CN117689217A - 一种基于bim技术的地下施工监测分析系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，涉及数据处理技术领域，包括：采集模块，获取地下洞室坐标和工程数据信息；构建模块，采用统一坐标系非线性组合运算，采用统一坐标系非线性组合运算，将视觉模型和三维模型生成数字孪生模型；数据分析模块，对采集的数据进行分析，比较实时数据与历史数据的变化趋势；数据分析模块包含以下模块：第一计算模块，用于监控沉降时间序列，获取变化分布曲线，提取生成相交面积和差异点；第二计算模块，用于计算地面横向沉降变化，获取水平方向的沉降变化和平整度变化；能够减少地面沉降对监测设备的影响，提供地下施工的安全性和效率。

Description

一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统。

背景技术

施工风险管控是施工过程中实现安全施工的重要举措，因此，在施工过程中，采用科学的风险管理方法，辅以法规、技术、组织等手段，尽可能消除和减少不安全因素，以使整个施工过程达到规定的安全生产要求。现代施工安全监管的重点是做好建设项目施工过程中的预测和预控，努力杜绝处于萌芽状态的施工安全事故。

随着计算机技术的发展，BIM技术也被应用到施工安全风险管控领域。现有技术中，一般是先建立施工现场的BIM模型，然后再获取施工现场的数据，将数据导入到BIM模型中，然后判断数据是否符合设定的安全管控规则，对不符合安全管控规则的安全风险因素及危险区域进行预警提示，从而达到施工安全风险管控的目标。

但是在施工过程中，通过台站实施数据采集，但是系统接收到数据后无法对数据进行合理验证，同时地下洞室在施工时，会出现土层沉降、土层位移，导致数据监测不准，无法对施工现场数据进行准确显示。

发明内容

本申请实施例通过提供一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，解决了土层沉降导致的测量效果不好的问题，实现了测量精度的提升。

本申请实施例提供了一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，包括：采集模块，获取地下洞室坐标和工程数据信息；

构建模块，采用统一坐标系非线性组合运算，采用统一坐标系非线性组合运算，将视觉模型和三维模型生成数字孪生模型；

数据分析模块，对采集的数据进行分析，比较实时数据与历史数据的变化趋势；

数据分析模块包含以下模块：

第一计算模块，用于监控沉降时间序列，获取变化分布曲线，提取生成相交面积和差异点；

第二计算模块，用于计算地面横向沉降变化，获取水平方向的沉降变化和平整度变化，所述第二计算模块包括水平高度变化单元和高程差计算单元；

第三计算模块，用于计算纵向沉降量，根据沉降量评价待建设区域；

第一确定单元，记录水平位置上平整度变化的分布情况，用于确定待建设区域；

第二确定单元，用于根据每个土层沉降量确定监测设备的布设位置。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

通过采用沉降时间序列，实时监控不同时间序列下，地面信息的变化情况，为后续处理做出准备；第二计算模块和第三计算模块得到地面水平的平整度系数和沉降量，有效判断土层的变化情况，使得根据沉降量、平整度系数对监测设备进行调整，提高了施工的安全性与效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的数据分析模块的结构示意图；

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述；附图中给出了本发明的较佳实施方式，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式；相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了实现合理监控地面位移，获取准确的数据，本发明提供一种基于BIM技术的地下施工监测分析方法及系统。

