开发的半自动参数创建一个I-BIM模型方法的隧道在有限元软件中使用

文摘

本文关注I-BIM隧道项目的设计阶段使用顺序开挖法(SEM),在欧洲,通常被称为新奥地利隧道方法(NATM)和地址的问题耦合岩土条件和隧道建筑信息模型(BIM)制备适合有限元分析的计算模型方法(FEM)。文学的评论导致的结论是,一个自动隧道模型的合并和地面模型用于有限元软件目前不可靠,由于存在大量的各种类型的模型之间的差异,因为他们提供对比的需要。因此,造型成为一个人工任务,这是非常耗时且容易出错。在本文中,我们提出一个框架的发展的半自动转换各种隧道模型和相应的地面模型到模型适合于进一步分析。我们得出结论,和翻译的几何导入到有限元软件时最成功的和准确的初始I - BIM模型(隧道)准备在一个适当的详细程度计算模型。结果是I-BIM模型,适合使用有限元软件中加快了建模过程,减少错误。我们已经表明,可以准备一条隧道的几何BIM软件,把它,并使用它为岩土工程分析软件。这使得有限元分析隧道几何的准备更容易和更快。由于快速制备的几何模型,本研究中提出的方法在实践中是非常有用的。框架的适用性和框架的工作流程都是通过一个实际的案例研究。

1。介绍

交通基础设施可以被认为是任何经济的支柱,可靠,安全,高效的商品和公民运动极大地提高经济和社会发展(1]。每个基础设施建设项目涉及很多聚会,每个生产大量的信息在整个项目生命周期。项目参与者之间交换这些信息以各种形式,通过不同的渠道。渴望一个更好、更具有成本效益的项目,有修正和改变每走一步,这意味着两个项目参与者之间通信和信息交换是一个迭代的过程,所有其他参与者也必须更改的通知2]。跟踪这些变化是由体积更困难的信息基础设施项目。另外,大多数变化重复某些任务的需求,需要更多的时间和精力,同时开辟新的可能性错误和误解。每一个建设项目迭代地补充和修改,以满足投资者的要求和标准的标准;因此有效的所有利益相关者的参与是必要的为了获得一个好的结果。

一个有效的方法来提高施工过程的质量是使用可用的互操作性解决方案,特别是建筑信息模型(BIM)。这大大减少了需要重新输入或复制信息(3并确保它在正确的上下文中使用。近年来,它已成为可以代表大部分所需的资源的形式不同的模型(例如,信息模型、计算模型和地面模型)创建和准备的不同项目的参与者。因此,这些模型进行大量的信息,并相互影响。出于这个原因,可以实现多个模型之间的互操作性一直是一个关键问题在原子能委员会/ O行业变得越来越具有挑战性和发展各种行业特定工具(4]。项目的成功依赖于有效的交换和可靠的翻译各种形状和格式的数据作为输入,参数,具有决定性的影响因素,和约束设计和施工(5]。

为了创建一个共同的语言建筑商和支持一个有效和精确的信息交换,建筑物被定义的描述标准,导致概念造型,产品造型,最后女子。然而,所有这些努力历来受到研究推而不是一个工业拉6]。土耳其人(7)描述这种方法从1990年代和2000年代早期是一个自上而下的方法,是第一次定义,而后才(商业)实现的。时间显示,原子能委员会/ O软件厂商开发了他们自己的代表建筑,因此使用自底向上的方法标准化(7]。这两个不同的标准化方法创建各种不同的数据格式,只是后来部分可互操作的。然而,连续和重要的软件和其他相关信息技术的发展是公认的作为管理者的增长(5]。

损失等。1)指出,技术和方法被证明是和建筑行业的广泛采用,尤其是女子,被用于交通行业,但在交通基础设施中使用BIM缓慢的采纳和应用。隧道工程也不例外,虽然信息技术、软件工具和产品已经使用了几十年来地下基础设施项目的实现。虽然重复和常见问题解决方案,商用产品无法支持所需的多尺度和多学科方面妥善处理大型基础设施项目(5]。自从大多数建模软件的焦点是高层建筑,而不是基础设施,工程师们需要适应和更新这些工具的基础设施需求,尽可能通过插件API脚本等。

在隧道设计、项目的重要阶段之一,是隧道行为的计算分析(主要和次要衬里)。它必须证明,隧道符合标准制定的标准对限制和正常使用极限状态。这是常用于岩土工程分析软件使用有限元方法(FEM)。这个软件是用来执行一个2 d或3 d分析隧道在不同条件下的行为过程中可能发生的使用或隧道的建设基于地质和岩土条件和隧道开挖方法和支持。目前至少有两个不同的模型是建立在平行隧道设计阶段。例如,这些隧道信息和计算模型。信息模型包括详细的3 d几何整个隧道及其组件的补充数据和信息,从工程师创建计划,数据可视化,工程量清单,等计算模型为岩土工程的需求分析和创建只包含必要的结构几何、材料特性、施工阶段。作为这些单独的模型,每一个修改意味着两种模型的调整,加倍工作,导致资源的损失,如时间和金钱,并且容易出错。

