CN111395173B - 一种基于bim的钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM的钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制方法。本发明方法首先通过激光扫描出厂构件对每一个预制构件进行直接建模；以螺栓孔为定位点，提高了图像识别的精确度。在现场安装环节，利用图像处理设备结合图片识别技术，识别构件的安装方位与螺栓控制角度，将信息导入revit模型，通过程序开发，在Revit模型内实现几何协调条件，给出后安装构件的正确安装位置，当相拼接的构件存在螺栓连接精度误差较大的情况下发出预警。在钢桁拱桥的架设过程中，消除钢构件制作、运输等带来的误差，控制螺栓连接精度，以解决现有的拼接板螺栓连接精度控制发现晚、控制难的现状，解决钢桁拱桥的由于螺栓孔位错位带来的应力产生偏差、线型不够完美的问题。

Description

一种基于BIM的钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制方法

技术领域

本发明涉及钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制领域，特别涉及基于BIM的螺栓连接精度控制。

背景技术

随着科学技术的发展，人类冶金技术的进步，刚桥的强度、韧性等方面的优点得到进一步提高，使得钢桥在各类桥型中都有很强的竞争力。钢桥建设是一个周期长影响因素多的综合性工程，为减少各种复杂因素对桥梁施工的影响，确保成桥达到设计状态，钢桁拱桥的施工监控对桥梁结构在架设期间重要性也渐渐得到人们的重视。构件的精确度要求要远高于混凝土固件，但是由于钢桁拱桥存在构件多且测量不便、不精准等问题，控制精度难以保证。

此外现有的施工控制技术往往是前期建模计算，后期现场检测，成本较高费时费力。2018年，交通运输办公厅下达了BIM技术在公路水运工程工程中应用的指导意见。明确指出，为增强公路水运工程的科技创新动力，推进BIM技术在该领域的应用，加强项目信息的全过程整合、实现工程在其全生命周期内畅通传递设计管理信息。从而协调各方发展，提升我国公路水运的建设水平与质量，提高工程的投资效益。

BIM技术以其高度的信息化、智能化已经成为建筑行业大趋势，自上世纪90年代被引入中国后得到长足的发展，但目前BIM技术在桥梁上的应用尚不完善。现有的BIM技术在桥梁工程领域的应用一般仅涉及正向设计、深化设计、碰撞检测、构件的安装顺序、施工进度管理的细化，成本控制以及信息传递等功能。但对于构件与构件之间的安装精度的指导目前仍为空白。传统的BIM应用中建模时间费时费力且模型往往依据图纸翻模而来，最终与现场构件存在着工厂预支、运输过程、安装过程的不确定性影响，从而精度不够无法控制螺栓连接的精度。而传统的有限元分析软件也无法模拟现场的实际安装情况。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于BIM的钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制方法，实现了钢桁拱桥施工控制的信息化与智能化。在钢桁拱桥的工厂预制到现场安装，全过程指导，利用BIM技术实现了信息的传递与分析。提高了工作效率并节约了成本，减少了对人工的依赖。所述系统包括工厂扫描系统、现场扫描系统、现场相机系统、中央处理器。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种基于BIM的钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制方法，所述BIM基于Revit平台：

在构件预制出厂时，通过激光扫描分别对每一个构件进行建模，得到每一个构件预制出厂时的模型；

在构件到达安装现场时，通过激光扫描分别再次对每一个构件进行建模，得到每一个构件到达按照现场时的模型；

根据构件预制出厂时的模型，识别出每一个构件的外部轮廓，建立每一个构件的实体几何外观；通过有限元划分理论，将每一个构件的实体几何外观划分为若干四面体，四面体的每个端点为一个节点，划分完成后确保每个构件表面每平方毫米范围内至少存在一个节点；

根据构件安装顺序，将除首位安装的构件外的各构件与其前一构件拼接处的螺栓孔作为其约束点，将其一端完全约束；

基于最小势能原理，以每一个构件的节点力变化的标准差最小的原则，调整各构件的形状，拟合出与设计桥梁立面线型函数相同类型的平顺的函数曲线，使各构件能够无缝连接或有在规范允许内误差的连接，拟合得到的函数曲线即为当前桥梁安装的立面线型；

