一种基于BIM的路桥结构强度分析方法及系统

本发明涉及路桥结构监测领域，特别涉及一种基于bim的路桥结构强度分析方法。

背景技术：

1、路桥结构是交通运输基础设施中至关重要的组成部分，它们需要承受来自交通载荷、风荷载、温度变化等外界作用力的影响。为了确保路桥结构的安全和可靠性，必须对其进行强度分析，以评估其承受外力的能力和预测结构破坏的可能性。

2、在过去，路桥结构的强度分析通常基于经验公式和试验数据，这种方法存在缺陷，如不足考虑结构受力的实际情况、难以预测结构破坏等问题。随着计算机技术的发展，利用数值分析方法对路桥结构进行强度分析逐渐成为一种重要的研究方向。目前，基于计算机辅助设计（cad）和计算机辅助工程（cae）技术的建筑信息模型（bim）在路桥结构强度分析中得到了广泛应用。bim通过将建筑结构转化为数字模型，可以对结构进行精确的三维建模，并且可以方便地进行各种分析和优化。bim的出现使得路桥结构强度分析更加精确、高效和可靠，大大提高了设计和施工效率，同时也保证了结构的安全性和可靠性。

3、因此，基于bim的路桥结构强度分析方法已经成为现代路桥结构设计和施工中不可或缺的一部分。这种方法可以提高设计效率和质量，同时也可以降低工程成本和风险，具有广泛的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于bim的路桥结构强度分析方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、本发明涉及路桥结构监测领域，本发明提供了一种基于bim的路桥结构强度分析方法，获取路桥的建筑信息模型，将路桥的建筑信息模型进行有限元分析，得到路桥的结构强度数据，通过路桥的结构强度数据计算路桥的基变极限，根据路桥的基变极限筛选出路桥的建筑信息模型中的低强度区域。所述方法能够对路桥的结构强度进行全面分析，无需人工计算和判断，在结构强度的分析过程中协调模型各部分的受应力分布，筛选出路桥模型中的低强度区域，通过对低强度区域高亮显示，直观地展示出路桥中较为脆弱的位置，在路桥的实际建造或维护环节中减少设计和施工过程中的漏洞和错误，提高路桥的结构安全性和稳定性。

3、为了实现上述目的，根据本公开的一方面，提供一种基于bim的路桥结构强度分析方法，所述方法包括以下步骤：

4、s100，获取路桥的建筑信息模型；

5、s200，将路桥的建筑信息模型进行有限元分析，得到路桥的结构强度数据；

6、s300，通过路桥的结构强度数据计算路桥的基变极限；

7、s400，根据路桥的基变极限筛选出路桥的建筑信息模型中的低强度区域。

8、进一步地，步骤s100中，获取路桥的建筑信息模型的方法具体为：在revit软件中，根据路桥的设计图纸创建路桥的建筑信息模型；或者，通过无人机对路桥进行扫描，得到多张路桥的二维图像，将多张路桥的二维图像通过三维建模技术建立路桥的建筑信息模型；或者，通过激光扫描仪扫描路桥，获得路桥的点云数据，根据路桥的点云数据生成路桥的建筑信息模型，其中，所述路桥为路基、路面、桥梁、涵洞、隧道中的任意一种。

9、进一步地，步骤s200中，将路桥的建筑信息模型进行有限元分析，得到路桥的结构强度数据的方法具体为：将路桥的建筑信息模型加载于有限元分析软件中，在有限元分析软件中对路桥的建筑信息模型依次完成建模阶段、计算阶段、后处理阶段；

10、在建模阶段中为路桥的建筑信息模型执行单元划分从而得到多个单元（或称结构离散、网格划分），在计算阶段中设置载荷信息、边界条件，并求解每个单元受到的应力和应变；在后处理阶段中，输出每个单元受到的应力值和应变值；以多个单元受到的应力值和应变值作为路桥的结构强度数据。

11、进一步地，步骤s300中，通过路桥的结构强度数据计算路桥的基变极限的方法具体为：

12、s301，在路桥的结构强度数据中，记多个单元的数量为n个（所述单元为几何结构上的多边形，如四边形、六边形等），将这n个单元作为n结构单元；

13、s302，以sn(i)表示n结构单元中的第i个单元，以sts(i)表示n结构单元中第i个单元受到的应力值，i为序号，i=1,2,…,n，创建空白的数组sts，将n个值sts(1),sts(2),…,sts(n)依次储存到数组sts中，记sts(j)为数组sts内的第j个元素，j=1,2,…,n，记数组sts中元素值最小的元素为sts(a)，记n结构单元中的第a个单元（即sn(a)）为内单元，创建一个空白的序列seq，将序号a加入到序列seq中，转至s303；

