CN111143922A - 基于多平台结构地层数字孪生建模方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多平台结构地层数字孪生建模方法及系统，方法包括：施工初期，通过地质勘察数据和设计方案，在GIM建模平台上建立初步的地质模型，在BIM建模平台上建立初步的隧道模型，设置模型监测点；进行模型整合，得到整合后的GIM+BIM模型，上传网络平台；布置监测系统，与模型监测点对应，建立监测数据库，挂接网络平台；施工中，通过开挖前的超前地质预报修正整合后的GIM+BIM模型；在隧道开挖揭露地层之后，确定环绕隧道的实际地层情况，再次修正GIM+BIM模型，并预判下一开挖段地层情况。实现在网络端形成三维地质模型、结构监测模型和监测数据数据库的多平台整合，提出了GIM+BIM数据综合平台概念。
Description
技术领域
本发明涉及BIM技术，尤其涉及一种基于多平台结构地层数字孪生建模方法及系统。
背景技术
BIM即Building Information Modeling(建筑信息模型)，作为建设项目的一个完整的信息承载体，它是一种创新的设计、施工和管理方法。BIM是基于先进的计算机技术实现的三维数字化设计和工程软件构建的三维“可视化”数字模型。BIM已成为建筑领域项目全过程管理重要的技术手段，目前在煤矿领域应用多用于工业广场的建设。
GIM(Geological Information Modeling，地质信息建模技术)，为满足矿业开采、地质资源管理等需求，对区域内的地质地层进行三维数字模型建立。自1988年德国“Digital Geoscientific Mapping”研究计划的实施，3D地质数据可视化技术被引入地学行业，并在上世纪九十年代启动GSO3D地质建模计划，现已经有澳大利亚、加拿大、美国、英国等国的24个研究团队参与并实施战略性和商用的3D地质建模，建模对象包括基岩分布、岩层岩脉以及地下水资源的分布。发展至今，国外大规模的地质3D填图已有不少成果，国内已有高校牵头开始国家战略级别地质3D建模，建模的精度为公里级的大尺度模型，对隧道、地下设施等岩土项目施工开挖这一精度级别的地质建模，并运用于实际施工指导的案例十分少见。本发明提出了基于GIM技术和BIM技术结合的地下结构工程地质结构模型线上综合平台，为整个建造过程中的地层开挖、变形监测及监测数据采集、预警提供综合管理，提高项目的施工管理信息化水平。
发明内容
本发明主要是针对现有技术的不足，引入实体3D地质建模技术进入岩土工程施工领域，并提高建模精度，使之能够在施工中发挥作用。提供一种在本发明基于多平台结构地层数字孪生建模方法及系统，在网络端形成三维地质模型、结构监测模型和监测数据数据库的多平台整合，提出了GIM+BIM数据综合平台概念。
本发明所采用的技术方案为：一种基于多平台结构地层数字孪生建模方法，其包括：
施工初期，通过地质勘察数据和设计方案，在GIM建模平台上建立初步的地质地层模型，在BIM建模平台上建立初步的岩土工程结构模型，对所建模型设置监测点；
将初步建立的所述地质地层模型和所述岩土工程结构模型进行模型整合，得到整合后的GIM+BIM模型，并上传网络平台；
现场布置监测系统，与模型监测点一一对应，建立监测数据库，与所述网络平台挂接；
正式施工中，通过开挖前的超前地质预报修正整合后的所述GIM+BIM模型；
在隧道开挖揭露地层之后，进一步确定环绕隧道的实际地层情况，再次修正所述GIM+BIM模型，并预判下一开挖段地层情况。
在本发明基于多平台结构地层数字孪生建模方法的一些实施例中，将初步建立的所述地质地层模型和所述岩土工程结构模型进行模型整合的步骤包括：
将不同格式的所述地质地层模型和所述岩土工程结构模型，由高阶模型格式转向一三维几何平台可兼容的基础模型格式；
