本發(fā)明屬于水工結(jié)構(gòu)安全分析領(lǐng)域,具體是一種bim框架下的水工結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建方法。
背景技術(shù):
1、建筑信息模型(bim)是一個(gè)支持工程項(xiàng)目全生命周期的集成管理環(huán)境,它不僅包括描述工程對(duì)象三維幾何信息以及相關(guān)工程信息的數(shù)據(jù)模型,還能夠集成行為模型,用于模擬建筑在真實(shí)世界中的行為,為管理決策提供及時(shí)可靠的支持。但由于幾何建模和有限元分析遵循著完全不同的準(zhǔn)則,bim設(shè)計(jì)軟件繪制出的三維實(shí)體模型通常不能滿足分析要求,需要在網(wǎng)格剖分前對(duì)模型進(jìn)行編輯和調(diào)整。
2、因此,為了減少重復(fù)建模工作、充分發(fā)揮bim信息集成的優(yōu)勢(shì)、提高結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建的效率和精度,在bim框架下進(jìn)一步拓展水工結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建能力具有非常重要的意義。
3、目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)基于已有建筑信息模型的結(jié)構(gòu)分析模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法做了大量探索和研究,但絕大多數(shù)研究圍繞建筑模型和建筑結(jié)構(gòu)分析模型開展,研究?jī)?nèi)容主要集中于由梁、柱、墻等建筑構(gòu)件的實(shí)體模型信息推算線、面單元的幾何拓?fù)湫畔?,僅支持構(gòu)建基于線、面單元的結(jié)構(gòu)分析模型。而現(xiàn)階段基于實(shí)體網(wǎng)格單元的結(jié)構(gòu)分析模型轉(zhuǎn)換研究?jī)H適用于一些簡(jiǎn)單、規(guī)則的實(shí)體模型,并且信息交互和表達(dá)依賴于特定的應(yīng)用軟件,存在很大的局限性。
4、鑒于水工結(jié)構(gòu)多為復(fù)雜實(shí)體結(jié)構(gòu),且進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)必須要考慮一定范圍內(nèi)的地形實(shí)體對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響,因而在bim環(huán)境中利用已有研究實(shí)現(xiàn)水工結(jié)構(gòu)復(fù)雜實(shí)體模型向基于實(shí)體網(wǎng)格單元的結(jié)構(gòu)分析模型轉(zhuǎn)換時(shí)還存在諸多不足之處。
5、綜上,需要從水工結(jié)構(gòu)實(shí)體模型向網(wǎng)格單元模型轉(zhuǎn)換以及結(jié)構(gòu)分析模型的信息交互和表達(dá)這兩個(gè)方面出發(fā),對(duì)上述問題進(jìn)行充分研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,提供一種bim框架下的水工結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建方法,能夠?qū)崿F(xiàn)水工結(jié)構(gòu)復(fù)雜實(shí)體模型與一定范圍地形表面的預(yù)處理,以及通用結(jié)構(gòu)分析模型的信息表達(dá)與信息交互。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
3、本發(fā)明提供一種bim框架下的水工結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建方法,所述構(gòu)建方法包括以下步驟:
4、步驟s1:使用支持ifc標(biāo)準(zhǔn)的工具對(duì)bim實(shí)體模型進(jìn)行提取,篩選水工結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件,并導(dǎo)出相關(guān)幾何數(shù)據(jù),以支持后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建;
5、步驟s2:利用高級(jí)虛擬拓?fù)洳僮?,在不改變模型幾何部分的前提下,通過對(duì)復(fù)雜水工結(jié)構(gòu)實(shí)體模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整與編輯,而后進(jìn)行網(wǎng)格剖分;
