基于BIM的梁式桥快速建模专家系统研究

摘要

桥梁养护行业对桥梁病害检测记录方式从传统方式逐步向数字化记录方式转型已成为该行业未来趋势，而实现桥梁三维可视化，是完成病害检测数字化记录的基础；梁式桥约占高速公路桥梁总量七成，其结构较为规范，因此可以借助专家知识结合专家系统完成对梁式桥的快速建模；BIM技术在桥梁行业的应用已成为桥梁行业的发展潮流。 基于以上的行业背景及技术前提，本文提出了一种基于BIM的梁式桥快速建模专家系统方法。该方法结合桥梁专家知识经验，设计了知识库和推理机制，实现桥梁及组件族库的快速建模。具体研究内容如下： 首先研究了BIM概念，专家系统理论知识，桥梁结构知识及桥梁与组件一般建模过程，在此基础上提出了桥梁快速建模专家系统；其次，结合桥梁结构知识的准确性、层次性及耦合性特点，以产生式规则结合公式表达式作为知识表达方式。并按照知识特点划分知识库类型（BIM组件族库知识库、组件结构参数库、模型拼接库、模型绘制库），并分类设计知识库的数据存储结构；然后，采用自上而下的推理方式，完成桥梁组件族库建模与全桥建模推理过程设计，这两个推理过程核心内容都包括组件结构参数库推理和模型绘制库推理，在此过程中，设计公式解析器用于公式表达式的解析与计算；随后，结合边界表示法完成桥梁基本部件参数化建模，采用匹配算法完成组件族库及桥梁的模型绘制，再通过OSG三维图形引擎完成模型及场景可视化；最后采用三层结构方式进行系统的设计及开发桥梁快速建模专家系统，实现了梁式桥快速建模专家系统组件建模、全桥快速建模及知识库编辑等功能。 本文依托于开发的专家系统，通过三维模型的直观展示与结构参数的侧面反映，将建模结果与专家给出的结果相比对，证实了方法的可行性和准确性。并且该方法提高了参数化建模的灵活性及可扩充性，可满足梁式桥三维模型的快速建模需要。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 BIM技术的应用现状

1.2.2 BIM技术在桥梁行业中的应用现状

1.2.3 基于规则的专家系统发展状况

1.3 本文主要研究内容

1.4 论文组织结构

1.5 本章小结

2 梁式桥全桥及组件建模过程与专家系统研究

2.1 专家系统

2.1.1 专家系统概述

2.1.2 专家系统的结构及工作原理

2.1.3 专家系统的开发流程

2.2 梁式桥结构设计

2.2.1 梁式桥整体结构

2.2.2 梁式桥组件结构组成

2.3 梁式桥快速建模专家系统搭建

2.3.1 桥梁基本部件建模算法

2.3.2 BIM组件族库建模拼接算法

2.3.3全桥建模拼接算法

2.3.4基于BIM的梁式桥快速建模专家系统

2.4 本章小结

3 梁式桥知识库建立及推理机制

3.1 专家系统知识

3.1.1梁式桥知识的特点

3.1.2梁式桥组件设计的知识获取

3.1.3桥梁快速建模知识库组织模型

3.2 梁式桥专家知识的表现形式

3.3 梁式桥组件设计的知识表达

3.3.1 知识的表达方式

3.3.2 梁式桥知识表达方式

3.4 梁式桥综合知识库

3.4.1 BIM组件族库知识库

3.4.2 组件结构参数库

3.4.3 模型拼接库

3.4.4 模型绘制信息库

3.5 基于实例的桥梁BIM组件族库及全桥模型绘制推理机制

3.5.1 BIM组件族库绘制推理

3.5.2 全桥绘制推理

3.6 本章小结

4 公式解析器

4.1 公式解析器应用背景

4.1.1应用背景

4.1.2 需求分析和功能分析

4.2 公式解析器的实现

4.2.1 结构计算公式逻辑解析流程

4.2.2 公式解析器的运算流程

4.3 公式解析器的效果分析

(1) 对普通公式计算结果分析

(2) 对 IF判断语句的结果分析

4.4 本章小结

5 参数化建模及可视化研究

5.1 三维渲染引擎OpenSceneGraph

5.1.1 OpenSceneGraph体系结构

5.1.2 OpenSceneGraph场景组织结构

5.1.3 OpenSceneGraph场景节点

5.1.4 桥梁三维场景图组织结构

5.1.5 MFC与OSG模型绘制之间的关系

5.2桥梁部件参数化建模过程

5.2.1 参数化设计原理及主要方法

5.2.2 桥梁部件建模算法

5.3桥梁BIM组件族库建模拼接算法及全桥建模拼接算法

5.3.1 桥梁BIM组件族库建模拼接算法

5.3.2 全桥建模拼接算法

5.4场景交互

5.5本章小结

6 基于BIM的梁式桥快速建模专家系统实现

6.1 系统功能框架

6.2 系统工作流程

6.2.1 BIM族库中组件模型展示流程

6.2.2 全桥建模模型展示流程

6.3 系统案例展示

6.3.1系统开发环境

6.3.2 应用实例

6.4 本章小结

7 总结和展望

7.1 工作总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果