基于二维平面模板图的核电厂三维建模方法和系统
阅读说明：本技术 基于二维平面模板图的核电厂三维建模方法和系统 (Nuclear power plant three-dimensional modeling method and system based on two-dimensional plane template graph ) 是由 孙晓颖 宋孟燕 蒋迪 姚迪 王冬梅 李荣鹏 甘莹莹 王东洋 王少杰 刘蒙莎 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明是一种基于二维平面模板图的核电厂结构三维快速建模系统、方法、设备及存储介质,属于核电厂建筑领域,为解决目前核电厂建模复杂耗时较长、容易出错的问题；本发明首先将二维平面模板图进行简化处理,形成底层平面的轮廓线,并对平面轮廓根据层高进行偏置,然后根据层高进行拉伸,通过这种方式完成各层平面图的拉伸,在楼板标高处形成底板,对底板切割生成楼板后删除多余的几何面生成核电厂房结构的三维几何模型。本发明实现通过二维平面模板图获取所需要的基本数据的功能；把设计图纸融入设计仿真工程中,准确的反映真实状态；通过程序实现自动化,未来可用于核电结构数字化协同设计平台中。(The invention relates to a nuclear power plant structure three-dimensional rapid modeling system, a method, equipment and a storage medium based on a two-dimensional plane template diagram, which belong to the field of nuclear power plant buildings and aim to solve the problems of complexity, long time consumption and high possibility of errors in the current nuclear power plant modeling; according to the invention, a two-dimensional plane template graph is simplified to form a contour line of a bottom plane, the plane contour is biased according to the layer height, then the plane contour is stretched according to the layer height, the stretching of each layer of plane graph is completed in this way, a bottom plate is formed at the elevation position of a floor slab, and after the floor slab is cut to generate the floor slab, redundant geometric surfaces are deleted to generate a three-dimensional geometric model of the nuclear power plant structure. The invention realizes the function of acquiring the required basic data through the two-dimensional plane template graph; integrating a design drawing into a design simulation project to accurately reflect a real state; the automation is realized through a program, and the method can be used for a nuclear power structure digital collaborative design platform in the future.)
技术领域
本发明涉及一种核电厂结构快速建模的方法，具体涉及一种基于二维平面模板图的核电厂结构三维快速建模系统、方法、设备及存储介质，属于核电厂建筑领域。
背景技术
基于核电厂结构高安全性的要求，核电厂房结构在设计过程中需要针对不同的工况，比如自重、土压力、收缩徐变、地震等，进行一系列的仿真计算分析，最终确定核电厂结构配筋以及具体的设计方案。其中在仿真计算过程中，建模工作是最为复杂，且工作量占比最大的一项工作。
核电厂房结构相比民用结构，为了满足核电站系统布置功能需求，斜墙、环墙以及不规则墙体相对较多，因此其平面布置更为复杂，建模过程中底平面轮廓的建模最为繁琐的，民用常用的轴网建模方法在核电厂房结构建模过程中并不适用，目前核电厂房结构建模采用的是通用有限元程序进行单构件依次建模，这种建模方式耗时大，稍不留意，二维平面布置出错后就会导致三维模型与实际工程设计图纸不符。
