一种基坑三维正向设计计算一体化方法技术

本发明专利技术涉及一种基坑三维正向设计计算一体化方法，包括以下步骤：1)获取地质勘探钻孔数据，建立三维地质模型，在所述三维地质模型上导入周边环境数据；2)获取基坑方案设计数据，在所述三维地质模型生成基坑，获得三维基坑模型，并进行可视化展示；3)将所述三维基坑模型转换为三维基坑数值计算模型；4)基于所述三维基坑数值计算模型进行基坑结构验算，判断基坑受力变形是否满足设计要求，若是，则将所述三维地质模型和三维基坑模型以及模型上集成的属性参数导出为BIM模型，若否，则返回步骤2)。与现有技术相比，本发明专利技术具有设计效率高、可缩减计算时间等优点。缩减计算时间等优点。缩减计算时间等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基坑三维正向设计计算一体化方法


[0001]本专利技术涉及土木工程
，涉及一种深基坑设计方法，尤其是涉及一种基坑三维正向设计计算一体化方法。

技术介绍

[0002]传统深基坑设计主要依靠二维CAD设计方式，每张图纸相互独立、地质信息表述抽象，需要专业人员进行解读，不如三维设计在数据信息方面表述完整和准确。近年来，BIM技术在深基坑工程中逐渐得到应用，BIM逆向设计的基本设计流程如下：
[0003](1)勘察设计单位进行地质勘查，绘制基坑场地地质纵剖面图；
[0004](2)设计单位依据地质条件、结合周边环境对基坑位置、开挖深度及支护形式进行初步设计；
[0005](3)选取不利断面，建立二维计算模型，采用规范要求及建议方法对初步设计方案中的结构参数进行验算，论证是否满足规范中的设计要求；
[0006](4)若不满足设计要求则修改结构设计参数，重复第(3)步；若符合要求，按照设计方案绘制二维图纸(纵剖面图、横剖面图、配筋图等)；
[0007](5)设计单位或其他单位根据上述二维设计图纸建立三维BIM模型。
[0008]上述设计方法的主要缺点在于，BIM模型只是设计图的翻模，先完成设计再建立BIM模型，仍然停留在根据二维设计图纸翻模的阶段，一旦设计方案发生变更，需要重建BIM模型，这种逆向BIM建模方案效率较低。另一方面，上述方法将设计与计算两部分进行割裂，不能直接对设计方案进行三维计算，再反馈回到设计方案进行调整，导致BIM模型与设计不同步。
[0009]BIM设计软件通常需要输出三维模型再导入大型通用有限元软件进行数值分析计算，此时会存在模型编码格式不统一的情况，在模型格式转换过程中，极易造成数据丢失。
[0010]现有技术中也有采用市面上常见的基坑设计软件三维版本(如：理正深基坑、PKPM)建立简化三维计算模型进行计算，但是计算结果仅包含围护结构及内支撑体系的受力、变形，不能计算地表沉降及地表以下土体位移场分布，反映不出基坑开挖对周边建筑影响状况，计算结果不够全面。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种设计效率高、可缩减计算时间的基坑三维正向设计计算一体化方法。
[0012]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0013]一种基坑三维正向设计计算一体化方法，包括以下步骤：
[0014]1)获取地质勘探钻孔数据，建立三维地质模型，在所述三维地质模型上导入周边环境数据；
[0015]2)获取基坑方案设计数据，在所述三维地质模型生成基坑，获得三维基坑模型，并
进行可视化展示；
[0016]3)将所述三维基坑模型转换为三维基坑数值计算模型，计算模型自动继承地层关键地质参数和结构设计参数；
[0017]4)基于所述三维基坑数值计算模型进行基坑结构验算，判断基坑受力变形是否满足设计要求，若是，则将所述三维地质模型和三维基坑模型以及模型上集成的属性参数导出为BIM模型，若否，则返回步骤2)。
[0018]进一步地，所述建立三维地质模型具体为：
[0019]获取场地区域内所有钻孔数据，根据各钻孔内相邻地层间关系，结合地层土力学参数，生成本区域的地层层序表；
[0020]在地层层序表的基础上进行空间插值，生成包含地层参数的三维地质模型。
[0021]进一步地，所述空间插值的方法包括内置算法、三角剖分法、距离倒数加权法、最小曲率法或最近邻点法。
[0022]进一步地，所述地层参数包括地下水位、各地层分布、高程、土体压缩模量、土体粘聚力和土体内摩擦角。
[0023]进一步地，所述周边环境数据包括建筑、道路和管线的GIS数据。
[0024]进一步地，所述基坑方案设计数据包括基坑控制网线数据、支护体系数据和材料属性数据。
[0025]进一步地，步骤2)中，通过布尔运算删除基坑范围内三维地质模型，并自动生成三维基坑围护结构模型，将基坑周围的三维地质模型虚化，使基坑结构、地层分布与周边建筑同时进行可视化展示。
[0026]进一步地，所述基坑受力变形包括支护体系的受力和变形以及坑外土体变形。
[0027]进一步地，建立三维基坑荷载
