[发明专利]一种基于BIM-OCTREE的复杂地基-结构体系高效精细化建模方法

说明书

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。

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。