在所述三维几何平台上对所述地质地层模型和所述岩土工程结构模型进行整合。
在本发明基于多平台结构地层数字孪生建模方法的一些实施例中，还包括：将整合后模型由基础模型格式转回高阶模型格式，得到整合后的GIM+BIM模型。
在本发明基于多平台结构地层数字孪生建模方法的一些实施例中，在所述模型整合的过程中，保留地层曲线和结构面的几何独立性。
在本发明基于多平台结构地层数字孪生建模方法的一些实施例中，所述地质地层模型包括项目整体沿线地层和拟建地下结构与地质地层的切割关系。
在本发明基于多平台结构地层数字孪生建模方法的一些实施例中，所述岩土工程结构模型为隧道结构模型。
一种基于多平台结构地层数字孪生建模系统，其包括：
GIM建模平台，用于通过隧道监测数据建立地质地层模型，并设置模型监测点；
BIM建模平台，用于通过隧道结构设计建立岩土工程结构模型，并设置模型监测点；
监测数据库，包括布置在现场的监测系统与所述模型监测点的对应关系；
网络平台，用于对所述地质地层模型、所述岩土工程结构模型和所述监测数据库进行整合，得到整合后的GIM+BIM模型，根据实时监测数据对所述GIM+BIM模型进行修正。
在本发明基于多平台结构地层数字孪生建模系统的一些实施例中，所述网络平台还用于在所述GIM+BIM模型中展示实时监测数据。
与现有技术相比，本发明EPS装饰构件的有益效果是：
针对现有BIM技术平台无法较好展现地下结构与地质地层相交关系的问题，本发明运用GIM+BIM地质结构综合平台，首先通过地质勘察数据和设计方案，进行初步的地质地层与隧道结构的模型建立，为施工前期提供方案提供全局总览。在施工前期，通过开挖前的超前地质预报、物探等手段，为开挖面前端地质情况进行进一步勘探，从而对粗糙的初步模型进行二次修正。最终，在隧道开挖揭露地层之后，对环绕隧道的地层情况进行进一步的确认，从而推断前端地层的分布情况。
为了有效运用隧道地质结构综合模型，建立web平台与岩土工程结构模型的挂接，在模型上还原现场变形及无线应力监测点布置，通过web平台连接隧道内实际监测点监测数据，实现开挖进度和监测安全预警的实时展示，为整个建造过程中的地层开挖、变形监测及监测数据采集、预警提供综合管理，提高项目的施工管理信息化水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的基于多平台结构地层数字孪生建模方法的流程图。
图2是本发明实施例的基于多平台结构地层数字孪生建模方法的搭建图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明提出了基于GIM技术和BIM技术结合的地下结构工程地质结构模型线上综合平台，搭建理论结构以及具体实施，并结合一个超大断面近阶隧道群项目描述其应用实例。区别于地上结构的纯结构问题，隧道、地下轨道交通、地下大空间等岩土工程领域项目，其设计、施工基于地质环境并决定于地质环境，对于复杂的结构与地层交互问题传统建筑信息化平台很难凸显其优势。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
结合图1和图2所示，本发明实施例提供了一种基于多平台结构地层数字孪生建模方法，其包括：
(一)施工初期，通过地质勘察数据和设计方案，在GIM建模平台上建立初步的地质地层模型，在BIM建模平台上建立初步的岩土工程结构模型，对所建模型设置监测点；
其中，在GIM建模平台上建立初步的地质地层模型的步骤具体可包括：地质地层建模软件的选择，如GSO技术方案，岩土结构施工段地质信息建模与优化等；在BIM建模平台上建立初步的岩土工程结构模型的步骤具体可包括岩土工程结构的建模，模型监测点布置与细部建立，该岩土工程结构模型为隧道结构模型。
