一種基于三維布爾運算的基坑與地質(zhì)體模型無縫集成方法
【專利摘要】一種基于三維布爾運算來實現(xiàn)地質(zhì)體與基坑三維模型拓撲無縫集成的方法。首先建立起地質(zhì)體和基坑體的模型，將包圍模型體的界面剖分成由不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）組成的多個三角形表示的模型。求出包圍地質(zhì)體模型與基坑模型的三角形相交后的交線，利用三角形自分解算法分解重構三角網(wǎng)，然后判斷出三角形的歸屬關系，采用布爾運算得到地層體和基坑體部分，完成地質(zhì)體和基坑體的無縫集成。通過無縫集成后得到的基坑模型和地質(zhì)體模型，不僅可以單獨顯示開挖后的基坑體，還克服了傳統(tǒng)的開挖方法無法實現(xiàn)的對基坑模型的分析需求問題，對于工程應用具有高效、實用的價值。
【專利說明】一種基于三維布爾運算的基坑與地質(zhì)體模型無縫集成方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及地質(zhì)勘察、巖土工程、計算機技術的交叉領域，特別是涉及一種基于三維布爾運算的基坑與地質(zhì)體模型無縫集成方法。
【背景技術】
[0002]基坑開挖是建筑施工中重要的一步，也是巖土工程設計的重要內(nèi)容，然而基坑開挖設計是復雜多變的，需要根據(jù)不同的工程需求和不同的地形地質(zhì)條件來設計不同形狀、不同深度的基坑。隨著人們對于工程技術水平要求的提高，亟待一種基于地質(zhì)體模型的基坑開挖無縫集成的方法，來滿足實現(xiàn)對開挖后的基坑開挖體以及地質(zhì)體進行可視分析的需求。
[0003]地質(zhì)體和基坑體無縫集成設計，致力解決的問題是開挖后地質(zhì)體和基坑體的可視分析，目前，現(xiàn)有的基坑開挖算法，大多為多平面切割地質(zhì)體或通過對地層塊體模型的組合切割等方法進行基坑開挖，用基坑側(cè)面所在的幾個平面與底層體切割，這樣位于基坑合圍平面內(nèi)的部分就被切掉，用這種方法來實現(xiàn)基坑開挖的缺點是沒有建立起獨立的基坑體模型，雖然都可大致實現(xiàn)基坑工程可視化，但對基坑開挖體進行單獨顯示和可視分析卻相對困難，不能滿足對基坑開挖體進一步的分析需求。因此，本發(fā)明針對這一問題，設計了新的開挖算法，完成了地質(zhì)體與基坑體的拓撲無縫集成，進而實現(xiàn)了基坑開挖體可視分析并且可輔助進行工程的場地評價與決策。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于解決目前基坑開挖算法不能滿足對基坑開挖體進一步的分析需求，提供一種基于三維布爾運算的基坑與地質(zhì)體模型無縫集成方法，完成了地質(zhì)體與基坑體的拓撲無縫集成，進而實現(xiàn)了基坑開挖體可視分析并且可輔助進行工程的場地評價與決策。
[0005]采用的技術方案是:
一種基于三維布爾運算的基坑與地質(zhì)體模型無縫集成方法，該方法根據(jù)工程設計要求建立一個基坑開挖實體，并用三維地質(zhì)模型與這個開挖實體做布爾減運算，地質(zhì)模型減去開挖實體部分則得到設計模型。
[0006]運算包括以下步驟:
(1)基坑模型和地層模型的建立和剖分
首先建立起地質(zhì)體的GTP模型，然后轉(zhuǎn)化剖分成三角形集合組成的邊界表示模型，同時，平面拉伸法，建立起基坑模型，并用三角形組成的邊界表示模型；
(2)三角形求交運算
由于基坑體和地層體分別由三角形邊界表示模型表示，所以兩者求交的實質(zhì)就是三角形集合之間的求交問題，進而轉(zhuǎn)化為三角形與三角形之間的求交；先得到交點，然后在由交點組成交線，并記錄交點和交線對應地層三角形的索引和基坑三角形的索引，完成三角形之間的層次求交；
(3)三角形自分解
依次遍歷每一個地層三角型，根據(jù)其索引值，選出其內(nèi)的交點和交線，按上述交點修正的三角形自分解算法，將地層三角形分解成TIN ；
(4)判斷每個三角形的歸屬關系
這里需要對分解后的地層三角形集合和基坑三角形集合分別判斷，即對于地層三角形集合，判斷其三角形位于基坑體的內(nèi)部或者是外部，取出三角形的中心，判斷該三角形的中心點是否在基坑體內(nèi)，就可以判斷該三角形是否在基坑體內(nèi)，按上述的射線法可以快速準確的進行判斷；同樣，對于基坑三角形集合，判斷方法與上述稍有不同，先取每個三角形的中心，判斷該中心點是否在該地層體的內(nèi)部；
(5)根據(jù)布爾算子，提取出邊界表示模型
為了分離出開挖出的地層部分，選出地層體在基坑體內(nèi)的部分以及基坑體在地層體內(nèi)的部分，則它們共同圍成了開挖出的地層部分的邊界表示模型；為了分離出開挖后剩下的地層部分，可以根據(jù)布爾差算子，選出地層體在基坑體外的部分以及基坑體在地質(zhì)體內(nèi)的部分，則它們共同圍成了開挖后剩下的地質(zhì)體的邊界表示模型；此為基坑模型與某一地層模型的布爾運算，從地表往下，依次取出每一地層模型，然后讓該地層模型依次與基坑模型進行布爾運算；最后，將根據(jù)布爾交算子求得的結(jié)果放到一起，則構成了基坑開挖后剩下的地質(zhì)體部分，實現(xiàn)了基坑的無縫開挖。
