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    地基基础设计中的三维地层可视化技术及应用.pdf

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    地基基础设计中的三维地层可视化技术及应用.pdf

    第7卷第2期 2015年4月 Vo1.7 No.2 Apr.2015 地基基础设计中的三维地层可视化技术及应用 朱贵娜杜斌 中国建筑科学研究院,北京100013 【摘要】地基基础设计往往通过勘探手段获取地层信息并通过一维、二维图件形式来抽象地了解建筑场地的土 层分布状况。在地基基础设计中引入三维地层可视化技术可更加形象、全面地展示地层分布情况。本文对三维地 层可视化过程及实现方法进行了深入研究,并成功将该技术应用到地基基础设计之中,为基础布置和地基基础标 高系统的校核提供了方便,也有效降低了地基基础设计的复杂度。 【关键词】地基基础设计;地层曲面;可视化;克里格插值 【中图分类号】TP3919TU47 【文献标识码】B 【文章编号】16747461201502009704 1 引言 对建筑场地地层分布情况的描述是地基基础 设计的重要依赖因素,实际工程中往往通过勘探手 段获取地层信息,结合土层柱状图及地层剖面图描 述场地土层的分布。通过一维柱状图及二维剖面 图的土层描述信息,可以抽象地了解建筑场地的土 层分布状况,而较难于直观观察。在地基基础设计 中引入三维地层可视化技术可更加形象、更加全面 地展示地层分布情况,便于基础布置和地基基础标 高系统的校核。 三维地层可视化技术涉及数学、地质学、拓扑 学及计算机图形学等多个学科,经过数十年的研 究,在基础理论方法方面已取得了较大的发 展儿 ;作为一个多领域深度交叉的学科,涉及内 容广泛、知识跨越性大,三维地层可视化技术的应 用需与地质勘探数据的标准化处理、几何造型、三 维空间数据模型及图形可视化等技术相融合,这一 特点减缓了该技术在工程领域应用与推广 儿 。 近年来,随着计算机软硬件及可视化技术的迅速发 展,三维地层可视化的实现变得更加具有可行性, 应用领域也在不断地拓展。地基基础设计对三维 地层可视化技术存在刚性需求,其在设计领域的应 用势必成为一种趋势。 2 三维地层可视化方法的基本思路 三维地层可视化技术的核心是三维地质模型 的构建方法。在广义概念上,三维地质模型是客观 地质体的数字化与可视化表示,是对客观地质实体 的抽象表达。地质建模过程中,客观地质特征应抽 象为几何形体,并对该形体进行几何学描述。地基 基础设计中的土层可视化过程是指工程场地地层 三维模型的建立过程,大致可以分为四个子过程。 子过程1,收集地层分布信息。通过勘察手段 获取地层的特征信息如孑L点平面分布信息,各孔 点的土层分布信息等作为实测样本,为后续工作 提供依据与数据基础。 子过程2,生成平面背景网格。在确定模型范 围的基础上,将待模拟的地层面在水平参考平面上 的投影区域剖分成三角形网格,网格节点即为插 值点。 子过程3,构建地层曲面。利用地层的实测样 本数据对插值点进行插值,计算插值点的三维空间 坐标从而形成空间地层曲面。 子过程4,展现三维模型。通过计算机图形可 视化技术对半透明化的三维地层模型进行直观地、 全面地呈现。 其中,地层投影面的背景网格生成方法和地层 【作者简介】朱贵娜1983一,女,工程师。主要研究方向三维地质建模及地基基础设计。 98 曲面的插值方法是三维地质模型建立的核心内容。 3地层投影面的背景网格生成方法 待模拟地层面在水平面上的投影区域的三角 化过程实为一种特殊的网格剖分过程。基本思路 是在模型范围内自动生成系列加密点,并采用推进 波前法Advancing Front Technique,AFT将点集连 接成三角形网格。 AFT法的基本思路是按照剖分规模将地层投 影面边界离散成有序线段,从边界出发,依次以边 界线段为三角形的一条边,在边界点与内部点中寻 找合适点,组成三角形,选取组成三角形顶角最大 的点为最终三角形顶点;将已形成三角形的边界线 段从边界链表中删除,形成新边界;重复上述过程 直到除边界外的三角形的边两侧均有三角形为止。 在网格推进过程中,新生成三角形需满足下列 规则 1顶角最大规则保证新三角形中与扩展边相 对的顶角在所有可能构成的三角形的相应顶角中 最大。 2无交叉规则保证新生成三角形与原有三角 形只存在相离、共享一个结点、共享一条边三种关 系,不存在交叉与重叠关系。 3面积大于零新生成的三角形面积必须大 于零。 在建筑地基基础设计时,由于场地区域多为矩 形或近似矩形,为加速平面背景网格的生成速度, 可采用将勘察孔点矩形包围盒外扩的方法自动确 定模型范围。 4地层曲面的插值方法 插值运算是地层曲面生成的重要基础,地层曲 面的插值运算将根据原始采样数据形成地层曲面 的空间分布规律,并以此推算未知点进而获取空间 坐标。 常用于地层曲面生成的插值方法有反面积插 值法、反距离插值法、趋势面法、克里格插值法、离 散光滑插值法等。 克里格插值法能够最大程度地保证地质界面与 原始数据的符合,反映地层曲面的空间分布规律,且 不依赖于网格,是一种较好的生成地层网格的方法。 克里格插值法是建立在变差函数或协方差函数 空间分析基础上,对有限区域内的区域化变量取值进 行无偏最优估计的一种方法 。基本步骤如下 1计算采样点之间的距离; 2将距离值按照从小到大进行排序并分组; 3选择变差函数理论模型并拟合变差函数; 4计算插值点得估计值。 对于地层模型,可采用具有较高拟合精度的球 状模型。球状模型变异函数的一般形式为 r 0 h0 y /C0c 一 h3o 1 如果 Y y ,6。c。,6 ,6z 一 , 1h, 2h 2 则可以得到线形模型 Ybobl lbzx2 3 根据实测的采样数据,对球状模型变异函数式 进行最小二乘拟合得到其参数,即通过数学上的近 似和优化得到一条直线或者曲线,使得插值点与已 知数据点间距的平方和最小。 