[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

说明书

本发明公开了一种基于BIM的隧道开挖台阶法的设计及优化方法，该方法首先定义一种隧道台阶法开挖的建筑信息模型(BIM)的集成表达方法，创建了完整表达隧道施工信息的参数化模型族库，其次在该参数化模型族库的基础上，建立并求解了开挖进尺和支护参数的优化问题，得到了定量后的优化进尺和支护参数，最后将该优化算法与有限元、BIM集成信息模型相耦合，实现信息传递、保存和可视化展示。

技术领域

本发明涉及一种隧道开挖方法，更具体地，涉及一种基于BIM的隧道开挖台阶法的设计及优化方法。

背景技术

隧道是在地质体中开挖修建的隐蔽工程，隧道施工过程的安全性受到地质信息、支护方案、开挖进尺的诸多因素的影响，而地质信息在开挖之前往往是不确定的，也就导致了预设计开挖进尺和支护方案的盲目性，如对施工信息处理不当可能引发很多隧道施工灾害和造成支护成本浪费。

台阶法是目前应用最广泛的开挖方法。隧道台阶法施工是一个信息化动态调整的过程，施工方案动态优化主要为开挖进尺和支护参数的优化，优化的目标是在安全的基础上，尽量提高施工效率，降低成本。本质上这涉及到隧道施工力学分析和优化问题。上述隧道施工过程涉及到隧道空间开挖结构和大量抽象复杂的信息，如何实现隧道施工可视化表达，以及对进尺和支护参数定量优化是有待解决和具有重要意义的问题。限于信息技术水平，目前的隧道施工方案调整决策大多依靠经验类比和定性分析。

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)是土木建筑工程的前沿技术，在复杂信息集成和信息可视化表达方面具有很强的优势。但是目前BIM模型主要限于建筑领域，仅有少量涉及隧道结构。隧道施工支护方案决策需要能够完整表达地质体、支护结构、开挖体，类似的完整的BIM模型和进行隧道稳定性分析优化BIM技术尚未见报道。目前的BIM技术也缺乏基本的隧道构件的表达语法，制约了隧道施工BIM模型和应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于BIM的隧道开挖台阶法的设计及优化方法，首先建立一种隧道台阶法开挖的建筑信息模型(BIM)的集成表达方法，不但创建完整表达地质体、支护结构、开挖体的隧道模型参数化族库，并且将隧道施工的地质信息、监测信息、支护信息作为上述BIM模型族库的属性参数进行存储；其次建立并求解基于该模型的当前施工的优化问题，得到优化后的施工参数，最后将这些参数用于当前施工的调整与展示。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

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。

优选地，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。

优选地，所述BIM组件扩展库和BIM集成模型满足IFC格式。

优选地，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。

优选地，所述步骤S2中的当前参数包括围岩参数、地下水情况。