基于BIM的水工结构设计合规性检查方法研究.pdf
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1、第 15 卷 第 4 期2023 年 8 月Vol.15 No.4Aug.2023引言结构设计合规性检查是工程建设周期中的重要环节,是保障工程建设安全的关键。水利工程具有涵盖专业广、结构复杂和建设管理困难等特点,更应重视结构设计文件的审查工作。传统的图审依靠人工进行,审查效率低下,而且受审查人员专业水平限制,审查工作常出现纰漏1,2。近年来,国内外学者着手开展基于 BIM 合规性检查方法及框架研究。研究中探索应用可视化编程语言(VPL)代替从前“黑匣子”式的硬编码方式,从而提高参数合规性审查的透明度及灵活性3-5。当前,在建筑、消防、深基坑和水运等多个领域已有相应的模型合规性检查应用研究及工具
2、6-9。目前,针对水工结构设计的合规性检查研究相对较少,且研究中仍主要采用硬编码方式来实现合规性检查。尽管已有研究尝试利用 VPL 来改变传统编码方式,但目前仅使用 VPL 开发,功能实现存在局限性。为此,本文基于 Eastman10提出的规则检查理论,以某混凝土重力坝为例,采用Civil3D创建坝体信息模型,对规范条文解析转译,通过C#与VPL结合开发的方式,实现对水工 BIM 模型结构参数的合规性检查。1 合规性检查框架本文结合水工结构自身特点,提出了针对水工结构设计的合规性检查框架,如图 1 所示,主要包括四个部分:模型创建及信息提取、规范条文解析、数据库的连接以及合规性检查:(1)模型
3、创建及信息提取。为保证模型信息的顺利提取及模型修改,需要在部件编辑器中设定部件单元的输入/输出参数、几何关系等,后利用 Dynamo 编写信息提取节点流获取对象信息;(2)规范条文解析。将所涉及到的规范条文分类解析,整理为计算机可读取的形式,并将解析后的规范条文批量导入到 SQL Server 数据库,建立与模型信息对应的规则知识库;(3)数据库的连接。根据编码标准对模型信息与规范信息按照构件编码,从而实现模型信息库与规则知识库之间的连接,通过 LINQ to SQL 实现对象模型与数据模型之间的转换;(4)合规性检查。检查对象包括模型深度、信息完整性以及结构参数。通过判断属性是否存在检查模型
4、深度和信息完整性;通过逻辑控制语句设定合规性检查规则,对结构信息与规范信息匹配比较,检查模型属性值是否满足规范要求。基于 BIM 的水工结构设计合规性检查方法研究边志刚 唐玉边志刚 唐玉(大连理工大学 水利工程学院,大连 116023)【摘 要】【摘 要】结构设计合规性检查是确保建筑信息模型(BIM)符合设计要求的有效手段,提高规范检查的自动化程度与准确度对于实现结构全寿命周期管理具有重要意义。基于自动化规则检查理论,采用可视化编程与 C#编程结合开发的方式,提出了基于 BIM 水工结构设计合规性检查框架。基于 Civil3D 创建水工结构初级模型,并进行相应属性拓展。通过 Dynamo 对模
5、型细化并提取模型信息以创建模型信息库。对相关规范进行解析,并依据标准对构件分类编码,储存在 SQL Server 数据库中以创建规则知识库。最后将规则知识库与模型信息库连接交互,从而实现水工 BIM 模型合规性检查。该方法极大地提高了基于 BIM 水工结构设计合规性检查效率和准确度,降低了开发难度,为促进水工结构设计合规性检查奠定了基础。【关键词】【关键词】BIM;水工结构;重力坝;Civil 3D;合规性检查;Dynamo【中图分类号】【中图分类号】TU17 【文献标识码】【文献标识码】A 【文章编号】1674-7461(2023)04-0043-05【DOI】【DOI】10.16670/1
6、1-5823/tu.2023.04.08【基金项目】国家自然科学基金项目(编号:52079022;51979027);中央高校基本科研业务费资助(编号:DUT21JC29)【第一作者】边志刚(1995),男,硕士生研究生,主要研究方向:水工结构与 BIM 应用。【通信作者】唐玉(1985),女,博士,讲师,主要研究方向:水工结构 BIM 原理及应用。44数据库的连接合规性检查规范条文解析模型创建及信息提取合规性检查规范转译规则知识库重力坝模型模型信息库交互连接检查结果规范分类模型修改编码映射模型几何信息水工规范编 码属性拓展模型评价图 1 合规性检查框架2 模型创建及信息提取2.1 模型创建基
7、于Civil3D重力坝三维模型创建过程如图2所示。创建过程中需利用部件编辑器对重力坝进行断面设计,通过设定部件的输入/输出参数、目标参数、逻辑关系等,使部件各单元之间能够彼此联动,为后续合规性检查及模型动态修改奠定基础。将所创建的各断面部件装配,生成重力坝结构初级 BIM 模型。图 2 重力坝 BIM 模型创建模型的几何信息在创建过程中自动生成,而非几何信息则需通过属性拓展的方式添加。这里采用数据库结合特性集的方式对信息拓展补充,从而保证模型构件信息的完整性。模型材料信息扩展前后对比如图 3所示。图 3 非几何信息拓展前后对比2.2 信息提取模型信息的准确提取对后续模型合规性检查至关重要,水工