这项工作的目的是探讨双重建模的问题。几何的研究重点是转移信息模型和模型的地面条件下隧道BIM模型,将减少的努力准备计算的几何模型。因为大量的努力通常投资于准备隧道和地面模型的信息模型的区域,建议使用这些模型还尽可能的有限元分析。理想的场景将是一个几何和其他必要的信息从一个模型转换到另一个地方。在本文中,我们将试图回答这个问题是否这是可能的,如果是这样的话,到什么程度。虽然类似的原则可以适用于其他岩土结构,本文的重点是在隧道设计和施工。

2。背景

本研究主要集中在隧道的解决方案。然而,一般方法可以适应和应用于基础设施或高层建筑项目。

2.1。顺序开挖法(SEM)

顺序开挖法(SEM),在欧洲通常被称为新奥法隧道(NATM),是一个概念,是基于对地面的行为的理解,因为它对创建一个地下打开(8]。新奥法隧道(不是,NATM)是来自以前开发的英语方法的基本原理和直接接替老奥地利隧道法和新奥地利隧道法(9]。是进一步发展新奥地利隧道方法产生槽。

该方法的主要特点是有效地利用周围的土壤和岩石的承载力。与控制开挖步骤和初始变形引起的岩体的开放,在岩体中创建一个拱效应。此外,隧道壁稳定与特定的锚和喷射混凝土等岩土支持方法。在施工期间,必须提供岩土工程监测评估的适用性选择支持方法和确定下一步开挖支持类型。隧道是最常见的在三个阶段(见图挖掘1):皇冠(有时称为top-heading),板凳和转化。

首先,皇冠,代表的上部隧道,是挖掘。开挖发生在步骤一到两米左右,但可以取决于地面条件和开挖技术。挖掘可以由机械开挖软岩体或钻探和爆破岩体在困难。开挖后,安装支持措施,整个隧道墙喷混凝土在预装配筋(也称为喷射混凝土)。这就叫做外或主隧道的衬砌和被认为是主要的支持,因为它提供了围岩隧道的稳定系统。

皇冠的开挖是紧随其后的是板凳上的挖掘,落后的皇冠开挖一段距离,根据岩土和其他相关技术条件。这里的步骤可以有点长冠相比,由于板凳上开挖的影响更小。开挖再次支持措施的应用和喷涂与喷射混凝土墙的。

最后,隧道的下部,转化,挖掘。这一步通常与主要遵循两个延迟,因为这是通常不重要,有时甚至阻碍了交通的挖掘材料。与前两个步骤,喷射混凝土通常是构造的外壳。如果岩体许可,喷射混凝土的转化可以抛弃,取而代之的是混凝土基础内衬和填充混凝土。

小隧道横截面只能有两个阶段,皇冠和板凳,而较大的横截面可以分为多阶段使用侧画廊和楔形[10]。每一步开挖后,大地测量,在日常生活中反复出现形成的基础监测隧道行为辅以岩土测量技术。观察到的行为定义了支持类型和位移速度消失时,内衬就可以开始建设。内衬通常是在段,紧随其后的是完成安装所有必要的设备如公路隧道路面或轨道,电源、消防设备,出口和闪电。

2.2。数值模拟的隧道

最初,隧道的设计和施工主要是基于经验(11]。今天,经验是辅以计算分析隧道开挖和支持,决定,除此之外,最优支持,能够确保tunnel-rock系统的稳定性和结构阻力的支持元素。

隧道可以执行的计算分析使用不同的数值方法(例如,离散单元法(DEM) (12),边界元法(BEM) [13),有限元法(FEM) (11,有限差分法(FDM))取决于外部因素和其他边界条件。本研究中使用的软件是基于有限元法(FEM),但结果也适用于其他数值方法,因为他们都需要类似的几何模型。

我们区分二维(2 d)和三维(3 d)分析(见图2),和他们的使用取决于所研究问题的性质。二维分析的优点是它的简单性,因为我们不分析在第三维度的事件。同时,这也是它的缺点,它不能涵盖的一些情况需要隧道的稳定性证明发生在3 d空间。一般来说,3 d分析更为复杂和耗时比二维分析,因为它需要更多的3 d元素更多的集成点,通常包括一系列开挖阶段。

隧道造型明显的三维问题,因为,除了横断面的行为,强调纵向方向的再分配nonexcavated地区隧道前面和后面的隧道已经支持面前是非常重要的。隧道开挖是一个3 d的问题,尤其是在开挖的面积的脸,隧道管道的十字路口,洞穴(11]。因此2 d分析隧道开挖不可避免地相关的假设和各种解决方案。出于这个原因,3 d分析越来越理想更现实的隧道模型,随着计算机的发展,其计算速度、集成新的计算方法和软件工具,计算更复杂的模型所需的时间越来越短。因此,3 d分析越来越可行和可取的,尤其是对于更复杂的3 d隧道cross-passages等问题,十字路口或洞穴。

