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一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法技术

技术编号:18458937 阅读:29 留言:0更新日期:2018-07-18 12:45
本发明专利技术公开了一种基于VR‑BIM技术的泄水结构优化设计方法,实现了VR与BIM技术在泄水及消能结构设计领域的创新应用,该方法的核心是在VR平台中对水流物理特性及水流与结构碰撞特性进行模拟,形成VR水流子系统。该系统利用光滑粒子流体动力学(SPH)法模拟水流物理特性,运用树形搜索法搜索最近相邻粒子为模拟水滴粒子之间的相互作用提供条件。最后,在VR平台中,利用基于包围盒技术的流‑固碰撞设计法,将初步设计阶段生成的泄水结构BIM信息模型和VR水流子系统融合为VR‑BIM系统,根据系统中水流流态及水力学要素分布规律,判断泄流及消能设计是否合理。若不合理,则进行相应的优化,同时更新BIM信息模型,直到满足水工水力学要求为止。

An optimized design method for water release structure based on VR-BIM Technology

The invention discloses an optimization design method based on VR BIM technology, and realizes the innovative application of VR and BIM technology in the field of water discharge and energy dissipation structure design. The core of this method is to simulate the physical characteristics of water flow and the collision characteristics of flow and structure in the VR platform, and form a VR flow subsystem. The system uses the smooth particle hydrodynamics (SPH) method to simulate the physical characteristics of the water flow, and uses the tree search method to search for the conditions for the interaction of the nearest neighboring particles to simulate the interaction of water droplets. Finally, in the VR platform, using the bounding box technology based flow solid collision design method, the BIM information model and the VR flow subsystem generated by the initial design phase are fused into the VR BIM system. According to the flow pattern and the distribution of hydraulic elements in the system, the design of discharge and energy dissipation is reasonable. If unreasonable, the corresponding optimization is carried out and the BIM information model is updated until the hydraulic hydraulics requirements are met.

