CN114861287B - 基于bim的隧道结构明挖段参数化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，涉及工程设计行业的BIM技术领域，包括以下步骤：S1进行测量数据，S2建立隧道平面路线，S3建立路线纵断面参数化分析，S4建立隧道闭合框架结构参数化横断面，S5建立隧道明挖段闭合框架模型，本发明的有益效果在于，通过BIM技术的参数化模型，实现隧道明挖段参数化设计，本发明中，通过对不同数据的参数化解构，建立参数化驱动关系，使得在设计过程中无需考虑中间环节，本发明最终输出的图纸和工程量来自于模型及原始驱动参数的输入，面对设计优化和变更，可在保证设计效率的同时，确保设计成果的准确一致性，本发明中，因此输出的设计成果将和输入的设计变更实时同步，满足了使用时所需。
Description
技术领域
本发明涉及工程设计行业的BIM技术领域，尤其涉及基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法。
背景技术
BIM是建筑信息模型的缩写，以三维数字技术为基础，集成了建设项目各种相关信息的工程数据模型。它提供的全新工程设计过程概念参数化变更技术将帮助设计师更有效的缩短设计时间，提高设计质量，提高对客户和合作者的响应能力。协同化设计极大提高设计专业间的相互沟通，避免设计资料因物理传递导致的不完整及不确定性，提升设计质量，提高设计效率。BIM技术让设计人员可以在任何时刻、任何位置、进行任何想要的修改，设计和图纸会始终保持协调，一致和完整。
最近十余年，BIM技术在国内发展迅速，尤其在建筑领域，市面上已有很多成熟的应用工具和体系，同时也有行业的标准政策，但是在隧道工程中的应用比较薄弱，没有针对性的技术工具可以用，同时也没有很好的实践案例可参考，隧道工程不同于建筑工程，隧道本身多为空间曲线，现有单一的技术工具和方法均无法满足实现隧道平面、纵断、横断的参数驱动设计工作。
目前国内隧道明挖段闭合框架结构的工程建模多为人工手动建模，且无法面对多变的横断面类型，效率低下，人工建模准确率较低，且经检索，关于隧道明挖的BIM设计的相关专利已有公开。如中国专利申请号为CN201810817826.5的申请案公开了一种基于BIM的隧道明挖段基坑开挖面设计方法，主要解决的隧道基坑开挖的应用，对于明挖段闭合框架结构部分未有涉及，因此需要设计基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法来解决上述出现的问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法。
本发明的技术方案是这样的：
一种基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，包括以下步骤：
S1、进行测量数据，用于获取项目所在地的测量数据，准备相应设备，通过三角网的方式，形成地形曲面；
S2、建立隧道平面路线，用于将完整路线进行参数化，按照路线规则，将路线分解成固定的单元，通过参数进行驱动，通过数据进行关联；
S3、建立路线纵断面参数化分析，用于通过对终端面线进行单元分析，获得直线、曲线不同类型段的长度、半径、桩号、坡度参数，通过参数化驱动完成；
S4、建立隧道闭合框架结构参数化横断面，用于对标准横断面类型进行分析、对横断面各参数进行提取来适应不同类型需求；
S5、建立隧道明挖段闭合框架模型，用于平面路线和纵断面进行采样分析，进行依次布置相邻的两个采样点横断面进行融合形成模型；
S6、进行输出图纸和计算工程量，用于将隧道明挖结构模型和地形曲面模型整合，通过两个横断面融合形成的三维模型计算出的体积，获得桩号之间的工程量。
采用上述进一步方案的技术效果是：本发明通过BIM技术的参数化模型，建立了一套针对隧道明挖工程的设计方法，为BIM技术在隧道工程中的深入和相关工具研发提供的实践基础。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S4中建立隧道闭合框架结构参数化横面，具体包括以下步骤：
S401、对标准横断面类型进行分析，确定横断面的中心点，中心点设置在路线位置，用于得到每个固定桩号横断面的空间位置点；
S402、对横断面进行参数提取，通过基于中心点，用于找到其他各部分相对于中心点的关系，获得所有构件的关键控制参数；
S403、对横断面各参数进行提取，用于完成横断面的参数控制；
S404、根据隧道明挖段不同区间的布置要求，用于修改横断面参数，适应不同类型需求。