请参阅图1，为本发明的结构示意图，本申请包括：

采集模块，获取地下洞室坐标和工程数据信息，对测量数据进行自动化建模；根据BIM技术将工程数据信息组成BIM建筑模型；

建立基础测量单位，分段分批次设置测量单位，使用测量单位测量地下洞室；

设置BIM建筑测量模型，进行BIM建筑测量模型对比分析；与BIM协同平台互通数据，进行设计、施工及监测；

采用长短记忆法，使用不同时序变化进行BIM建筑测量；进行沉降测量、声波测量及水位测量；

上述的技术方案，是通过长短记忆法，生成BIM建筑测量模型，根据不同时序下的变化情况，对测量数据预测分析，实现安全防护；

智能建立数据对接标准；依据测量规范进行调整优化：测量规范包括：使用地下水位计、倾斜计、压力传感器等设备来监测土层沉降和位移，并将数据导入BIM模型中；根据坐标法、水准法、角度法测量各个方向的基础数据，对基础数据统计设置测量规范；其中坐标法是测量不同地面之间的沉降曲线，角度法用于测量地面角度，水准法用于测量水平方向的角度；根据测量的差异，得到不同地面区域在施工过程中发生的偏移现象，使得预测地面发生沉降、位移等一系列事件；

基于BIM的测量过程包括：接口初始化，建立连接，当连接不成功，则关闭连接并显示出错原因；当连接成功，则通过计算机发送指令；布置测量点、架设仪器，设置测量参数和初始值；在设置测量参数和初始值后，搜索测量点；如搜索不成功，则重新搜索，并返回步骤设置测量参数和初始值，重新搜索测量点；如搜索成功，则进行测量；根据长短时间序列发送的数据差异进行比较，如果差异值超过阈值，则返回进行测量，并发送警告；

在本发明的一个实施例中，根据BIM技术将工程数据信息组成BIM建筑模型包括：

构建模块，采用统一坐标系非线性组合运算，基于视点建模，通过不同视觉获得图像数据，将视觉图像组合形成视觉模型；

在包括角度和凹陷地段继续计算时，使用点云重建算法，将三维数据点组件成三维模型；

根据生成的视觉模型和三维模型生成数字孪生模型；数字孪生模型是真实物理系统的数字复制品，可以用于模拟和预测实际物理系统的行为。

通过使用不同形式建模手段，能够有效比对出发生沉降位移的地面，进而对施工状况进行预测；

在一个实施例中，包括：

数据分析模块，对采集的数据进行分析，比较实时数据与历史数据的变化趋势，根据不同数据之间的异常寻找变化规律，从而了解建筑结构的运行状况和安全状况；

具体的，获取不同的沉降时间序列，沉降时间序列分为，长时间序列和短时间序列；

根据沉降时间序列，对数字孪生模型进行碰撞性分析，所述碰撞性分析是指，将不同时间下返回的数字孪生模型进行交叉组合，将组合差异的部分进行提取，并且根据变化的形式生成变化分布曲线；

具体的，对施工现场的数据获取根据传感器进行获得，将获取的数据合并分析，可以了解到数据的差异性，

需要说明的是，本发明中描述的沉降时间序列是表示，地下洞室在施工时，因为施工影响可能会导致地面沉降，其次每层图层都存在压缩量，土层底面的附加压力发生变化时，土层就会进行沉降，此时沉降会对地下建筑造成影响，影响施工；通过对地面检测可以明确判断在施工时地面的沉降曲线，同时可以辅助施工人员管理；