【技术实现步骤摘要】
一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法
本专利技术涉及一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法,属于涉水工程设计领域。
技术介绍
水工结构泄水及消能优化设计在坝工设计中占据重要的分量,泄水坝面结构形状、闸门开启方式以及消能工设计对泄洪水流影响巨大。传统的方法是借助经验公式和水工模型试验,但这种方法耗时费力,成本高。同时,水工模型实验是在实验室内,根据相应的模型律,以缩小的比例制成模型进行模拟实验,模型液流和原型水流应当满足几何相似、运动相似和动力相似。由于技术上的限制,不可能同时把所有的相似率都考虑,因此水工模型实验得出的规律准确性偏低,需要结合原型监测资料修正。数值模拟技术可预测流场内各种水流现象、坝面压强等各种水力学指标。但数值模拟方法存在实时性、交互性差等缺点,与坝工设计之间存在“信息孤岛”效应,因此,数值模拟法很难与坝工设计协同。为克服上述缺点,研究基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法具有十分重要的实用价值。引入光滑粒子流体动力学(SPH)法将VR技术中的粒子系统进行改进研发具有可移植性的VR水流子系统。该算法是一种无网格粒子算法,适合处理大变形问题。仅通过对粒子进行追踪就可以得到整个系统运行轨迹,同时使水粒子完全遵循现实世界物理运动规律。此外,粒子系统会根据初始状态和后续所受外力自主演变,进而使得粒子与粒子之间、粒子与环境之间形成交互。BIM技术可将坝工设计以三维可视化的形式表达,并将结构设计尺寸,材料等属性信息附着在模型上进行无纸化管理,此外BIM模型与VR平台之间兼容性好,极大的方便了在VR平台上将VR水流子系统与BIM坝工信息模型融合。该方法可使坝工设计中的沟通、讨论、优化、决策都在可视化的状态下进行,从而大大提高了设计人员的设计效率,减小资金投入。
技术实现思路
为克服现有技术的上述缺陷,本专利技术将VR-BIM技术引入泄流结构优化设计领域,提供了一种不受时间、空间限制的计算机辅助科研、生产的基于VR-BIM技术的泄流结构优化设计方法,未来必将得到广泛应用。本专利技术的目的在于将VR技术融于BIM设计,从而实现VR-BIM技术在泄流结构优化设计领域中的应用,是一种基于VR-BIM技术的泄流结构优化设计方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案:本专利技术提供一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法,包括以下步骤:步骤1,根据泄水结构的原始设计资料,生成泄水结构BIM信息模型;步骤2,在VR平台中对水流物理特性进行模拟,集成VR水流子系统;步骤3,调用泄水结构BIM信息模型中河槽及过流面BIM信息属性数据库,并利用基于包围盒技术的流-固碰撞设计法,将泄水结构BIM信息模型和VR水流子系统融合为具有自动漫游、手动漫游、闸门开度控制及水力学要素报表输出功能的VR-BIM系统;步骤4,将VR-BIM系统及其生成的最不利工况下典型测点水力学测量要素分析报表共享给设计工程师或专家;步骤5,设计工程师或专家根据VR-BIM系统中的水流流态及水力学测量要素分析报表中的水力学要素分布规律,判断当前泄水结构BIM信息模型是否满足水工水力学要求,若是则输出当前泄水结构BIM信息模型,完成泄水结构设计;否则优化当前泄水结构BIM信息模型,返回步骤3。作为本专利技术的进一步技术方案,步骤1中所述泄水结构BIM信息模型包括非溢流坝段BIM信息模型、溢流坝段BIM信息模型、过流面BIM信息属性数据库、典型断面尺寸约束数据库、闸门槽BIM信息模型、闸门BIM信息模型数据库、消力池BIM信息模型数据库、海漫BIM信息模型数据库、防冲槽BIM信息模型数据库、地形BIM信息模型、河槽BIM信息属性数据库;其中,典型断面尺寸约束数据库分为上游堰面曲线坐标数据及拟合函数数据库、堰顶曲线坐标数据及拟合函数数据库、下游堰面曲线坐标数据及拟合函数数据库、直线段坐标数据及拟合函数数据库、反弧段曲线坐标数据及拟合函数数据库。作为本专利技术的进一步技术方案,步骤2具体为:在VR平台上利用SPH法模拟水流物理特性,运用树形搜索法搜索最近相邻粒子,对水粒子之间的相互作用进行碰撞设计,集成VR水流子系统。作为本专利技术的进一步技术方案,步骤4中所述最不利工况下典型测点水力学测量要素包括:(1)溢流坝段门槽底槛和下游侧、闸墩下游端附近、溢流面上不平整处和流速最高处、坝面与反弧段切点附近、反弧与护坦或挑流坎相接处部位特征点流速;(2)消力池有压段底板压强分布以及出流段压力水头;(3)泄流坝段溢流面压强分布。作为本专利技术的进一步技术方案,步骤5中优化当前泄水结构BIM信息模型具体为:(1)当溢流面上不平整处和流速最高处、坝面与反弧段切点附近、反弧与护坦或挑流坎相接处特征点流速大于15m/s2时,增大反弧段反弧半径,根据增大后的反弧半径更新反弧段拟合函数及坐标数据库,此时溢流坝段典型断面尺寸约束数据库发生变更,溢流坝段BIM信息模型根据新的溢流坝段典型断面尺寸约束数据库自动更新;当溢流坝段门槽底槛和下游侧、闸墩下游端附近特征点流速大于15m/s2时,调整闸门槽BIM信息模型尺寸约束,增大宽深比,设置不同的门槽深度,深度差为错距,并将错距控制在错距比为0.05~0.08的范围内,用斜坡将门槽下游角隅与下游边壁衔接度控制在1/8~1/12,其中,门槽下游角隅用圆弧或椭圆转弯,且圆角比控制在大于0.1的范围;(2)若消力池各出口前有压段底板压强沿程降低,出口后压力水头大于水深,则增大消力池BIM信息模型的下挖深度;否则减小消力池BIM信息模型的下挖深度,或者在不改变原消力池BIM信息模型的基础上,在消力池前端与闸室底板衔接处加设平台小槛,其中,槛高不超过下游水深的0.2倍,梯形或矩形断面均可,2~3排交错排列;(3)若泄流坝段溢流面压强分布中出现负压,则调整典型断面尺寸约束数据库中的堰面曲线拟合函数,并根据拟合函数更新典型断面尺寸约束,此时新的典型断面尺寸约束驱动溢流坝段BIM信息模型的自动更新。作为本专利技术的进一步优化方案,步骤3中的VR-BIM系统具有自动漫游、手动漫游、闸门开度控制及水力学要素报表输出功能。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:1)本专利技术克服了传统水工模型试验耗时费力,成本高,不可回收等缺点;2)本专利技术实现了水工水力学与坝工设计协同,极大的提升设计效率与设计成本;3)本专利技术以1:1真实比例对水流流态进行模拟,克服了水工水力学模型实验时,由于技术上的限制,不可能同时把几何相似、运动相似和动力相似都考虑的缺点,提高结构设计可靠度;4)本专利技术可实现人机交互浏览,使用户能够感受到在模型中自由行走的沉浸感,360°自由视角查看坝体结构、水流流态分布、复杂地形地质构造等,方便设计工程师和专家及时对结构提出优化比选方案。附图说明图1为基于VR-BIM技术的泄流结构优化设计方法流程图;图2为自制按钮逻辑流程图;图3为闸门BIM信息模型数据;图4为漫游逻辑流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明:本专利技术提供一种基于VR-BIM技术的泄流结构优化设计方法,是在VR平台中对水流物理特性进行模拟,集成VR水流子系统。然后,在VR平台中,调用初始泄水结构BIM信息模型中河槽及过流面BIM信息属性数据库并利用本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于VR‑BIM技术的泄水结构优化设计方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,根据泄水结构的原始设计资料,生成泄水结构BIM信息模型;步骤2,在VR平台中对水流物理特性进行模拟,集成VR水流子系统;步骤3,调用泄水结构BIM信息模型中河槽及过流面BIM信息属性数据库,并利用基于包围盒技术的流‑固碰撞设计法,将泄水结构BIM信息模型和VR水流子系统进行融合得到VR‑BIM系统;步骤4,将VR‑BIM系统及其生成的最不利工况下典型测点水力学测量要素分析报表共享给设计工程师或专家;步骤5,设计工程师或专家根据VR‑BIM系统中的水流流态及水力学测量要素分析报表中的水力学要素分布规律,判断当前泄水结构BIM信息模型是否满足水工水力学要求,若是则输出当前泄水结构BIM信息模型,完成泄水结构设计;否则优化当前泄水结构BIM信息模型,返回步骤3。

