基于混合數(shù)據(jù)分類樹的深基坑CAD系統(tǒng)

李迎賓，李 萌

（北京工商大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048）

0 引言

深基坑相較于傳統(tǒng)的工程，其特殊性在于周邊環(huán)境復(fù)雜，有較強(qiáng)的時空特性，施工設(shè)計與監(jiān)測比較嚴(yán)格[1]。為了保證深基坑施工質(zhì)量，工作人員需要進(jìn)行全面的工程設(shè)計與施工監(jiān)測，施工信息的分析與處理對深基坑施工至關(guān)重要。在計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，CAD技術(shù)已經(jīng)成為工程設(shè)計重要的一部分，被廣泛應(yīng)用于建筑工程信息化的各個方面，比如空間分析、地質(zhì)解釋、巖土工程勘察等[2]。CAD技術(shù)一項重要的應(yīng)用是利用三維建模方法展示工程設(shè)計。泮曉華等人以中央電視臺新臺址工程為例利用三維參數(shù)化建模技術(shù)實現(xiàn)了基坑的快速三維顯示[3]。奚雪峰等人基于構(gòu)件的復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)了一個面向基坑工程領(lǐng)域的三維仿真模型構(gòu)件庫[4]?，F(xiàn)有的三維建模軟件在構(gòu)建三維基坑模型時候不僅工作量大，工作效率低下，還要求技術(shù)人員較好掌握復(fù)雜的建模方法和操作過程，難度較大[5]。

經(jīng)常與CAD系統(tǒng)協(xié)同工作的另一項重要技術(shù)是數(shù)據(jù)的可視分析。對于數(shù)據(jù)可視化方法，大致可以分為以下幾類。第一類是將不同維度的數(shù)據(jù)表示在不同的子窗口中，利用多個子窗口的圖表進(jìn)行協(xié)同分析，如散列矩陣圖[6]；第二類方法是對高維數(shù)據(jù)做降維處理，降維后的數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則進(jìn)行重新排列顯示，如平行坐標(biāo)和星形坐標(biāo)系[7]；第三類方法是使用不同的圖語來表示不同的數(shù)據(jù)維度，如臉譜圖通過人臉各個部分的形狀、位置和方向等屬性表示數(shù)據(jù)的值[6]。在前期研究方面，李恒楊使用ArcView軟件實現(xiàn)深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的折線圖的顯示[8]；曾凡云等人通過對Visio的二次開發(fā)實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)與施工信息動態(tài)同步分析[9]。Cao[10]等人將信息擴(kuò)散過程抽象為向日葵種子傳播的過程，開發(fā)出針對具有顯著時空特征的數(shù)據(jù)的可視化系統(tǒng)?，F(xiàn)有的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化方法僅僅是使用折線圖對施工信息進(jìn)行簡單的表示，可視化方法單一，獲取的信息較少。

為了能夠?qū)⒍嗑S度，多形式，多源頭的深基坑施工信息有效的組合在一起，使其以直觀的圖形進(jìn)行展現(xiàn)，輔助研究人員進(jìn)行判斷與分析，本文基于面向混合數(shù)據(jù)的分類樹建立了深基坑CAD系統(tǒng)。首先針對深基坑施工的特點，利用體元的幾何特征以及模型整體的三維空間分布特點，對深基坑的三維建模的方法進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的分析目的，利用多種數(shù)據(jù)可視化方法與監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合。最終建立混合數(shù)據(jù)分類樹，以樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息等加以整合，實現(xiàn)施工場景與監(jiān)測數(shù)據(jù)等混合數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)與分析，為用戶提供一個一體化的、更全面直觀的CAD系統(tǒng)。

1 混合數(shù)據(jù)分類樹

深基坑中施工信息是包括設(shè)計圖紙，工程數(shù)據(jù)，監(jiān)測信息等多源頭、多形式、多維度的混合數(shù)據(jù)。本文通過建立深基坑的混合數(shù)據(jù)分類樹來處理數(shù)據(jù)。以樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將施工過程中混合數(shù)據(jù)共同整合到一個場景中，可以進(jìn)行不同類型數(shù)據(jù)的動態(tài)同步分析。分類樹中的葉子節(jié)點為工程對象，工程對象是具有工程意義的最小單位[11]。分類樹的建立應(yīng)該遵循以下原則：