14、s303，在n结构单元中，将内单元和所有与内单元相接的单元组成第一单元域，以u1(k1)表示第一单元域内的第k1个单元受到的应力大小，k1为序号，k1=1,2,…,u1，u1为第一单元域内所有单元的数量，记sv(k1)=abs(u1(k1)-sts(a))，abs()表示对()内的数取绝对值，在式子sv(k1)=abs(u1(k1)-sts(a))中遍历序号k1得到u1个值sv(1),sv(2),…,sv(u1)，将u1个值sv(1),sv(2),…,sv(u1)组成集合u1{}，以sv(m1)表示集合u1{}中元素值最小的元素，m1为序号，m1∈[1,u1]，在第一单元域内记第m1个单元为外单元，即以u1(m1)作为外单元，记当前的外单元为n结构单元中的第b个单元，b为序号，将序号b加入到序列seq中，转至s304；

15、其中，与内单元相接的单元的定义为：对于n结构单元中的任意一个单元un，当所述单元un的任意一条边与内单元的任意一条边重合时，称单元un为与内单元相接的单元；

16、s304，如果当前的序列seq中的元素数量不大于2时，则以当前的外单元作为内单元并转至s303；如果当前的序列seq中的元素数量大于2时，则转至s305；

17、s305，以seq(k2)表示序列seq中的第k2个元素，k2为序号，k2=1,2,…,n1，n1为当前的序列seq中所有元素的数量，将n结构单元中的sn(seq(1)),sn(seq(2)),…,sn(seq(n1-1))组成n1结构单元；

18、如果n1结构单元中存在与sn(seq(n1))相接的单元sn(seq(s))，则转至s306；

19、如果sn(seq(n1))与n1结构单元中的任意一个单元都不存在相接关系，则以当前的sn(seq(n1))作为内单元并转至s303；

20、其中，判断n1结构单元中是否存在与sn(seq(n1))相接的单元sn(seq(s))的方法为：设置整数变量i1，i1的初始值为1，i1的取值范围为[1,n1-1]，在i1的取值范围内开始遍历变量i1：当sn(seq(n1))的任意一条边与当前的sn(seq(i1))的任意一条边重合时，记当前变量i1的值为s，以sn(seq(s))表示为与sn(seq(n1))相接的单元，s为序号，s∈[1,n1-1]；

21、s306，在n结构单元中，将sn(seq(s)),sn(seq(s+1)),…,sn(seq(n1))组成叠加域；当叠加域内所有单元的数量超过n结构单元中所有单元的数量的一半时，则计算叠加域内的基变极限，转到s307；当叠加域内所有单元的数量小于n结构单元中所有单元的数量的一半时，则在n结构单元中删除叠加域（即在n结构单元中除去sn(seq(s)),sn(seq(s+1)),…,sn(seq(n1))这n1个单元），将删除了叠加域后的n结构单元作为新的n结构单元并转到s302中；

22、s307，以叠加域内的基变极限作为路桥的基变极限。

23、本步骤的有益效果为：路桥在承载车辆、行人等荷载时，会产生内部应力和变形，这些应力和变形会导致路桥的构件发生弯曲、扭转、伸长或收缩等形变，从而影响路桥的几何形状和结构稳定性，同时，在路桥的使用环境中，如温度变化或因剪力、轴力等内力因素也会引起路桥的结构强度变化，本步骤的方法利用有限元分析步骤得到模型的应力分布，通过计算每个单元受到的应力大小，筛选出路桥结构模型中的叠加域，叠加域为路桥结构模型中稳定度最低的区域，以叠加域内的基变极限作为路桥的基变极限，基变极限反映出了整个路桥中的不同区域相对于整个路桥模型的强度大小，利用基变极限能够找出路桥模型中结构强度较低的区域，对低结构强度的位置进行加固，使得路桥结构发生极端负载时不会超出其结构强度范围，进而大幅提高路桥的安全性，同时能够优化材料选择，在低结构强度的位置选用合适的加固材料，充分提高桥梁的牢固程度和使用寿命。

24、进一步地，所述叠加域内的基变极限的计算方法为：记叠加域内的基变极限为basel，basel=[ave{overpixel}/max{overpixel}]*sum(pixel)；其中，ave{overpixel}表示叠加域内的所有单元受到的应力值的平均值，max{overpixel}表示叠加域内受到应力值最大的单元的应力值，sum(pixel)表示n2结构单元内所有单元受到的应力值的总和，所述n2结构单元由n1结构单元中删除了当前的叠加域后的全部单元所组成（即，将叠加域内的所有单元从n结构单元中删去，将n结构单元中剩下的全部单元组成n2结构单元）。

