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CN113486429B - 一种基于插值算法的空间汇交结构自动化建造方法 - Google Patents

一种基于插值算法的空间汇交结构自动化建造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及土木及市政工程技术领域，公开了一种基于插值算法的空间汇交结构自动化建造方法，其步骤主要包括通过编程平台自动提取设计图纸中的高程控制点以及高程信息，进行汇交结构表面点位的数据匹配，基于空间插值算法提高高程控制点精度，创建点位集合，通过点集拟合成空间汇交结构表面的曲面形状，而后将曲面向下延伸加厚，构建空间汇交结构模型形体，输出模型至设计平台并挂载属性信息。本发明是在编程平台上操作，利用计算机编程语句，实现了高程控制点的加密与数据匹配，自动生成空间汇交结构实体。本发明可以很好地提高空间汇交结构的设计精度，同时在空间汇交结构模型中挂载属性管理信息，有效提高工程信息管理效率，控制建造质量。

Description

一种基于插值算法的空间汇交结构自动化建造方法
技术领域
本发明涉及土木及市政工程技术领域，特别是一种基于BIM技术，利用插值算法对空间汇交结构的高程控制点位进行加密，实现空间汇交结构自动化建造的方法。
背景技术
建筑信息模型(Building Information Modeling)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有协调性，模拟性，优化性和可出图性五大特点。
BIM的设计功能是BIM技术应用的基础，正是因为有设计的模型才能完成后面的一系列BIM功能。因此BIM设计的效率以及精度一直是模型创建过程中对应用BIM技术的一个主要要求。例如Autodesk公司的Revit系列软件，虽然软件本身具有强大的功能，但在模型创建的效率与精度上还需要改进，特别是空间汇交结构。空间汇交结构的几何形状复杂，在以Revit为平台进行空间汇交结构模型的创建过程中，不能做到直接放样生成，且模型的创建需要人工独立操作调整，耗费大量精力，效率极低。此外部分汇交结构设计图纸的高程控制点位数量有限，通过点集合拟合空间汇交结构的曲面图形时，因拟合样本的不足导致拟合效果不佳，最终的空间汇交结构模型无法满足不同场合的设计要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于插值算法的空间汇交结构自动化建造方法，要解决现有软件进行空间汇交结构模型创建时，效率低下且效果不佳的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于插值算法的空间汇交结构自动化建造方法，包括以下步骤：
步骤一：对于以控制点位表达高程的竖向设计图，将其交互至编程平台，进行汇交结构表面点位的点位数据匹配，结果输出至高程控制点坐标信息表；
步骤二：对于以等高线表达高程的竖向设计图，将其交互至编程平台，进行汇交结构表面点位的点位数据匹配，结果输出至高程控制点坐标信息表；
步骤三：判断控制点位是否足够，若不足则使用空间插值算法，对高程控制点进行加密，将插值结果输入至上述步骤创建的高程控制点坐标信息表；
步骤四：编程平台环境中导入高程控制点坐标信息表，创建所有高程控制点；
步骤五：基于所创建的高程控制点，在编程平台中形成地形表面，并获取地形表面基本几何图形网格，初步创建汇交结构表面三维曲面；
步骤六：提取竖向设计图中汇交结构的轮廓图形，创建拉伸实体，并与步骤五创建的三维曲面相交，得到汇交结构最终的表面三维曲面；
步骤七：基于汇交结构表面曲面，在编程平台中创建汇交结构实体模型；
步骤八：将编程平台中的汇交结构模型输出至设计平台中，成为设计平台模型图元；
步骤九：为设计平台中的汇交结构模型添加属性管理信息，包括材质、类别等参数信息。
上述步骤一与步骤二中的点位数据匹配是指高程控制点位与对应的高程信息进行数据匹配。