6、步驟s3:基于視覺感知法,通過局部反差度和全局稀疏度計(jì)算網(wǎng)格頂點(diǎn)的視覺顯著性,區(qū)分地形網(wǎng)格特征,并利用混合低通濾波器對(duì)地形網(wǎng)格進(jìn)行平滑處理后,采用網(wǎng)格自動(dòng)剖分算法對(duì)平滑后的地形曲面進(jìn)行網(wǎng)格剖分;
7、步驟s4:基于bim元數(shù)據(jù)模型,構(gòu)建水工結(jié)構(gòu)分析的子模型視圖,提取并整合結(jié)構(gòu)分析參數(shù),生成標(biāo)準(zhǔn)化的通用結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)模型;
8、步驟s5:構(gòu)建與結(jié)構(gòu)分析軟件互通的數(shù)據(jù)接口。
9、進(jìn)一步地,步驟s1中,對(duì)bim實(shí)體模型進(jìn)行提取的方法包括:采用基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問接口的ifc信息直接訪問方法,利用ifc工具箱對(duì)水工結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型進(jìn)行篩選,提取包括壩體、閘門、消能設(shè)施和進(jìn)水口在內(nèi)的關(guān)鍵構(gòu)件,并將實(shí)體模型的幾何數(shù)據(jù)信息以step格式或sat格式導(dǎo)出,以保證模型的充分性和完整性。
10、進(jìn)一步地,步驟s2包括以下步驟:
11、步驟s201:通過執(zhí)行基本虛擬拓?fù)洳僮鳎ㄈ诤?、分割、連接、構(gòu)造,并按特定順序重復(fù)執(zhí)行這些操作,形成高級(jí)虛擬拓?fù)洳僮?,包括移除貫穿孔洞、移除凹槽、模型分解?/p>
12、步驟s202:識(shí)別附著于水工結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)上但對(duì)于模型整體分析結(jié)果影響較小、且顯著增加模型網(wǎng)格剖分難度的細(xì)小特征,包括混凝土壩壩身的廊道、孔洞以及不同閘門內(nèi)置的軌道槽;
13、步驟s203:通過高級(jí)虛擬拓?fù)洳僮魅コ鲜黾?xì)小幾何特征,并采用網(wǎng)格自動(dòng)剖分算法對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格剖分。
14、進(jìn)一步地,步驟s3包括以下步驟:
15、步驟s301:通過局部反差度與全局稀疏度,以及k均值聚類算法,計(jì)算地形網(wǎng)格中的任意給定頂點(diǎn)vi的局部反差度sl(vi)以及全局稀疏度sg(vi),包括以下子步驟:
16、步驟s301.1:通過公式(1)計(jì)算其局部反差度sl(vi),計(jì)算公式如下:
17、
18、式中,ui為m個(gè)最接近該頂點(diǎn)的的面片,即σa取為0.6;ri為高度圖(從其自身到網(wǎng)格表面沿垂直于切平面射線的歐幾里得距離)的大??;zri表示zernike系數(shù);
19、步驟s301.2:通過公式(2)計(jì)算其全局稀疏度sg(vi),計(jì)算公式如下:
20、
21、式中,表示網(wǎng)格中的所有頂點(diǎn),具有相同特征的頂點(diǎn)具有相同的稀疏度;
22、步驟s301.3:通過k均值聚類算法對(duì)相似頂點(diǎn)進(jìn)行聚類分析,將式(2)中的頂點(diǎn)替換為相應(yīng)聚類的中心點(diǎn),并通過公式(3)來(lái)推導(dǎo)該簇的稀疏度,簇的稀疏度計(jì)算公式如下:
23、
24、式中,ci和cj分別表示特征空間中的簇i和簇j的中心點(diǎn),k為聚類后簇的總數(shù),n為網(wǎng)格的頂點(diǎn)數(shù),nj表示簇j中的頂點(diǎn)數(shù)量;
25、步驟s301.4:在評(píng)估每個(gè)簇樣本的稀疏度后,通過適當(dāng)?shù)牟逯捣椒ㄓ?jì)算單個(gè)頂點(diǎn)的稀疏度,對(duì)于一個(gè)給定的頂點(diǎn)vi,通過公式(4)計(jì)算頂點(diǎn)的全局稀疏度:
26、
27、式中,ti為m個(gè)最接近該頂點(diǎn)的簇;σa取值為0.3,為特征空間中更接近頂點(diǎn)vi的簇分配更大的權(quán)重;
28、步驟s302:當(dāng)局部反差度sl(vi)以及全局稀疏度sg(vi)分別計(jì)算完成后,通過公式(5)計(jì)算網(wǎng)格頂點(diǎn)的視覺顯著性,并利用式(6)將其歸一化處理后作為特征尺度來(lái)區(qū)分大小特征,計(jì)算公式如下:
29、s(vi)=sl(vi)+λsg(vi)
30、(5)
31、