准备的数值模型分析的第一步是定义其几何。这通常是现实的简化,由点,线,面,和卷14),允许更快的分析和简化不影响结果。创建3 d几何的过程可能会非常耗时,并且每个进一步改变几何会导致大量的额外工作和返修。的工具绘制的几何分析程序可以远不如在CAD程序的工具,更多的隧道,因此几何通常准备外部通过交换格式导入到分析程序,相应的补充。在建筑施工、信息建模和BIM意识形态的出现创造了的选项数字交换3 d模型。这也意味着使用现有的几何从架构或信息模型可以,至少从理论上讲,大大简化和加速准备的过程模型进行有限元分析。

的一系列步骤准备模型数值分析取决于所使用的软件和一般如下:(我)边界条件的定义,例如,规定点或表面位移和/或负载(2)确定材料特性的几何块(3)离散化的几何有限元素,形成有限元网格(iv)离散化的结构随着时间的推移(确定开挖阶段和序列的支持安装)

这个准备模型数值计算。计算时间可以随数量的有限元素,挖掘步骤,模型中使用有限元素的类型,和执行的类型分析。

紧随其后的是一个分析的数值计算结果和最终的解决方案依赖于工程师的知识和经验。如果获得的结果是有意义的,并且通过工程师的判断,这意味着选择的解决方案是适当的;否则建议的解决方案必须适应,必须修改模型通过改变支持系统或通过改变元素的材料,支持维度,或几何。修改材料参数的岩石和支持元素,原则上,简单快捷。另一方面,尺寸和几何形状的变化可以带来更大的挑战。1 d列元素的截面变化快,因为仍然是一个线;只有指定的截面是不同的。这同样适用于二维元素的厚度。然而,改变三维的几何元素总是需要改造和娱乐的有限元网格。几何形状和尺寸的变化也可能发生后在设计过程中,所以模型设计的灵活性是必需的。 A considerable amount of time can be saved when preparing and modifying the computational model if the geometry from the information model is used [14]。

由于所有的优点,本文只关注三维模型的制备适合3 d分析。

2.3。岩土工程有限元软件包

有许多有限元分析软件市场的解决方案。他们在使用有限元类型不同,他们可以执行的类型的分析,数据交换的方法,等等(见表1)。一些程序允许工程师进口更多复杂的几何形状;其他更好的方法来与不同的有限元自动网格形状和创建一个更优化或详细的几何。

分析基础设施的一个重要特性是土壤和岩体的能力模型。高层建筑和基础设施项目的区别是,后者有更大的对环境的影响及其解决方案取决于当地的土壤状况。对于高层项目,通常认为,他们有一个简单的支持结构和在一些极端情况下,基础是固定的。这种假设并不适用于隧道,因为它们是构造完全低于表面和周围的地面隧道行为既是负载和隧道的承载结构的一部分。高层的另一个区别在于承载结构通常由标准的构建块,如列、板、墙、梁,通常使用简单的形状。隧道横截面由喷射混凝土拱形元素变厚度螺栓与线性元素混合在一起,锚,管道,建立非常复杂的几何形状。地面层的几何隧道的建造也可能相当复杂,特别是在地表附近或在断层附近。由于这些原因,它是可取的,分析软件允许进口的更复杂的几何图形,如表面和卷。

2.4。建筑信息建模和隧道

BIM主要集中于信息在整个生命周期的平稳流动的建筑产品和所有参与者参与该项目。Cerovšek [4]形容女子一个实际的数字表示建设项目交流在整个建筑项目生命周期。

周et al。21)指出,隧道工程力求BIM技术引入到工作实践,这样的设计、建设、和操作可以影响隧道项目的阶段。此外,许多曾经困难的任务可以进行灵活地在以后的阶段,如模型的细化设计,施工安全,和系统的操作,所有这些肯定有助于提高设计的质量和效率。然而,还可以降低成本和劳动强度和不同单位之间的合作可以提高(21]。

损失等。1)强调,女子已主要用于建筑物和其他垂直结构由于垂直结构(例如,高层建筑和工程结构)是一个完全不同的过程比水平建设(如桥、路和隧道基础设施),其中每个都有不同的流程、组件和技术从设计到施工,操作,和维护。垂直和水平建设之间的主要区别因素是所使用的坐标系统。垂直结构,笛卡儿坐标系统作为一个参考,虽然水平建设,使用多个电台和校准曲线作为引用(1]。

因此,垂直BIM软件解决方案不能直接用于隧道施工,作为垂直项目面向BIM-based软件不符合标准和软件的隧道。高层建筑相比,隧道更复杂,包括复杂地质条件下由于不平坦的地形,大型项目范围和不可预测的因素如涌出的水和脆弱的围岩21]。

周et al。21提出以下步骤的BIM技术在隧道的实现过程:(我)创建一个三维地质模型结合地质信息(2)选择基于地质模型的隧道的路线(3)部分路线削减首次根据环境参数化设计(iv)使用模拟软件包创建一个3 d隧道模型(v)将信息添加到隧道模型,包括属性、描述、参数设置、外部链接,链接到数据库存储

