.3：随后使用IFC_PARSE_API的IfcPropertySingleValue类成员函数逐行获取图元数据块内的物理参数信息，并将相应的参数信息和步骤2.1中的本图元UUID保存在JSON格式的文件中。

步骤2.4：在遍历完所有BIM实体图元后开始解析BIM模型中的开挖高程。再次遍历IFC文件中的所有图元，在IfcBuildingStorey命名空间下创建指针访问图元的IfcBuildingStorey::Argument(7)(高程名称)、IfcBuildingStorey::Argument(9)(高程值)。获取高程名称含“开挖”的关键字对应的高程值即为开挖面高程。将所有开挖面高程值排序，写入步骤2.3中的JSON文件中。

步骤3：如图4所示，从基坑支护结构和基坑内支撑中提取几何关键点坐标，并将它们投影到XOY平面上(图5)。同时记录开挖面、内支撑高程、土层分界高程、开挖面等关键高程信息。

步骤4：提取的几何关键点通过凹多边形(图7～图9)排序算法进行排序。

步骤5：依据提取的关键高程信息(包括土层分界处的高程、支撑设置的高程、开挖面的高程)，将XOY平面上的投影点复制到各个高程处，对所有节点进行排序并编号，如图10所示。

步骤6：编写循环语句遍历所有节点，按逆时针排列生成面域。

本发明中步骤6包括以下步骤：

步骤6.1：获取关键高程的数量，确定需要复制节点的数量。

步骤6.2：将投影面上的节点复制到对应高程处。由于步骤5中投影点已按顺序排列，因此本步骤中各点也遵循这一排序规则，相同X、Y坐标的节点之间节点标号相差n×投影点数(其中n为当前节点与投影点Z＝0平面之间的间隔层数)。

步骤6.3：经过步骤6.2的处理，任意节点四周的节点编号都已知，此时按照逆时针方向将每个节点与其同层对应节点以及其下层节点顺次连接，形成面域几何体。

步骤6.4：执行循环：根据面域内各节点坐标判定该面域所属的OBJ几何体。进而通过OBJ几何体的UUID值匹配其对应的物理参数。将该面域的所有信息按照.S2K文件的数据结构流输出，直到遍历完所有的面域。此时地下连续墙形成。

步骤7：通过IFC解析结果中的本构模型属性和UUID确定基坑内支撑的坐标，通过坐标匹配获取这两个节点在SAP2000中的节点编号，输出字符串至.S2K文件即可生成相应框架单元。

步骤8：各关键高程处节点的土压力通过高程插值计算，当获取所有高程节点的土压力后输出至.S2K文件即可生成相应的土压力荷载。

步骤9：采用SAP2000中的面弹簧模拟土弹簧，通过遍历与面域关联的节点高程，检索开挖面高程以下的所有面域，在这些面域上创建并关联高程。

步骤10：引索Z坐标最小值对应的所有节点编号，给这些节点施加固定约束，即计算所需的边界条件。

步骤11：成功建立适用于荷载-结构分析模型的基坑模型，生成S2K格式文件导入SAP2000中，完成BIM-SAP2000软件的一体化。

本发明是参照根据本发明实施例的方法的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，其特征在于，包括：

S1：建立BIM参数化模型，并将BIM参数化模型导出为IFC文件，根据图元所对应的工程对象的类型进行识别属性标注，其中，IFC文件包括多个图元，图元包含的几何信息和参数信息通过数据块的形式存储，图元与工程对象具有对应关系，工程对象的类型包括基坑支护结构、基坑内支撑和土体；

S2：利用解析程序对IFC文件进行解析，根据标注的识别属性识别出图元所对应的工程对象，然后分别提取出图元包含的几何信息和参数信息，并将几何信息与物理参数进行匹配绑定，其中，提取出的几何信息和参数信息分别存储为OBJ文件和JSON文件，几何信息包括关键几何图形顶点坐标和图形的拓扑信息，参数信息包括物理参数和施工参数；