32、式中,λ表示權(quán)重因子,si為同時(shí)考慮局部反差度和全局稀疏度得到的頂點(diǎn)i處的視覺顯著性,smax為網(wǎng)格頂點(diǎn)中顯著性最高的值,smin為網(wǎng)格頂點(diǎn)中顯著性最低的值;
33、步驟s303:針對(duì)地形曲面的實(shí)際情況選擇合適的閾值,將大于該閾值的頂點(diǎn)設(shè)置為小尺度特征頂點(diǎn)(設(shè)置標(biāo)簽變量εi=1),將小于該閾值的頂點(diǎn)設(shè)置為大尺度特征頂點(diǎn)(設(shè)置標(biāo)簽變量εi=0);
34、步驟s304:利用混合低通濾波器進(jìn)行地形網(wǎng)格平滑處理,即,在不同的地形網(wǎng)格頂點(diǎn)處采用不同的截止頻率,頂點(diǎn)vi處的截止頻率可由下式確定:
35、σi=α(1-εi)+βεi
36、(7)
37、式中,σi為頂點(diǎn)i處的截止頻率,α為大尺度特征點(diǎn)(εi=0)處參與幾何重建的截止頻率,β為小尺度特征點(diǎn)(εi=1)處參與幾何重建的截止頻率;
38、步驟s305:利用網(wǎng)格自動(dòng)剖分算法對(duì)平滑處理后的地形曲面進(jìn)行四邊形網(wǎng)格剖分,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生成地形實(shí)體六面體單元的目標(biāo)。
39、進(jìn)一步地,步驟s3中,計(jì)算所有頂點(diǎn)顯著性的時(shí)間復(fù)雜度為o(n2),其中n為網(wǎng)格的頂點(diǎn)數(shù),為了降低計(jì)算復(fù)雜度,采用k均值聚類算法對(duì)不同的空間進(jìn)行自適應(yīng)地采樣通過將頂點(diǎn)聚類為不超過50個(gè)簇,簇的數(shù)量顯著少于實(shí)際頂點(diǎn)數(shù)量,從而顯著降低了計(jì)算復(fù)雜度。
40、進(jìn)一步地,步驟s4包括以下步驟:
41、步驟s401:基于bim元數(shù)據(jù)模型構(gòu)建面向水工結(jié)構(gòu)分析的子模型視圖定義;
42、步驟s402:根據(jù)模型視圖定義中的具體信息交互需求從網(wǎng)格模型及全局bim數(shù)據(jù)模型中提取單元節(jié)點(diǎn)信息、物理力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)荷載以及邊界條件等相關(guān)信息;
43、步驟s403:以統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的形式描述結(jié)構(gòu)分析模型所需的必要信息,形成與表達(dá)語(yǔ)言無(wú)關(guān)且與應(yīng)用軟件無(wú)關(guān)的通用數(shù)據(jù)模型。
44、進(jìn)一步地,步驟s5中,構(gòu)建的數(shù)據(jù)接口用于實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能:
45、(1)解析通用數(shù)據(jù)模型,讀取結(jié)構(gòu)分析所需的關(guān)鍵信息;
46、(2)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息匹配,將從網(wǎng)格單元模型中獲取的網(wǎng)格單元的幾何拓?fù)湫畔⑴c從全局ifc模型中獲取的主體結(jié)構(gòu)的材料信息進(jìn)行整合,以確保信息的一致性;
47、(3)根據(jù)結(jié)構(gòu)分析軟件的要求,生成符合特定格式的計(jì)算文件。
48、更進(jìn)一步地,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
49、一種bim框架下的水工結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建系統(tǒng),其應(yīng)用于如權(quán)利要求1至7所述的bim框架下的水工結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建方法,所述的bim框架下的水工結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建系統(tǒng)包括:
50、幾何模型導(dǎo)出模塊,包括:結(jié)構(gòu)解析單元,用于篩選水工結(jié)構(gòu)主體中需要進(jìn)行分析的結(jié)構(gòu);實(shí)體模型導(dǎo)出單元,用于選擇文件導(dǎo)出格式,并添加附加信息;
51、實(shí)體模型預(yù)處理模塊,包括:模型調(diào)整單元,用于選擇合適的高級(jí)虛擬拓?fù)洳僮鲗?duì)實(shí)體模型上的細(xì)小特征進(jìn)行處理;網(wǎng)格自動(dòng)剖分單元,用于針對(duì)實(shí)體模型的特征選擇合適的自動(dòng)剖分算法對(duì)經(jīng)處理后的實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分;
