CN110427692A - 基于北斗/gnss和动态bim的施工现场高精度监控体系、方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系、方法。传统测量方式对于现场地形复杂、施工规模较大的施工项目而言，在测量精度和效率等方面差强人意。本发明通过在传统测量技术中引入北斗高精度定位，结合现代无线传输技术，建立施工现场实时高精度监测系统。在此基础上，利用动态BIM（D‑BIM）技术，通过改写BIM构件mesh文件的节点坐标，建立施工BIM模型，对比设计BIM模型和施工BIM模型，实现施工现场全过程实时可视化精度控制和科学纠偏。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程工程测量领域技术领域，特别涉及一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系。
背景技术
传统施工测量利用全站仪、光电测距仪实现对建筑的精度控制。一般而言，在低层建筑或普通高层建筑，传统测量工具的应用即能满足设计要求。但是现阶段，地下工程、超高层建筑层出不穷，高速公路、铁路屡见不鲜。上述工程无一例外，对测量精度有着严格的要求，而传统测量技术，依靠光学引测不断扩大测量范围，这就导致整个测量过程引测次数不断增加，累积误差不断增大。一旦累积误差超过阈值，不仅影响结构施工，还干扰了后续工程的施工。
解决上述问题的方法，应该是引入定点，减少引测次数，降低累积误差。但是，施工一旦开始之后，除了场地外的原点外，只能在结构上临时选择定点，但这些定点的精度随累积误差的增加而降低。
随着北斗组网卫星不断增加，配套定位服务不断丰富，卫星高精度定位算法不断优化，在超高层建筑屋顶开放空间上，北斗高精度定位已可提供mm级定位精度。
在上述成果基础上，本发明专利进一步阐述了在施工过程中引入北斗高精度定位技术，与全站仪、光电测距仪、激光扫描仪共同组建高精度监控系统，并结合我司动态BIM技术，专利号2018108678919，专利名称：基于北斗高精度定位和BIM的施工现场综合空间监测体系，进一步建立结构施工精度实时监控系统。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，为及时了解、控制建筑施工的精度，提供一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系。
技术方案：一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，包括卫星高精度定位装置、高精度测绘设备、以及计算机；
卫星高精度定位装置，用于移动控制网的高精度监测、提供移动控制网中基站的高精度定位原点坐标、提供移动控制网中移动站的高精度定位相对坐标；
高精度测绘设备，用于对施工过程进行实时精度监测，获得与移动站定位点、结构关键点之间的测量数据，通过无线通讯传输至计算机，其中，测量数据包括相对距离、相对方向角、高差等参数；
计算机内的软件，包含应用于建筑施工领域卫星高精度定位装置的高精度定位算法，区域坐标转化算法，测量数据共享协议，施工BIM模型和设计BIM模型的对比、分析算法；
计算机，用于建立设计BIM模型，根据卫星高精度定位装置、高精度测绘设备的监测，通过计算机内软件的高精度定位算法，通过坐标转换，计算结构关键点的施工坐标，并更新为施工BIM模型，分析基于动态BIM理论的结构精度。
本发明的进一步改进在于，卫星高精度定位装置由北斗接收机、全天候供电系统组成，其中全天候供电系统包括锂电池、太阳能电板；
高精度测绘设备包括光电测距仪、全站仪、激光扫描。
本发明的进一步改进在于，施工作业面上方设有1～2个卫星高精度定位装置，施工作业面上方的卫星高精度定位装置为流动站；
非施工作业面不受干扰区域布置有2个卫星高精度定位装置，非施工作业面不受干扰区域上方的卫星高精度定位装置为基准站；
施工过程中的移动控制网，由施工作业面上方的卫星高精度定位装置、非施工作业面不受干扰区域上方的卫星高精度定位装置构成。
本发明的进一步改进在于，卫星高精度定位装置的高精度定位算法包括PPP-RTK算法、短基线解算、坐标换算及精度复核验算；
卫星高精度定位装置的高精度定位算法，用于通过GNSS静态算法获得基站的绝对坐标，同时，用于利用基站、移动站同步作业的数据，经短基线解算、坐标转化获得移动站的相对坐标；
卫星高精度定位装置的高精度定位算法，用于通过PPP-RTK算法、短基线解算、坐标换算及精度复核验算，形成成套施工过程卫星高精度定位算法，对移动控制网实现施工作业面任意定点的高精度定位，精度在5mm以内。
本发明的进一步改进在于，移动控制网用于直接提供施工过程中的控制点位。
本发明的进一步改进在于，设计BIM模型，通过BIM二次开发，根据高精度监测系统的现场监测获得的数据，同步更新模型mesh坐标，建立施工BIM模型。
本发明的进一步改进在于，整个监控体系，用于通过将施工BIM模型与设计BIM模型进行对比，用于分析结构精度。
一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控方法，具体步骤如下：