‑
结构法计算模型，进行三维计算分析，获得所述支护体系的受力和变形。
[0028]进一步地，采用墙体变形反分析坑外分层土体位移场，得到所述坑外土体变形，具体地：
[0029](1)选取基坑截面，建立平面应变分析模型，第i层土体的位移场公式为：
[0030][0031][0032][0033][0034]上式中，u(x,z),w(x,z)分别为墙后土体在x和z方向的位移；x为计算点至挡墙的水平距离，z为计算点至地表的距离；λ、G为Lame参数，E、ν分别为土体的弹性模量与泊松比，下标i表示为第i层土体参数；
[0035](2)求解所述位移场公式得到方程通解，即墙后第i层土体的水平位移及竖向位移表达式：
[0036][0037][0038]上式中，z为计算深度；x为坑外距离挡土墙距离；K1、K2、A为通过侧边和顶面边界条件求解得到的边界系数；
[0039](3)根据变形协调，当前层土层顶面位移与上一层土层底面位移相同，同时当前层土层u(0,z)为该层土层对应挡墙变形，由顶部第一层土体开始，基于所述方程通解，得到挡土墙背后全部土层变形表达；
[0040](4)满足计算精度基础上，按照一定间隔剖分剖面，求解地表及土层分界面沉降曲线，剖面之间采用插值计算，得到三维基坑周边土层沉降槽，进而获得坑外土体变形。
[0041]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0042]1、本专利技术基于三维正向设计理念，根据钻孔信息建立三维地质模型，在地质模型上进行基坑三维设计，同时输出计算模型；从基坑工程方案设计阶段就采用三维建模，地质、结构三维模型信息不断传递与转化，实现基坑工程全阶段三维数字化，有效提高协同设计效率。
[0043]2、本专利技术的正向设计方法将设计与计算一体化，在三维地质模型及环境模型上直接开展三维基坑结构设计，可视化展示基坑与地质、环境空间位置关系，目的在于提高设计效率和计算合理性，同时进一步强化可视化设计。
[0044]3、本专利技术具有设计方案验算与反馈设计参数部分，覆盖正向设计全流程，直接在三维地质模型上进行参数化设计，可以直接生成数值计算模型进行结构验算，将计算结果反馈到设计部分，调整设计参数，实时更新计算模型，反复验算。
[0045]4、本专利技术采用参数化设计手段，直接生成包含参数属性的数值模型与计算模型，用于结构验算，避免了BIM软件与有限元软件之间格式转换、数据丢失的问题。
[0046]5、本专利技术采用基坑围护墙变形反推墙后土体位移场方法，适用于多层地质，使用范围更广，相较于三维有限元计算，大大缩减了计算时间，提高了计算效率。
[0047]6、在满足计算精度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基坑三维正向设计计算一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取地质勘探钻孔数据，建立三维地质模型，在所述三维地质模型上导入周边环境数据；2)获取基坑方案设计数据，在所述三维地质模型生成基坑，获得三维基坑模型，并进行可视化展示；3)将所述三维基坑模型转换为三维基坑数值计算模型，计算模型自动继承地层关键地质参数和结构设计参数；4)基于所述三维基坑数值计算模型进行基坑结构验算，判断基坑受力变形是否满足设计要求，若是，则将所述三维地质模型和三维基坑模型以及模型上集成的属性参数导出为BIM模型，若否，则返回步骤2)。2.根据权利要求1所述的基坑三维正向设计计算一体化方法，其特征在于，所述建立三维地质模型具体为：获取场地区域内所有钻孔数据，根据各钻孔内相邻地层间关系，结合地层土力学参数，生成本区域的地层层序表；在地层层序表的基础上进行空间插值，生成包含地层参数的三维地质模型。3.根据权利要求2所述的基坑三维正向设计计算一体化方法，其特征在于，所述空间插值的方法包括内置算法、三角剖分法、距离倒数加权法、最小曲率法或最近邻点法。4.根据权利要求2所述的基坑三维正向设计计算一体化方法，其特征在于，所述地层参数包括地下水位、各地层分布、高程、土体压缩模量、土体粘聚力和土体内摩擦角。5.根据权利要求1所述的基坑三维正向设计计算一体化方法，其特征在于，所述周边环境数据包括建筑、道路和管线的GIS数据。6.根据权利要求1所述的基坑三维正向设计计算一体化方法，其特征在于，所述基坑方案设计数据包括基坑控制网线数据、支护体系数据和材料属性数据。7.根据权利要求1所述的基坑三维正向设计计算一体化方法，其特征在于，步骤2)中，通过布尔运算删除基坑范围内三维地质模型，并自动生成三维基坑围护结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学增，杨晓秋，桑运龙，丁爽，师刚，
申请(专利权)人：上海同岩土木工程科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：