52、地形表面預(yù)處理模塊,包括:曲面平滑模塊,用于區(qū)分地形曲面上的小尺度特征并將其過濾,僅保留大尺度地形特征;網(wǎng)格自動(dòng)剖分單元,用于選擇合適算法劃分曲面單元,并進(jìn)行豎直方向延伸,形成地形實(shí)體網(wǎng)格單元;
53、網(wǎng)格模型解析模塊:用于對(duì)上述已經(jīng)剖分好的實(shí)體單元信息進(jìn)行解析,包括單元數(shù)量、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、單元編號(hào)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)單元關(guān)系、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo);
54、結(jié)構(gòu)分析模型創(chuàng)建模塊,包括:信息提取單元,用于提取網(wǎng)格模型中的信息以及ifc模型中的材料信息、荷載信息;約束施加單元,用于批量選擇面單元或節(jié)點(diǎn)單元,并添加相應(yīng)的約束;通用結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建單元,用于導(dǎo)入事先編制好的面向水工結(jié)構(gòu)分析的子模型視圖定義,并依據(jù)子模型視圖定義對(duì)模型中的必要信息進(jìn)行提取整合;
55、數(shù)據(jù)接口模塊:用于選擇不同有限元商業(yè)軟件所支持的格式,進(jìn)行模型解析與信息匹配,以生成特定格式的計(jì)算文件。
56、更進(jìn)一步地,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
57、一種電子設(shè)備,包括處理器以及存儲(chǔ)器,所述存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序,所述計(jì)算機(jī)程序被所述處理器執(zhí)行時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的bim框架下的水工結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建方法。
58、更進(jìn)一步地,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
59、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì),其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序,所述計(jì)算機(jī)程序用于運(yùn)行權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的bim框架下的水工結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建方法。
60、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:
61、(1)本發(fā)明提出的bim框架下的水工結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建方法能夠針對(duì)水工結(jié)構(gòu)實(shí)體模型的特點(diǎn),分別對(duì)復(fù)雜實(shí)體模型與地形表面進(jìn)行快速預(yù)處理,以實(shí)現(xiàn)有限單元網(wǎng)格的自動(dòng)剖分。
62、(2)本發(fā)明提供了適用于水工結(jié)構(gòu)分析模型的信息交互和表達(dá)方法,能夠支撐bim框架下的水工結(jié)構(gòu)分析模型構(gòu)建全流程,有助于進(jìn)一步完善基于bim的結(jié)構(gòu)分析模型轉(zhuǎn)換機(jī)制。
63、(3)本發(fā)明提供的數(shù)據(jù)接口能夠?qū)νㄓ媒Y(jié)構(gòu)分析模型進(jìn)行解析,并根據(jù)用戶選擇的特定結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)分析模型的信息格式進(jìn)行重新整合,有助于實(shí)現(xiàn)由任意bim設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出的ifc信息模型生成任意結(jié)構(gòu)分析軟件可接受的水工結(jié)構(gòu)分析模型。