2.5。地面模型

隧道设计的质量密切相关的知识水平的土壤和岩石条件下,调查的规模有关。不可预见的地面条件影响的安全隧道,施工时间和项目的最终成本。地面调查至关重要的正确设计隧道隧道对齐,典型的横截面,和主要施工方法很大程度上取决于这些调查的结果。例如,隧道轴可以适应地面条件下,最大限度地减少建设成本,降低风险(22]。

地面模型集成到BIM软件工具是基于土壤和岩石质量调查和时应不断更新新的地质、水文地质和岩土信息可用时(22,23]。

2.6。互操作性

一个典型的建设项目涉及很多来自不同学科的人。传统上,信息交换口头或通过二维图纸和其他文件。这意味着有限的参与和人为错误的风险24]。即使我们忽略误解和其他通信错误,由于存在许多错误偏差不同系统的设计。这些错误是非常很难找到与传统方法采用2 d图纸但是很容易检测到使用3 d模型通过碰撞检测。今天,每个人都参与到项目使用一台电脑和自己的软件产生大量的信息。因此参与者之间产生信息的交换项目的成功至关重要,无论是信息的几何或nongeometric性质。BIM技术是基于不同领域的互操作性,专门规程的软件工具。然而,由于许多软件供应商和不同的工作方式,数字信息的交换仍然是一个挑战(21]。

根据Racz Olofsson [25互操作性),要求如下:(我)重用的信息:这是女子之间的联系的主要目的和有限元法。应该允许进出口的连接定义概念以最小的数据丢失和重新定义现有的信息。(2)加速度的工作过程:这指的是上面的点,使用现有的信息保存时间的重新定义。(3)提高质量:由于程序之间共享相同的信息,人的因素会导致错误时重返地球信息消除。(iv)变更管理:跟踪更改和更新模型,删除旧信息。

2.7。格式的互操作性

每个软件工具都有自己的本地文件格式。出于这个原因,必须有一个文件格式,支持多个软件工具或一个开源中立的格式。项目的数据存储在选择格式,然后在另一个程序可以解释这个数据集,将它转换成自己的数据格式,并使用它。

表2显示四种数据格式的属性中最常用的做法。

软件包之间的信任在转移过程中来自不同供应商仍然很低因为察觉错误导致的结果,虽然有缺陷的。此外,一旦几何被进口,可能会有很多工作准备参与进一步的模型,例如,在材料的分配和构建阶段甚至改造。通过buildingSMART用例金融公司,建议IFC格式也应该用于导入到不同的有限元分析程序,但实际上这种转移的结果不同,最好不要优化和糟糕的错误。导入的过程更大、更复杂的文件也需要很长时间,需要大量的计算机内存。一些程序比其他人更好的一起工作,但大多数不这样做,这会导致专业人员使用不兼容的程序,使它们之间传输信息是不可能的。购买一个新项目是不可取的,因为它会导致额外的购买成本,员工培训,等。解决方案通常的结果之间的协作软件开发解决方案的供应商以插件的形式或直接连接,但不幸的是,这并不有助于开放标准,因为它们通常依赖于私有数据格式。

隧道的BIM标准化仍处于起步阶段。4.0新版本的国际金融公司(IFC)已经允许的分析表征参数和几何形状。然而,由于其实现由软件供应商是缓慢的,需要使用不同的互操作性的方法进行分析。

同样重要的是,要回答这个问题的IFC数据集的目的是什么。IFC文件格式的复杂结构和实施公众压力可能这模棱两可的部分原因。IFC文件格式主要用于数据传输和模型的比较。到外面的世界,国际金融公司文件的BIM模型软件以及数值分析软件似乎暗示几何自动交换并没有错误。而确实,IFC文件符号允许几何和nongeometric信息的传输,IFC文件格式目前不打算变换的几何信息模型的几何计算模型(3]。

2.8。BIM和有限元软件的互操作性

最重要的和困难的交流模式和信息一般发生在信息丰富的3 d对象的表示和计算模型。后者是创建计算分析,包括计算的数值方法之一,在我们的案例中有限元方法。因为建筑和基础设施的设计是一个迭代的过程,变化的几何、材料、和其他参数是不可避免的。如果没有连接计算机辅助设计和有限元模型,计算模型中的所有更改必须手动同步,这可以是一个冗长费时的过程(27]。

方法用于描述几何导入到分析程序有一个相当大的影响力在有限元网格的质量和创建这个网的自由。在准备的有限元网格,分析几何转换成离散,但离散化控制根据有限元方法的需要。我们没有这种自由,如果我们使用已经离散几何形状(如三角模型在国际金融公司格式)。有限元素必须适应离散几何,这可能会让模型或有限元网格的几何形状不合适。如果描述离散几何点的密度太低,几何可能太扭曲了,如果点的密度过高,数值模型的大小的问题出现。问题也可能出现由于离散几何元素,这可能是不适合分析时可能会导致数值问题,或由于转让2 d或3 d元素1 d轴接触的问题发生。尤其成问题的径向元素如隧道开挖步骤和衬里,因为这些通常必须避免离散成尖锐的三角形的数值分析。

传统上,模型转换的任务是一个结构或岩土工程师。他们的知识、亲和力和经验很难转换成一个算法。虽然有自动转换的情况下是可能的,目前还没有通用自动转换为所有可能的3 d形状(28]。

