CN109594483B - 一种基于bim的桥梁实时在线监测控制转体施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于桥梁施工技术领域，特别涉及到一种基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法，通过测量机器人对梁体转体过程中的观测点进行实时观测，数据实时传送到数据采集客户端中与理论数据进行对比分析，依据分析结果为转体施工提供实时的辅助指导和决策依据。分析数据以曲线或图表的形式呈现，分析结果涵盖了观测点的理论与实际数据的差值，以及桥梁在转体过程中观测点的走行轨迹，通过轨迹能够反映出桥梁转体过程中的结构姿态。
Description
技术领域
本发明属于桥梁施工技术领域，特别涉及到一种基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法。
背景技术
针对特大型跨越既有铁路斜拉桥转体施工中转体定位要求精度高及测量数据量大的特点。
传统的测量定位技术存在一些关键问题难以解决，常见的问题主要存在以下几个方面：
1、转盘转动数据并不能代表桥梁实际转动数据，转体过程的姿态轨迹无法记录；
2、传统的测量方法采集数据慢，人工处理数据时间长，封锁时间有限；
3、转体重量大、难度高，对转体位置的坐标、角度要求的精度高。
因此现有技术当中亟需要一种新的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对常规的传统测量定位数据采集分析慢，无法记录斜拉桥转体姿态轨迹，本发明提出了一种基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤一、根据施工需要在桥梁梁体及索塔顶部布设棱镜，作为观测点；
步骤二、在桥梁两侧架设测量机器人；
步骤三、布设数据信号传输网络系统：
串口服务器的输入端通过通讯线缆连接至测量机器人，串口服务器的输出端通过通讯线缆连接至网桥，同时数据采集客户端与网桥采用无线方式连接；
步骤四、采集数据：
设置测量机器人与数据采集客户端串口相连的通讯参数，其中通讯参数包括串口号、波特率及测量机器人型号，启动测量机器人的连续跟踪测量功能对观测点进行实时数据采集，并将实时采集的数据传输至数据采集客户端，所述数据包括观测点转动时间、观测点转动速度、观测点转动角度、观测点平面坐标及观测点高程；
步骤五、处理数据：
将观测点的理论数据与BIM模型相结合，使得BIM模型中包含各个观测点的理论数据，将含有各个观测点理论数据的BIM模型导入数据采集客户端中，数据采集客户端对测量机器人向其发送的数据进行自动处理，对实测数据与理论数据进行实时对比，同时展示实测数据和理论数据的差值；
步骤六、分析数据：
将各个观测点的实测数据去除跳跃点后，与各个观测点的理论数据进行对比分析，从而得到各个观测点的平面运动轨迹，同时将各个观测点的实测高程数据作中心化处理，从而得到各个观测点的高程变化轨迹。
进一步，所述的基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法，在数据采集之前，检测测量机器人所选位置是否能正常观测到观测点。
进一步，所述数据采集客户端为计算机。
进一步，所述中心化处理过程为每一时刻观测点的高程数据减去该观测点的高程样本平均值。
所述的基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法，还包括：所述步骤五中，在处理数据的同时，将采集的数据以观测点为单位进行存储。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出的一种基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法通过测量机器人对梁体转体过程中的观测点进行实时观测，数据实时传送到数据采集客户端中与理论数据进行对比分析，依据分析结果为转体施工提供实时的辅助指导和决策依据。分析数据以曲线或图表的形式呈现，分析结果涵盖了观测点的理论与实际数据的差值，以及桥梁在转体过程中观测点的走行轨迹，通过轨迹能够反映出桥梁转体过程中的结构姿态。