【技术特征摘要】
1.一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,根据泄水结构的原始设计资料,生成泄水结构BIM信息模型;步骤2,在VR平台中对水流物理特性进行模拟,集成VR水流子系统;步骤3,调用泄水结构BIM信息模型中河槽及过流面BIM信息属性数据库,并利用基于包围盒技术的流-固碰撞设计法,将泄水结构BIM信息模型和VR水流子系统进行融合得到VR-BIM系统;步骤4,将VR-BIM系统及其生成的最不利工况下典型测点水力学测量要素分析报表共享给设计工程师或专家;步骤5,设计工程师或专家根据VR-BIM系统中的水流流态及水力学测量要素分析报表中的水力学要素分布规律,判断当前泄水结构BIM信息模型是否满足水工水力学要求,若是则输出当前泄水结构BIM信息模型,完成泄水结构设计;否则优化当前泄水结构BIM信息模型,返回步骤3。2.根据权利要求1所述的一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法,其特征在于,步骤1中所述泄水结构BIM信息模型包括非溢流坝段BIM信息模型、溢流坝段BIM信息模型、过流面BIM信息属性数据库、典型断面尺寸约束数据库、闸门槽BIM信息模型、闸门BIM信息模型数据库、消力池BIM信息模型数据库、海漫BIM信息模型数据库、防冲槽BIM信息模型数据库、地形BIM信息模型、河槽BIM信息属性数据库;其中,典型断面尺寸约束数据库分为上游堰面曲线坐标数据及拟合函数数据库、堰顶曲线坐标数据及拟合函数数据库、下游堰面曲线坐标数据及拟合函数数据库、直线段坐标数据及拟合函数数据库、反弧段曲线坐标数据及拟合函数数据库。3.根据权利要求1所述的一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法,其特征在于,步骤2具体为:在VR平台上利用光滑粒子流体动力学SPH法模拟水流物理特性,运用树形搜索法搜索最近相邻粒子,对水粒子之间的相互作用进行碰撞设计,集成VR水流子系统。4.根据权利要求1所述的一种基于VR-BIM技术的泄水结构优化设计方法,其特征在于,步骤4...

【专利技术属性】
技术研发人员:包腾飞李慧钱秋培
申请(专利权)人:河海大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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