（1）根据结构施工的精度要求，布置卫星高精度定位装置，形成移动控制网，确定定位原点坐标；
（2）利用高精度测绘设备，测量与定位原点坐标、结构关键点的相对距离、相对方向角、高差，获得测量数据；
（3）通过无线通讯传输，将定位原点坐标数据、测量数据录入计算机，通过设备之间的相对距离、高差和定位点坐标，计算结构关键节点的施工现场相对坐标；
（4）将结构关键节点的设计BIM模型设计坐标改为步骤（3）中计算获得的施工坐标，将设计BIM模型，更新为施工BIM模型；
（5）对比设计BIM模型和施工BIM模型的精度差异，分析基于动态BIM理论的结构精度。
为了进一步改进技术方案，步骤（4）中，将设计BIM模型中构件mesh文件关键节点的设计坐标改为步骤（3）中计算获得的施工坐标，设计BIM 即更新为施工BIM模型，施工BIM模型即实时、动态化反应施工过程，即动态BIM（D-BIM）模型。
为了进一步改进技术方案，步骤（5）中，通过BIM二次开发，建立误差计算和施工精度分析程序，用于自动对比分析结构施工与原设计之间的水平、垂向误差，获得层结构的偏离度等相关精度控制数据，以便项目部及时掌握，制订阶段性施工计划，控制结构整体精度。
为了进一步改进技术方案，步骤（1）中高精度定位装置根据施工环境的特殊性，进行针对性设计，通过预埋锚固件与混凝土面层连接、固定，可随时拆卸；
为了进一步改进技术方案，步骤（1）中高精度定位装置的基准站主要依靠太阳能供电，包括太阳能电板和锂电池等设备；基准站位置长期固定；移动站在施工需要时，布置于施工现场。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，至少实现了如下的有益效果：
本发明首先利用卫星高精度定位技术替代传统测量技术，在建筑结构施工过程中提供定位原点；接着利用光电测距仪、全站仪、激光测距仪等设备获取结构关键节点的相对空间数据；然后，通过无线通讯，将上述测量数据汇总至主计算机，实施坐标转换，将相对坐标转换为绝对空间坐标；最后，将设计BIM模型的坐标替换为上述绝对空间坐标，建立施工级BIM模型，即可对施工精度进行判断。本发明对移动控制网实现施工作业面任意定点的高精度定位，精度在5mm以内，能过监测施工精度，控制施工误差，从而达到动态监测的目的，便于及时指导施工。
当然，实施本发明的任一产品并不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
现详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
实施例1，
一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，包括卫星高精度定位装置、高精度测绘设备、以及计算机；
卫星高精度定位装置，用于移动控制网的高精度监测、提供移动控制网中基站的高精度定位原点坐标、提供移动控制网中移动站的高精度定位相对坐标；
高精度测绘设备，用于对施工过程进行实时精度监测，获得与移动站定位点、结构关键点之间的测量数据，通过无线通讯传输至计算机，其中，测量数据包括相对距离、相对方向角、高差等参数；
计算机内的软件，包含应用于建筑施工领域卫星高精度定位装置的高精度定位算法，区域坐标转化算法，测量数据共享协议，施工BIM模型和设计BIM模型的对比、分析算法；
计算机，用于建立设计BIM模型，根据卫星高精度定位装置、高精度测绘设备的监测，通过计算机内软件的高精度定位算法，通过坐标转换，计算结构关键点的相对坐标，并更新为施工BIM模型，分析基于动态BIM理论的结构精度。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，卫星高精度定位装置由北斗接收机、全天候供电系统组成，其中全天候供电系统包括锂电池、太阳能电板；
高精度测绘设备包括光电测距仪、全站仪、激光扫描。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，施工作业面上方设有1～2个卫星高精度定位装置，施工作业面上方的卫星高精度定位装置为流动站；
非施工作业面不受干扰区域布置有2个卫星高精度定位装置，非施工作业面不受干扰区域上方的卫星高精度定位装置为基准站；
施工过程中的移动控制网，由施工作业面上方的卫星高精度定位装置、非施工作业面不受干扰区域上方的卫星高精度定位装置构成。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，卫星高精度定位装置的高精度定位算法包括PPP-RTK算法、短基线解算、坐标换算及精度复核验算；
卫星高精度定位装置的高精度定位算法，用于通过GNSS静态算法获得基站的绝对坐标，同时，用于利用基站、移动站同步作业的数据，经短基线解算、坐标转化获得移动站的相对坐标；