附图说明
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明实施例中基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法的流程图；
图2为本发明实施例中观测站及观测点布置示意图；
图3为本发明实施例基于的系统组织结构图；
图4本发明实施例中基于转体圆心和实测值重新推算各个观测点的运动轨迹理论值的示意图；
图5为本发明实施例中钢梁端1#观测点的实际平面运动轨迹与理论轨迹的对比图；
图6为本发明实施例中钢梁端1#观测点的高程变化轨迹图。
具体实施方式
为了更清楚地表明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细的叙述。
请参阅图1至图6所示，以四平市东丰路上跨铁路立交桥为例：
1、工程概况
拟建东丰路在四平站房南侧约3公里跨越铁路，交叉处京哈铁路设计里程K884+870.4，公路与铁路接近正交。道路自西向东依次跨过既有铁路编组站(12股道)、京哈铁路上下行、四梅线，共15条既有铁路。
桥梁跨径布置为(90+169)m斜拉桥，长度259m，采用平转法转体施工，转体部分跨径为(78+145)m，转体重量25500吨，采用ZTQZ-350球铰支座，直径5.1m，高度47cm。转体墩位于既有铁路西侧，一次转体就位，转体角度90度，转速约0.012rad/min，转体作业时间约127min。
桥梁全宽36.6m，桥面宽36m。主跨采用钢箱梁，边跨采用混凝土箱梁，设计中心线处梁高3.4m，梁顶设1.5％的双向坡，梁底水平。桥塔全高75m，横断面采用变截面椭圆形设计。斜拉索采用单索面双排索布置，塔上斜拉索与主塔交点在竖直方向间距为2.1米。主梁上水平方向索距为12m(钢梁段)及6m(混凝土梁段)，全桥共有斜拉索24对、共48根，锚固区位于中央隔离带。
2、棱镜及测量机器人布设
在桥梁梁体及索塔顶部布设棱镜，作为观测点，梁体共计布设8个，钢箱梁端头处3个，混凝土梁端头处3个，梁体中间位置布设2个，索塔塔顶顶面长短轴端头布设4个。其中钢箱梁端头、砼箱梁端头各选择2个，索塔塔顶1个，采用2台TS60测量机器人，1台MS60测量机器人，2台TS16测量机器人，分别对棱镜进行不间断自动测量。
图2为观测站及观测点布置示意图，东侧观测站安装2台测量机器人分别观测钢箱梁端头处2个观测点，分别记为1#观测点、3#观测点，西侧观测站安装2台测量机器人分别观测混凝土梁端头1处观测点和索塔上方1处观测点，分别记为8#观测点、4#观测点，观测时开启测量机器人连续测量功能，在梁体转体过程中对观测点进行实时观测，观测数据会自动被测量机器人记录并传送到数据采集客户端中。
3、实时监测软件
3.1软件设计思路
本实施例中实时监测软件为一种在数据采集传输后，将数学计算公式使用C语言转化为电脑程序进行自动计算的方法，所涉及的协议、软件或程序在现有技术中已经存在，本领域人员已充分知晓，本发明并不涉及软件的内容。软件要求实时显示观测点的坐标、转体角度，以及桥梁在转体过程中观测点的走行轨迹，通过轨迹能够反映出桥梁转动过程中的自身姿态数据。
根据桥梁转体自动化测量的要求，设计软件的组织结构。通用的自动化数据采集系统的架构方案有C/S结构、B/S结构，C/S结构一般建立在专用的网络上，小范围里的网络环境，局域网之间再通过专门服务器提供连接和数据交换服务，面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力很强。一般高度机密的信息系统采用C/S结构适宜；B/S结构建立在广域网之上的，不必是专门的网络硬件环境，例如电话上网，租用设备信息自己管理。有比C/S结构更强的适应范围，一般只要有操作系统和浏览器就行，B/S结构建立在广域网之上，对安全的控制能力相对弱，可能面向不可知的用户。考虑到桥梁转体自动化测量的软件使用时效性以及用户群的针对性，此自动化测量系统采用C/S结构。