在核电厂房在结构设计阶段，平面模板图是实时更新的，并且可准确描述核电厂结构设计过程的真实情况，但核电结构平面模板图中包含的信息较多，比如建模参考线、墙体轮廓线、洞口、埋件以及尺寸标注线等，而结构仿真计算中的模型信息仅涉及到轮廓线和洞口，因此目前的仿真计算和设计过程是互相独立的过程，因此平面模板图并没有在核电厂房结构三维几何建模流程中发挥作用。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于二维平面模板图的核电厂三维建模方法和系统。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于二维平面模板图的核电厂三维建模方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将各层的施工模板图分别形成各层的墙体的轮廓；
步骤(2)、对各层的所述墙体的轮廓进行简化；
步骤(3)、确定各层的所述轮廓线的标高并偏置；
步骤(4)、根据标高以各层的所述轮廓线为基准进行向上拉伸生成墙面；
步骤(5)、在各层的所述轮廓线的标高处建立一个超出所述轮廓线的楼板；
步骤(6)、通过布尔运算切割删除所述楼板超出所述轮廓线的多余面，形成核电厂三维模型。
进一步，将各层的施工模板图分别形成各层的墙体的轮廓具体包括：
将所述各层的施工模板图按照建模参考线、墙体轮廓、洞口、埋件以及尺寸标注线进行图层分类；
删除各层的洞口、埋件以及尺寸标注线的图层信息，保留各层的所述墙体的轮廓。
进一步，步骤(2)中，所述对各层的所述墙体的轮廓进行简化具体包括：
对各层的所述墙体的轮廓取中线，形成各层的墙体封闭的轮廓线；其中直墙取墙体的中轴线为中线，弧墙取墙体的中心弧线为中线，不规则墙体取相邻的规则墙体的端点的连线为中线。
进一步，对各层的所述墙体的轮廓取中线，形成各层的墙体封闭的轮廓线后，还包括对轮廓线进行检查和修复；具体为：
检查同一个位置上是否存在重合的节点，如果是，则将重复的节点修复合并成唯一的节点；
检查同一个位置上是否存在重合的线条，如果是，则将重复的线条修复合并成唯一的线条；
检查两个相邻的轮廓线之间是否存在缝隙且没有共节点，如果是，则将两个相邻的轮廓线的两个节点重合，使两个相邻的轮廓线共点。
进一步，步骤(3)具体包括：
确定核电厂各层的标高，根据各层的标高的差值确定各层的拉伸高度；
根据各层的拉伸高度将各层的所述轮廓线向上偏置，形成上下点连接线。
进一步，步骤(5)具体包括：
获得各层的所述轮廓线的节点的坐标值，并计算出水平X、Y两个方向的最大和最小坐标值xmin,xmax,ymin,ymax，其中：
xmin＝min(x1,x2,x3…xn)
xmax＝max(x1,x2,x3…xn)
ymin＝min(y1,y2,y3…yn)
ymax＝max(y1,y2,y3…yn)；
在各层的楼板的标高处创建一个超出所述轮廓线的楼板，楼板的区域为：
x＝[xmin-1,xmax+1]
y＝[ymin-1,ymax+1]。
本发明采用的技术方案还公开了一种基于二维平面模板图的核电厂三维建模系统，包括：
图层分类模块，用于将各层的施工模板图分别形成各层的墙体的轮廓；
轮廓线处理模块，用于对各层的所述墙体的轮廓进行简化；
标高偏置模块，用于确定各层的所述轮廓线的标高并偏置；
拉伸模块，用于根据标高以各层的所述轮廓线为基准进行向上拉伸生成墙面，和在各层的所述轮廓线的标高处建立一个超出所述轮廓线的楼板；
成型模块，用于通过布尔运算切割删除多余面，形成核电厂三维模型。
进一步，基于二维平面模板图的核电厂三维建模系统还包括：
检修模块，用于检查同一个位置上是否存在重合的节点，如果是，则将重复的节点修复合并成唯一的节点；和检查同一个位置上是否存在重合的线条，如果是，则将重复的线条修复合并成唯一的线条；检查两个相邻的轮廓线之间是否存在缝隙且没有共节点，如果是，则将两个相邻的轮廓线的两个节点重合，使两个相邻的轮廓线共点；
计算模块，用于获得各层的所述轮廓线的节点的坐标值，并计算出水平X、Y两个方向的最大和最小坐标值xmin,xmax,ymin,ymax，其中：
xmin＝min(x1,x2,x3…xn)
xmax＝max(x1,x2,x3…xn)
ymin＝min(y1,y2,y3…yn)
ymax＝max(y1,y2,y3…yn)；
和在各层的楼板的标高处创建一个超出所述轮廓线的楼板，计算楼板的区域范围为：
x＝[xmin-1,xmax+1]
y＝[ymin-1,ymax+1]。
本发明采用的技术方案还公开了一种基于二维平面模板图的核电厂三维建模设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的基于二维平面模板图的核电厂三维建模方法。
本发明采用的技术方案还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的基于二维平面模板图的核电厂三维建模方法。
本发明提供的基于二维平面模板图的核电厂结构三维快速建模方法，与以往核电结构建模方式相比，本发明有益效果体现在：
第一，可以基于核电结构设计中的二维平面模板图来对核电厂进行快速建模；
第二，可实现通过二维平面模板图获取所需要的基本数据的功能。