采用上述进一步方案的技术效果是：并通过对已有的二维和三维设计平台进行开发，实现快速参数化设计工作，通过二维和三维的结合，解决包括隧道路线、纵断、横断面从建模到设计出图出量过程。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S5中建立隧道明挖段闭合框架模型，具体包括以下步骤：
S501、在通过对步骤S2的平面路线和步骤S3的纵断面进行采样分析，可获得所需关键点的空间位置：采样点一般根据路线类型，按距离定距采样，每2米做一个采样点，或者，采样点一般根据变坡点、直线交点、曲线交点、曲线中心点关键位置进行采样，用于获得所需横断面空间布置的全部采样点的中心点坐标，中心点坐标由位置平面XY值和对应纵断面Z值构成；
S502、将横断面构件按步骤S401中的方法的平面路线、纵断面线、横断面类型之间关系，进行依次布置相邻的两个采样点横断面进行融合形成模型。
采用上述进一步方案的技术效果是：使得在设计过程中实时对项目进行实际校验，同时最终的模型数据是有原始设计参数而来，如测量数据更新，则地形模型自动更新，平面路线或纵断面更新，则对应的空间采样位置更新，同时该位置布置的横断面空间位置更新，模型随之更新。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S6中进行输出图纸和计算工程量，具体包括以下步骤：
S601、将隧道明挖结构模型和地形曲面模型整合，用于在平面路线任意一个桩号位置进行横向剖切，获得该位置准确的横断面图，同时可得到隧道与地面之间的关系；
S602、在步骤S5中采用S501方法进行空间位置采样的同时，用于每个采样点同时包含了该点的平面桩号，该桩号将同时记录在所布置的横断面中，通过两个横断面融合形成的三维模型计算出的体积，获得两个桩号之间的工程量，进行累计就可以得到任意两个桩号间的工程量。
采用上述进一步方案的技术效果是：确保了任何的设计变更都会直接作用于最终模型，由模型剖切生成的图纸和模型体积计算的工程量直接受模型影响，因此输出的设计成果将和输入的设计变更实时同步，满足了使用时所需。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S1中的测量数据通过测量单位进行提供，所述步骤S1中数据类型为点坐标和点高程数据，所述步骤S1中的三角网方式通过相近的3个点形成一个面进行使用。
采用上述进一步方案的技术效果是：用于得到每个固定桩号横断面的空间位置点。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S2中单元包括直线段、曲线段、缓和曲线段，用于对每段路线的桩号、起点终点数据、类型数据进行参数化处理。采用上述进一步方案的技术效果是：用于获得所有构件的关键控制参数。
作为一种优选的实施方式，所述平面桩号的计算方式为：通过采样点和路线起点的距离可计算出对应的桩号。
采用上述进一步方案的技术效果是：用于方便进行计算。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S402中其他部分相对于中心点的关系包括路面相对于中心点距离形成路面厚度、侧墙相对于中心点距离可确定侧墙位置和顶板相对于中心距离可确定顶板位置。
采用上述进一步方案的技术效果是：用于保障最终数据的精确性。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S1中相应设备包括控制终端、显示屏、监控摄像头、交换机和测量设备。
采用上述进一步方案的技术效果是：对整体设备正常运转时进行统筹电力控制。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明中，本发明通过BIM技术的参数化模型，建立了一套针对隧道明挖工程的设计方法，为BIM技术在隧道工程中的深入和相关工具研发提供的实践基础，通过参数化的方法，并通过对已有的二维和三维设计平台进行开发，实现快速参数化设计工作，通过二维和三维的结合，解决包括隧道路线、纵断、横断面从建模到设计出图出量过程，实现隧道明挖段参数化设计。
2、本发明中，通过对不同数据的参数化解构，建立参数化驱动关系，使得在设计过程中无需考虑中间环节，设计人员在参数中输入所需的设计变更条件，即可获得准确的模型图纸和工程量，简化了设计过程，本发明最终输出的图纸和工程量来自于模型及原始驱动参数的输入，面对设计优化和变更，可在保证设计效率的同时，确保设计成果的准确一致性。
