一种基坑三维正向设计计算一体化方法与流程

1.本发明涉及土木工程技术领域，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。


背景技术：

2.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：
3.(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；
4.(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；
5.(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；
6.(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)；
7.(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。
8.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。
9.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。
10.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。


技术实现要素：

11.本发明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。
12.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
13.一种基坑三维正向设计计算一体化方法，包括以下步骤：
14.1)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；
15.2)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；
16.3)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；
17.4)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)。
18.进一步地，所述建立三维地质模型具体为：
19.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；
20.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。
21.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。
22.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。
23.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。
24.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。
25.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。
26.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。
27.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。
28.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：
29.(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，本发明具有以下有益效果：
[0042]
1、本发明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、本发明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、本发明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、本发明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、本发明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、在满足计算精度的要求下，剖分基坑模型根据单个基坑剖面，建立平面应变分析模型，推导出成层地层基坑挡土墙墙背位移场表达。各剖面之间采用插值算法计算得到三维基坑坑外位移场。相较于传统基坑计算软件采用的经验公式计算方法，本方法能够考虑成层复杂地质，计算参数包含多层地层的地质参数，计算结果更加合理、应用范围更广、更加符合实际地质情况。相较于三维有限元计算方法，本方法不需要构建三维有限元模型、计算不受硬件设备影响，计算时间大大缩短、效率大大提高。
附图说明
[0048]
图1为本发明的正向设计流程图；
[0049]
图2为本发明的基坑坑外三维变形计算流程图；
[0050]
图3为本发明的成层土层基坑开挖变形计算图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0052]
术语解释
[0053]
bim：building information modeling，建筑信息模型，以三维图形为主、物件导向、建筑学有关的电脑辅助设计，可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于bim进行协同工作。
[0054]
三维地质建模：运用计算机技术,在三维环境下,将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，生成三维定量随机模型。
[0055]
地质钻孔：用钻机从地表向下钻进，在地层中形成圆柱形钻孔，以鉴别和划分地层。可从钻孔中不同深度处取得岩心、矿样、土样进行分析研究，用以测定岩石和土层的物理、力学性质和指标，提供设计需要。
[0056]
gis：geographic information system，地理信息系统，在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
[0057]
地质剖面：沿某一方向，显示地表或一定深度内地质构造情况的实际(或推断)切面。
[0058]
