基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法及系统

技术领域

本发明属于传统土木工程仿真数值模拟和BIM数字化设计、施工风险管理的交叉技术领域，尤其涉及一种基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法及系统。

背景技术

目前，随着当前城市化建设进入高速发展的新时期，出现了越来越多的高层建筑，随着高层建筑建筑高度的不断增长和围绕城市不断的扩展开发，基坑工程的开挖也朝向深度更深，体量更大，周边环境更为复杂的方向发展，出现了越来越多的深基坑工程。深基坑的开挖是地下工程施工中一个综合性岩土工程难题，其面临的问题主要有：

(1)由于计算参数的不确定性和周围环境条件的复杂性等原因，目前在基础工程设计计算过程中，依靠的大多是经验或者半经验的理论，导致基坑工程在设计与实际施工过程中经常处于不确定的状态；

(2)由于基坑开挖所造成的环境效应包括附近地基中土体性状的改变、地表的沉降以及对附近建(构)筑物和地下管道线路的影响，情况严重的甚至会影响到邻近建(构)物和地下管线的安全和稳定。

另一方面，BIM建模技术已经逐渐成为建筑领域信息技术研究和应用的热点。BIM技术构建的三维参数化模型有效地集成了项目的各种相关信息，并在建筑工程项目规划、运行和维护的全生命周期内进行共享和传递。BIM模型所包含的大量三维数据信息和相关的参数信息可以为工程计算提供方便。而在岩土工程领域，传统BIM技术在面对复杂多变的工程地质环境和施工过程中的其他不确定性因素时，其建模和计算过程割裂，分析模型信息更新不及时，BIM模型存在信息孤岛问题，且传统分析过程繁杂，分析耗时长，不利于工程人员做到简便、实时地监控施工过程。此外，传统的施工风险分析BIM平台更多的是关注施工现场现有的传感器监测数据，而未能从机理的角度去预测可能存在的基坑变形风险。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)由于计算参数的不确定性和周围环境条件的复杂性等原因，目前在基础工程设计计算过程中，依靠的大多是经验或者半经验的理论，导致基坑工程在设计与实际施工过程中经常处于不确定的状态。

(2)由于基坑开挖所造成的环境效应包括附近地基中土体性状的改变、地表的沉降以及对附近建(构)筑物和地下管道线路的影响，情况严重的甚至会影响到邻近建(构)物和地下管线的安全和稳定。

(3)在岩土工程领域，传统BIM技术在面对复杂多变的工程地质环境和施工过程中的其他不确定性因素时，其建模和计算过程割裂，分析模型信息更新不及时，BIM模型存在信息孤岛问题，且传统分析过程繁杂，分析耗时长，不利于工程人员做到简便、实时地监控施工过程。

(4)传统的施工风险分析BIM平台更多的是关注施工现场现有的传感器监测数据，而未能从机理的角度去预测可能存在的基坑变形风险。

解决以上问题及缺陷的难度为：

(1)要考虑基坑工程设计施工过程中存在的不确定性问题，一个有效的办法是采用土体参数随机场利用精细数值模拟软件分析基坑的变形指标，但这一过程步骤繁琐，不便于工程人员快速分析。

(2)常规的基坑分析设计软件只对基坑本身的变形、力学指标做出相应的计算评价，对基坑周围的变化不能做出很好的预测。

(3)BIM模型独立于设计软件之外，缺乏有效的计算接口。

解决以上问题及缺陷的意义为：

(1)充分考虑了施工过程中的不确定性，纳入了对施工风险的考量。

(2)将BIM软件和设计计算软件对接，既能保证计算的精确性，也方便了工程人员查看分析结果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法及系统，尤其涉及一种基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析一体化方法、系统，旨在解决传统基坑工程设计效率低下、工程信息存在“信息孤岛”的问题。

本发明是这样实现的，一种基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法包括以下步骤：

步骤一，工程师构建包含基坑分段分层开挖施工过程的BIM模型，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(IndustryFoundation Class，工业基础类)文件；

步骤二，通过三角网格化mesh算法，获取IFC文件中所有实例单元的几何信息，并储存在特定的OBJ文件中；

步骤三，通过OBJ文件中三角网格坐标点数、坐标分布的几何信息将其分类为实体单元或结构单元；

步骤四，提取IFC文件中包含模型单元的参数属性，并存储在JSON文件中，对于同一对象存储在不同类型文件的不同信息，通过给这一对象添加唯一识别码(UniversallyUnique Identifier)来实现信息锚定；

