CN112031874B - 一种基于bim技术的隧道工程自动化监测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法，包括以下步骤：步骤1、基于IFC标准的信息扩展构建隧道围岩结构组件和传感器组件，并构建包括隧道围岩结构组件和传感器组件的隧道BIM模型，隧道BIM模型与施工现场的隧道结构相同；步骤2、获取设置在施工现场隧道中的传感器的监测数据信息，并对监测数据信息进行存储；步骤3、将存储的监测数据信息与隧道BIM模型中的传感器组件建立映射关系，并基于映射关系将监测数据信息添加至隧道BIM模型中。该方法实现了将现场传感器采集的监测数据与BIM模型中传感器组件建立联系，实现了隧道施工的多元信息的监控，保证了施工的安全。

Description

一种基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法

技术领域

本发明涉及隧道工程自动化监测技术领域，具体涉及基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法。

背景技术

隧道建设过程是在复杂地质体开挖掘进的过程，由于地质体的复杂性和不确定性，预设计存在一定盲目性。对于隧道围岩的信息进行监测以及基于监测数据的动态施工调整就显得特别必要。这也是隧道信息化施工、控制施工的核心理念，已经成为隧道施工规范的强制要求。

传统的隧道施工监测是人工的方式，监测频率低、监测安全性差、监测误差受人为因素影响明显。传统隧道施工过程的监测数据繁杂抽象、数量大，不便于保存和管理。由于以上原因，目前的隧道监测与分析需要消耗大量的人力、物力，并且影响了监测分析和施工控制的效果。

目前无线传感技术和土木建筑信息的可视化技术不断发展，隧道围岩多元信息监测已经从人工的、单一的信息发展到自动的、多种信息监测手段。目前BIM(buildinginformation modeling)已经成为行业的国际前沿技术。基于BIM的土木工程施工的信息化、自动化、可视化已经成未来的发展趋势。但是当前的BIM应用主要限于土木建筑方面和桥梁方面，对于隧道的BIM还缺乏对应的组件。尤其是基于BIM的隧道多元信息监测控制方法还未见报道。

实现基于BIM的隧道自动监测控制的方法需要解决以下的问题：(1)由于目前商用BIM平台缺乏既有隧道BIM组件，如何拓展隧道传感器BIM组件模型，根据施工的条件不同实现隧道及传感器的BIM自动化快速建模，以直观地表达隧道和传感器的模型是关键问题。(2)如何基于建立的BIM模型自动采集多元监测信息，并实现基于隧道传感器BIM组件属性与监测数据的关联是一个难点。为此进行基于BIM的隧道多元信息自动化监测控制方法研发。

发明内容

本发明针对以上问题提出了一种基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法，包括以下步骤：

步骤1、基于IFC标准的信息扩展构建隧道围岩结构组件和传感器组件，并构建包括所述隧道围岩结构组件和所述传感器组件的隧道BIM模型，所述隧道BIM模型与施工现场的隧道结构相同；

步骤2、获取设置在施工现场隧道中的传感器的监测数据信息，并对所述监测数据信息进行存储；

步骤3、将存储的所述监测数据信息与所述隧道BIM模型中的所述传感器组件建立映射关系，并基于所述映射关系将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

进一步地，步骤301、针对所有传感器组件建立传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

步骤302、针对每个传感器组件设置传感器组件属性，所述传感器组件属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性；

步骤303、获取的所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；

步骤304、将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

进一步地，步骤301、针对所述传感器组件建立传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

步骤302、针对每个传感器组件建立传感器组件属性，所述传感器组件属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性、监测时间属性以及映射开关属性；

步骤303、将获取的所述监测数据信息存储到数据库中，获取的所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；

步骤304、在所述隧道BIM模型中点选所述传感器组件，所述传感器组件的映射开关改变，当所述映射开关改变时，将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与存储到所述数据库中的所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

进一步地，所述传感器组件属性还包括预警值属性和颜色属性，所述预警值属性中设有预警值；

还包括步骤4、将所述监测数据与预警值进行比较，当所述监测数据大于所述预警值时，所述颜色属性改变以进行预警。

进一步地，还包括构建隧道典型施工工法BIM库，所述隧道典型施工工法BIM库包括控制变形能力依次增强的台阶法、中隔壁法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法；