1）分類樹的根節(jié)點入度為0，其余節(jié)點的入度為1。

2）分類樹中的父子節(jié)點是包含關(guān)系，即子類節(jié)點完全包含于父類節(jié)點中。

3）分類樹中的對象節(jié)點與工程單位模型是一對一映射，即一個對象節(jié)點只能對應(yīng)工程單位模型中的某一個模型。

4）子場景節(jié)點的兄弟節(jié)點是不相交關(guān)系，對于一個施工場景只能分為若干不相交子場景。

分類樹中包含了一個深基坑工程的所有施工信息，不同的分類樹包含不同深基坑項目的信息。分類樹有利于提高施工項目在CAD系統(tǒng)中的獨立性和可重用性。一個深基坑施工信息中大多數(shù)分類是靜止的，這為樹結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供了前提條件。圖1所示為分類樹結(jié)構(gòu)示意圖。分類樹的對象包括了影響深基坑設(shè)計的所有工程信息。

圖1 混合數(shù)據(jù)的分類樹

2 深基坑施工場景三維建模

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)建模

支護(hù)結(jié)構(gòu)是深基坑工程中最重要的環(huán)節(jié)，是深基坑數(shù)字化建模中必不可少的部分。由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的組件類型眾多，結(jié)構(gòu)組成和空間分布具有較強(qiáng)的規(guī)律，每一類都有其特有的從設(shè)計參數(shù)到空間三維坐標(biāo)的映射關(guān)系，因此建立一個支護(hù)構(gòu)件參數(shù)化模型庫是支護(hù)場景三維可視化的基礎(chǔ)。對于一個模型需要確定的參數(shù)主要有以下兩類：形狀特征參數(shù)和定位約束參數(shù)[12]。形狀特征參數(shù)描述了支護(hù)結(jié)構(gòu)各組件的外觀幾何尺寸，定位約束參數(shù)描述了支護(hù)結(jié)構(gòu)各組件之間的拼接。支護(hù)構(gòu)件的建模的基本思想是任何復(fù)雜的構(gòu)件都可以用若干簡單的體元通過正則集合運算得到。基本正則運算主要有：交、并、差?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)中構(gòu)件主要由圓柱體、球、長方體，圓環(huán)等基本體元根據(jù)一定的拓?fù)潢P(guān)系和工程約束組合而成[13]。每個體元包含參數(shù)信息，體元信息如表1所示。

表1 基本體元

根據(jù)上述基本體元與基本正則運算可進(jìn)行復(fù)雜的三維模型構(gòu)建。圖2以支護(hù)結(jié)構(gòu)中的雙拼H型鋼腰梁構(gòu)件為例展示建模過程。該模型是由一個H型鋼，多個肋板和綴板組成，H型鋼、肋板和綴板均是由帶相應(yīng)工程參數(shù)的長方體體元布爾運算得到，之后根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系組合而成雙拼H型鋼腰梁。

圖2 雙拼H型鋼腰梁建模過程

2.2 基坑體及周邊建筑物模型

基坑體是土方開挖過程后基坑的輪廓，是深基坑CAD系統(tǒng)的三維顯示的基礎(chǔ)，大部分支護(hù)結(jié)構(gòu)分布在其輪廓周圍，同時也是挖填方、沉降的受體。基坑體模型數(shù)據(jù)來源于地理信息系統(tǒng)所提供的高程數(shù)據(jù)，使用規(guī)則網(wǎng)格模型建模。規(guī)則網(wǎng)格模型拓?fù)潢P(guān)系簡單，能夠充分體現(xiàn)高程變化的細(xì)節(jié)。