步骤五，结合分层开挖信息，基于动态三角网格划分算法实现对OBJ文件中实体单元的网格划分；

步骤六，将有限元网格文件和存储在JSON中的属性参数通过唯一识别码进行绑定，形成完整的数值模拟模型，并存储在云数据库中；

步骤七，结合云数据库中开挖施工过程信息，将步骤六的数值模拟模型导入自动模拟程序，生成确定性分析所需的全套代码并自动执行；

步骤八，由自动模拟程序生成后续随机场计算代码并自动计算，并将计算结果中有关变形的指标和相关规范要求对比，主动发出工程预警信息，人员可选择性查看任意施工过程、任意工程点的变形情况。

进一步，步骤二中，所述通过三角网格化mesh算法获取IFC文件中所有实例单元的几何信息的方法，包括：

(1)识别BIM模型中每个实例单元的特征点；

(2)在满足几何外形精度的条件下，用尽可能少的三角形网格包围原有实例单元；

(3)随后将所述三角形网格信息形成的三维实体储存在3D模型文件格式OBJ中。

进一步，步骤五中，所述动态三角网格划分算法为C++语言编写的Delaunay三角网格划分算法，是在基本的Delaunay三角网格划分算法基础上进行的改进。

进一步，步骤七中，所述自动模拟程序采用Java语言开发，包括：

(1)从云数据库中获取已经完成有限元网格化的几何模型、已经分类存储的参数信息属性，将二者通过统一识别码进行对应，并输入FLAC3D软件作为前处理的内容；

(2)结合云数据库中保留的施工分层开挖支护信息，对基坑模型进行多步分层开挖模拟，批量生成命令流，并将FLAC3D的计算结果进行基本的后处理，传入BIM平台。

进一步，步骤八中，所述不确定性分析方法为多参数的土性随机场分析方法，是多种土体力学参数在三维空间上呈现概率分布的不确定性，所述分析方法所得到的结果只关注上下限值，将上下限值和规范要求的允许值对比，可以发出相应的预警信息。

本发明的另一目的在于提供一种基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析系统包括：

BIM模型构建模块，用于通过工程师构建包含基坑分段分层开挖施工过程的BIM模型，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；

几何信息获取模块，用于通过三角网格化mesh算法，获取IFC文件中所有实例单元的几何信息，并储存在特定的OBJ文件中；

几何信息分类模块，用于通过OBJ文件中三角网格坐标点数、坐标分布的几何信息将其分类为实体单元或结构单元；

参数属性提取模块，用于提取IFC文件中包含模型单元的参数属性，并存储在JSON文件中，对于同一对象存储在不同类型文件的不同信息，通过给这一对象添加唯一识别码来实现信息锚定；

网格划分模块，用于结合分层开挖信息，基于动态三角网格划分算法实现对OBJ文件中实体单元的网格划分；

数值模拟模型构建模块，用于将有限元网格文件和存储在JSON中的属性参数通过唯一识别码进行绑定，形成完整的数值模拟模型，并存储在云数据库中；

确定性分析模块，用于结合云数据库中开挖施工过程信息，将数值模拟模型导入自动模拟程序，生成确定性分析所需的全套代码并自动执行；

自动计算及工程预警模块，用于通过自动模拟程序生成后续随机场计算代码并自动计算，并将计算结果中有关变形的指标和相关规范要求对比，主动发出工程预警信息。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法。

本发明的另一目的在于提供、一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权所述的基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法。

本发明的另一目的在于提供一种如所述基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法在高层建筑建筑、交通工程领域基坑挖掘上的应用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的基坑工程设计与动态风险分析方法，首先参考IFC标准(Industry Foundation Classes)，约定基坑工程设计中结构与属性的命名规范，基于常用BIM软件，参照地勘报告和施工组织方案完成基坑工程BIM模型设计；将BIM模型解析成包含基坑几何信息的OBJ文件和包含基坑参数信息的JSON文件，基坑几何信息和参数信息通过通用唯一识别码(UniversallyUnique Identifier)实现锚定；通过几何识别算法，完成对工程物理对象的识别并划分为实体单元和结构单元两类，基于动态网格划分算法实现对实体单元的网格化，根据通用唯一识别码，完成结构单元和参数信息的匹配，通过自动有限元模拟算法生成通用有限元程序所需的计算代码，实现基坑工程的动态风险分析，进一步实现基坑风险的可视化。

本发明针对传统基坑工程设计效率较低，工程信息存在的孤岛现象以及工程风险分析较为困难等技术问题，提出了一种全新的基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析一体化解决方案，不仅可以解决传统基坑设计效率低下的问题，还可以实现基坑工程信息的全方位整合，实现基坑工程实时动态风险分析，有利于工程的安全措施的制定，实现工程的安全防控，间接价值和社会效益突出。