还包括步骤5、对进行预警的传感器进行数量统计，当预警的传感器数量大于传感器总数量的1/3时，在所述BIM模型上显示下一工法。

一种基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制的系统，包括，

隧道监测BIM自动化建模单元，用于基于IFC标准的信息扩展构建隧道围岩结构组件和传感器组件，并利用参数化自动化建模技术构建包含所述隧道围岩组件和所述传感器组件的隧道BIM模型，所述隧道BIM模型与施工现场的隧道结构相同；

BIM隧道多元信息自动化获取单元，用于获取设置在施工现场隧道中的传感器的监测数据信息，并对所述监测数据信息进行存储；

BIM隧道自动化多元信息集成存储单元，用于将存储的所述监测数据信息与所述隧道BIM模型中的所述传感器组件建立映射关系，并基于所述映射关系将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

进一步地，所述BIM隧道自动化多元信息集成存储单元包括，

传感器组件BIM信息定义模块，用于设置传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

传感器组件属性模块，用于设置传感器组件的属性，所述属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性；

监测数据信息存储模块，用于获取并存储由施工现场隧道中的传感器采集所述隧道的监测数据信息，所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；以及，

映射模块，用于将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

进一步地，所述BIM隧道自动化多元信息集成存储单元包括，

传感器组件BIM信息定义模块，用于设置传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

传感器组件属性模块，用于设置传感器组件的属性，所述属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性、监测时间属性以及映射开关属性；

监测数据信息存储模块，用于获取并存储由施工现场隧道中的传感器采集所述隧道的监测数据信息，所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；以及，

映射模块，用于当所述映射开关改变时，将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与存储到所述数据库中的所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

进一步地，所述传感器组件属性模块还用于设置所述传感器组件的预警值属性和颜色属性，所述预警值属性中设置有预警值；

还包括BIM隧道信息预警单元，用于将所述监测数据与预警值进行比较，当所述监测数据大于所述预警值时，更改所述传感器组件的颜色属性以进行预警。

进一步地，还包括典型施工工法BIM库单元，用于构建隧道典型施工工法，所述典型施工工法包括控制变形能力依次增强的台阶法、中隔壁法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法；以及，

动态调整施工工法单元，用于统计进行预警的传感器的数量，并当进行预警的传感器数量大于传感器总数量的1/3时，在所述BIM模型上显示下一工法。

与现有技术比较，本发明所述的基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法具有以下优点，通过建立具有传感器的隧道BIM模型，并将现场传感器采集的监测数据与BIM模型中传感器组件建立联系，实现了隧道施工的多元信息的监控，保证了施工的安全。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明参数化建模流程图；

图3为本发明传感器的隧道BIM模型建立流程图；

图4为本发明基于BIM多元信息自动化采集结构图；

图5为本发明BIM传感器采集流程图

图6为本发明IFC标准对监测信息的描述图

图7为本发明监测数据批量导入至IFC文件流程图

图8为本发明BIM隧道信息预警控制流程

图9为一个实施例中参数化建模的输入框；

图10为一个实施例中隧道参数化建立BIM模型；

图11为一个实施例中基于IFC标监测信息批量读写操作；

图12为一个实施例中传感器预警及监测数据列表；

图13为一个实施例中关于监测数据与监测时间的曲线；

图14为构建的典型施工工法BIM库单元；

图15为根据预警信息推荐的施工工法。

具体实施方式

如图1所示为本发明公开的基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法，包括以下步骤：

步骤1、基于IFC标准的信息扩展构建隧道围岩结构组件和传感器组件，并构建包括所述隧道围岩结构组件和所述传感器组件的隧道BIM模型，所述隧道BIM模型与施工现场的隧道结构相同；

步骤2、获取设置在施工现场隧道中的传感器的监测数据信息，并对所述监测数据信息进行存储；

步骤3、将存储的所述监测数据信息与所述隧道BIM模型中的所述传感器组件建立映射关系，并基于所述映射关系将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

具体地，本实施例中通过Revit软件进行基于IFC标准的信息扩展构建隧道围岩结构组件和传感器组件，并采用参数化建模进行不同组件模型的构件，在进行参数化创建隧道衬砌模型时，本发明中选取衬砌半径，衬砌厚度，角度，衬砌长度作为隧道衬砌的控制参数。通过控制衬砌半径，衬砌厚度，角度来确定衬砌的几何外观，衬砌长度来确定一个断面图元的长度，满足不同种类和不同形态的隧道衬砌构建。在隧道模型中构建衬砌构件时，事务中要实现衬砌几何坐标点的连线、成面，以及进行三维拉伸，最终形成三维BIM模型。BIM参数化模型建立流程见图3。该方法解决了隧道及其传感器缺乏标准组件和建模速度慢的问题。