(二)将初步建立的所述地质地层模型和所述岩土工程结构模型进行模型整合，得到整合后的GIM+BIM模型，并上传网络平台；
其中，在整合过程中，采用“先降后升”的格式转换方式，先将高阶格式的岩土工程结构模型和地质地层模型转换为低阶通用格式，在开源几何平台，如三维cad软件中，进行岩土工程结构模型和地质地层模型的几何融合，再将几何融合后的模型由低阶格式转回到高阶格式，形成GIM+BIM隧道地质信息化综合模型，具体的格式转换方案在下文有进一步说明。
(三)现场布置监测系统，与模型监测点一一对应，建立监测数据库，与网络平台挂接；
其中，监测系统可采用无线传感器监测，根据岩土工程结构模型中检测点的布置，一一对应地在现场布置传感器监测，并建立监测数据库，将现场传感器监测结果实时上传至网络平台。
(四)正式施工中，通过开挖前的超前地质预报修正整合后的GIM+BIM模型；
(五)在隧道开挖揭露地层之后，进一步确定环绕隧道的实际地层情况，再次修正GIM+BIM模型，并预判下一开挖段地层情况。
具体来说，针对现有BIM技术平台无法较好展现地下结构与地质地层相交关系的问题，本发明运用GIM+BIM地质结构综合平台，首先通过地质勘察数据和设计方案，进行初步的地质地层与隧道结构的模型建立，为施工前期提供方案提供全局总览。在施工前期，通过开挖前的超前地质预报、物探等手段，为开挖面前端地质情况进行进一步勘探，从而对粗糙的初步模型进行二次修正。最终，在隧道开挖揭露地层之后，对环绕隧道的地层情况进行进一步的确认，从而推断前端地层的分布情况。
为了有效运用隧道地质结构综合模型，建立网络平台与岩土工程结构模型的挂接，在模型上还原现场变形及无线应力监测点布置，通过网络平台连接隧道内实际监测点监测数据，实现开挖进度和监测安全预警的实时展示，为整个建造过程中的地层开挖、变形监测及监测数据采集、预警提供综合管理，提高项目的施工管理信息化水平。
进一步地，上述本发明基于多平台结构地层数字孪生建模方法中，将初步建立的地质地层模型和岩土工程结构模型进行模型整合的步骤包括对两种格式模型进行跨格式整合(.rvt和.stp)。
具体来说，在保证模型轻量化条件下，对两种格式模型进行跨格式整合(.rvt和.stp)，由于隧道结构建模的.rvt格式和地质曲面的.stp格式本身是两种不同的模型平台和三维图文格式，使用三维基本几何平台进行格式合并，例如.3DS和.SAT，此方法可以避开不同信息化模型的格式差异，在相对基础的开源三维几何平台中实现模型融合，因此第一步为“由高转低”，由高阶模型格式，转向基础模型格式。为了保证融合状态下模型的地质曲面和结构面等分界面信息完整，需要满足在不同的建模体系下(revit构件族库建模法和三维几何数据建模法)，曲面模型(.stp)和结构体量模型(.rvt)建模算法相似，才能保证在融合过程中的模型完整性，避免算法差异过大造成的模型缺失。在从相对基础的开源三维几何平台，则要“由低转高”，从基本的.3DS几何模型，使用格式转换工具，重新整合为.stp或.fbx等信息化模型格式。
进一步地，与传统拼装整合不同，在地质结构模型整合需要解决结构与地质地层的切割问题。为了满足模型能够清晰展示结构模型和每一层地层的切割关系的要求，并保留具体位置信息，在“由高转低”的模型整合过程中，保留地层曲面和结构面的几何独立性，因此在一般BIM模型建立流程中，引入基础几何模型转化这一步骤，保证模型整合后“由低转高”成为一体化模型后，能够自动拾取分界面，对隧道的每一个掌子面进行分段开挖工序模拟。现有传统地质建模一般只做到地理信息建模(GIS)，或者小范围开挖进尺前10m左右的地质建模，对于项目整体沿线地层，和拟建地下结构与地质地层的切割关系，没有一个完整的三维数据孪生。本发明由GIM平台建立的地质地层模型包括项目整体沿线地层和拟建地下结构与地质地层的切割关系，通过GIM三维地质空间数据模型的三维透视和任意剖切，可对地质、地层开拓布置及主要生产系统空间布局进行直观的查看和分析，全面了解全地层布局情况、地质构造情况、水文地质情况。