3、本发明中，所有的三维模型都是按实际工程位置和参数进行制作，包括地面、隧道等，使得在设计过程中实时对项目进行实际校验，同时最终的模型数据是有原始设计参数而来，如测量数据更新，则地形模型自动更新，平面路线或纵断面更新，则对应的空间采样位置更新，同时该位置布置的横断面空间位置更新，模型随之更新，确保了任何的设计变更都会直接作用于最终模型，由模型剖切生成的图纸和模型体积计算的工程量直接受模型影响，因此输出的设计成果将和输入的设计变更实时同步，满足了使用时所需。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法的参数化驱动全过程设计流程图；
图2为本发明实施例提供的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法的参数化技术基本流程图；
图3为本发明实施例提供的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法的平面路线、纵断面线和横断面类型之间关系图；
图4为本发明实施例提供的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法的路线纵断面参数化数据图；
图5为本发明实施例提供的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法的横断面参数化关系示意图；
图6为本发明实施例提供的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法的细化参数控制点示意图；
图7为本发明实施例提供的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法的参数化横断面示意图；
图8为本发明实施例提供的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法的建立隧道模型空间点采样示意图。
具体实施方式
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1-8所示，本发明提供一种技术方案：一种基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，包括以下步骤：
S1、进行测量数据；
S2、建立隧道平面路线；
S3、建立路线纵断面参数化分析；
S4、建立隧道闭合框架结构参数化横断面；S5建立隧道明挖段闭合框架模型；
S6、进行输出图纸和计算工程量；
所述步骤S1中进行测量数据，用于获取项目所在地的测量数据，准备相应设备，通过三角网的方式，形成地形曲面；
所述步骤S2中建立隧道平面路线，用于将完整路线进行参数化，按照路线规则，将路线分解成固定的单元，通过参数进行驱动，通过数据进行关联；
所述步骤S3中建立路线纵断面参数化分析，用于通过对终端面线进行单元分析，获得直线、曲线不同类型段的长度、半径、桩号、坡度参数，通过参数化驱动完成；
所述步骤S4中建立隧道闭合框架结构参数化横断面，用于对标准横断面类型进行分析、对横断面各参数进行提取来适应不同类型需求；
所述步骤S5中建立隧道明挖段闭合框架模型，用于平面路线和纵断面进行采样分析，进行依次布置相邻的两个采样点横断面进行融合形成模型；
所述步骤S6中进行输出图纸和计算工程量，用于将隧道明挖结构模型和地形曲面模型整合，通过两个横断面融合形成的三维模型计算出的体积，获得桩号之间的工程量。
在本实施例中，所述步骤S1中的测量数据通过测量单位进行提供，所述步骤S1中数据类型为点坐标和点高程数据，所述步骤S1中的三角网方式通过相近的3个点形成一个面进行使用。
实施例2
如图1-8所示，所述步骤S4中建立隧道闭合框架结构参数化横断面，具体包括以下步骤：
S401、对标准横断面类型进行分析，确定横断面的中心点，中心点设置在路线位置，用于得到每个固定桩号横断面的空间位置点；
由图4可知：路线纵断面参数化数据图进行辅助对比；
S402、对横断面进行参数提取，通过基于中心点，用于找到其他各部分相对于中心点的关系，获得所有构件的关键控制参数；
由图3可知：平面路线、纵断面线、横断面类型之间关系如图；
由图5可知：
点P1相对于中心点位置（横向X轴位置=-左侧墙距离-侧墙厚度；竖向Y轴位置=顶板距离+顶板厚度）
点P2相对于中心点位置（横向X轴位置=右侧墙距离+侧墙厚度；竖向Y轴位置=顶板距离+顶板厚度）