S3：根据解析程序得到的几何信息，从基坑支护结构和基坑内支撑中提取几何关键点坐标，同时记录关键高程信息，然后对提取得到的几何关键点坐标进行排序，基于排序后的节点和关键高程信息，生成SAP2000基坑开挖计算的计算要素，构成支持SAP2000计算的格式文件，其中，关键高程信息包括基坑内支撑的高程、基坑外地基土的分层界面高程；

S4：将支持SAP2000计算的格式文件导入SAP2000中进行计算分析，实现BIM与SAP2000基坑开挖计算的一体化。

2.如权利要求1所述的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，其特征在于，步骤S1中根据工程对象的类型进行识别属性标注包括：

对基坑支护结构的实体采用弹性本构模型进行标注，对基坑内支撑实体采用梁单元模型进行标注，对土体采用土体本构模型进行标注。

3.如权利要求1所述的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，其特征在于，S2在利用解析程序对IFC文件进行解析时，将完整的图元设计为类，将图元内所包含的信息设计为类成员，提取图元包含的几何信息的方式为：

采用三角单元解析函数对IFC文件中的各个图元逐一解析，获取BIM参数化模型中各个图元的关键几何图形顶点坐标和图形的拓扑信息。

4.如权利要求1所述的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，其特征在于，S2中提取图元包含的参数信息的方式为：

利用模型属性参数数值解析函数获取各图元所对应的工程对象的物理参数和施工参数。

5.如权利要求1所述的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，其特征在于，步骤S2中将几何信息与物理参数进行匹配绑定，包括：

当解析程序对一个图元的数据块进行解析操作时，生成一个通用唯一识别码UUID，并赋值给该数据块中的所有数据；

将生成的UUID传输到OBJ文件与JSON文件中，实现OBJ文件中的几何信息与JSON文件的物理参数信息之间的匹配绑定。

6.如权利要求2所述的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，其特征在于，步骤S3中的关键高程信息包括土层分界处的高程、支撑设置的高程、开挖面的高程。

7.如权利要求5所述的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，其特征在于，步骤S3中基于排序后的节点和关键高程信息，生成SAP2000基坑开挖计算的计算要素，包括：

根据提取的关键高程信息，将XOY平面上的投影点复制到对应的高程处，对所有节点进行排序并编号，遍历所有节点，按逆时针排列生成面域，其中，XOY平面上的投影点为几何关键点投影到XOY平面得到的点；

根据解析程序得到的识别属性和UUID确定基坑内支撑的坐标，通过坐标匹配获取两个节点在SAP2000中的节点编号，输出字符串至.S2K文件，生成相应的框架单元；

通过高程插值计算关键高程处节点的土压力；

采用SAP2000中的面弹簧模拟土弹簧，通过遍历与面域关联的节点的高程，检索开挖面高程以下的所有面域，在检索到的面域上与对应的高程进行关联。

8.如权利要求7所述的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，其特征在于，遍历所有节点，按逆时针排列生成面域，包括：

获取关键高程的数量，确定需要复制节点的数量；

将投影面上的节点复制到对应的高程处；

按照逆时针方向将每个节点与其同层对应节点以及其下层节点顺次连接，形成面域几何体；

根据面域内各节点坐标判定该面域所属的OBJ几何体，并通过OBJ几何体的UUID值匹配出对应的物理参数，将该面域的所有信息按照.S2K文件的数据结构流输出，其中，OBJ几何体与OBJ文件对应。

9.如权利要求7所述的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，其特征在于，在步骤S2之后，所述方法还包括：对从IFC文件中提取的信息进行组织，按照计算软件SAP2000中的数据结构进行序列化，得到每个节点的坐标和节点编号。

10.如权利要求9所述的实现BIM与SAP2000基坑开挖计算一体化的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过索引节点坐标中Z坐标最小值所对应的节点编号，对这些节点编号所对应的节点设置计算所需的边界条件。

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