上述步骤三使用的空间插值算法为克里金插值算法，但不局限于克里金插值算法。
上述步骤九所添加的属性管理信息，包括但不限于上述枚举的信息种类。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明是利用目前主流的BIM软件设计平台，使用编程平台，通过计算机编写程序，与AutoCAD联动，自动提取加密高程控制点位并匹配坐标信息，最终生成空间汇交结构模型。本发明与其他现有技术对比具有以下几点优势：
1、本发明通过提取AutoCAD中的二维图纸信息，自动生成空间汇交结构模型，指导施工。
2、本发明设计了一种点位数据匹配算法，将高程控制点与对应高程信息自动匹配。
3、本发明采用空间插值算法进行高程控制点的点位加密，提高空间汇交结构模型精度。
4、可在空间汇交结构模型中添加属性管理信息，有效提高工程信息管理效率。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的总流程图。
图2是基于控制点位竖向设计图进行点位数据匹配的流程图。
图3是基于等高线竖向设计图进行点位数据匹配的流程图。
图4是拟合汇交结构表面曲面流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明技术方案，并不限于本发明。
实施例是以道路工程的道路平面交叉口为例进行说明的。
本实施例中的模型是利用Autodesk公司发布的BIM设计平台Revit软件和其二次开发平台Dynamo进行设计的，操作步骤如下(参见图1)：
步骤一：对于以控制点位表达高程的竖向设计图，将其交互至编程平台，进行汇交结构表面点位的点位数据匹配，结果输出至高程控制点坐标信息表(参见图2)；
1、在AutoCAD中选中所有控制点位圆图元以及高程文字标注；
2、通过ActiveX技术，导入控制点位圆图元及高程文字标注至Dynamo环境；
3、提取圆图元圆心的X、Y坐标；
4、提取高程文字标注的几何图形位置及内容；
5、计算圆心点与高程标注放置点的距离,并形成数组列表；
6、取每组数组列表中距离最小的值，与该值对应的高程标注放置点即为距圆心点最近点；
7、匹配对应的圆心坐标与对应高程信息；
8、调用Data.ExportExcel函数，将圆心坐标与对应高程信息输出至高程控制点坐标信息表。
步骤二：对于以等高线表达高程的竖向设计图，将其交互至编程平台，进行汇交结构表面点位的点位数据匹配，结果输出至高程控制点坐标信息表(参见图3)；
1、在AutoCAD中选中所有等高线；
2、通过ActiveX技术，导入等高线至Dynamo环境；
3、提取等高线的几何线形及长度标高属性；
4、提取每根等高线的起点点位；
5、提取每根等高线的终点点位；
6、联动等高线长度，调用if语句对参数a进行判断，如果等高线长度大于等于参数a，则通过长度除以参数a的整数值，即对该等高线取点的个数；如果等高线的长度小于参数a，则输出数值b，即对该线取b个点；
7、根据第6步判别规则，依个数在等高线上均匀取点；
8、获取对应高程控制点位的X，Y，Z坐标信息；
9、调用Data.ExportExcel函数，将高程控制点及其X，Y，Z坐标信息，输出至表格；
10、输入图纸中已标明的交叉口中心标高控制点及边角的高程控制点坐标信息至高程控制点坐标信息表。
步骤三：判断控制点位是否足够，若不足则使用空间插值算法，对高程控制点进行加密，将插值结果输入至上述步骤创建的高程控制点坐标信息表；
1、权重系数需要满足无偏约束和最优系数条件如下：
Figure BDA0003157550810000041
Figure BDA0003157550810000042
2、克里金插值法的假设条件如下：
E[z(x,y)]＝E[z]＝c
Var[R(x,y)]＝σ2
假设条件为空间属性Z是均一的，对于空间任意一点(x,y)都有同样的期望c和方差σ2。
3、计算权重系数λi：
依据普通克里金插值法的假设条件及无偏约束和最优系数条件，可得到求解权重系数λi的线性方程组：