由于施工環(huán)境的復(fù)雜性，周邊建筑物位置的表示以及沉降的監(jiān)測已成了工程建設(shè)必不可少的環(huán)節(jié)。在三維深基坑模型中，建筑物模型的局部細(xì)節(jié)并不影響深基坑的設(shè)計與監(jiān)測，所以本文將所有的建筑物都用基本體元表示。以長方形建筑物為例，該模型描述為

Building:{＜x，y，z＞，＜a1，b1，c1＞}。其中第一組參數(shù)＜x，y，z＞表示長方體模型在空間中的位置，第二組參數(shù)＜a1，b1，c1＞表示長方形體元的長、寬、高。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)模型及其可視化

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

監(jiān)測項目通常包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂水平豎向位移、錨桿內(nèi)力、周邊地表豎向位移、地下水位等。在對監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理具體如下：

步驟1：提取關(guān)鍵字。每一條記錄以監(jiān)測點編號與時間作為關(guān)鍵字。

步驟2：利用關(guān)鍵字對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。將數(shù)據(jù)以關(guān)鍵字排序可以將重復(fù)的數(shù)據(jù)盡可能安排在相近或者相鄰的區(qū)域，以提高檢測效率。

步驟3：重復(fù)數(shù)據(jù)的判定。將一個窗口放在已經(jīng)排列好的數(shù)據(jù)上按照從前往后的順序進(jìn)行移動。假設(shè)窗口大小可以放置k條數(shù)據(jù)，則將新進(jìn)來的第k條數(shù)據(jù)與窗口中的其他k-1條數(shù)據(jù)通過屬性值與數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較是否重復(fù)，重復(fù)則刪除，比較完成后窗口繼續(xù)移動。直到對數(shù)據(jù)集中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了判定，處理結(jié)束。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化設(shè)計

傳統(tǒng)的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化方法使用的是折線圖，折線圖所攜帶的信息有限，無法適用于多維度的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。本文根據(jù)不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析目的，分別使用不同的可視化方法對其進(jìn)行可視分析。

3.2.1 漸近色渲染圖

為了直觀地感受監(jiān)測點每次的變化情況，利用漸近色渲染數(shù)據(jù)變化過程。該方法首先要將監(jiān)測數(shù)據(jù)映射成灰度，之后根據(jù)灰度與彩色之間的映射關(guān)系找到監(jiān)測數(shù)據(jù)對應(yīng)的色彩值。具體實現(xiàn)步驟如下：

步驟1：對當(dāng)前監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，找出數(shù)據(jù)集中最大值max和最小值min。

步驟2：對于監(jiān)測數(shù)據(jù)v，計算監(jiān)測數(shù)據(jù)與灰度之間的關(guān)系為：

步驟3：計算灰度值與色彩間的映射。對于有關(guān)力的監(jiān)測數(shù)據(jù)使用綠色G表示，位移有關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)使用紅色R表示，地下水位變化使用藍(lán)色B表示。對于紅色R，當(dāng)0≤H＜64，R的值為0；當(dāng)96≤H＜128，R的值為255（H-96）/32；當(dāng)128≤H＜255，R的值為255。綠色G和藍(lán)色B的映射關(guān)系與紅色R同理。

步驟4：迭代執(zhí)行步驟2和步驟3，直到需要可視化的監(jiān)測項目中的所有數(shù)據(jù)都得到對應(yīng)的色彩值，迭代過程終止。

3.2.2 箱線圖

箱線圖可以顯示監(jiān)測點在一段時間內(nèi)各個監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)，這種可視化方法不受異常值的影響，能準(zhǔn)確反映一段時間內(nèi)監(jiān)測點數(shù)據(jù)的離散分布情況。在箱線圖中，頂端和底部分別表示監(jiān)測點在一段時間內(nèi)的最大值和最小值。矩形盒的上邊緣與下邊緣分別表示在這段時間內(nèi)的上四分位數(shù)和下四分位數(shù)，矩形盒中間內(nèi)凹點表示該部分監(jiān)測數(shù)據(jù)的中位數(shù)。圓圈表示該部分監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常值。該方法可以提供監(jiān)測數(shù)據(jù)分散情況，尤其是以監(jiān)測點數(shù)據(jù)為母體數(shù)據(jù)時更可表示其差異。