[0007]根據(jù)上述運算步驟解決關于開挖體與地層體的無縫集成:
(1)建立起的地質(zhì)體和基坑模型，通過布爾交運算和差運算后，地質(zhì)體被分成了基坑部分和基坑開挖后剩下部分，兩者的交界處為相同的三角形組成的邊界表示模型，保證了兩者在幾何上的一致性，實現(xiàn)了無縫開挖，解決關于開挖體與地層體的無縫集成；
(2)在實現(xiàn)三角形間的拓撲重構的過程中，應用到了三角形自分解算法，三角形與其他三角形組成的幾何體求交后，將得到的交點和交線；交點分為點交點、邊交點、面交點。點交點與三角形頂點重合，無需處理；邊交點位于三角形邊上，將其分成兩個三角形；面交點位于三角形內(nèi)部，將其一分為三，利用所得交線，修正三角形的自分解。
[0008]本發(fā)明的有益效果:
1、利用本發(fā)明，針對基坑開挖體的三維建模，進而實現(xiàn)基坑體與地質(zhì)體的拓撲無縫集成和基于基坑開挖體以及開挖后地質(zhì)體進行可視分析，可直觀的顯示土層空間的幾何形態(tài)、空間位置、相互關系、及屬性分布信息；
2、利用本發(fā)明，可進行巖土工程基坑開挖模擬與設計、建筑物基底信息可視查詢與分析，提高了工程效率，對工程具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是基坑體與地質(zhì)體模型進行布爾運算示意圖。
[0010]圖2是基坑模型與地質(zhì)體模型的無縫集成流程圖。
[0011]圖3是建筑物基底查詢方式示意圖。
[0012]圖4是開挖后的地質(zhì)體與基坑模型示意圖。
[0013]圖5是建筑物與基坑開挖體集成顯示示意圖。[0014]圖6是基坑側(cè)面展開圖。
[0015]圖7是建筑物基底開挖后地質(zhì)體的剖切圖。
【具體實施方式】
[0016]針對拓撲關系并行計算的矢量目標集劃分方法，以下提供案例對本發(fā)明進行說明。
[0017]基于地質(zhì)體模型的基坑開挖拓撲無縫集成的應用案例
金地國際花園位于沈陽市渾南中路北側(cè)，朗月街東側(cè)，地形較平坦，局部有殘土堆積。地面高程介于47.46-50.30米。地貌類型為渾河高漫灘及古河道。共布設68個鉆孔，勘探深度為10.0-30.0米。由于根據(jù)原始的鉆孔數(shù)據(jù)建立起的地質(zhì)體模型無法在范圍上承載每個建筑物，因此進行了塊狀區(qū)域的緩沖區(qū)建模，在此基礎上，以任意某一建造物為例進行多種巖土工程輔助設計與可視分析。
[0018]按圖1的基坑體與地質(zhì)體模型進行布爾運算，以圖2所示的基坑模型與地質(zhì)體模型的無縫集成流程得到:
(O原始鉆孔及其構建的地上下集成模型，如圖3所示。
[0019](2)選擇建筑物基底查詢方式，可以根據(jù)對話框中的提示，選擇剖切圖生成類型以及基坑開挖類型，如圖3所示。
[0020](3)根據(jù)上述選中建筑物的基底輪廓線，并根據(jù)基坑底部的高程，開挖結(jié)果如圖4所示。
[0021](4)上述選中建筑物與基坑開挖體的集成顯示，如圖5所示。
[0022](5)生成基坑開挖體側(cè)面展開圖，如圖6所示。
[0023](6)將開挖后的地質(zhì)體進行剖切，以按建筑物最小包圍盒開挖為例，如圖7所示。
【權利要求】
1.一種基于三維布爾運算的基坑與地質(zhì)體模型無縫集成方法，其特征在于根據(jù)工程設計要求建立一個基坑開挖實體，并用三維地質(zhì)模型與這個開挖實體做布爾減運算，地質(zhì)模型減去開挖實體部分則得到設計模型，還包含以下二個特點: (1)建立起的地質(zhì)體和基坑模型，通過布爾交運算和差運算后，地質(zhì)體被分成了基坑部分和基坑開挖后剩下部分，兩者的交界處為相同的三角形組成的邊界表示模型，保證了兩者在幾何上的一致性，實現(xiàn)了無縫開挖，解決關于開挖體與地層體的無縫集成； (2)在實現(xiàn)三角形間的拓撲重構的過程中，應用到了三角形自分解算法，三角形與其他三角形組成的幾何體求交后，將得到的交點和交線；交點分為點交點、邊交點、面交點，點交點與三角形頂點重合，無需處理；邊交點位于三角形邊上，將其分成兩個三角形；面交點位于三角形內(nèi)部，將其一分為三，利用所得交線，修正三角形的自分解。
【文檔編號】G06T17/05GK103871101SQ201310699293
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權日:2013年12月19日
【發(fā)明者】王家偉, 郭甲騰, 劉偉, 吳立新, 辛利伍, 岳玉梅, 孫建德, 李云發(fā), 姜宏, 穆星, 孔慶曉 申請人:中冶沈勘工程技術有限公司, 東北大學