市场提供了大量的软件包能够连接BIM模型有限元分析软件包。但作为一个软件解决方案使连接数DWG或DXF格式的基础上,这一过程会导致材料及其属性信息的损失。完整的连接模型的实现只有在启用信息交换两个方向。这意味着所需的信息转移到有限元分析软件和最终结果传回荡妇。这个理想集成如图3。

理论上,女子的完美结合和有限元法,从材料信息,创建一个模型几何等BIM模型软件和无缝地转移到一个程序进行分析。在有限元分析的结果表明,该设计是合适的,然后传回该数据并成为BIM模型的一部分。如果分析计算模型的不成功,模型修正和评估分析软件。然后改变特征也改变了BIM模型。

在现实中,信息模型的自动转换过程为计算模型是很困难的。简单的情况下,然而,在一些特定的BIM工具能够实现这一目标。BIM模型专用插件也可以在市场上以促进之间的转换过程信息模型和计算模型。其中一个例子是Autodesk Revit[之间的联系29日和机器人结构分析30.),但这主要是由于使用专用数据格式和有限范围的分析。有限元分析专家通常喜欢专业项目,因为他们提供更具体的分析和几个不同的模型材料的行为。分析参数也更多的控制,结果的准确性是更好的在这样的专业软件(24),但从BIM模型数据传输更为困难。

3所示。提出的方法建立一个I-BIM隧道模型用于有限元软件

准备的3 d几何隧道的开挖和外或内衬,可以直接用于有限元分析是很有问题,因为它需要大量的手工工作,然后重复当隧道的几何变化。这个工作流的优化是必不可少的。它可能使用BIM转移2 d几何二维分析,但由于隧道是一个3 d的计算问题,特别是管交叉和开挖面附近,3 d分析更适合在实践中越来越多可取的。计算机程序和硬件也在提高,这可以减少所需的时间甚至3 d数值分析与大量的有限元素。

文献综述和项目经验都表明,力气就能补充和验证导入的模型缺陷可以几乎高达所需的努力创建一个新的模型。在几何图形的转移和随后的模型修正我们不确定我们已经纠正所有的错误。这不是如此开发的有限元模型的有限元软件,没有transfer-related必须寻找错误。

BIM和有限元分析之间的相互作用可以通过直接或间接的联系。互操作性的BIM和有限元商用应用已经证明对直接和间接连接,但仅限于简单的设计例子。在更高的复杂性的情况下,数据传输的结果并不令人满意。总之,BIM和有限元法之间的互操作性是在一个阶段的合作在一定程度上是可能的但没有完整的链接,尤其是基础设施项目。

总而言之,(我)之间的转移模型并不简单,它经常不工作,以后有错误需要纠正。然而,必须用数学模型描述,进一步简化为了创造一个更好的有限元分析。(2)BIM模型软件工具更有效的用户友好的比的造型工具创建隧道模型的有限元分析软件。(3)如果简化,隧道几何可以自动创建,从而大大减少所需的时间模型。此外,简化几何模型更适合于结构分析。

所有上述的原因,我们的目的是为了提高制备三维计算模型的分析使用BIM模型工具,从而缩小之间的差距不同的程序和流程。

3.1。BIM模型的隧道

创建隧道BIM模型的过程取决于软件的选择。在本研究中,工作流与欧特克软件。这是符合实际生活的场景,因为DWG文件格式仍严重依赖,因为它消除了翻译错误的使用。

第一步是确定隧道对齐或轴。通常是模仿使用软件专门用于公路或铁路建模工具,如公民3 d和后来导入其他软件,如隧道Revit,坚实的造型。自从Revit不包含参数构建块(“Revit家庭”)隧道,这些必须首先创建。这些都是单一的,复杂的,但参数化描述构建块。主要参数定义这样的对象是每个开挖步的长度,角度的元素组合在一起根据轴材料块制成的,混凝土的厚度的支持,额外的支持措施,等参数块,代表地区的隧道,然后沿轴。

这些块不同的程度的复杂性根据其用途。挖掘机构的构件描述了一个简单的固体,主要由开挖阶段的截面几何定义和开挖步的长度。一个正确的立体几何还需要接触角与下一个元素和两个点控制在3 d空间中元素的位置。

建模的复杂性外衬和额外的支持措施的要稍高一些。模型包含的身体外衬的几何形状和开挖步的长度。下一个元素的接触角和隧道的倾向也很重要。在额外的挖掘支持措施的情况下,这些也应该仿效,这取决于模型的发展阶段。在一个低水平的发展,信息只能记录附加属性的固体,在更高层次的发展与3 d几何元素代表的支持。例如,岩石螺栓可以模仿或表示为一个属性,螺栓的数量和类型添加到所有其他的属性主要衬里。决定要立好,效果最好的方法基于形势的复杂性和规模的模型?