3.2.3 平行坐標(biāo)

除了單個監(jiān)測項目數(shù)據(jù)的可視化展示，多個監(jiān)測項目數(shù)據(jù)協(xié)同展示也是深基坑CAD系統(tǒng)的研究重點。為了有效展示監(jiān)測數(shù)據(jù)的多維屬性并利用多維屬性發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中潛在的特征，將平行坐標(biāo)與深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，不僅支持原始數(shù)據(jù)的解讀，而且數(shù)據(jù)線分布可以有效地展示多維數(shù)據(jù)的特征。

平行坐標(biāo)的基本思想是利用N條等距離平行軸來表示N維數(shù)據(jù)。對于深基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，平行坐標(biāo)每條軸線代表一個監(jiān)測內(nèi)容，軸上的取值范圍為相應(yīng)監(jiān)測項目數(shù)據(jù)的最小值到最大值。原始監(jiān)測數(shù)據(jù)是低維度的，即每一條數(shù)據(jù)只表示某一個監(jiān)測點在某一個時間的數(shù)據(jù)。為了反映整體監(jiān)測數(shù)據(jù)高維度的特點，首先根據(jù)基坑設(shè)計方案特點，過基坑中點，做兩條南北和東西朝向的直線，把基坑分成四部分。由于基坑施工的監(jiān)測點大多分布在基坑周邊，基坑周邊為南北或者東西朝向，所以分別以南北或者東西朝向?qū)^(qū)域中每段基坑周邊分為一個子區(qū)域。最終該基坑分為多個區(qū)域，每個區(qū)域中的子區(qū)域個數(shù)不相同。每一個子區(qū)域可以根據(jù)其區(qū)域內(nèi)監(jiān)測項目的值用線段將N條等距離平行軸連接起來形成一條折線段。某一個區(qū)域的平行坐標(biāo)示意圖如圖3所示。

圖3 多維基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)平行坐標(biāo)示意圖

4 工程應(yīng)用實例

為了驗證本系統(tǒng)的有效性，以北京市某深基坑的施工信息為例。筆者主要使用Open CASCADE與ECharts進(jìn)行開發(fā)。Open CASCADE是一款3D幾何造型內(nèi)核，可以實現(xiàn)幾何形體生成、控制與輸出，是一個開放式的幾何造型平臺。ECharts是一個前端開發(fā)可視化庫，可以流暢地運行在PC端與移動設(shè)備上，提供豐富的數(shù)據(jù)可視化的工具。

4.1 支護(hù)構(gòu)件模型展示

部分支護(hù)構(gòu)件的三維參數(shù)化模型如圖4所示。

圖4 支護(hù)構(gòu)件的參數(shù)化三維模型

4.2 深基坑場景顯示

深基坑采用的是支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中的樁錨支護(hù)體系，其中排樁和錨桿均為支護(hù)構(gòu)件，冠梁和側(cè)壁砼面板是可以將基坑周邊支護(hù)結(jié)構(gòu)連接到一起必要結(jié)構(gòu)。深基坑施工場景在構(gòu)建時直接從分類樹中讀取該項目的模型信息以及工程參數(shù)進(jìn)行繪制。場景繪制時需要定義基坑體模型中心與世界坐標(biāo)系的原點重合，其最大包圍盒的三條對稱軸與世界坐標(biāo)系的三條軸重合。

圖5顯示了深基坑的三維模型效果。

4.3 繪制效果分析

對深基坑的施工場景可視化進(jìn)行性能測試，測試使用的平臺為Intel Core i5（2.5Hz）的CPU，4G內(nèi)存，Windows10操作系統(tǒng)，顯卡為4038顯存的NVIDA GeForce GTX1050 Ti。