在变异函数存在的条件下,协方差与变异函数 的关系式为 hcO一ch 4 矩阵形式的克里格方程组见式5,将实测采 样数据带入3、4中,可求得克里格权重系数 。 AKD 5 其中 K A Al A2 I A 一 Cl 1 C2 1 ● - C 1 1 0 D 最后,采用克里格插值方程可求得插值点的空 间坐标,见式6。 3D Stratum Visualization Technology and Application in the Design of Foundation Zhu Guina.DU Bin China Academy of Building Research,Beoing 100013,China AbstractIn foundation design,stratum ination is usually obtained by soil exploration and then transferred into 1 D or 2D drawings SO that the soil distribution conditions can be analyzed.3D stratum visualization technology can display the stratum distribution in a more vivid and comprehensive way.This article studies the 3 D stratum vi sualization process and its realization s and applies this technology to foundation design,which is very help fu1 forundation layout andundation elevation system check and reduces the complexity of soil foundation de sign. Key WordFoundation Design;Ground Surface;Visualization;Kriging Interpolation 上接第6O页 l’‘..’。 l|_’’ -。。-. ‘ 。” 。| 。 ’” -。‘ll 。 。’ ll 。 ’’ 。‘1l 。” 。 ‘_l 。 。‘’ .。” Research on the Development Mechanism of Construction Industrialization based on Bin Technology Under the Background of Green Building Jiang Tengteng 1.School ofManagement,Tianjin University ofTechnology,Tianjin 300384,China; 2.The Center of Building Ination IntegrationInvestment Contro1. Tianjin己,n of Technology,Tianjin 300384,China AbstractThe green building is an inevitable trend for the development of a high~efficient and energysav ing construction industry,and construction industrialization is an effective way for the improvement of construction efficiency and quality.Construction industrialization is one of the effective approaches to realize energysaving and emission reduction of green buildings and is a significant change in the construction concept and technology.Under the background of the green building and through the application of BIM technology in the field of construction in- dustrialization,this article builds the construction industrialization optimization model based on BIM technology and provides a perspective for the integration of the green building concept and the development of construction industri alization.It can also be used as reference for the improvement of the research system of green building and con struction jndustrializati0n in China. Key WordsGreen Building;Construction Industrialization;BIM;Building Construction Concept

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