第三，在以往的核电结构仿真计算过程中，设计图纸仅作为建模的参考物，并没有发挥实际作用，通过本发明可把设计图纸融入设计仿真工程中，可以实时并准确的反映设计过程中结构的真实状态；
第四，传统的核电结构建模方式是在图纸进行描点，连线，画面的建模方式相比，通过本发明不仅可以使建模变得更加快速，而且在建模过程中减少了人为等效模型的过程，减少了模型出错的概率；
第五，本发明形成的一套从平面模板图获取数据，批量化导入平面模块图进行拉伸，切割后的建模方法，可通过程序实现自动化操作过程，未来可用于核电结构数字化协同设计平台中。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明墙体的轮廓图；
图3是本发明墙体封闭的轮廓线图；
图4是本发明墙体的拉伸示意图；
图5是本发明布尔运算示意图；
图6是本发明核电厂三维模型图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例提供一种基于二维平面模板图的核电厂三维建模方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将各层的施工模板图分别形成各层的墙体的轮廓；在步骤(1)中，首先确定整个核电厂分为几层，例如，在本实施例中，整个核电厂分为三层，那么每一层都需要形成该层墙体的轮廓。具体的，先将各层的施工模板图按照建模参考线、墙体轮廓、洞口、埋件以及尺寸标注线进行图层分类；该图层分类可以在常用的二维平面设计软件中进行，例如CAD软件。当各个图层分类做好以后，就可以将各层的洞口、埋件以及尺寸标注线的图层信息删除，保留各层的墙体的轮廓，如图2所示。
步骤(2)、对各层的所述墙体的轮廓进行简化；首先获取各层的墙体的轮廓，然后需要将墙体的轮廓简化，以达到后续快速建模的目的。那么，简化的手段具体为对各层的墙体的轮廓取中线。值得注意的是，考虑到核电结构仿真计算过程中，仅需要考虑100mm厚度以上的墙体进行仿真，因此100mm以下隔墙不取中线。由于墙体的形状不一，所以对各层的墙体的轮廓取中线时，具体为直墙取墙体的中轴线为中线；弧墙取墙体的中心弧线为中线；不规则墙体取相邻的规则墙体的端点的连线为中线，所有的中线相组合形成墙体封闭的轮廓线，如图3所示。将获取的中线连接即可形成各层的墙体封闭的轮廓线。
值得注意的是，形成各层的墙体封闭的轮廓线后，还需要对中线进行检查和修复；具体为检查同一个位置上是否存在重合的节点，如果是，则将重复的节点修复合并成唯一的节点；检查同一个位置上是否存在重合的线条，如果是，则将重复的线条修复合并成唯一的线条；检查两个相邻的轮廓线之间是否存在缝隙且没有共节点，如果是，则将两个相邻的轮廓线的两个节点重合，使两个相邻的轮廓线共点。通过上述的检查，能够保证轮廓线的唯一且相连处没有断点，方便后续模型的建立。
步骤(3)、确定各层的轮廓线的标高并偏置；在本实施例的步骤(3)中，首先要确定核电厂各层的标高，并将标高注明在墙体封闭的轮廓线上。值得注意的是，完成对中线的标高之后，应当将各层的墙体封闭的轮廓线转换成二维平面的图元信息，该图元信息的格式为三维建模软件可以打开的格式，例如通用的iges格式，从而保证三维建模过程中墙体封闭的轮廓线相关的数据不发生变化。
步骤(4)、根据标高以各层的所述轮廓线为基准进行向上拉伸生成墙面；而根据标高以各层的轮廓线为基准进行向上拉伸生成墙面则是在三维建模软件中完成。具体来说，由于每层的标高不同，通过各层的标高的差值就可以确定各层的拉伸高度；在确定了根据各层的拉伸高度之后，就可以将各层的轮廓线向上偏置一个高度，也就形成了一层的顶面和底面，那么顶面和底面之间则形成上下点连接线；接着通过轮廓线沿上下点连接线拉伸即可形成墙面。值得注意的是，在其他实施例中，如果模型软件可以同时构建二维平面的图元信息和三维模型，则无需转换图元信息的格式。
步骤(5)、在各层的轮廓线的标高处建立一个超出轮廓线的楼板；在本实施例的步骤(4)中，先要将各层的轮廓线放在一个平面坐标系中，从而能够在坐标系中获得各层的轮廓线的节点的坐标值，并计算出水平X、Y两个方向的最大和最小坐标值xmin,xmax,ymin,ymax，其中：
xmin＝min(x1,x2,x3…xn)
xmax＝max(x1,x2,x3…xn)
ymin＝min(y1,y2,y3…yn)
ymax＝max(y1,y2,y3…yn)。
也就是说，经过xmin,xmax,ymin,ymax的四条直线所组成的矩形能够将轮廓线完全包围且与轮廓线的边缘相切。接着，在各层的楼板的标高处创建一个超出轮廓线的楼板，楼板的区域为：
x＝[xmin-1,xmax+1]
y＝[ymin-1,ymax+1]。
超出轮廓线的楼板可以保证全部覆盖轮廓线且不会因为相切而产生没有实体的边缘线。
步骤(6)、通过布尔运算切割删除楼板超出轮廓线的多余面，形成核电厂三维模型。通过布尔运算切割时，是通过上下层墙体投影线对楼板进行切割，切割为一个一个的小区格，其中楼板底面边线和墙的投影线为同一条线，然后删除楼板外边缘图形，获得最终的核电厂三维模型。