Figure BDA0003157550810000051
对应矩阵形式为：
Figure BDA0003157550810000052
其中γij为半方差函数，其定义为：
Figure BDA0003157550810000053
5、求解待估点影响范围内的有效样本属性值：
Figure BDA0003157550810000054
其中Z0表示点(x0,y0)处的属性估计值；λi表示第i个位置的测量值的权重；Zi表示待估点影响范围内的有效样本属性值。
6、得到加密点位空间坐标，输入至步骤三创建的高程控制点坐标信息表。
步骤四：编程平台环境中导入高程控制点坐标信息表，创建所有高程控制点；
1、Dynamo环境中选定高程控制点坐标信息表；
2、读取高程控制点坐标数据，并将高程控制点坐标信息表导入Dynamo中；
3、提取高程控制点坐标信息表中各高程控制点的坐标数据，创建高程控制点的点位列表；
4、在Dynamo环境中创建所有高程控制点。
步骤五：基于所创建的高程控制点，在编程平台中形成地形表面，并获取地形表面基本几何图形网格，初步创建汇交结构表面三维曲面(参见图4)；
1、Dynamo环境中提取步骤四创建的高程控制点的点位列表；
2、根据点位列表创建道路平面交叉口的地形表面；
3、从地形表面中提取出所有的基本几何图形网格；
4、基于第3步提取的所有基本几何图形网格，初步拟合成汇交结构的三维曲面。
步骤六：提取竖向设计图中汇交结构的轮廓图形，创建拉伸实体，并与步骤五创建的三维曲面相交，得到汇交结构最终的表面三维曲面(参见图4)；
1、在AutoCAD中选中竖向设计图中道路平面交叉口的轮廓图形；
2、通过ActiveX技术，导入轮廓图形至Dynamo环境；
3、确定法线位置；
4、将轮廓图形朝法线方向按指定距离拉伸，创建拉伸实体；
5、使拉伸实体与上一步骤中三维曲面相交，得到相交几何图形，即为道路平面交叉口的表面三维曲面。
步骤七：基于汇交结构表面曲面，在编程平台中创建汇交结构实体模型；
1、设置道路平面交叉口模型的厚度值；
2、沿指定方向加厚道路平面交叉口表面的三维曲面，完成道路平面交叉口的模型创建。
步骤八：将编程平台中的汇交结构模型输出至设计平台中，成为设计平台模型图元；
步骤九：为设计平台中的汇交结构模型添加属性管理信息，包括材质、类别等参数信息。
所述所有步骤中的计算和判定是通过是使用DesignScript语言并调用Autodesk公司发布的BIM建模平台Revit软件的应用程序编程接口中的相关函数来实现的。
本发明可适用于所有空间汇交结构的自动化建造过程，不论汇交结构的表面曲面形式如何，高程控制点数量多少，汇交结构厚度多少，都可以使用本发明进行快速设计，并依据设计模型施工。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于插值算法的空间汇交结构自动化建造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：对于以控制点位表达高程的竖向设计图，将其交互至编程平台，进行汇交结构表面点位的点位数据匹配，结果输出至高程控制点坐标信息表；
1、在AutoCAD中选中所有控制点位圆图元以及高程文字标注；
2、通过ActiveX技术，导入控制点位圆图元及高程文字标注至Dynamo环境；
3、提取圆图元圆心的X、Y坐标；
4、提取高程文字标注的几何图形位置及内容；
5、计算圆心点与高程标注放置点的距离,并形成数组列表；
6、取每组数组列表中距离最小的值，与该值对应的高程标注放置点即为距圆心点最近点；
7、匹配对应的圆心坐标与对应高程信息；
8、调用Data.ExportExcel函数，将圆心坐标与对应高程信息输出至高程控制点坐标信息表；
步骤二：对于以等高线表达高程的竖向设计图，将其交互至编程平台，进行汇交结构表面点位的点位数据匹配，结果输出至高程控制点坐标信息表；
1、在AutoCAD中选中所有等高线；
2、通过ActiveX技术，导入等高线至Dynamo环境；
3、提取等高线的几何线形及长度标高属性；