点P3相对于中心点位置（横向X轴位置=-左侧墙距离-侧墙厚度；竖向Y轴位置=-路面厚度-顶板厚度）
点P4相对于中心点位置（横向X轴位置=右侧墙距离+侧墙厚度；竖向Y轴位置=-路面厚度-顶板厚度）
通过这种对应关系，建立完整的横断面各部件的控制点相对于中心点的控制参数；
由图6可知：
通过该逻辑关系，进一步细化参数控制点：
点5相对于点1=（横向X轴位置=0；竖向Y轴位置=-顶板厚度）
点6相对于点2=（横向X轴位置=0；竖向Y轴位置=-顶板厚度）
点7相对于点3=（横向X轴位置=0；竖向Y轴位置=底板厚度）
点8相对于点4=（横向X轴位置=0；竖向Y轴位置=底板厚度）
点9相对于点5=（横向X轴位置=侧墙宽度；竖向Y轴位置=0）
点10相对于点6=（横向X轴位置=-侧墙宽度；竖向Y轴位置=0）
点11相对于点7=（横向X轴位置=-侧墙宽度；竖向Y轴位置=0）
点12相对于点8=（横向X轴位置=-侧墙宽度；竖向Y轴位置=0）；
由图7可知：
根据此种关系，可依次找到横断面结构所有控制点的位置逻辑关系，最终形成横断面的参数化图形，将各点按照横断面图关系连接成线形成封闭区域，则可形成相应的各部分封闭面；
S403、对横断面各参数进行提取，用于完成横断面的参数控制；
S404、根据隧道明挖段不同区间的布置要求，用于修改横断面参数，适应不同类型需求。
所述步骤S5中建立隧道明挖段闭合框架模型，具体包括以下步骤：
S501、在通过对步骤S2的平面路线和步骤S3的纵断面进行采样分析，可获得所需关键点的空间位置：采样点一般根据路线类型，按距离定距采样，每2米做一个采样点，或者，采样点一般根据变坡点、直线交点、曲线交点、曲线中心点关键位置进行采样，用于获得所需横断面空间布置的全部采样点的中心点坐标，中心点坐标由位置平面XY值和对应纵断面Z值构成；
S502、将横断面构件按步骤S4中S401中的方法的平面路线、纵断面线、横断面类型之间关系，进行依次布置相邻的两个采样点横断面进行融合形成模型。
所述步骤S6中进行输出图纸和计算工程量，具体包括以下步骤：
S601、将隧道明挖结构模型和地形曲面模型整合，用于在平面路线任意一个桩号位置进行横向剖切，获得该位置准确的横断面图，同时可得到隧道与地面之间的关系；
S602、在步骤S5中采用步骤S501中的方法进行空间位置采样的同时，用于每个采样点同时包含了该点的平面桩号，该桩号将同时记录在所布置的横断面中，通过两个横断面融合形成的三维模型计算出的体积，获得两个桩号之间的工程量，进行累计就可以得到任意两个桩号间的工程量。
在本实施例中，所述步骤S2中单元包括直线段、曲线段、缓和曲线段，用于对每段路线的桩号、起点终点数据、类型数据进行参数化处理，所述平面桩号的计算方式为：通过采样点和路线起点的距离可计算出对应的桩号，所述步骤S402中其他各部分相对于中心点的关系包括路面相对于中心点距离形成路面厚度、侧墙相对于中心点距离可确定侧墙位置和顶板相对于中心距离可确定顶板位置，所述步骤S1中相应设备包括控制终端、显示屏、监控摄像头、交换机和测量设备。
工作原理：
如图1-8所示，本发明通过BIM技术的参数化模型，建立了一套针对隧道明挖工程的设计方法，为BIM技术在隧道工程中的深入和相关工具研发提供的实践基础，通过参数化的方法，并通过对已有的二维和三维设计平台进行开发，实现快速参数化设计工作，通过二维和三维的结合，解决包括隧道路线、纵断、横断面从建模到设计出图出量过程，实现隧道明挖段参数化设计，通过对不同数据的参数化解构，建立参数化驱动关系，使得在设计过程中无需考虑中间环节，设计人员在参数中输入所需的设计变更条件，即可获得准确的模型图纸和工程量，简化了设计过程，本发明最终输出的图纸和工程量来自于模型及原始驱动参数的输入，面对设计优化和变更，可在保证设计效率的同时，确保设计成果的准确一致性，所有的三维模型都是按实际工程位置和参数进行制作，包括地面、隧道等，使得在设计过程中实时对项目进行实际校验，同时最终的模型数据是有原始设计参数而来，如测量数据更新，则地形模型自动更新，平面路线或纵断面更新，则对应的空间采样位置更新，同时该位置布置的横断面空间位置更新，模型随之更新，确保了任何的设计变更都会直接作用于最终模型，由模型剖切生成的图纸和模型体积计算的工程量直接受模型影响，因此输出的设计成果将和输入的设计变更实时同步，满足了使用时所需。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、进行测量数据；
S2、建立隧道平面路线；
S3、建立路线纵断面参数化分析；
S4、建立隧道闭合框架结构参数化横断面；
