一种基于BIM-OCTREE的复杂地基-结构体系高效精细化建模方法

摘要

一种基于BIM‑OCTREE的复杂地基‑结构体系高效精细化建模方法。首先，依据设计模型信息，确定计算域范围，筛选优化地形勘测数据，采用自然临近内插法和克里金法对地形数据进行插值拟合。其次，通过曲面生成技术将插值后的地形图转化为地形曲面，生成几何实体模型。最后，根据计算需求，设定各部件离散网格尺寸，对已创建的BIM几何实体进行OCTREE跨尺度精细网格离散，将模型编码数据转换为有限单元数据。本发明可直接利用勘测设计资料建立包含不规则地形和不均匀地质的几何实体模型，避免传统方法中的简化处理造成的模型‘失真’问题；有效提高前处理建模效率；能实现工程结构精细化分析中计算精度和分析效率间的良好平衡。

说明书

技术领域

本发明属于建筑学、计算机图形学、核电工程和岩土工程技术领域，是前沿学科在核电工程及传统土木水利领域交叉应用的探索研究。

背景技术

核电、水电是构建和完善我国清洁能源现代化体系的重要部分，其规划布局已被列为国家中长期发展战略，相关结构的安全问题是工程界重要的研究方向。

高土石坝和核电厂房结构等是电力体系的重要构筑物，这类结构往往投资巨量、体量庞大，且在极端荷载(强震、爆炸等)作用下的失事后果及次生灾害不堪设想，故确保结构安全平稳运营至关重要。

有限元数值分析是获取和评价结构安全性能的重要手段，精细化分析则能更真实地捕捉结构力学响应，从而更直观、真实地再现破损过程。网格模型是数值模拟的先决条件，但工程场址地形不规则、地质空间分布不均匀、结构自身尺度跨越大等特点使得经典的等参有限单元用于精细化建模仍面临较大困难：

1)难以实现高效率、高质量的精细化网格离散，需分块处理，易导致模型一定程度‘失真’；需半手动控制网格尺寸和离散过程，人机交互繁琐，故离散过程耗时较长，据美国Sandia国家实验室统计，复杂结构的整个仿真过程中有超过80％的时间用于模型操作与网格划分。

2)常规等参单元网格尺寸难以跨越，对大型结构，采用传统的一致尺度精细网格离散方案，将生成巨量单元，导致计算效率极低，难以开展弹塑性分析。因此，研发一种全自动高效、自由度可控的精细化建模方法是十分必要的。

发明内容

本发明针对以高土石坝和核电厂房为代表的复杂工程精细化建模存在的难题，提出了一种基于BIM-OCTREE的高效、高质精细模型创建方法。该方法可直接利用计算机图形学BIM系列软件创建的几何实体模型，避免了传统方法需根据设计图纸‘二次重构’的局限。此外，可根据材料特性，按需求设定不同区域的网格尺寸。该方法既可保证关键部件精细模拟，又能有效控制整体计算规模，有效地克服了经典的等参单元方法用于大型工程结构精细化分析时，难以实现计算精度与分析效率良好平衡的困境。