结合施工控制理论，基于最小势能原理将各构件的重力分别分摊至其表面的各个节点，得到各个节点的位移值并将其反向施加在当前构件模型中，得到当前构件的安装位置，并发出施工指令；

施工时，通过现场相机实时拍摄施工中的钢桁拱桥的图像，与当前施工指令中的安装要求进行比对，得到当前安装构件的安装误差，实时指导现场安装；

若无法拟合或构件的安装误差超出规范要求，则发出预警通知，否则在任一构件安装完成后，重新拟合桥梁安装的立面线型以及计算下一构件的安装位置，并再次发出施工指令，直至安装完成。

进一步：通过解多元方程AX＝B的方法求解出各个节点的力，其中A代表单个力作用下各节点的位移矩阵，X为各节点受力值的矩阵，B代表程序识别出的节点位移值矩阵。

进一步：单个力作用下各节点的位移矩阵A的确认方法为：在构件表面的某一个节点处，施加大小为1的力，以势能最小为基准使用变分运算求解出各节点的位移并记录结果，将构件还原后对构件表面的其它节点进行同样的操作。

进一步：相机的安装以可以完整拍摄构件以及至少两个以上螺栓孔位为准，使其能够在不同角度拍摄带有螺栓孔的钢桁拱桥的图像。

进一步：安装误差包括构件在高程、方位以及水平角与施工指令中安装要求的差距。

本发明的技术效果：

不按照传统的翻模的方式进行施工控制，而是在预制出厂以及安装现场分别对构件利用激光扫描技术进行建模，减少了工厂预制与设计图纸之间的误差，可以在没有设计图纸的情况下完成建模，建模完成后可以利用传统的BIM使用方法验证工厂预制的精确性；通过将3D构件的几何协调条件，对运输过程中的变形等情况进行拟合，找到最适合的安装位置；在吊装时，根据相机对吊装构件进行实时拍照，通过与BIM模型的实时对比完成构件之间螺栓孔位的精确安装；并在每一根杆件安装完成后按施工控制程序的正装分析法分析与倒桩分析，通过多次迭代自动得出至桥梁合龙阶段的杆件安装位置与螺栓连接精度控制。

附图说明

图1是本发明实施例的实施流程图；

图2是本发明实施例的构件预制扫描示意图；

图3是本发明实施例施工现场相机运行示意图；

图4是本发明的拟合示意图，其中，(a)是设计理论值，(b)是现场扫描结果，(c)是拟合结果；

图中，1-工厂扫描设备，2-钢桁拱桥构件，3-螺栓连接精度控制处，4-现场相机与混凝土保护装置。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术实施方案进行完整地描述。需要指出，本实例仅为该发明的部分实施例。

本领域技术人员没有作出创造性劳动前提下，用本发明的方法获得的实施例均属于保护的范畴。

除非另有定义，否则本说明书中包含的专业术语均属于本发明的技术领域的通俗用语。

如图1所示本发明一种基于BIM的钢桁拱桥螺栓连接精度施工控制方法基于由于拼接式钢桁拱桥的性质，其构件为模块化分阶段工厂预制。如图2所示根据其特性在每一个构建预制出厂时通过螺栓孔定位进行雷达扫描建模。在每一个构建的扫描过程中，不少于6个扫描观测点，以消除建模不精确、产生多重解等问题。随后，在构件运输至现场时，对构件进行不同角度、不同设备、相同算法的扫描，通过编程，在BIM模型中植入变形协调条件，使得构件在发生变形等情况时能够按照实际情况进行拟合。由于构件的变形用肉眼往往无法识别，所以现场扫描就显得尤为重要。在进行拟合后，重新计算出构件的螺栓安装设计值，当构件变形过大无法拟合时发出警告。最后，在现场设立有混凝土桩保护的现场相机系统，对构件的拼装环节的螺栓连接精度控制进行动态控制，通过现场相机系统，将构件的吊装位置实时传递到中央处理器中，并直接指出与理论值在六个维度的误差，当构件仍存在误差是，以深色显示安装构件，避免由于工作人员操作失误造成的不利影响。现场相机装置的设立，以能对每个构件控制螺栓孔位进行两个以上的拍摄为准。后期为控制成本可拆除除关键节点外的相机，以重复使用。