S5、建立隧道明挖段闭合框架模型；
S6、进行输出图纸和计算工程量；
其中，
所述步骤S1用于获取项目所在地的测量数据，准备相应设备，通过三角网的方式，形成地形曲面模型；
所述步骤S2用于将完整路线进行参数化，按照路线规则，将路线分解成固定的单元，通过参数进行驱动，通过数据进行关联；
所述步骤S3用于通过对终端面线进行单元分析，获得直线、曲线不同类型段的长度、半径、桩号、坡度参数，通过参数化驱动完成；
所述步骤S4用于对标准横断面类型进行分析、对横断面各参数进行提取来适应不同类型需求；
所述步骤S4中建立隧道闭合框架结构参数化横断面，具体包括以下步骤：
S401、对标准横断面类型进行分析，确定横断面的中心点，中心点设置在路线位置，用于得到每个固定桩号横断面的空间位置点；
S402、对横断面进行参数提取，通过基于中心点，用于找到其他各部分相对于中心点的关系，获得所有构件的关键控制参数；
S403、对横断面各参数进行提取，用于完成横断面的参数控制；
S404、根据隧道明挖段不同区间的布置要求，用于修改横断面参数，适应不同类型需求；
所述步骤S5用于对平面路线和纵断面进行采样分析，基于平面路线、纵断面线、横断面类型之间关系将横断面进行依次布置，相邻的两个采样点横断面进行融合形成隧道明挖段闭合框架模型； 所述步骤S6用于将隧道明挖段闭合框架模型和地形曲面模型整合，通过两个横断面融合形成的三维模型计算出的体积，获得桩号之间的工程量。
2.根据权利要求1所述的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，其特征在于，所述步骤S5中建立隧道明挖段闭合框架模型，具体包括以下步骤：
S501、在通过对步骤S2的平面路线和步骤S3的纵断面进行采样分析，可获得所需关键点的空间位置：采样点一般根据路线类型，按距离定距采样，每2米做一个采样点，或者，采样点一般根据变坡点、直线交点、曲线交点、曲线中心点关键位置进行采样，获得所需横断面空间布置的全部采样点的中心点坐标，中心点坐标由位置平面XY值和对应纵断面Z值构成；
S502、将横断面构件按步骤S401中的方法的平面路线、纵断面线、横断面类型之间关系进行依次布置，相邻的两个采样点横断面进行融合形成隧道明挖段闭合框架模型。
3.根据权利要求2所述的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，其特征在于，所述步骤S6中进行输出图纸和计算工程量，具体包括以下步骤：
S601、将隧道明挖段闭合框架模型和地形曲面模型整合，用于在平面路线任意一个桩号位置进行横向剖切，获得该位置准确的横断面图，同时可得到隧道与地面之间的关系；
S602、在步骤S5中采用步骤S501中的方法进行空间位置采样的同时，每个采样点同时包含了该点的平面桩号，该桩号将同时记录在所布置的横断面中，通过两个横断面融合形成的三维模型计算出的体积，获得两个桩号之间的工程量，进行累计就可以得到任意两个桩号间的工程量。
4.根据权利要求1所述的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，其特征在于：所述步骤S1中的测量数据通过测量单位进行提供，所述步骤S1中数据类型为点坐标和点高程数据，所述步骤S1中的三角网方式通过相近的3个点形成一个面进行使用。
5.根据权利要求1所述的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，其特征在于：所述步骤S2中单元包括直线段、曲线段、缓和曲线段，用于对每段路线的桩号、起点终点数据、类型数据进行参数化处理。
6.根据权利要求3所述的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，其特征在于：所述平面桩号的计算方式为：通过采样点和路线起点的距离计算出对应的桩号。
7.根据权利要求1所述的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，其特征在于：所述步骤S402中其他各部分相对于中心点的关系包括路面相对于中心点距离形成路面厚度、侧墙相对于中心点距离可确定侧墙位置和顶板相对于中心距离可确定顶板位置。
8.根据权利要求1所述的基于BIM的隧道结构明挖段参数化设计方法，其特征在于：所述步骤S1中相应设备包括控制终端、显示屏、监控摄像头、交换机和测量设备。
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