最高的复杂性在于内衬的造型。目前,复杂性仍太大被包括在有限元分析(见图4 (b)),因为大多数分析内衬还没有完成的3 d电影,也不是至关重要的。

3.2。该方法

我们建议使用的方法可能提供的发电机在公民3 d工具。它允许我们建立一个工作流自动准备隧道的几何,生成的几何模型是数学描述,因此准备有限元分析。整个隧道的几何模型作为一个整体,只有后来分为开挖阶段和步骤。这样可以确保正确的邻国接触元素(例如,开挖步骤)和自动准备几何适合传输的过程有限元分析软件。时间需要准备的模型几何分析从而显著降低。

的制备过程分为创建隧道几何图形的几何和创建地面层。

首先,准备隧道几何描述的过程。使用BIM的优点是造型简单的几何图形相比,在有限元分析程序的工具。创建一个3 d隧道几何,以下需要输入:(我)2 d所有隧道的横截面的几何形状:这些都是由二维轮廓的挖掘。(2)二维几何的隧道开挖的各个阶段之间的界限:这些都是皇冠和法官之间的界限和工作台之间的边界和转化。(3)数学描述的3 d几何隧道轴或对齐。(iv)车站隧道的横截面个体所在地:他们只需要支持的地方有一个变化的类型。(v)挖掘每个开挖阶段的步骤。(vi)名字用来确定开挖轮廓的几何形状。

开挖轮廓的几何形状和隧道轴线的设计在民事3 d。这必须手动绘制和必须准备的创建几何模型和信息。所有其他数据中包含数字和Microsoft Excel电子表格。该数据导入到发电机,这对隧道模型作为输入参数,以指导发电机脚本和自动绘制隧道隧道轴线的位置。这个准备导入的隧道几何戴安娜有限元分析。包含隧道开挖的几何通过DWG转移尸体。这减少了出错的可能性,因为它只有一个转换(DWG-DIANA有限元分析),而不是一个双转换(DWG-IFC-DIANA有限元分析)。另一个原因是,国际金融公司文件格式的实现民事3 d是过时的,和几何出口不继续分析,而是改变离散格式。

这是紧随其后的是地面层的定义。因为超越软件使用三角几何,它必须修改或重新创建用于分析的基础上,数学画法几何学。地面层之间的界限必须改变了。由此产生的模型是戴安娜准备转让和分析有限元分析。工作流和数据传输的方案图所示5。

其他信息必须手动进入戴安娜有限元分析。地面模型用于提取信息个人地面层的材料特性归因于固体戴安娜导入到有限元分析。信息挖掘序列获得的信息模型。在导入期间,开挖时间分配给每一个元素,导致戴安娜有限元开挖阶段做准备。

3.3。使用软件工具

本研究的目的,一些软件工具,下面描述,使用。

欧特克公民3 d是一种最先进的BIM工具基础设施设计(23]。作为欧特克包的一员,它支持合作相关项目包括Revit Infraworks,从而使BIM隧道设计。互操作可以通过专有DWG文件格式或开源国际金融公司(以及其他格式)。然而,最好的结果是实现使用DWG文件格式,作为离散几何变化分析使用国际金融中心时,这意味着不支持曲线和由直线近似。这样的几何失真和可能导致不良的错误在有限元网格的自动生成。

Autodesk发电机民事3 d——最近推出了可视化编程环境可以被用于自动化任务在民事3 d,使参数建模的隧道。它可以进一步加强与Python编程语言。

进行有限元分析,戴安娜有限元分析使用软件包。该软件的主要优势之一就是其连通性Autodesk套工具。它可以与DWG专有格式,因此能够导入数学画法几何学。等这个软件的优势是能够使用Python编程语言自动化各种分析程序中的重复的任务,还有一个很好的算法创建一个网格的有限元素,能够自动生成网格在任何体积,因为它使用一个混合网格的有限元素(也hex-dominant网)。此外,软件提供商戴安娜有限元分析是为Autodesk Revit开发一个插件,它允许传输和转换的几何计算模型。然而,我们的研究这个插件的时候对传输隧道几何是不够成熟。

最后,超越是三维造型的软件工具的地质结构。建立一个地面模型适用于隐式造型的原则。这意味着模型是基于输入数据的自动生成。这可以从调查数据的水井,高程点,表面结构等。然后通过添加研究信息动态更新模型和修改插值参数。然而,离散模型的几何可能导致困难准备的有限元网格。戴安娜有限元分析需要数学画法几何学,这就是为什么需要一个解决方案。超越能够导出DXF文件格式。出口的地区代表个人地面层之间的界限是再生数学画法几何学的基础上,例如,NURBS。使用这些区域,可以生成代表个人地面层的固体。实验表明,模型的分割成地面层表现更好的戴安娜在有限元分析时,因为小矛盾在地面层,否则会出现之间的接触面积。 The assignment of material properties is done manually within the DIANA FEA, as the transfer of nongeometric data requires adjustments on all levels of the workflow and was therefore avoided.