本发明的技术方案除以下两种情况(1)在桥梁建设初期，在构件在工厂预制与现场扫描时，需要人工进行扫描系统角度的选取；(2)在桥梁建设期间对现场相机进行再安装。此外均不需要人工现场操作，减少了对人工的依赖的同时，实现了智能化信息化的自动检测，省工省时还提高了工作效率。

本发明实例通过BIM二次开发和图片识别功能的提供的螺栓连接精度控制的思路，目前仅适用于螺栓拼接的构件桥。

所述BIM模型基于Revit平台，其中施工控制及预警部分通过C#语言与RevitAPI进行开发。C#以及RevitAPI的学习、开发成本较低、也可以在软件开发层面上减少成本。

所述在Revit模型内实现几何协调条件程序，其特征在于：几何协调条件是通过开发嵌入到revit中，能够实现构件形状及位置自动变化的程序。通过Revit的外部工具addinmanager，将编制好的程序嵌入到Revit中。程序的实现方法主要是基于弹性理论中的最小势能原理，将钢桁拱桥带螺栓孔的Revit构件全部设定为完全弹性体。首先识别出工厂预制时各构件的外部轮廓，在程序内构建出构件的实体几何外观；读取模型中构件的材质信息。然后通过有限元划分理论，将该实体划分大小相仿，且边长小于0.5mm的四面体。每个四面体的四个端点为节点。划分完成后，保证在构件表面每平方毫米的将至少有一个的节点存在。接着根据构件的安装顺序，将构件与前一个构件拼接处的螺栓孔作为约束点，将构件一端完全约束。在构件表面存在的某一个节点处，施加大小为1的力，以势能最小为基准使用变分运算求解出各节点的位移。记录结果，将构件还原。然后对构件外表面的所有节点进行同样的操作。然后将现场识别的构建轮廓进行识别与划分，计算出各节点的位移值。通过解多元方程AX＝B的方法求解出各个节点的力。其中A代表单个力作用下各节点的位移矩阵，X为各节点受力值的矩阵，B代表程序识别出的节点位移值矩阵。然后根据已知设计桥梁立面线型函数，以节点力变化的标准差最小的原则，拟合出与设计相同类型的平顺的函数曲线(如悬链线依旧形成悬链线，抛物线依旧拟合成抛物线)，使构件能够无缝连接或有在规范允许内误差的连接，拟合得到的函数曲线即为当前桥梁安装的立面线型，如图4中的(a)至(c)所示。并给出初步的施工指令。而变形协调条件嵌入主要作用在于，当构件产生形变时，使构件能随扫描结果计算后直接调整形状，在满足螺栓能够连接上的同时将误差分摊到后续每一个构件中。构件能尽可能与设计值相靠拢，保证桥梁能够顺利合龙，减小内力。

所述在Revit模型内实现施工控制程序，其特征在于：变形拟合后的模型，是全部安装完成后构件所在位置，而施工控制程序，是为给出构件在安装时的位置，当拆除支架、吊索等约束后，构件将位移到拟合后的模型位置处。所实现的方法依旧是基于最小势能原理，此处不再求解多元方程，而是结合施工控制理论。将构件的重力，分摊到各个节点，求出各节点位移值。然后在构件各节点施加反向位移，进行迭代，求出构件的安装时的位置。

所述施工控制方法，首先在工厂预制时通过工厂扫描系统对构件进行第一次扫描，得出初始模型。当构件在运输过程中产生变形后，由于不同构件的形变趋势不同，在工厂能够按照设计线型拼装的构件可能产生如下情况：虽然单个构件能够拼接成功，但当多个构件连续拼接时，形成犬齿状线型；当误差累计到一定程度时，造成两个构件的螺栓孔不对位甚至桥梁无法合龙的后果。在产生应力集中等问题影响桥梁安全性的同时，也造成了线型不美观的后果。

然后通过现场扫描系统对构件进行二次建模，对工厂预制时建立的模型与现场扫描系统建立的模型进行对比，识别其误差，然后通过程序对现场扫描的模型进行线形的拟合，形成初步的施工指令。

最后，利用开发程序中施工控制部分，计算出构件的实际安装位置。由于安装误差并不能完全消除，在每一个独立的预制拼装构件安装后，依据安装误差，模拟后续施工过程，对线型进行重新拟合、对安装位置进行计算，以减小由于安装产生的误差，预测出后续的构件安装位置，给出最终的可直接用于现场的施工指令。