在一个实施例中，包括：

可视化展示：使用BIM模型可视化展示监测结果，提供直观的可视化效果，方便相关人员进行交流和决策。

接收模块，用于接收采集模块发送的数据，同时负责接收部分非常规的输入信息；

具体的，如图2所示，数据分析模块包括，

第一计算模块，用于监控沉降时间序列，所述沉降时间序列是用于检测土层随时间变化趋势；

第二计算模块，用于计算地面横向沉降变化，获取水平方向的沉降变化和平整度变化，便于预测地面土壤的移动变化轨迹；

第三计算模块，用于计算纵向沉降量，是表示土层纵向沉降变化的趋势，同时可以预测出对应土层的变化形式，根据沉降量评价待建设区域；

第一确定单元，记录水平位置上平整度变化的分布情况，用于确定待建设区域；

第二确定单元，用于根据每个土层沉降量确定监测设备的布设位置；

具体而言，根据得到的土层变化信息得到待建区域的整体样貌，地面平整度变化情况，使得在进行计算时洞室的稳定性；

具体的，沉降时间序列分为长时间序列与短时间序列，记录施工过程中长序列、不平稳的数据；

具体的，第一计算模块计算土层沉降量随时间的变化趋势，预测地面沉降的速度，若地面沉降速度超过一定阈值，则及时向管理人员警示；第二计算模块计算水平位置上不同采集点周围地区水平位置上发送沉降情况的面积，以及地面沉降时面积延伸的幅度；第三计算模块用于计算土层纵向上，在不同时间内沉降量的变化情况，从而与水平位置结合判断当前土城沉降量的释放方向，为后续施工调整做准备；第一确定单元是将地面变化根据预设的分割区域进行判断处理，确定不同分割区域之间的变化差异；第二确定单元室确定地面沉降时，地表面积的变化情况以及土层变化的情况；

具体的，第一计算模块包括：根据沉降时间序列，获取地面的变化分布曲线，对地面变化曲线进行合并区分，对变化分布曲线合并时，根据长时间序列和短时间序列合并为一组数据，所述变化分布曲线，是指采集的地面表面轮廓的变化情况；提取每组变化分布曲线的相交面积，相交面积是代表当前地面因为沉降发生的变化情况，也就是代表单位截面内沉降的面积大小和对应的坐标位置情况，相交面积也就是一个表示数据变化的集合；

具体的，沉降时间序列的长时间序列的时间间隔设置为最近十次长时间序列的方差加上设定阈值，短时间序列的时间间隔设置为最近十次短时间序列的方差减去设定阈值；

具体的，对相交面积提取差异点；差异点为相交面积中随时间变化最明显的点值集合；

比较每组相交面积，根据相交面积提取相似特征；迭代每组之间的相似度，将每组变化分布曲线的相交面积转换为向量，计算不同向量之间的欧式距离；欧式距离为每组之间的相似度；从一组相交面积中随机提取出第一集合，第一集合根据相似度对不同分组的差异点进行迭代，正向输出排名前10%的差异点，生成第二集合，循环迭代直到第二集合达到收敛；此时，完全收敛的第二集合即为差异点；

具体的，第二计算模块，提取水平位置上的差异点，计算差异点水平位置的高程差；

具体的，第二计算模块是显示地面土城沉降、腐蚀、堆积、及受施工影响，地面出现的不平整，地面高度变化的数据；上述的高程差为同一区域内差异点之间的差值，高程差即为一点与周围点之间的差值的最大值；

具体的，第二计算模块包括水平高度变化单元和高程差计算单元；水平高度变化单元用于计算当前区域单一位置高度差的变化情况，高程差计算单元式计算是反映水平方向上平整度的表示情况；

具体的，水平高度变化单元包含第一计算公式，；

表示水平高度的变化指数，/>为i区域内地形高度的极大值，/>为i区域内地形高度的均值，/>为i区域内地形高度的极小值；

若，则表示当前水平变化处于设定范围内，可以在本区域进行建设，/>为第一预设系数，/>为第二预设系数，/>为小于1的系数，/>为大于1的系数；

具体的，高度变化表示地面上某区域内，最高点和最低点之间的变化情况，也就是说，高度变化值表示的是，有多少的最高点和最低点的位置发生的变化，从而可以反映出地面的变化程度；

具体的，高程差计算单元包含第二计算公式，；

H为当前区域的平整度系数，为本区域内第i个点的高程值，/>表示水平高度的变化指数；当/>小于设定的阈值，则表示当前为平整度较为均匀的区域；

具体的，本发明通过对高程差的位置方向进行计算，得到地面的平整度，平整度指数越小，表示地面越平整；平整度指数越大，表示地面越不平整。通常，平整度指数小于5mm/m 时，地面被认为是非常平整的；平整度指数在 5mm/m 到 10mm/m 之间，地面被认为是平整的；平整度指数大于 10mm/m 时，地面被认为是不平整的；