3.4。案例研究

的适用性提出了工作流如下五个隧道隧道交叉管(见图6)。四个有一个挖掘课程在水平方向和垂直方向管之一。隧道管也可以倾斜,因为只有开挖方向的课程之间的区别是很重要的。在这个案例研究中,隧道的主要管减少两侧管用于隧道的维护。一个方管连接到一个轴导致表面。双方管是由横管连接。

首先,它是必要的准备,收集所有必要的输入数据在一个合适的形式。几何信息收集和准备在公民3 d、隧道课程信息被收集在一个Excel文件,由发电机和两个脚本。IDEF0图7显示了输入数据准备的过程。

民事3 d,所有隧道轴线的几何形状和开挖的几何定义不同类型的支持。更喜欢使用一个空的公民3 d图纸准备模型,避免不必要的元素导入有限元分析程序。对于这种情况,使用最大长度和角度的准确性,以避免可能的舍入违规行为,防止个人的身体在适当的联系,从而导致计算模型中的错误和不正确的分析结果。

正确操作,隧道轴必须指定为一个3 d或标准平面折线;否则轴必须被重绘。在这种情况下,轴的开始是十字路口的位置(参见图8)。

隧道的横截面几何形状也需要定义。这些线代表的轮廓隧道的开挖和外周长的支持,使用块库定义。必须特别注意的方向几何由于当地坐标。在工作期间,很明显的几何的全部开挖隧道管必须被创建在一块,后来分成部分代表的顺序开挖隧道,以确保准确的卷之间的联系。在其目前的形式来看,三个街区的脚本允许使用:隧道的横截面轮廓所代表的开挖,冠之间的边界和板凳,板凳之间的边界和转化。如果需要超过三个开挖阶段在未来,工作流可以提高,可以定义新块代表新的边界。

上的数据挖掘步骤和支持类型的分布沿隧道轴定义在Microsoft Excel表格形式。以下信息是分配给每个隧道轴:(我)开挖长度的步骤(2)名称定义了块包含二维轮廓的几何形状的挖掘(3)开始和结束站和轴上的任何变化(例如,支持类型)

对于每个隧道轴线,Microsoft Excel中一个单独的表需要设置,其中包含一个表与必要的数据(驻扎,皇冠的台阶的长度,替补席上的台阶的长度,长度转化的步骤,和块的名称从公民3 d)。

公民3 d和Microsoft Excel输入数据后完成,必须添加一些额外的信息在发电机软件环境。除了输入电子表格的位置,南北3 d轴几何也必须选择。用户还必须确定顺序不同的管是发掘和挖掘过程是否水平或垂直方向(面向隧道横截面的正常)。提供电子表格中的数据和模型在民事3 d必须是一致的。

准备输入读取数据逐步由发电机结构用于进一步的处理。创建列表的信息在所有的开始和结束,皇冠的台阶,长椅上,和转化,与开挖几何块的名称。从这里开始,工作流程大致如下:(我)计算站沿隧道轴线:当地坐标系统在隧道轴上得到的计算驻扎(2)创建元素细分挖掘身体:车站使用列表和当地坐标系统(3)代的固体:块的二维几何定义开挖轮廓与相应的起点放在站,当地x设在和全球z设在(重力轴)(iv)规定每个隧道轴线的固体分为开挖阶段和他们开挖步骤

发电机脚本开发此工作流允许代5隧道开挖卷管(见图9)。如果需要更多的轴,该脚本可以用最小的更新修正。这些主要是关注一个轴的影响在另一个交点。

的结果描述工作流如图10。发电机脚本生成固体颗粒的几何形状,可以导入到所选项目进行分析。隧道开挖的每个阶段每个管是代表一个单独的层,这使得它更容易控制的显示和选择在公民3 d立体几何,也在戴安娜有限元分析程序,由于层保存在导入。固体是Microsoft Excel中定义切成开挖步骤。改变几何或开挖步骤,只有相应的输入必须改变。

发电机脚本可以适应任何个人需求的隧道,因为每个隧道是独特的地质条件、几何形状和开挖顺序。结果,计算模型也将略有不同,这意味着它将难以为一般情况下创建一个脚本。因此,脚本必须调整某些情况下。

需要修改的一个例子是当岩石螺栓作为支持元素。手工造型可以很长一段时间由于大量的螺栓。为此,发电机脚本略修改只有块的内容与二维截面几何形状是不同的。由于岩石螺栓1 d元素,包含到模型不需要进一步细分(切割)已经定义固体。出于这个原因,只需要计算一块岩石螺栓的确切位置的横截面。一个模型与螺栓的例子如图11。

也可以模型简化的内衬,这被定义为一个连续固体在整个隧道,这就是为什么这里不需要坚实的切削过程。一个例子是显示在图12。

两个发电机脚本定制的结果在实践中出现的需要。在未来,他们能被包括在核心发电机工作流程。然而,发电机脚本会变得越来越难以理解,以后更难更新和使用。

在使用有限元软件之前,地面的几何图形层和隧道的DWG格式是必要的。地面层的几何转换成一个合适的形式通过处理地面模型。固体代表个人近地面层的影响区域分析是必要的。示例如图13。因为在进口几何错误的可能性,一个更好的选择是执行削减整个的操作在戴安娜有限元实体模型为材料层。这样的例子包括竖井的开挖或隧道的开挖的身体。可能导入几何中的错误通常是由于小不同的方式使用的几何表示两个项目。只有必要的表面准备晚些时候在AutoCAD或民事3 d和进口几何一起戴安娜有限元分析。因为戴安娜有限元分析使用多边形布尔操作,这个过程是快。错误当进口开挖几何也可以发生在两个隧道管的十字路口。如果发生错误,也更好的模型接触不同隧道管戴安娜后手动导入到有限元分析。