25、进一步地，步骤s400中，根据路桥的基变极限筛选出路桥的建筑信息模型中的低强度区域的方法具体为：在n结构单元中任意选取一个单元并记为sn(x)，将sn(x)和所有与sn(x)相接的单元组成第二单元域，当第二单元域内的基变值大于路桥的基变极限basel的值时（即第二单元域为结构强度较低的区域），标记第二单元域为建筑信息模型中的低强度区域；其中，第二单元域内的基变值等于第二单元域内的所有单元受到的应力值的总和；与sn(x)相接的单元的定义为：对于n结构单元中的任意一个单元um，当所述单元um的任意一条边与sn(x)的任意一条边重合时，称单元um为与内单元相接的单元。

26、进一步地，步骤s400中，根据路桥的基变极限筛选出路桥的建筑信息模型中的低强度区域，还包括：将路桥的建筑信息模型中的低强度区域全部高亮显示，将高亮显示后的路桥的建筑信息模型输出至显示器。

27、由于路桥结构强度低的位置通常呈区域块状，区域总体的结构强度受区域内每个单元所受到的应力大小的共同作用，仅从整体受力出发计算路桥的基变往往不够准确，影响结构强度分析结果，为解决该问题，同时提高结构强度分析的准确性，叠加域内的基变极限的计算方法还可以为：

28、s3011，以fie(j1)表示叠加域内的第j1个单元受到的应力值大小，j1为序号，j1=1,2,…,m，m为叠加域内所有单元的数量，记fie_a为叠加域内的所有单元受到的应力值的平均值，记bell(j1)=fie(j1)-fie_a，在式子bell(j1)=fie(j1)-fie_a中遍历序号j1得到m个值bell(1),bell(2),…,bell(m)，将bell(1),bell(2),…,bell(m)升序排序后得到asc(1),asc(2),…,asc(m)，将asc(1),asc(2),…,asc(m)组成集合asc{}，转至s3012；

29、s3012，创建空白的数组ord，初始化变量k3，k3的初始值为1，k3∈[1,m]，从k3的初始值开始遍历k3，转至s3013；

30、s3013，以asc(n1)表示集合asc{}内与当前的bell(k3)的值所相等的元素，将当前的n1加入到数组ord中，转至s3014；

31、s3014，如果变量k3的值小于m，则将变量k3的值增加1，转至s3013；如果变量k3的值等于m，则转至s3015；

32、s3015，记叠加域内的基变极限basel为：

33、；

34、式中，ln[]表示对[]内的数取自然对数运算，fie(j1)表示叠加域内的第j1个单元受到的应力值大小，ord(j1)表示数组ord中的第j1个元素，sum(pixel)表示n2结构单元内所有单元受到的应力值的总和，所述n2结构单元由n1结构单元中删除了当前的叠加域后的全部单元所组成；k0表示集合asc{}中所有值为负数的元素的总和，|k0|表示对k0取绝对值。

35、本步骤的有益效果为：在计算路桥基变极限的过程中，叠加域内的基变极限受到叠加域内的每个单元受到应力大小的共同影响，本步骤的方法可以平衡每个单元受到的应力大小，通过计算叠加域内不同单元在不同位置的对基变极限的影响权重，修改基变极限公式中的系数，有效提高低结构强度区域筛选的正确率，准确反映出路桥模型中抗挠度和负荷承载能力较低的区域。

36、本公开还提供了一种基于bim的路桥结构强度分析系统，所述一种基于bim的路桥结构强度分析系统包括：处理器、存储器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种基于bim的路桥结构强度分析方法中的步骤，所述基于bim的路桥结构强度分析系统可以运行于桌上型计算机、笔记本电脑、移动电话、手提电话、平板电脑、掌上电脑及云端数据中心等计算设备中，可运行的系统可包括，但不仅限于，处理器、存储器、服务器集群，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：

37、模型获取单元，用于获取路桥的建筑信息模型；

38、模型分析单元，用于将路桥的建筑信息模型进行有限元分析，得到路桥的结构强度数据；

39、数据计算单元，用于通过路桥的结构强度数据计算路桥的基变极限；

40、模型筛选单元，用于根据路桥的基变极限筛选出路桥的建筑信息模型中的低强度区域。

41、本发明的有益效果为：所述方法能够对路桥的结构强度进行全面分析，无需人工计算和判断，在结构强度的分析过程中协调模型各部分的受应力分布，筛选出路桥模型中的低强度区域，通过对低强度区域高亮显示，直观地展示出路桥中较为脆弱的位置，在路桥的实际建造或维护环节中减少设计和施工过程中的漏洞和错误，提高路桥的结构安全性和稳定性。