本发明在BIM平台上实现了复杂基坑开挖过程的设计计算一体化过程，解决了传统基坑工程设计效率低下、工程信息存在“信息孤岛”的问题。此外，还纳入了岩土工程可靠度分析内容，可对基坑变形指标进行风险评价，方便工程人员对基坑开挖过程中的风险做到实时监控，有利于工程的安全措施的制定，实现安全生产的目标，符合国家基础设施升级建设等重大战略的迫切需求，推广应用前景广阔。

本发明提供的动态三角网格划分算法为C++语言编写的Delaunay三角网格划分算法，是在基本的Delaunay三角网格划分算法的基础上进行的改进，解决了有限元网格划分中的两个重要问题：其一是土层实体单元中存在开挖面，通过在开挖面上添加三角形节点解决了这一问题；其二是存在凹多边形的三角形划分，通过将凹多边形分割为多个连续的凸多边形，随后在凸多边形上再采用Delaunay三角网格划分。

总体而言，本发明的技术方案与现有技术相比，还具有以下突出优点：

(1)基于BIM模型的三维可视化建模过程，BIM模型高度集成了大量设计和施工信息，无需参建各方频繁交流，实现了基坑工程信息的全方位整合，符合施工管理信息化的要求；

(2)集合设计计算一体化，在BIM平台完成的设计内容可直接用于计算，并将结果反馈至BIM平台，无需其他结构设计软件介入，不存在模型互转的问题，极大地提高了设计效率；

(3)动态风险评估，结合随机场分析理论，可获得基坑工程开挖过程中任意时刻、任意位置的变形，既能关注当下时刻基坑变形情况，还能对未来开挖过程中的变形做出预测，结合相关规范给出风险预警信息。

对比的技术效果或者实验效果。包括：

传统的设计计算、施工是割裂的，施工信息无法供设计计算，从而无法通过数值模拟去评估分析，本发明的一体化技术可以实现设计计算一体化，施工信息也能反馈至BIM平台，从而实施监控风险。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法原理图。

图3是本发明实施例提供的基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析系统结构框图；

图中：1、BIM模型构建模块；2、几何信息获取模块；3、几何信息分类模块；4、参数属性提取模块；5、网格划分模块；6、数值模拟模型构建模块；7、确定性分析模块；8、自动计算及工程预警模块。

图4是本发明实施例提供的四类单元三角网格化mesh结果示意图。

图5是本发明实施例提供的某一剖面上有限元网格划分结果示意图。

图6是本发明实施例提供的从IFC文件提取参数信息的过程示意图。

图7是本发明实施例提供的单元网格节点与参数信息的锚定示意图。

图8是本发明实施例提供的某一施工模拟过程中提取某一剖面的地连墙位移信息示意图。

图9是本发明实施例提供的自动模拟程序实现过程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析方法包括以下步骤：

S101，工程师构建包含基坑分段分层开挖施工过程的BIM模型，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；

S102，通过三角网格化mesh算法，获取IFC文件中所有实例单元的几何信息，并储存在特定的OBJ文件中；

S103，通过OBJ文件中三角网格坐标点数、坐标分布的几何信息将其分类为实体单元或结构单元；

S104，提取IFC文件中包含模型单元的参数属性，并存储在JSON文件中，对于同一对象存储在不同类型文件的不同信息，通过给这一对象添加唯一识别码来实现信息锚定；

S105，结合分层开挖信息，基于动态三角网格划分算法实现对OBJ文件中实体单元的网格划分；

S106，将有限元网格文件和存储在JSON中的属性参数通过唯一识别码进行绑定，形成完整的数值模拟模型，并存储在云数据库中；

S107，结合云数据库中开挖施工过程信息，将S106的数值模拟模型导入自动模拟程序，生成确定性分析所需的全套代码并自动执行；

S108，由自动模拟程序生成后续随机场计算代码并自动计算，并将计算结果中有关变形的指标和相关规范要求对比，主动发出工程预警信息，人员可选择性查看任意施工过程、任意工程点的变形情况。

本发明实施例提供的步骤S102中，所述通过三角网格化mesh算法获取IFC文件中所有实例单元的几何信息的方法，包括：

(1)识别BIM模型中每个实例单元的特征点；

(2)在满足几何外形精度的条件下，用尽可能少的三角形网格包围原有实例单元；

(3)随后将所述三角形网格信息形成的三维实体储存在3D模型文件格式OBJ中。

本发明实施例提供的步骤S105中，所述动态三角网格划分算法为C++语言编写的Delaunay三角网格划分算法，是在基本的Delaunay三角网格划分算法基础上进行的改进。