同时，在本发明中提供一个带有地质地层数据的全沙盘数据孪生，并且地层地质信息(GIM)与结构分开建立，为该区域拟建造项目和未来的地下空间拓宽利用，提供整体的地质地层信息。另外，本发明还与无线监测系统结合，在网络端形成三维地质模型、结构监测模型和监测数据数据库的多平台整合，提出了GIM+BIM数据综合平台概念。
进一步地，本发明还提供了一套基于多平台结构地层数字孪生建模系统，其包括：
GIM建模平台，用于通过隧道监测数据建立地质地层模型，并设置模型监测点；
BIM建模平台，用于通过隧道结构设计建立岩土工程结构模型，并设置模型监测点；
监测数据库，包括布置在现场的监测系统与所述模型监测点的对应关系；
网络平台，用于对地质地层模型、岩土工程结构模型和监测数据库进行整合，得到整合后的GIM+BIM模型，根据实时监测数据对所述GIM+BIM模型进行修正。其中，网络平台还用于在所述GIM+BIM模型中展示实时监测数据。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于多平台结构地层数字孪生建模方法，其特征在于，包括：
施工初期，通过地质勘察数据和设计方案，在GIM建模平台上建立初步的地质地层模型，在BIM建模平台上建立初步的岩土工程结构模型，对所建模型设置监测点；
将初步建立的所述地质地层模型和所述岩土工程结构模型进行模型整合，得到整合后的GIM+BIM模型，并上传网络平台；
现场布置监测系统，与模型监测点一一对应，建立监测数据库，与所述网络平台挂接；
正式施工中，通过开挖前的超前地质预报修正整合后的所述GIM+BIM模型；
在隧道开挖揭露地层之后，进一步确定环绕隧道的实际地层情况，再次修正所述GIM+BIM模型，并预判下一开挖段地层情况。
2.如权利要求1所述的基于多平台结构地层数字孪生建模方法，其特征在于，将初步建立的所述地质地层模型和所述岩土工程结构模型进行模型整合的步骤包括：
将不同格式的所述地质地层模型和所述岩土工程结构模型，由高阶模型格式转向一三维几何平台可兼容的基础模型格式；
在所述三维几何平台上对所述地质地层模型和所述岩土工程结构模型进行整合。
3.如权利要求2所述的基于多平台结构地层数字孪生建模方法，其特征在于，还包括：将整合后模型由基础模型格式转回高阶模型格式，得到整合后的GIM+BIM模型。
4.如权利要求2所述的基于多平台结构地层数字孪生建模方法，其特征在于，在所述模型整合的过程中，保留地层曲线和结构面的几何独立性。
5.如权利要求1所述的基于多平台结构地层数字孪生建模方法，其特征在于，所述地质地层模型包括项目整体沿线地层和拟建地下结构与地质地层的切割关系。
6.如权利要求1所述的基于多平台结构地层数字孪生建模方法，其特征在于，所述岩土工程结构模型为隧道结构模型。
7.一种基于多平台结构地层数字孪生建模系统，其特征在于，包括：
GIM建模平台，用于通过隧道监测数据建立地质地层模型，并设置模型监测点；
BIM建模平台，用于通过隧道结构设计建立岩土工程结构模型，并设置模型监测点；
监测数据库，包括布置在现场的监测系统与所述模型监测点的对应关系；
网络平台，用于对所述地质地层模型、所述岩土工程结构模型和所述监测数据库进行整合，得到整合后的GIM+BIM模型，根据实时监测数据对所述GIM+BIM模型进行修正。
8.如权利要求7所述的基于多平台结构地层数字孪生建模系统，其特征在于，所述网络平台还用于在所述GIM+BIM模型中展示实时监测数据。
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