为了达到上述目的，下述以高土石坝为例，详细说明本发明采用的技术方案：

一种基于BIM-OCTREE的复杂地基-结构体系高效精细化建模方法，包括以下步骤：

第一步，基于BIM软件的三维几何实体模型创建

1.1依据设计模型信息，确定计算域范围

依据勘测设计单位提供的CAD平面设计图纸(包括：地形等高线，结构几何设计形式、各断面尺寸信息，材料分区信息)；进行下述操作处理：

(1)保留CAD图纸中的地形地貌图元、清理其他无关图元(标注、填充、文字说明等)。

(2)依据实际模型情况，依据工程经验指定参照原点，将地形地貌信息，参考选定的原点移植到新图层中。

(3)建立工程模型的局部坐标系，旋转所有图元使工程模型坐标系与CAD软件内嵌坐标系重合。

(4)缩放所有图元，使图元的单位符合国际单位制。

(5)根据坝高H，确定地基计算域截断范围：上下游和左右岸截取长度L均取为1.5H(面板坝)或1.8H(心墙坝)，所有图元在计算边界处截断将范围外的图元删除。

(6)提取计算域范围内的地形地貌的关键点坐标信息，并命名为点集A。

(7)提取各个断面的地形地貌关键点坐标信息，并命名为点集B，点集A和点集B的并集为点集C。

1.2筛选优化地形勘测数据

采用BIM软件内置的Edge Contraction和Point Removal方法筛选优化地形数据点，保证三维地形精度的前提下，尽量降低数据点个数，减少运算量，从而提高建模效率。

(1)使用点集C作为基础数据生成三角网曲面。

(2)若曲面内局部三角形网格过密，则采用Edge Contraction功能，通过框定简化范围，设定简化精度等，筛选优化数据，降低三角形数量。

(3)若曲面内局部坐标点过于集中，则采用Point Removal功能，通过框定简化范围，设定简化精度等，筛选优化数据，降低坐标点数。

(4)以上两个步骤可重复交替进行，实现保证地形精度的前提下，尽量降低数据复杂程度，从而提高建模效率。

(5)简化完成后，提取最终的地形曲面节点坐标信息，并命名为点集D。

1.3缺失数据的拟合

针对简化完成后获得的点集D中部分区域缺失关键点的问题，采用自然临近内插法和克里金法对地形数据进行插值拟合，使数据满足研究需求。

(1)若设计资料为地形点内部缺失，可采用自然临近内插法，通过设定输出方式，输出间隔等进行内插式数据拟合，以解决内部节点缺失问题。

(2)若设计资料为地形点外部缺失，可采用克里金法，通过选择变异函数模型及设定相应的模型参数、外插参考点、输出方式、输出间隔等进行外插式数据拟合。

(3)拟合完成后，拟合前和拟合后的点共同命名为点集E

(4)建立点集E

(5)建立点集E

1.4生成地形曲面与地层交界面

通过曲面生成技术将插值后的地形图转化为地形曲面。对于需要考虑各个地层的情况，各个地层的数据重复执行上述所有步骤，建立各个地层的数据点集，并命名为E

1.5几何实体模型生成

地形地层体模型通过地形曲面、各地层交界面间的BOOLEAN运算建立，结构实体模型通过线-面-体及BOOLEAN运算等几何操作建立。

(1)各相邻面之间进行BOOLEAN运算，获得结构层实体模型、各地层实体模型。

(2)根据设计图纸中的结构截面信息，通过点-线-面的方式创建切割面工具。

(3)使用切割面工具对结构层实体模型进行切割，随后进行多余体删除、相关体合并等操作。

(4)对相邻的几何实体进行压印操作，使得离散时相邻体在交界面处具有相同的关键点坐标。

(5)校核无误后的几何实体导入BIM平台，添加族、部件信息等，用以丰富BIM模型库，便于后续同类工程建模。

第二步，基于OCTREE的跨尺度精细化离散

根据计算需求，设定各部件离散网格尺寸，对已创建的BIM几何实体直接进行OCTREE跨尺度精细网格离散，将模型编码数据转换为CAE软件可用的有限单元数据。

(1)几何实体导入OCTREE网格生成软件。

(2)运行查错功能检查几何错误(穿孔面、自由边、非流形边、非流形节点等)，若局部存在错误，则通过手动重组边结构操作进行修复工作。

(3)根据计算需求，按分区部件设定各自网格尺寸参数，与结构计算无关的部分设定为不参与离散。

(4)运行OCTREE离散程序得到体网格。

(5)使用融合功能使得各部件间交界面处节点共用。

(6)导出最终网格模型，运行多面体单元节点解析程序，得到有限元模型单元节点信息。

本发明的有益效果为：

(1)基于BIM系列软件，可直接利用勘测设计资料建立包含不规则地形和不均匀地质的几何实体模型，避免了传统方法中的简化处理造成的模型‘失真’问题。

(2)基于OCTREE离散技术，可直接利用BIM创建的几何模型，克服了传统方法需根据设计资料‘二次重构’几何实体的不足，突破了BIM到CAE分析软件间无缝连通的限制，有效提高了前处理建模效率。