8、结构检查对象除了包括可以直接获取的各项设计参数(坝顶宽、上下游坡度、坝高等),还包括廊道间距离、横缝间距、纵缝间距、灌浆深度、桩号处实际坝高等细部构件信息。通过 Dynamo 提取模型信息,可以调整节点适应不同结构类型,该方法有效降低了对模型信息提取的开发难度。根据模型属性特征,将模型属性分为直接属性与间接属性。图 4 展示了通过 Dynamo 可视化编程对水工结构模型直接属性与间接属性的提取。通过获取Civil3D 模型文件中的 Corridor 等对象,在其基础上可以直接访问并获取空间坐标、结构部件参数等直接属性,如图 4(a)所示。对于无法直接获取的间接属性,可以通过 Dynamo 内部
9、几何运算得到相应数值。如图 4(b)中,在获取指定桩号处的实际坝高时,需要对桩号处坝顶与坝基空间位置坐标点计算,通过“Geometry.DistanceTo”节点即可得到桩号处实际坝高。为了便于后续对模型信息分析查看,将提取的模型信息通过 C#批量储存在 SQL Server 数据库中。(a)直接属性提取(b)间接属性提取图 4 Dynamo 可视化编程提取模型信息3 规范条文解析水工结构设计合规性检查,首先需要拆解水工结构相关规范,确定构件与参数之间的逻辑关系,以便将条文编译成计算机可识别的语言。以混凝土重力坝设计规范(SL319-2018)11为例,根据规范所描述的对象及特点对条文分类。对
10、于检查对象单一且无复杂前提条件的规范条文,可以直接根据构造属性特征分类解析;对于复杂规范条文,如表 1 所示,在条文 8.2.3 中,坝体内有多层廊道时,从多方面对廊道空间位置进行条件约束,该条文存在前提条件且涉及的检查属性较多,因此需先将该条文分解成若干单一条文,从而明确属性检查规则。表 1 复杂规范条文分解处理规范来源规范条文检查对象属性规则检查SL319-2018混凝土重力坝设计规范8.2.3坝体内设多层廊道时,层间高差为 2040m。坝内廊道其他孔洞的距离通过应力分析确定,不宜小于 35m。纵向廊道的上游壁离上游坝面的最小距离,应满足防渗要求(宜为 0.050.1 倍坝面作用水头),且
11、不小于 3m坝体内有多层廊道1.廊道的层间高差为2040m2.坝内廊道与其他孔洞距离不宜小于 35m3.廊道上游壁面距上游坝面最小距离,宜为0.050.1 倍坝面作用水头,且不小于 3m在对规范条文解析后,从条文中提取出合规性检45基于 BIM 的水工结构设计合规性检查方法研究查所需要的关键信息,如检查对象、检查属性、程度词、比较词和属性值等,储存在 SQL Server 数据库中形成属性检查对应规则知识库,如图 5 所示。为了保证规则信息与模型信息精确匹配,对规范条文要进行编码。同时,将规范原文录入到数据库中,以便审查人员对审查不清楚或对结果有疑问的信息进行人工检查。当条文中的约束内容具有明
12、确的数值定义或范围时,可以直接对规范信息与模型属性比较,得到检查结果。规范条文中为范围值限定时,如 规范 8.2.3在分解后,分别得到对廊道的层间高差及距上游坝面最小距离等空间属性的约束条件。“廊道层间高差为 2040m”进行了范围限定,通过程序比较 StructureValue(结构属性值)是否处于该范围中即可得到检查结果。规范条文为单一限值时,包括规范要求小于某一限值与大于某一限值,对此将该限值根据比较词分别录入BotValue 与 TopValue 中。如规范8.2.3 分解后对“廊道上游壁面到上游坝面的最小距离宜不小于 2 米”,直接将约束值录入 BotValue 中,后直接在程序中调
13、取模型属性值与变量比较。图 5 SQL Server 中规则知识库若条文中结构参数的约束条件与其它设计参数相关,则必须先获取关联参数后计算约束值,后将模型属性值与约束条件进行如上比较。如在规范8.1.1中对于“坝顶宽度宜介于坝高的 8%10%,且应不小于 4 米”,此时需要先获取最大坝高计算坝顶宽度,后与约束条件比较,从而判断坝顶宽度是否合格。此外,对此类同一属性值有多个约束条件限定,需结合约束值所对应的程度词分析哪条约束更重要。该条文中“应”的严格程度强于“宜”,故此时模型坝顶宽度需优先满足不小于4米,其次再判断是否介于坝高的8%10%。在对拓展的材料属性信息检查时,需要先判定其所处的结构部
14、位,后提取结构材料信息与规范值比较。4 数据库的连接根据水利水电工程信息模型设计应用标准(T/CWHIDA 0005-2019)12,在创建模型数据库时,为了使合规性检查实现高效检索,数据库中信息的全面性与规范性尤为重要,故需控制构件的命名规则、分类方法、关键参数等信息。在录入规范条文和模型信息时需对信息进行分类及编码,分类方法和编码原则根据水利水电设计模型分类与编码标准(T/CWHIDA 0007-2020)13制定。水利水电工程设计信息模型采用面分法进行分类,通过对不同编码方式比较并结合水工模型合规性检查特点,本文宜根据功能特征划分水利水电工程构件的类别,故采用“表 53-水利水电工程构件
15、分类方法”编码,从而保证了模型数据管理以及参数检查的逐级递进。根据上述编码标准对模型中所包含的构件编码,表 2 给出了重力坝 BIM 模型中部分构件的编码形式,对标准里未给出编码的构件则根据相应的编码扩展原则进行扩展补充。表 2 构件编码表编码第二级第三级第四级53-01.10.00坝体53-01.10.10混凝土坝体53-01.10.18护坡53-01.10.19马道53-01.15.00廊道53-01.15.50多层廊道53-01.15.50.10层间高差53-01.15.50.12上游面距离53-01.15.60基础廊道53-01.15.60.10宽度53-01.15.60.11高度基于
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