本实施例还公开了一种基于二维平面模板图的核电厂三维建模系统，该系统包括数据初始化子系统、模型建立子系统和检查修复子系统；其中初始化子系统包括图层分类模块、轮廓线处理模块和导出模块，上述三个模块依次连接，由所述导出模块将数据返回图层分类模块形成所述初始化子系统的内部循环，循环扫描直至二维平面模板图完整完成初始化过程。模型建立子系统负责处理来自所述初始化子系统的数据完成三维建模，其包括标高偏置模块、拉伸模块和成型模块。最终由检查修复子系统对形成后的模型进行检查并作出调整完善三维建模，检查修复子系统则包括检修模块和计算模块。
具体来说，其中图层分类模块用于将各层的施工模板图分别形成各层的墙体的轮廓和对各层的墙体的轮廓取中线；即图层分类模块将各层的施工模板图按照建模参考线、墙体轮廓、洞口、埋件以及尺寸标注线进行图层分类，当各个图层分类做好以后，图层分类模块将各层的洞口、埋件以及尺寸标注线的图层信息删除，保留各层的墙体的轮廓。
轮廓线处理模块用于对各层的所述墙体的轮廓进行简化，具体用于对各层的墙体的轮廓取中线，形成各层的墙体封闭的轮廓线；即轮廓线处理模块对各层的墙体的轮廓取中线，直墙取墙体的中轴线为中线；弧墙取墙体的中心弧线为中线；不规则墙体取相邻的规则墙体的端点的连线为中线，所有的中线相组合形成墙体封闭的轮廓线。
检修模块用于检查同一个位置上是否存在重合的节点，如果是，则将重复的节点修复合并成唯一的节点；和检查同一个位置上是否存在重合的线条，如果是，则将重复的线条修复合并成唯一的线条；检查两个相邻的轮廓线之间是否存在缝隙且没有共节点，如果是，则将两个相邻的轮廓线的两个节点重合，使两个相邻的轮廓线共点。
标高偏置模块用于确定各层的轮廓线的标高并偏置，即标高偏置模块根据各层的标高的差值确定各层的拉伸高度；在标高偏置模块确定了根据各层的拉伸高度之后，将各层的轮廓线向上偏置一个高度，同时在顶面和底面之间则形成上下点连接线。
拉伸模块用于根据标高以各层的轮廓线为基准进行向上拉伸生成墙面和在各层的轮廓线的标高处建立一个超出轮廓线的楼板。拉伸模块控制轮廓线沿上下点连接线拉伸即可形成墙面。
在完成墙面的拉伸之后，计算模块将各层的轮廓线放在一个平面坐标系中，在坐标系中获得各层的轮廓线的节点的坐标值，并计算出水平X、Y两个方向的最大和最小坐标值xmin,xmax,ymin,ymax，其中：
xmin＝min(x1,x2,x3…xn)
xmax＝max(x1,x2,x3…xn)
ymin＝min(y1,y2,y3…yn)
ymax＝max(y1,y2,y3…yn)；
接着拉伸模块在各层的楼板的标高处创建一个超出轮廓线的楼板，该楼板的区域范围同样通过计算模块计算得到，计算模块计算得到的区域范围为：
x＝[xmin-1,xmax+1]
y＝[ymin-1,ymax+1]。
成型模块用于通过布尔运算切割删除多余面，形成核电厂三维模型。通过布尔运算切割时，是通过上下层墙体投影线对楼板进行切割，切割为一个一个的小区格，其中楼板底面边线和墙的投影线为同一条线，然后删除楼板外边缘图形，获得最终的核电厂三维模型。
上述方法示例的功能模块的划分并非唯一，还可以根据实际情况进行适应性调整，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理模块中；上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
具体地，该系统及方法承载于基于二维平面模板图的核电厂三维建模计算机设备，包括处理器和存储器；
所述存储器用于存储计算机执行指令，所述处理器与所述存储器通过所述总线连接，所述处理器执行所述存储器存储的所述计算机执行指令，所述的通信设备负责与外界网络连接，进行数据的收发过程；所述处理器与存储器相连，所述的存储器包括数据库软件；
所述处理器与存储器包含的若干指令用以使得个人计算机或服务器或网络设备执行本方法全部或部分步骤；所述处理器所用类型包括中央处理器、通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合；所述存储介质包括U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘。
具体地，上述软件系统部分承载于中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，通用处理器，数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)，现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明提出内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。所述处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等等。相关人员及用户通信的通信设备则可以利用收发器、收发电路或通信接口等。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
本领域技术人员应该明白，本发明的方法和系统并不限于具体实施方式中的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
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