本发明实施例提供的步骤S107中，所述自动模拟程序采用Java语言开发，包括：

(1)从云数据库中获取已经完成有限元网格化的几何模型、已经分类存储的参数信息属性，将二者通过统一识别码进行对应，并输入FLAC3D软件作为前处理的内容；

(2)结合云数据库中保留的施工分层开挖支护信息，对基坑模型进行多步分层开挖模拟，批量生成命令流，并将FLAC3D的计算结果进行基本的后处理，传入BIM平台。

本发明实施例提供的步骤S108中，所述不确定性分析方法为多参数的土性随机场分析方法，是多种土体力学参数在三维空间上呈现概率分布的不确定性，所述分析方法所得到的结果只关注上下限值，将上下限值和规范要求的允许值对比，可以发出相应的预警信息。

本发明实施例提供的基坑工程设计与动态风险分析方法原理图如图2所示。

如图3所示，本发明实施例提供的基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析系统包括：

BIM模型构建模块1，用于通过工程师构建包含基坑分段分层开挖施工过程的BIM模型，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；

几何信息获取模块2，用于通过三角网格化mesh算法，获取IFC文件中所有实例单元的几何信息，并储存在特定的OBJ文件中；

几何信息分类模块3，用于通过OBJ文件中三角网格坐标点数、坐标分布的几何信息将其分类为实体单元或结构单元；

参数属性提取模块4，用于提取IFC文件中包含模型单元的参数属性，并存储在JSON文件中，对于同一对象存储在不同类型文件的不同信息，通过给这一对象添加唯一识别码来实现信息锚定；

网格划分模块5，用于结合分层开挖信息，基于动态三角网格划分算法实现对OBJ文件中实体单元的网格划分；

数值模拟模型构建模块6，用于将有限元网格文件和存储在JSON中的属性参数通过唯一识别码进行绑定，形成完整的数值模拟模型，并存储在云数据库中；

确定性分析模块7，用于结合云数据库中开挖施工过程信息，将数值模拟模型导入自动模拟程序，生成确定性分析所需的全套代码并自动执行；

自动计算及工程预警模块8，用于通过自动模拟程序生成后续随机场计算代码并自动计算，并将计算结果中有关变形的指标和相关规范要求对比，主动发出工程预警信息。

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例：武汉某地铁车站基坑的实例。

将一种基于BIM技术的基坑工程设计与动态风险分析一体化技术应用于某地铁车站基坑设计分析和风险模拟过程，其步骤如下：

1、从地勘报告、施工组织计划中获取分析计算所需的土层分布情况及土性参数大小、分层分段开挖信息，并按照约定给相关结构及其属性命名，构建起完整的三维BIM模型后，在REVIT软件中将BIM模型导出为IFC文件，生成该地铁车站基坑完整三维BIM模型。

2、在获得了该地铁车站基坑的IFC文件后，从先前约定的命名中提取相应的参数属性，通过三角网格化mesh算法，用数量尽可能少的三角形去包围每一个单元，对于本地铁车站基坑，存在土体、地连墙、钢支撑、抗拔桩四类单元，其经三角网格化mesh的结果如图4所示。同时，还要从IFC文件中读取各类参数属性并存储在JSON文件中，对于同一单元，其几何信息存储在OBJ文件中，参数属性存储在JSON文件中，两种类型的信息通过给该单元添加唯一识别码(UUID)进行绑定实现，这样就获得了该单元进行计算所需的全部数据。

从IFC文件提取参数信息的过程如图6所示。

3、采用Delaunay三角网格划分算法完成对实体单元的有限元网格划分，对于开挖面穿过土层实体的情况，所采用的方法是在开挖面上设置一系列有限元网格网格节点，以便于程序自动划分网格单元。某一剖面上有限元网格划分结果如图5所示，单元网格节点与参数信息的锚定如图7所示。

4、完成了有限元网格划分和参数赋值工作后，就可以结合施工开挖信息，进行第一步的确定性分析，随后也可自动生成土性参数随机场并做出相应的不确定性分析，不确定性因素是土体力学参数空间分布上的不确定性，其计算结果是在随机场模型下的地连墙侧移最大值和基坑周围地表沉降的最大值，通过对比二者是否超限，对基坑施工安全做出一个自动评价；工程人员也可结合随机场计算结果，对基坑施工可能存在的风险做出自己的判断。

某一施工模拟过程中提取某一剖面的地连墙位移信息如图8所示。

自动模拟程序实现过程图如图9所示。

注：上述所有工作都是围绕BIM平台展开，从基坑工程设计到基坑工程分析，工程人员的实际操作过程都在BIM平台，故称基于BIM技术的基坑工程设计与分析一体化。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。