C/S结构主要是现场各类采集软件、系统集成软件、数据管理软件，数据分析与安全评定软件，以及结构三维显示软件。在调试过程中采用C/S结构实现结构各观测点信息的监测和显示。图3示出本发明基于的系统组织结构图。
3.2数据采集
此部分由测量机器人完成，本实施例中采用莱卡测量机器人，测量机器人采用连续测量模式，采用有线传输方式，本实施例中采用RS232线缆，通过RS232串口将数据传输至串口服务器，串口服务器将信号转为网络信号，再通过网桥将网络信号传输至数据采集客户端。
3.3数据处理
通过虚拟串口软件找到测量机器人对应的串口号，数据采集客户端通过对应的串口号接收测量数据，通过RS232通信协议解析数据，从而获得所需的测量数据；另一方面，对所获得的测量数据进行处理，按照测量需求，将桥梁转体状态信息通过数据采集客户端数据展示功能在现场展示。
3.4数据存储
在处理数据的同时，将采集的数据以观测点为单位进行存储，存储到数据库服务器以便桥梁转体后对数据进行分析，从而得到更详细的桥梁转体过程中的桥梁运行轨迹及桥梁转体过程中桥体变形状况。
根据系统软件设计及现场施工环境，测试网络构建时需考虑到桥梁现场及设备信号输出特性。测量机器人采用RS232信号输出，经串口服务器转为网络信号后，通过网桥无线传输到桥梁转体控制台处即数据采集客户端。
3.5数据分析
为更好的呈现本次转体施工过程，说明该实时监测系统的实际应用效果，在分析实测数据的过程中，将各个观测点的理论值作为重要参考。
由于施工现场各个观测点的布置位置与BIM模型中预先设定的情况往往存在差异，所以如果采用BIM模型中提取的各个观测点的运动轨迹理论值来进行对比分析，会出现较大偏差。
考虑到以上因素，为尽可能地与施工现场环境相一致，更好的说明本次转体施工的实际效果，本发明基于转体圆心和实测值重新推算各个观测点的运动轨迹理论值。以某观测点为例，具体过程如下。
为方便起见，推算过程中将转体圆心抽象表达为圆心O(x0，y0)；选取转体施工前该观测点的实测坐标作为初始值，即初始点A(x1，y1)；以圆心O(x0，y0)为坐标原点建立坐标系xoy。在已知转动角度的情况下，再通过三角函数计算出测量点B(x，y)的理论坐标。理论值推算示意图如图4所示。
相应地以钢梁端1#观测点为例，对1#观测点的实时监测数据进行分析。将各个观测点实测数据去除跳跃点后，与推算出来的观测点理论值进行对比分析，从而得到各个观测点的平面运动轨迹；同时将观测点的实测高程数据作中心化处理(即每一时刻观测点的高程数据减去该观测点的高程样本平均值)，从而得到观测点的高程变化轨迹。转体施工过程中1#观测点的实时转动轨迹如图5及图6所示。
从图5中可以看出，1#观测点的实际平面运动轨迹与理论轨迹基本一致，在整个转体过程中与理论值差别(含结构温度效应)在5cm以内。需要特别指出的是，由于在该监测系统运行过程中，存在测量机器人视线遮挡、棱镜跟踪失锁(棱镜重叠)等原因，导致部分时间段内的数据不完整，所以图5中的实测轨迹出现了局部间断。但是整体上数据规律明确，不妨碍观测点实时转动轨迹的呈现。
通过对各个观测点的观察发现，各个观测点的高程变化轨迹也符合预期。在转体过程中，受温度逐渐升高影响，钢索首先逐渐伸长，钢梁端观测点的高程逐渐下降；随后钢梁也逐渐伸长，在钢索的约束下，转体两端内力分布发生变化，钢梁端高程逐渐上升，混凝土梁端高程也逐渐上升；接着混凝土梁也升温变长，转体两端内力分布再次发生变化，钢梁端和混凝土梁端高程逐渐下降，最后趋于稳定。具体来说，受温度影响，钢梁端1#观测点和3#观测点的高程在±3cm的范围内波动，混凝土梁端8#观测点的高程在±2cm的范围内波动，索塔4#观测点的高程在±0.6cm的范围内波动。与此同时，在动力作用下，转体两端会出现轻微振动，各个观测点处的高程随即发生瞬时波动。钢梁端1#观测点和3#观测点的高程发生±1cm的瞬时波动，混凝土梁端8#观测点的高程发生±0.5cm的瞬时波动，索塔4#观测点的高程发生±0.2cm的瞬时波动。