传感器组件在建立BIM时，需要通过Revit二次开发的方式，运行用Visual C#语言编写建模程序，传感器组件在Revit环境下输入安放的位置参数(半径和角度)可以自动生成并安放到指定位置，无需手动建模时反复寻找位置。按照传感器种类和数量建立模型，对构件进行拼装，形成具有传感器组件的隧道BIM模型。在参数化构件基础上，根据隧道工程情况，按照数字化三维地形、隧道衬砌结构模型、循环插入传感器模型并调整角度，最终拼合形成带有监测传感器的隧道BIM模型。带有监测传感器的隧道BIM模型建立流程见图2。

施工现场传感器包括土压力盒、锚杆计、位移计等，BIM服务器可以将采集来的数据存储在云服务器上，可以用过电脑终端查询。通过无线传输技术和云服务技术获取设置在施工现场隧道中的传感器的监测数据信息，具体地，施工现场设置采集设备箱，采集设备箱中的振弦式采集模块实时采集现场安装的土压力盒、锚杆计、位移计等传感器反馈的监测数据，借助基于433Hz无线透传模块，无线透传模块之间以485数据信号通讯的模式，将振弦式采集模块采集到的监测数据传输到洞口的发射箱中的无线透传模块终端，终端无线透传模块将数据传输给GPRS模块，GPRS模块可实现基于以太网的双向透明传输，远程将数据传输至终端服务器，服务器利用现有的岩土工程多元信息采集分析软件对传输过来数据进行采集与分析，并存储至云服务器中的SQL Server数据库，采集结构见图4。通过施工现场的土压力盒、锚杆计、位移计等传感器采集的监测数据信息被存储至云服务器中的SQLServer数据库中。具体采集过程如图5所示，设置采集间隔时间，指定初始传感器，根据传感器编号检索形成采集协议，远程发送到传感器，收到应答信息后进行数据解析，获得监测时间、监测值等信息。判断所有传感器是否采集完成，如果未完成则转入下一传感器采集直到全部传感器采集完成，如果没到间隔时间则进行等待。

将存储的所述监测数据信息与所述隧道BIM模型中的所述传感器组件建立映射关系，并基于所述映射关系将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中可以采用以下两种方法。

方法一、将存储的所述监测数据信息与所述隧道BIM模型中的所述传感器组件建立映射关系，并基于所述映射关系将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中包括，步骤301、针对所有传感器组件建立传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

步骤302、针对每个传感器组件设置传感器组件属性，所述传感器组件属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性；

步骤303、获取的所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；

步骤304、将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

具体地，BIM模型中传感器通过IfcSensor实体表示，Ifc是Industry FoundationClasses的简写，是在1997年由国际协同工作联盟IAI制定的一项关于国际建筑业的工程数据交换标准，IfcSensor在这里是一个IFC语言的定义，表示传感器组件，传感器组件的类型均包含在枚举类型IfcSensorTypeEnum(传感器类型枚举)中，通过实体IfcSensor的PredifinedType(预定义类别)属性表达。具体的监测信息则通过IfcProperty(Ifc属性)表示，多个IfcProperty构成一个属性集的定义，即IfcPropertySetDefinition(Ifc属性定义设置)。属性集与传感器通过IfcRelDefinesByProperties(基于属性的Ifc关联定义)建立关联，则监测信息可由属性IfcProperty表达。自定义的扩展属性集和属性在使用过程中，需要在信息交换的参与方之间对属性集和属性进行定义，建立的传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体、适用的类型值，针对每个传感器组件设置传感器组件的属性，每个传感器的属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性等。对于需要拓展的基于IFC标准的监测传感器实体，建立了传感器信息IFC属性集定义，将属性与数据成员一一对应，实现传感器信息与IFC标准数据模型之间的映射，IFC标准对监测信息的描述见图6。

施工现场的土压力盒、锚杆计、位移计等传感器采集的监测数据信息被存储至云服务器中的SQL Server数据库中，获取的所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间。