这是紧随其后的是戴安娜与隧道几何DWG文件导入到有限元分析和固体代表材料的切削层(布尔)减法操作(参见图14)。这消除了隧道开挖几何从每个材料层。

下一步是定义边界条件和材料特性的输入。边界条件限制位移应该分配给的外边缘层状固体。最后,有限元网格自动生成(见图15)。

建模的过程喷射混凝土外衬只需要少量的时间,作为喷射混凝土通常是模仿表面开挖墙上,所以外衬的几何形状是已知的。这是紧随其后的定义开挖步骤,这正好与数值模型的计算阶段的变形和应力计算。所有必要的数据分析是这样定义和计算。

隧道开挖后的变形模式的一个例子是图所示16。图显示了一个3 d视图的有限元计算位移的几何纵切面沿长轴横向隧道。

图17显示了两个二维横截面和总应力计算。左边的截面运行通过轴和一个向右的主要管隧道和cross-passage。

4所示。讨论和结论

总之,隧道开挖几何的转移从BIM模型有限元分析软件根据该方法是成功的。虽然完全无误的几何交流仍然是困难的,我们已经成功地准备工作过程定义几何以这样一种方式,它可以从信息模型没有特殊的修正,进一步用于随后的计算分析。的确,几何是专门为计算模型,但由于这个过程几乎是自动的,需要更少的努力。),这意味着该方法要好得多的时间效率相比,如果在有限元分析程序或创建一个新的隧道几何纠正BIM模型的导入的几何。

转让的地质结构的几何地面并不是这项研究的重点。然而,结果表明,隧道几何和地质结构的组合转移到有限元软件可以成功地执行。隧道的几何相似,必须创建一个新的模型,适用于计算模型。这个过程有点比定义隧道几何形状简单,因为只有表面代表不同地面层之间的界限是必要的。然而,这些边界是由地质学家解释的基础上数量有限的地面调查结果,因此不确定性。出于这个原因,精度不太重要。如果解释土壤的地质构造和岩体的变化在隧道施工过程中,提出的方法可以快速修改计算模型使用新的地面组成和解释现有的隧道的几何定义和开挖顺序。

戴安娜与成功的分析在有限元分析,研究表明,使用发电机建立计算模型是合适的,可以用来优化隧道的计算模型的制备。这避免了人工改造。任何进一步的变化是迅速模仿,只有相关的输入需要更改。

建议的解决方案不是基于IFC标准的转换信息模型为计算模型将超越了这个项目的范围。同时,IFC格式实现各工具不同,取决于个人使用的版本的软件。虽然研究的挑战提出了进步,使用开放标准成功的互操作性的基础设施项目的优先级高。

作为制备提出了研究的一部分,我们调查的可能性更有效地利用信息和地面模型数据的需要根据有限元力学分析隧道。研究结果表明,目前没有简单的解决方案不同的隧道BIM和有限元软件工具之间的互操作性。几何变化的问题,改造,同时在两个模型的变化也没有解决由于缺乏所需的连接。这些研究结果是一致的与另一个最近的研究(31日],认为女子之间的互操作性和有限元值得进一步关注和技术发展。我们开发的交流方法是特定的一组软件工具使用。

在大多数情况下,使用一般的隧道信息模型进行有限元分析的目的仍然是不切实际的暂时由于几何转换的不确定性和无法导入nongeometric数据。然而,更好的几何建模工具中发现BIM软件准备计算模型是有用的。提出了研究我们已经表明,可以准备隧道的几何BIM软件,传输,并使用它在软件进行结构分析。此外,地面模型可以以类似的方式。

提出工作过程,信息模型为计算模型的转换仍然工程师的工作,并不是一个问题的算法。然而,在确定开挖断面的计算模型和其他必要的输入数据,其余的定义的几何计算模型通过发电机实现自动化脚本。这使得有限元分析隧道几何的准备更容易和更快。基于数据的交换DWG文件证明是有效的,几何的数学描述是保存下来,使模型的进一步制备分析软件。由于快速制备的几何模型,本研究中提出的方法在实践中是非常有用的。隧道几何准备的工作过程和数据传输程序和测试软件工具的计算分析戴安娜有限元分析和适用于其他软件解决方案,允许进口体积通过DWG几何数据集。

数据可用性

发达发电机用例脚本和基本数据不是免费的法律问题和商业机密。然而,所有的概念和程序解释了研究和部分的研究可以在请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢iC Consulenten Ziviltechniker埃利亚(Bergheim啤奥地利萨尔斯堡)和iC(斯洛文尼亚卢布尔雅那)为他们的参与和持续的支持在这个研究。提出工作部分财政支持的iC Consulenten Ziviltechniker (Bergheim啤奥地利萨尔斯堡)和斯洛文尼亚研究机构。

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