卫星高精度定位装置的高精度定位算法，用于通过PPP-RTK算法、短基线解算、坐标换算及精度复核验算，形成成套施工过程卫星高精度定位算法，对移动控制网实现施工作业面任意定点的高精度定位，精度在5mm以内。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，移动控制网用于直接提供施工过程中的控制点位。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，设计BIM模型，通过BIM二次开发，根据高精度定位算法获得的数据，同步更新模型mesh坐标，建立施工BIM模型。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，整个监控体系，用于通过将施工BIM模型与设计BIM模型进行对比，用于分析结构精度。
实施例2，
一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控方法，具体步骤如下：
（1）根据结构施工的精度要求，布置卫星高精度定位装置，形成移动控制网，确定定位原点坐标；
（2）利用高精度测绘设备，测量与定位原点坐标、结构关键点的相对距离、相对方向角、高差，获得测量数据；
（3）通过无线通讯传输，将定位原点坐标数据、测量数据录入计算机，通过设备之间的相对距离、高差和定位点坐标，计算结构关键节点的施工现场相对坐标；
（4）将结构关键节点的设计BIM模型设计坐标改为步骤（3）中计算获得的施工坐标，将设计BIM模型，更新为施工BIM模型；
（5）对比设计BIM模型和施工BIM模型的精度差异，分析基于动态BIM理论的结构精度。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤（4）中，将设计BIM模型中构件mesh文件关键节点的设计坐标改为步骤（3）中计算获得的绝对坐标，设计BIM 即更新为施工BIM模型，施工BIM模型即实时、动态化反应施工过程，即动态BIM（D-BIM）模型。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤（5）中，通过BIM二次开发，建立误差计算和施工精度分析程序，用于自动对比分析结构施工与原设计之间的水平、垂向误差，获得层结构的偏离度等相关精度控制数据，以便项目部及时掌握，制订阶段性施工计划，控制结构整体精度，制订阶段性施工计划，控制结构整体精度。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤（1）中高精度定位装置根据施工环境的特殊性，进行针对性设计，通过预埋锚固件与混凝土面层连接、固定，可随时拆卸；
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤（1）中高精度定位装置的基准站主要依靠太阳能供电，包括太阳能电板和锂电池等设备；基准站位置长期固定；移动站在施工需要时，布置于施工现场。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤（3）中所有数据的传输，采用无线传输，提高整个监测系统数据传输的实时性。
实施3，
住宅楼工程，地下2层，地上32层，框架剪力墙结构。针对施工中的测量定位以及高层施工的结构精度控制，采用基于卫星高精度定位和动态BIM的施工现场mm级综合空间定位系统。不仅可以在施工中过程中应用该测量定位系统提供精确的结构定位，而且可以在施工中建立施工级BIM模型，监测施工精度，控制施工误差，从而达到动态监测的目的。
实施案例：
（1）根据结构施工的精度要求，选用定位精度符合要求的卫星定位设备，在拟建住宅楼施工层布设流动站2台、周边不受施工干扰区域布设基准站2台，形成移动控制网。基准站由太能阳供电，可保持长期固定；移动站根据工程需求，在相应施工层布设，根据施工现场混凝土浇筑情况确定布点时间；
（2）基准站依靠GNSS静态算法获得两个基准站的数据；当施工层混凝土浇筑完毕初凝后，布设移动站，在此基础上，利用基准站、移动站同步作业的数据，经短基线解算、坐标转化即可获得移动站的坐标；
（3）利用光电测距仪、全站仪和激光扫描仪，测量与移动站定位点、结构关键点的相对距离、相对方向角等参数，通过无线通讯传输至主计算机，通过坐标转换，计算结构关键点的施工坐标；
（4）将设计BIM模型中构件mesh文件关键节点的设计坐标改为步骤（3）中计算获得的施工坐标，设计BIM 即更新为施工BIM模型，在模型中可以重现与现场一致的墙、柱、楼板等几何空间结构；
（5）主计算机可将施工BIM模型与设计BIM模型的精度进行对比，分析结构施工精度，将分析结果提交项目部，以便项目部及时制订下一阶段的施工计划，实行精度整体控制。
通过上述实施例可知，本发明提供的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，至少实现了如下的有益效果：
