[发明专利]一种基于BIM的隧道开挖台阶法的设计及优化方法

权利要求书

1.一种基于BIM的隧道开挖台阶法的设计及优化方法，其特征在于，包括以下步骤

S1：建立台阶法隧道施工的BIM组件扩展库，构建参数化的隧道结构构件族库；

S2：根据施工要求和当前参数，建立台阶法隧道施工的当前BIM集成模型；

S3：将上述BIM集成模型转化为有限元计算文件，建立以台阶法隧道施工参数为优化变量的优化问题；

S4：求解上一步骤中定义的优化问题，并将优化后得到的台阶法隧道施工参数写入步骤S2中建立的BIM集成模型中，进行可视化展示；

S5：根据上一步骤中求解得到的台阶法隧道施工参数，对台阶法隧道施工进行动态调整，并返回步骤S2；直至完成该次台阶法隧道施工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中BIM组件扩展库所建立的几何实体分三类，包括地质体组件、支护结构组件和分块开挖体组件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述BIM组件扩展库和BIM集成模型满足IFC格式。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述地质体组件的属性参数包括围岩参数、地下水和埋深；所述支护结构组件包括衬砌轮廓、衬砌厚度和锚固参数；所述分块开挖体组件包括台阶分块尺寸和台阶进尺。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的当前参数包括围岩参数、地下水情况。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的优化问题中，优化变量为隧道开挖进尺、衬砌厚度、锚杆直径、锚杆长度、锚杆间距；各优化变量的上下区间取值为优化约束；优化约束还包括围岩关键点的位移和围岩关键点的单元安全指标；单位延米长度隧道围岩的施工成本和施工时间，量级统一后相加作为适应值函数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中求解上优化问题的方法为粒子群算法，包括以下步骤

S41：初始化粒子群参数；粒子群参数包括种群规模、迭代次数，根据各变量的区间范围，建立粒子群算法中个体的边界条件；

S42：随机产生第i(i从1到设定最大值)代种群，每个粒子调用BIM模型转化的有限元模型进行计算，得到该粒子中的围岩关键点的位移和围岩关键点的单元安全指标，并与安全准则的警戒值进行对比，凡是超出警戒值的粒子淘汰掉；

S43：计算单位延米长度隧道围岩的施工成本和施工时间，归一化后相加作为适应值函数其中t为计算所得单位延米上的施工时间，m为计算所得单位延米上的成本，T为当前工程单位延米上的最大施工时间，M为当前工程单位延米上的最大施工时间；

S44：进行选择操作，选出第i代最优秀的粒子pbest和所有迭代步最优秀的粒子gbest；

S45：判断是否符合中止准则，如不满足，则进行迭代产生新的粒子；如满足中止准则，输出最优粒子，完成优化问题求解。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S45中，产生新的粒子的迭代公式为

其中i＝1～m，m为粒子的群体规模，d＝1～n，n是粒子的维数，k是迭代的代数，为第k迭代步时，第i个粒子移动的速度，为第k迭代步时，第i个粒子移动的空间位置；c₁和c₂是正的常数，rand₁和rand₂是彼此独立的介于0和1之间的随机数，pbest_i是第i代最优秀的粒子，gbest是当前所有迭代步中最优秀的粒子，w_i是动量项系数。