具体的，第一确定单元，确定待建设区域平整度系数，并调整待建设区域的位置；当前待建设区域平整度系数小于预设阈值，则满足建设需求，若待建设区域大于阈值，则表示当前区域不可进行建设；

具体的，第一确定单元，包含第一预设阈值、第二预设阈值，若水平高度的变化系数大于第一预设阈值，则表示当前区域水平建设不可行，易受施工或其他情况影响；若水平高度的变化系数小于第一预设阈值，且平整度系数小于第二预设阈值，则表示当前区域建设可行；若水平高度的变化系数小于第一预设阈值，且平整度系数大于第二预设阈值，则表示当前区域需要进行监测，直至当前区域平整度系数达到平稳状态；若水平高度的变化系数小于第一预设阈值，且平整度系数大于第二预设阈值，平整度系数持续不断增长，则表示当前区域不适合建设监测；

第三计算模块得到竖直位置上相交面积，提取竖直位置上的土层分布的差异点；

具体的，第三计算模块是计算不同土层压缩量、土层厚度、土层伸缩等变化的形式；

具体的，第三计算模块包括沉降量计算单元；沉降量计算单元是计算土层沉降量的变化情况；

具体的，第三计算模块包含第三计算公式，；

表示本区域的土层的沉降量，S₂和S₁分别表示第一个和第二个时间点内相交区域的面积，S表示相交区域的面积，/>和/>是表示区域内地面控制点在第一个时间和第二个时间的高程值；上述的相交区域的面积即为第一计算模块得到的相交面积，此时根据不同时间内相交面积的变化来调控沉降量的变化；是先计算两个时间点相交区域的面积，然后乘以地面控制点高程值的平均值，最后除以相交区域的面积，得到沉降量的估算值；

第三计算模块，根据差异点的变化情况可以有效判断出当前土层正常情况下的土壤沉降量，沉降量越大，说明土壤可以沉降的面积越多，土层压缩性较大：土层的压缩性是指土层在受到荷载作用时发生压缩的程度。如果土层的压缩性较大，那么同样的荷载作用下，土层会发生更大的压缩和沉降；当地面水平上平整度确定的情况下，沉降量是影响平整度以及建设安全最大的因素，此时需要对沉降量进行计算，确定沉降量随不同时间发生的变化，从而可以起到监测的作用。

具体的，第二确定单元，根据当前区域的沉降量对监测设备进行布设；

具体的，第二确定单元，包含沉降量监测单元，当沉降量小于第三预设阈值时，向云平台发送预警，说明此时沉降量不足以支撑建设；当沉降量大于第三预设阈值且小于第四预设阈值时，监测设备设置于区域中心位置，此时说明地面沉降量较为合理，适合进行建设；当沉降量大于第四预设阈值，说明地面未压实，此时监测设备需要位于区域内较为平整稳定的位置，监测设备位于区域平整度稳定处；

具体的，沉降量监测单元，确定监测设备和待建设区域的初始高程值，测量确定多个初始高程值，对待建设区域与校正基准点之间相对高程进行计算，在校正基准点中选择接近水平状态的点，校正基准点抬升高度即为沉降高度。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：通过设定水平平整度和沉降量进行设置，可以明确得到地面的准确情况，方便监测施工状态，提高地下洞室的施工建设效果。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明精神和原则内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，其特征在于，包括:

采集模块，获取地下洞室坐标和工程数据信息；

构建模块，采用统一坐标系非线性组合运算，采用统一坐标系非线性组合运算，将视觉模型和三维模型生成数字孪生模型；

数据分析模块，对采集的数据进行分析，比较实时数据与历史数据的变化趋势；

数据分析模块包含以下模块：

第一计算模块，用于监控沉降时间序列，获取变化分布曲线，提取生成相交面积和差异点；

第二计算模块，用于计算地面横向沉降变化，获取水平方向的沉降变化和平整度变化，所述第二计算模块包括水平高度变化单元和高程差计算单元；

第三计算模块，用于计算纵向沉降量，根据沉降量评价待建设区域；

第一确定单元，记录水平位置上平整度变化的分布情况，用于确定待建设区域；

第二确定单元，用于根据每个土层沉降量确定监测设备的布设位置。

2.如权利要求1所述的一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，其特征在于，所述沉降时间序列分为，长时间序列和短时间序列；