本发明首先利用卫星高精度定位技术替代传统测量技术，在建筑结构施工过程中提供定位原点；接着利用光电测距仪、全站仪、激光测距仪等设备获取结构关键节点的相对空间数据；然后，通过无线通讯，将上述测量数据汇总至主计算机，实施坐标转换，将相对坐标转换为绝对空间坐标；最后，将设计BIM模型的坐标替换为上述绝对空间坐标，建立施工级BIM模型，即可对施工精度进行判断。本发明对移动控制网实现施工作业面任意定点的高精度定位，精度在5mm以内，能过监测施工精度，控制施工误差，从而达到动态监测的目的，便于及时指导施工。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，包括卫星高精度定位装置、高精度测绘设备、以及计算机；
所述卫星高精度定位装置，用于移动控制网的高精度监测、提供移动控制网中基站的高精度定位原点坐标、提供移动控制网中移动站的高精度定位施工坐标；
所述高精度测绘设备，用于对施工过程进行实时精度监测，获得与移动站定位点、结构关键点之间的测量数据，通过无线通讯传输至所述计算机，其中，所述测量数据包括相对距离、相对方向角、高差等参数；
所述计算机内的软件，包含应用于建筑施工领域卫星高精度定位装置的高精度定位算法，区域坐标转化算法，测量数据共享协议，施工BIM模型和设计BIM模型的对比、分析算法；
所述计算机，用于建立设计BIM模型，根据所述卫星高精度定位装置、所述高精度测绘设备的监测，通过所述计算机内软件的高精度定位算法，通过坐标转换，计算结构关键点的施工坐标，并更新为施工BIM模型，分析基于动态BIM理论的结构精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，
所述卫星高精度定位装置由北斗接收机、全天候供电系统组成，其中所述全天候供电系统包括锂电池、太阳能电板；
所述高精度测绘设备包括光电测距仪、全站仪、激光扫描仪。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，
施工作业面上方设有1～2个所述卫星高精度定位装置，所述施工作业面上方的所述卫星高精度定位装置为流动站；
非施工作业面不受干扰区域布置有2个所述卫星高精度定位装置，所述非施工作业面不受干扰区域上方的所述卫星高精度定位装置为基准站；
施工过程中的所述移动控制网，由所述施工作业面上方的所述卫星高精度定位装置、所述非施工作业面不受干扰区域上方的所述卫星高精度定位装置构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，
所述卫星高精度定位装置的高精度定位算法包括PPP-RTK算法、短基线解算、坐标换算及精度复核验算；
所述卫星高精度定位装置的高精度定位算法，用于通过GNSS静态算法获得基站的绝对坐标，同时，用于利用基准站、移动站同步作业的数据，经短基线解算、坐标转化获得移动站的相对坐标；
所述卫星高精度定位装置的高精度定位算法，用于通过PPP-RTK算法、短基线解算、坐标换算及精度复核验算，形成成套施工过程卫星高精度定位算法，对所述移动控制网实现施工作业面任意定点的高精度定位。
5.根据权利要求3所述的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，所述移动控制网用于直接提供施工过程中的控制点位。
6.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，
所述设计BIM模型，通过BIM二次开发，根据高精度监控体系获得的关键节数据，同步更新模型mesh坐标，建立施工BIM模型。
7.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，
整个监控体系，用于通过将施工BIM模型与设计BIM模型进行对比，用于分析结构精度。
8.根据权利要求1一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）根据结构施工的精度要求，布置所述卫星高精度定位装置，形成移动控制网，确定定位原点坐标；
（2）利用所述高精度测绘设备，测量与定位原点坐标、结构关键点的相对距离、相对方向角、高差，获得测量数据；
（3）通过无线通讯传输，将定位原点坐标数据、测量数据录入计算机，通过设备之间的相对距离、高差和定位点坐标，计算结构关键节点的施工现场施工坐标；
（4）将结构关键节点的设计BIM模型设计坐标改为步骤（3）中通过监控体系获得的施工坐标，将设计BIM模型，更新为施工BIM模型；
（5）对比设计BIM模型和施工BIM模型的精度差异，分析基于动态BIM理论的结构精度。
9.根据权利要求8一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控方法，其特征在于，
所述步骤（4）中，将设计BIM模型中构件mesh文件关键节点的设计坐标改为步骤（3）中监控体系获得的施工坐标，设计BIM 即更新为施工BIM模型。
10.根据权利要求8一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控方法，其特征在于，
所述步骤（5）中，通过BIM二次开发，建立误差计算和施工精度分析程序，用于自动对比分析结构施工与原设计之间的水平、垂向误差，获得层结构的偏离度等相关精度控制数据。
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