本发明提供一种基坑三维正向设计计算一体化方法，首先建立三维地质模型，在此基础上进行基坑空间位置及支护结构形式、参数的设计，同时自动生成计算模型进行相关规范要求的校核验算，计算结果可反馈设计，调整参数后自动重新生成新的计算模型再次验算，直至满足要求输出bim模型与设计图纸。如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0059]
s1、依据得到的地质勘探钻孔数据，获取钻孔空间坐标及地层地质参数，所述地质参数主要包括地下水位、各地层分布、高程、土体压缩模量、土体粘聚力、土体内摩擦角等。
[0060]
s2、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，并综合地层土力学参数，自动判断并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，生成包含地层参数数据的三维地质模型。其中，空间插值的方法可以采用内置算法、三角剖分法、距离倒数加权法、最小曲率法、最近邻点法等。
[0061]
s3、在三维地质模型上导入周边环境，如建筑、道路、管线的gis数据，并标注在三维地质模型对应的空间位置上。
[0062]
s4、在三维地质模型上进行基坑方案设计，包括导入基坑控制网线、设置支护体系及材料属性，其中，支护体系分为挡土结构和内撑结构。
[0063]
挡土结构的设计主要分为：挡土结构形式、几何尺寸及材料属性。
[0064]
挡土结构形式主要有：土钉墙，重力式挡土墙，地下连续墙，排桩，型钢内插水泥土搅拌墙，钢板桩。
[0065]
几何尺寸根据不同的结构形式有所不同，主要为挡土墙的长度、宽度、厚度、深度、直径、夹角等表征形状的几何尺寸。
[0066]
挡土墙结构材料参数包括：混凝土、钢筋、钢材。
[0067]
内撑结构的设计主要分为：内撑结构形式、几何尺寸及材料属性。
[0068]
内撑结构主要包含：围檩、内支撑、立柱及立柱桩。其中，围檩结构形式主要有：混凝土围檩、钢围檩；内支撑结构形式主要有：混凝土支撑、钢支撑；立柱结构形式主要有：型钢立柱、钢管立柱、钢隔构立柱、钢管混凝土立柱；立柱桩主要形式有：混凝土桩、钢管桩。
[0069]
几何尺寸根据不同的结构形式有所不同，主要为挡土墙的长度、宽度、厚度、深度、直径、夹角等表征形状的几何尺寸。
[0070]
内撑结构材料参数包括：混凝土、钢筋、钢材。
[0071]
s5、根据设计方案，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模型，通过地质模型虚化的方法实现基坑结构、地层分布与周边建筑的可视化展示。
[0072]
s6、将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，并融合结构设计参数。
[0073]
s7、响应待验算截面指令，进行符合相关基坑规范的二维验算校核，也可进行基坑整体围护结构的三维计算，获得支护体系的受力和变形。
[0074]
三维结构验算过程具体包括如下步骤：
[0075]
(1)根据地层分布及计算精度，自动沿基坑周边每隔一段距离进行地质模型剖切，获得断面的地质横剖面图。
[0076]
(2)根据地质横剖面图上的地层分布，按照设计规范要求计算竖向土压力、侧向土压力和水压力。各剖切面之间部分，采用插值方法计算侧向土压力。
[0077]
(3)建立三维基坑荷载-结构法计算模型，并将上述方法计算所得侧向水土压力施加在模型挡土墙侧。
[0078]
(4)进行三维计算分析，分析内容包括挡土结构和内撑结构的受力、变形性状。
[0079]
s8、根据基坑围护结构的变形进行地面沉降及底面以下土体位移场的反分析推算，得到地面基坑坑外土体的变形结果。
[0080]
基坑坑外土体位移场可采用三维有限元方法计算，或者采用随机介质理论、灰度理论、peck经验公式进行预测。本实施例中，考虑实际地质情况，并提高计算速度和使用便携性，提出一种成层地层基坑土体位移场计算，采用墙体变形反分析坑外土体位移场，如图2所示，包括如下步骤：
[0081]
(1)选取基坑截面，建立平面应变分析模型。如图3所示，选取第i层土体为研究对象，土体位移场公式为：
[0082][0083][0084][0085][0086]
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。
[0087]
(2)对上述偏微分方程进行求解，可得到方程通解，即墙后第i层土体的水平位移及竖向位移表达式：
[0088][0089][0090]
上式中，z为计算深度；x为坑外距离挡土墙距离；k1、k2、a为通过边界条件求解得到的边界系数。
[0091]
(3)成层地基每一层土层内部位移场均符合上述步骤(2)所求通解，可以得到每一层土体位移场表达式。
[0092]
(4)由顶部第一层土体开始求解，土层顶面应力为0，土层最左侧位移u(0,z)即为挡墙变形，将两个边界条件带入通解求解相关参数。
[0093]
(5)同样，根据变形协调，第2层土层顶面位移与第1层土层底面位移相同，同时第2层土层u(0,z)一样为该层土层对应挡墙变形；将两边界条件带入通解，求解本层土层位移场相关参数。
[0094]
(6)重复步骤(5)依次求解每一层土体的位移场表达式，最终得到挡土墙背后全部土层变形表达。
[0095]
(7)满足计算精度基础上，自动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，即可得到三维基坑周边土层沉降槽，进而获得坑外土体变形。
[0096]
上述便捷的地层位移场计算方法，可以替代传统的经验公式和有限元计算方法；根据挡土墙变形反推墙后土体位移场，通过地层交界面变形连续，采用平面应变静力问题lame方程解答，引入侧边与顶面边界条件，逐层推广，得到能够考虑分层地层的挡土墙墙背土层位移场表达；较传统经验公式计算结果更合理、应用范围更广、更加符合实际地质情况；较三维有限元方法，计算速度更快、使用更便捷。
[0097]
s9、若步骤s7和步骤s8的验算不满足设计要求，回到步骤s4重新设置基坑设计参数，三维基坑模型自动更新并重新验算直至满足设计要求。
[0098]
s10、若步骤s7和步骤s8的验算满足设计要求，自动输出二维设计图纸、计算报告，将前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。
[0099]
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0100]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无
需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。