(3)采用跨尺度精细化离散方案，实现了同一模型中不同部件离散不同网格尺寸的平滑跨越，实现了工程结构精细化分析中计算精度和分析效率间的良好平衡，提供了一种用于大型复杂结构行之有效的精细化建模方法。

附图说明

图1计算域范围截取示意；

图2采用Edge Contraction操作原理示意；

图3采用Point Removal操作原理示意；

图4拟合缺失数据过程示意图；

图5复杂地基-结构BIM模型制作流程；

图6BIM模型通过OCTREE离散生成有限元模型；

图7本发明流程图；

图8RM工程枢纽布置设计资料图；

图9RM工程材料分区设计资料图

图10RM工程地基-大坝复杂体系三维几何实体模型；

图11RM工程OCTREE技术离散的跨尺度精细网格示意；

图12某核电站地基-安全壳厂房复杂体系几何体模型示意。

具体实施方式

以下工程案例为本发明考虑不规则地形、不均匀地质及多部件交错的复杂体系跨尺度精细化建模优选实例，其他诸如原理框架、基本理论和思想或实现方法等与本实例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

工程案例1：考虑S形河谷及两岸非对称的超高黏土心墙坝

某高黏土心墙坝模型最大坝高315.0m，心墙型式为直心墙，上游坝坡为1:2.1，下游坝坡坡比为1:2.0，坝顶宽度18.0m，主体结构分区见图9，包含堆石料过度料、反滤料、心墙料、堆石料等15种材料，心墙与两岸之间设置高塑性黏土区。尺寸信息如下：上游坡比为1:2.1，下游坡比为1:2；坝底高程为2592m，坝顶高程为2907m，正常蓄水位为2892m。

应用本发明的建模思路，对该工程开展跨尺度精细建模工作，具体操作过程如下：

第一步，基于BIM软件的三维几何实体模型创建

1.1依据设计模型信息，确定计算域范围

依据勘测设计单位提供的CAD平面设计图纸(包括：地形等高线，结构几何设计形式、各断面尺寸信息，材料分区信息)；进行下述操作处理：

(1)保留CAD图纸中的地形地貌图元、清理其他无关图元。

(2)依据实际模型情况，依据工程经验指定参照原点，将地形地貌信息，参考选定的原点移植到新图层中。

(3)建立工程模型的局部坐标系，旋转所有图元使工程模型坐标系与CAD软件内嵌坐标系重合。

(4)缩放所有图元，使图元的单位符合国际单位制。

(5)根据坝高H，确定地基计算域截断范围：上下游和左右岸截取长度L均取为1.8H，所有图元在计算边界处截断将范围外的图元删除。

(6)提取计算域范围内的地形地貌的关键点坐标信息，并命名为点集A。

(7)提取各个断面的地形地貌关键点坐标信息，并命名为点集B，点集A和点集B的并集为点集C。

1.2筛选优化地形勘测数据

采用BIM软件内置的Edge Contraction和Point Removal方法筛选优化地形数据点，保证三维地形精度的前提下，尽量降低数据点个数，减少运算量，从而提高建模效率。