針對不同的深基坑施工場景，測試了渲染時間。測試結(jié)果如表2所示。可以看出，從小規(guī)模施工場景到大規(guī)模施工場景渲染時間均在可接受范圍內(nèi)，在計算機(jī)資源消耗合理的情況下可以直觀地了解到整個施工過程。

圖5 深基坑場景效果圖

表2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工場景渲染性能分析

以包含多個構(gòu)件的腰梁為例，其在場景中的繪制效果如圖6所示。由圖6可以看出，腰梁和圍護(hù)樁拓?fù)潢P(guān)系依舊清晰，圖形特征明顯，可以直觀展示基坑施工場景。

圖6 雙拼H型鋼腰梁顯示

4.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化

本文選取2016年該深基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析。圖7顯示了利用漸近色渲染出的錨桿軸力受力變化過程。從圖7可以看到，在大部分時間內(nèi)錨桿受力較小，錨桿支護(hù)比較安全。6023號錨桿在在2017年7月13日，在2017年7月17日和在2017年7月21日單次內(nèi)力變化值均在4以上，內(nèi)力變化幅度較大，因此在后續(xù)的施工中應(yīng)該著重監(jiān)測6023號錨桿，防止受力超過工程閾值。

圖8為箱線圖，顯示了各個監(jiān)測點在一段時間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)總體分散情況。不同的監(jiān)測點使用不同的顏色。8個監(jiān)測點數(shù)值分布較為集中，各個監(jiān)測點的最值相近，此基坑在該段時間內(nèi)變化比較平穩(wěn)。

圖7 某基坑錨桿軸力受力隨時間的可視化

圖8 一段時間內(nèi)監(jiān)測點沉降數(shù)可視化

圖9顯示了該項目利用子區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建好的平行坐標(biāo)。不同區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)使用不同的顏色，平行坐標(biāo)軸由地下水位，管線沉降，周圍建筑物沉降，路面沉降，錨索內(nèi)力，坡頂水平位移以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎直位移構(gòu)成。從圖9可以看出，數(shù)據(jù)大多聚集在坐標(biāo)軸下端，可知大部分?jǐn)?shù)據(jù)都處在正常范圍之內(nèi)，距離預(yù)警值比較遠(yuǎn)，異常值占少數(shù)。區(qū)域4中坡頂水平位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎直位移和錨桿內(nèi)力數(shù)值異常，接近預(yù)警值，相關(guān)運行管理人員需要根據(jù)異常值進(jìn)行問題排查與檢修。在此基礎(chǔ)上，可以從圖中看出區(qū)域4的異常值的出現(xiàn)與坡頂水平位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎直位移與錨桿內(nèi)力呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，管理人員可以根據(jù)異常值出現(xiàn)時各個屬性相關(guān)性來進(jìn)行深基坑施工中的潛在隱患的信息排查，采取相應(yīng)的預(yù)防措施并定制具體的檢修計劃。

5 結(jié)束語

圖9 同一時間各個監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的平行坐標(biāo)表示

本文針對當(dāng)前深基坑工程設(shè)計與管理過程中混合數(shù)據(jù)處理低效率，低質(zhì)量，難以進(jìn)行進(jìn)一步的知識挖掘問題，開發(fā)出基于混合數(shù)據(jù)分類樹的深基坑CAD系統(tǒng)。論文對深基坑的施工場景進(jìn)行了參數(shù)化建模，可以對施工信息進(jìn)行全方位的動態(tài)可視化；其次根據(jù)工程實際需要，將多種數(shù)據(jù)可視化方法與深基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合；最后利用混合數(shù)據(jù)分類樹將深基坑的各種施工信息加以整合呈現(xiàn)。通過施工實例驗證了基于混合數(shù)據(jù)分類樹的深基坑CAD系統(tǒng)的有效性與實用性。研究成果不但對未來深基坑的建設(shè)和類似工程的設(shè)計管理具有重要的現(xiàn)實意義，同時也豐富了CAD在深基坑領(lǐng)域的研究內(nèi)容。