总的来看，索塔处的高程变化最小，钢梁端的高程变化最大，混凝土梁端次之。这一现象与工程现场布置情况完全吻合，因为索塔处观测点离转体施工的实际圆心最近，钢梁端观测点离圆心最远，混凝土梁端次之。
因此采用本发明提供的方法进行实时监控测量，可迅速采集大量数据。由于桥梁转体过程中桥梁本身各处点位的三维坐标在实时变化，以秒为单位的情况下单一控制点即可产生七千多个数据，在本桥梁上即产生了数以万计的三维坐标数据，这是传统施工方法所不能完成的任务。而且本发明提供的施工方法适用于桥梁转体且不仅限于转体施工所产生的大量数据，对于其他形式下所产生的大量数据依然适用。
本发明提供的施工方法为实时在线监控方法。传统的人工数据处理需要人工操作加以计算工具辅助，费时费力，耽误施工进度。但是采用本方法采集到的数据通过将数学计算公式用C语言转化的方法进行后台自动运算处理，可实时输出我们所需要的特定的、有选择性的测量结果，既采集到数据就可看到我们所需要的数据，具有无间隔时间，无偶然误差等传统方法不具备的优点。
Claims (5)
1.一种基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤一、根据施工需要在桥梁梁体及索塔顶部布设棱镜，作为观测点；
步骤二、在桥梁两侧架设测量机器人；
步骤三、布设数据信号传输网络系统：
串口服务器的输入端通过通讯线缆连接至测量机器人，串口服务器的输出端通过通讯线缆连接至网桥，同时数据采集客户端与网桥采用无线方式连接；
步骤四、采集数据：
设置测量机器人与数据采集客户端串口相连的通讯参数，其中通讯参数包括串口号、波特率及测量机器人型号，启动测量机器人的连续跟踪测量功能对观测点进行实时数据采集，并将实时采集的数据传输至数据采集客户端，所述数据包括观测点转动时间、观测点转动速度、观测点转动角度、观测点平面坐标及观测点高程；
步骤五、处理数据：
将观测点的理论数据与BIM模型相结合，使得BIM模型中包含各个观测点的理论数据，将含有各个观测点理论数据的BIM模型导入数据采集客户端中，数据采集客户端对测量机器人向其发送的数据进行自动处理，对实测数据与理论数据进行实时对比，同时展示实测数据和理论数据的差值；
步骤六、分析数据：
基于转体圆心和实测值重新推算各个观测点的运动轨迹理论值；并将各个观测点的实测数据去除跳跃点后，与各个观测点的理论数据进行对比分析，从而得到各个观测点的平面运动轨迹，同时将各个观测点的实测高程数据作中心化处理，从而得到各个观测点的高程变化轨迹。
2.根据权利要求1所述的基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法，其特征在于，在数据采集之前，检测测量机器人所选位置是否能正常观测到观测点。
3.根据权利要求1所述的基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法，其特征在于，所述数据采集客户端为计算机。
4.根据权利要求1所述的基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法，其特征在于，所述中心化处理过程为每一时刻观测点的高程数据减去该观测点的高程样本平均值。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的基于BIM的桥梁实时在线监测控制转体施工方法，其特征在于，还包括：所述步骤五中，在处理数据的同时，将采集的数据以观测点为单位进行存储。
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