根据所述沉降时间序列，对数字孪生模型进行碰撞性分析，所述碰撞性分析是指，将不同时间下返回的数字孪生模型进行交叉组合，将组合差异的部分进行提取，并且根据变化的形式生成变化分布曲线。

3.如权利要求2所述的一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，其特征在于，所述第一计算模块包括：根据沉降时间序列，获取地面的变化分布曲线，对地面变化曲线进行合并区分，对变化分布曲线合并时，根据长时间序列和短时间序列合并为一组数据，提取每组变化分布曲线的相交面积。

4.如权利要求1所述的一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，其特征在于，所述沉降时间序列的长时间序列的时间间隔设置为最近十次长时间序列的方差加上设定阈值，短时间序列的时间间隔设置为最近十次短时间序列的方差减去设定阈值。

5.如权利要求1所述的一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，其特征在于，所述差异点通过以下方式获得：比较每组相交面积，根据相交面积提取相似特征；迭代每组之间的相似度，将每组变化分布曲线的相交面积转换为向量，计算不同向量之间的欧式距离；欧式距离为每组之间的相似度；从一组相交面积中随机提取出第一集合，第一集合根据相似度对不同分组的差异点进行迭代，正向输出排名前10%的差异点，生成第二集合，循环迭代直到第二集合达到收敛；完全收敛的第二集合为差异点。

6.如权利要求1所述的一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，其特征在于，所述水平高度变化单元包含第一计算公式，；

表示水平高度的变化指数，/>为i区域内地形高度的极大值，/>为i区域内地形高度的均值，/>为i区域内地形高度的极小值；

若，则表示当前水平变化处于设定范围内，可以在本区域进行建设，/>为第一预设系数，/>为第二预设系数，/>为小于1的系数，/>为大于1的系数。

7.如权利要求1所述的一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，其特征在于，所述高程差计算单元包含第二计算公式，；

H为当前区域的平整度系数，为本区域内第i个点的高程值，/>表示水平高度的变化指数；当/>小于设定的阈值，则表示当前为平整度较为均匀的区域。

8.如权利要求1所述的一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，其特征在于，所述第一确定单元，包含第一预设阈值、第二预设阈值，若水平高度的变化系数大于第一预设阈值，则表示当前区域水平建设不可行；若水平高度的变化系数小于第一预设阈值，且平整度系数小于第二预设阈值，则表示当前区域建设可行；若水平高度的变化系数小于第一预设阈值，且平整度系数大于第二预设阈值，则表示当前区域需要进行监测，直至当前区域平整度系数达到平稳状态；若水平高度的变化系数小于第一预设阈值，且平整度系数大于第二预设阈值，平整度系数持续不断增长，则表示当前区域不适合建设监测。

9.如权利要求1所述的一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，其特征在于，所述的第三计算模块包括沉降量计算单元；沉降量计算单元是计算土层沉降量的变化情况；

具体的，第三计算模块包含第三计算公式，；

表示本区域的土层的沉降量，S₂和S₁分别表示第一个和第二个时间点内相交区域的面积，S表示相交区域的面积，/>和/>是表示区域内地面控制点在第一个时间和第二个时间的高程值。

10.如权利要求1所述的一种基于BIM技术的地下施工监测分析系统，其特征在于，所述的第二确定单元，包含沉降量监测单元，当沉降量小于第三预设阈值时，向云平台发送预警，说明此时沉降量不足以支撑建设；当沉降量大于第三预设阈值且小于第四预设阈值时，监测设备设置于区域中心位置，地面沉降量较为合理，适合进行建设；当沉降量大于第四预设阈值，监测设备位于区域平整度稳定处。