(1)使用点集C作为基础数据生成三角网曲面。

(2)若曲面内部三角形边过密，则采用Edge Contraction功能，通过框定简化范围，设定简化精度等，筛选优化数据，降低三角形数量。

(3)若曲面内部坐标点过于集中，则采用Point Removal功能，通过框定简化范围，设定简化精度等，筛选优化数据，降低坐标点数。

(4)以上两个步骤可重复交替进行，实现保证地形精度的前提下，尽量降低数据复杂程度，从而提高建模效率。

(5)简化完成后，提取最终的地形曲面节点坐标信息，并命名为点集D。

1.3缺失数据的拟合

针对简化完成后获得的点集D中部分区域缺失关键点的问题，采用自然临近内插法和克里金法对地形数据进行插值拟合，使数据满足研究需求。

(1)若设计资料为地形点内部缺失，可采用自然临近内插法，通过设定输出方式，输出间隔等进行内插式数据拟合，以解决内部节点缺失问题。

(2)若设计资料为地形点外部缺失，可采用克里金法，通过选择变异函数模型及设定相应的模型参数、外插参考点、输出方式、输出间隔等进行外插式数据拟合。

(3)拟合完成后，拟合前和拟合后的点共同命名为点集E

(4)建立点集E

(5)建立点集E

1.4生成地形曲面与地层交界面

通过曲面生成技术将插值后的地形图转化为地形曲面。对于需要考虑各个地层的情况，各个地层的数据重复执行上述所有步骤，建立各个地层的数据点集，并命名为E

1.5几何实体模型生成

地形地层体模型通过地形曲面、各地层交界面间的BOOLEAN运算建立，结构实体模型通过线-面-体及BOOLEAN运算等几何操作建立。

(1)各相邻面之间进行BOOLEAN运算，获得结构层实体模型、各地层实体模型。

(2)根据设计图纸中的结构截面信息，通过点-线-面的方式创建切割面工具。

(3)使用切割面工具对结构层实体模型进行切割，随后进行多余体删除、相关体合并等操作。

(4)对相邻的几何实体进行压印操作，使得离散时相邻体在交界面处具有相同的关键点坐标，最终生成的模型参见图10，相关尺寸信息如下：顺河向长度B为1100m，坝轴向长度C为900m，竖直向高度A为1400m、高度D为650m、高度E为1150m，拱形混凝土廊道壁厚为0.5m。

(5)校核无误后的几何实体导入BIM平台，添加族、部件信息等，用以丰富BIM模型库，便于后续同类工程建模。

第二步，基于OCTREE的跨尺度精细化离散

根据计算需求，设定各部件离散网格尺寸，对已创建的BIM几何实体直接进行OCTREE跨尺度精细网格离散，将模型编码数据转换为CAE软件可用的有限单元数据。

(1)几何实体导入OCTREE网格生成软件。

(2)运行查错功能检查几何错误(穿孔面、自由边、非流形边、非流形节点等)，若局部存在错误，则通过手动重组边结构操作进行修复工作。

(3)根据计算需求，按分区部件设定各自网格尺寸参数，与结构计算无关的部分设定为不参与离散。

(4)运行OCTREE离散程序得到体网格。

(5)使用融合功能使得各部件间交界面处节点共用。

(6)导出最终网格模型，运行多面体单元节点解析程序，得到有限元模型单元节点信息。参见图11，最终生成单元共145万，节点共133万，离散时间仅为71.0秒，基岩到混凝土廊道采用了从24m→8m→4m→2m→0.2m的网格尺寸跨越方案。

工程案例2：某核电工程

某核电站位于我国东南沿海地区，根据其设计资料，执行上述所有建模步骤(这里不再赘述)，可高效创建其几何实体模型，如图12所示，选取模型范围如下：长度方向B为625.3m，宽度方向C为607.7m，高度方向A为117.2m、D为220.0m和E为214.8m。建立的BIM模型准确刻画了不同厚度地层的空间分布和起伏情况，真实反映了屏蔽厂房、锥形穹顶、辅助厂房内部细节等关键部件。

采用本方法，通过多级尺度跨越方案，高效地建立了跨尺度精细化的多层地基-结构体系有限元模型，整个模型离散时间为48.0s，共计生成单元43万，节点45万，基岩到安全壳采用了从16m→4m→1.2m→0.8m→0.4m的网格尺寸跨越方案。提出方法有效解决了复杂核电结构体系精细化建模难题，为精确模拟其力学响应提供了有力技术支撑。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。