如图3所示，通过现场的相机系统通过相机与螺栓孔配合，对桥梁进行频率较高的拍摄，以实现近乎动态的施工控制。通过在不同角度拍摄带有螺栓孔的钢桥的图像，经过AI运算与图像处理，与现场扫描建立拟合后模型对比，自动计算螺栓孔在X、Y、Z、RX、RY、RZ六个维度与前述构件的安装误差，指导施工，使构件安装位置满足施工控制结果。在构件安装时，通过现场相机系统在上一个构件拼装完拟合出的BIM模型中以虚线构建对比模型，将现场分析出的结果反应在BIM模型中，理论安装位置以实线表示，误差大小通过实线构件的颜色随时间变化实时反应。当螺栓连接精度达到规范要求时，构件呈淡色，否则呈深色。当出现现场突发状况或构件运输过程中产生较大变形时导致无法拟合时，向建设、施工、监理单位下达预警通知，有效的保障了桥梁建设的安全性。

为使构件能为达到工程所需精度，用于定位的螺栓孔至少要三个相机对其定位。相机安装位置必须在水准控制点处或者通过精确移点确定的知道其坐标、高程的定点。在水准点上安装混凝土相机台时为确保其高程不变，应用至少10t振动锤将桩打入，沉降量小于每小时2mm为止。其建立永久混凝土桩及保护装置以保证其在当地重现期为100年的平均最大风速的情况下对轴线偏位识别误差小于±2mm，对构件螺栓孔位的识别误差小于±3mm。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合的技术方案。

Claims (5)

1.一种基于BIM的钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制方法，其特征在于，通过基于Revit平台BIM实现每一个构件的建模：

在构件预制出厂时，通过激光扫描分别对每一个构件进行建模，得到每一个构件预制出厂时的模型；

在构件到达安装现场时，通过激光扫描分别再次对每一个构件进行建模，得到每一个构件到达按照现场时的模型；

根据构件预制出厂时的模型，识别出每一个构件的外部轮廓，建立每一个构件的实体几何外观；通过有限元划分理论，将每一个构件的实体几何外观划分为若干四面体，四面体的每个端点为一个节点，划分完成后确保每一个构件表面每平方毫米范围内至少存在一个节点；

根据构件安装顺序，将除首位安装的构件外的各构件与其前一构件拼接处的螺栓孔作为其约束点，将其一端完全约束；

基于最小势能原理，以每一个构件的节点力变化的标准差最小的原则，调整各构件的形状，拟合出与设计桥梁立面线型函数相同类型的平顺的函数曲线，使各构件能够无缝连接或有在规范允许内误差的连接，拟合得到的函数曲线即为当前桥梁安装的立面线型；

结合施工控制理论，基于最小势能原理将各构件的重力分别分摊至其表面的各个节点，得到各个节点的位移值并将其反向施加在当前构件模型中，得到当前构件的安装位置，并发出施工指令；

施工时，通过现场相机实时拍摄施工中的钢桁拱桥的图像，与当前施工指令中的安装要求进行比对，得到当前安装构件的安装误差，实时指导现场安装；

若无法拟合或构件的安装误差超出规范要求，则发出预警通知，否则在任一构件安装完成后，重新拟合桥梁安装的立面线型以及计算下一构件的安装位置，并再次发出施工指令，直至安装完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于BIM的钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制方法，其特征在于：通过解多元方程AX＝B的方法求解出各个节点的节点力，其中A代表单个力作用下各节点的位移矩阵，X为各节点受力值的矩阵，B代表程序识别出的节点位移值矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种基于BIM的钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制方法，其特征在于：单个力作用下各节点的位移矩阵A的确认方法为：在构件表面的某一个节点处，施加大小为1的力，以势能最小为基准使用变分运算求解出各节点的位移并记录结果，将构件还原后对构件表面的其它节点进行同样的操作。

4.根据权利要求1所述的一种基于BIM的钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制方法，其特征在于：相机的安装以可以完整拍摄构件以及至少两个以上螺栓孔位为准，使其能够在不同角度拍摄带有螺栓孔的钢桁拱桥的图像。

5.根据权利要求1所述的一种基于BIM的钢桁拱桥螺栓连接施工精度控制方法，其特征在于：安装误差包括构件在高程、方位以及水平角与施工指令中安装要求的差距。

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