4、提取每根等高线的起点点位；
5、提取每根等高线的终点点位；
6、联动等高线长度，调用if语句对参数a进行判断，如果等高线长度大于等于参数a，则通过长度除以参数a的整数值，即对该等高线取点的个数；如果等高线的长度小于参数a，则输出数值b，即对该线取b个点；
7、根据第6步判别规则，依个数在等高线上均匀取点；
8、获取对应高程控制点位的X，Y，Z坐标信息；
9、调用Data.ExportExcel函数，将高程控制点及其X，Y，Z坐标信息，输出至表格；
10、输入图纸中已标明的交叉口中心标高控制点及边角的高程控制点坐标信息至高程控制点坐标信息表；
步骤三：判断控制点位是否足够，若不足则使用空间插值算法，对高程控制点进行加密，将插值结果输入至上述步骤创建的高程控制点坐标信息表；
1、权重系数需要满足无偏约束和最优系数条件如下：
Figure FDA0003538218700000021
Figure FDA0003538218700000022
2、克里金插值法的假设条件如下：
E[z(x,y)]＝E[z]＝c
Var[R(x,y)]＝σ2
假设条件为空间属性Z是均一的，对于空间任意一点(x,y)都有同样的期望c和方差σ2；
3、计算权重系数λi：
依据普通克里金插值法的假设条件及无偏约束和最优系数条件，可得到求解权重系数λi的线性方程组：
Figure FDA0003538218700000023
对应矩阵形式为：
Figure FDA0003538218700000031
其中γij为半方差函数，其定义为：
Figure FDA0003538218700000032
5、求解待估点影响范围内的有效样本属性值：
Figure FDA0003538218700000033
其中Z0表示点(x0,y0)处的属性估计值；λi表示第i个位置的测量值的权重；Zi表示待估点影响范围内的有效样本属性值；
6、得到加密点位空间坐标，输入至步骤三创建的高程控制点坐标信息表；
步骤四：编程平台环境中导入高程控制点坐标信息表，创建所有高程控制点；
1、Dynamo环境中选定高程控制点坐标信息表；
2、读取高程控制点坐标数据，并将高程控制点坐标信息表导入Dynamo中；
3、提取高程控制点坐标信息表中各高程控制点的坐标数据，创建高程控制点的点位列表；
4、在Dynamo环境中创建所有高程控制点；
步骤五：基于所创建的高程控制点，在编程平台中形成地形表面，并获取地形表面基本几何图形网格，初步创建汇交结构表面三维曲面；
1、Dynamo环境中提取步骤四创建的高程控制点的点位列表；
2、根据点位列表创建道路平面交叉口的地形表面；
3、从地形表面中提取出所有的基本几何图形网格；
4、基于第3步提取的所有基本几何图形网格，初步拟合成汇交结构的三维曲面；
步骤六：提取竖向设计图中汇交结构的轮廓图形，创建拉伸实体，并与步骤五创建的三维曲面相交，得到汇交结构最终的表面三维曲面；
1、在AutoCAD中选中竖向设计图中道路平面交叉口的轮廓图形；
2、通过ActiveX技术，导入轮廓图形至Dynamo环境；
3、确定法线位置；
4、将轮廓图形朝法线方向按指定距离拉伸，创建拉伸实体；
5、使拉伸实体与上一步骤中三维曲面相交，得到相交几何图形，即为道路平面交叉口的表面三维曲面；
步骤七：基于汇交结构表面曲面，在编程平台中创建汇交结构实体模型；
1、设置道路平面交叉口模型的厚度值；
2、沿指定方向加厚道路平面交叉口表面的三维曲面，完成道路平面交叉口的模型创建；
步骤八：将编程平台中的汇交结构模型输出至设计平台中，成为设计平台模型图元；
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Inventor after: Lv Jing

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Inventor after: Yan Minrong

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