将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中，具体过程如下：利用IFC标准监测信息读取方法，自动将储存在数据库中的监测数据信息(传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间)批量写入IFC数据格式文件，即对应的传感器组件的属性文件部分，进而显示在属性拓展的测点的监测值文字框中。IFC标准监测信息读写基于IFC标准中对实体属性的表达方式，明确传感器实体与监测数据属性在IFC中性文件的组织关系，在此基础上完成IFC中性文件的解析，通过对需要拓展的信息对应的IFC文件中属性语句、属性集语句及关联语句的自动编写，生成新的IFC文件，IFC标准监测信息读取流程图如图7。从而实现将监测数据批量集成到IFC文件，对该IFC文件进行基于IFC标准监测信息批量读写操作。从而实现基于IFC标准的监测信息表达与集成。由于IFC文件是一种通用的数据格式，所以在任何一个支持IFC格式的BIM软件都能可视化显示监测信息，以至于构建的BIM模型中传感器信息在不同的BIM软件之间可实现交互。

通过以上步骤实现了施工的条件不同实现隧道及传感器的BIM自动化快速建模，并实现了将施工现场传感器采集的监测数据信息与隧道传感器BIM组件属性的关联，实现了隧道施工的多元信息的监控，保证了施工的安全。

方法二、本发明中将存储的所述监测数据信息与所述隧道BIM模型中的所述传感器组件建立映射关系，并基于所述映射关系将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中包括以下步骤；

步骤301、针对所述传感器组件建立传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体、以及适用的类型值；

步骤302、针对每个传感器组件建立传感器组件属性，所述传感器组件属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性、监测时间属性以及映射开关属性；

步骤303、将获取的所述监测数据信息存储到数据库中，获取的所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；

步骤304、在所述隧道BIM模型中点选所述传感器组件，所述传感器组件的映射开关改变，当所述映射开关改变时，将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与存储到所述数据库中的所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

具体地，传感器通过IfcSensor实体表示，传感器的类型均包含在枚举类型IfcSensorTypeEnum中，通过实体IfcSensor的PredifinedType属性表达。具体的监测信息则通过IfcProperty表示，多个IfcProperty构成一个属性集的定义，即IfcPropertySetDefinition。属性集与传感器通过IfcRelDefinesByProperties建立关联，则监测信息可由属性IfcProperty表达。自定义的扩展属性集和属性在使用过程中，需要在信息交换的参与方之间对属性集和属性进行定义，建立的传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体、适用的类型值，针对每个传感器组件设置传感器组件的属性，每个传感器的属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性、监测时间属性以及映射开关属性等。对于需要拓展的基于IFC标准的监测传感器实体，建立了传感器信息IFC属性集定义，将属性与数据成员一一对应，实现传感器信息与IFC标准数据模型之间的映射，IFC标准对监测信息的描述见图6。

施工现场的土压力盒、锚杆计、位移计等传感器采集的监测数据信息被存储至云服务器中的SQL Server数据库中，获取的所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间。

在所述隧道BIM模型中点选所述传感器组件，所述传感器组件的映射开关改变，当所述映射开关改变时，将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与存储到所述数据库中的所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。具体过程如下：在所述隧道BIM模型中点选所述传感器组件，所述传感器组件的映射开关改变并识别传感器组件的测点编号属性，当所述映射开关改变时，该测点传感器图元号、测点编号属性与对应的传感器编号都是数据库中的一条记录的字段。BIM中点选的传感器组件会识别该模型的图元号，该图元号与对应的施工现场的传感器的测点编号都是数据库的一条记录的字段，图元号是通过BIM软件建立BIM模型时，软件自动分给每个模型组件的一个编号，每一个编号可以与测点编号属性一一对应，在数据库中针对每个传感器组件具有一个与图元号对应的语句信息，在对隧道BIM模型组件点选时，数据库中与该传感器组件的图元号对应的信息会映射到对应的传感器组件上。利用该图元号可以实现BIM与数据库的关联。BIM与数据库关联，不要求提前将数据库监测数据写入BIM的IFC定义文件。与数据库关联检索的信息可以更多，不限于BIM属性集、属性的信息。只通过IFC属性查询的方式不需要安装数据库，要求提前将数据库监测数据写入BIM的IFC定义文件。只能查IFC定义的属性信息。选用哪种方式可通过开关进行转换。具体地，在Revit二次开发的软件平台可以建立映射方式的选择菜单按钮，当选择“BIM属性监测数据”，程序可以从BIM属性中读取监测数据进行显示；当选择“BIM数据库监测数据”，程序会通过传感器的图元号从数据库中检索监测数据。不同程序即执行对应的功能。主要是通过BIM的图元号与对应的数据库记录关联和检索的，数据库的记录中包含了该测点的图元号。“该测点传感器图元号、测点编号属性与对应的传感器编号都是数据库中的一条记录的字段。BIM中点选的传感器组件会识别该模型的图元号，该图元号与对应的施工现场的传感器的测点编号都是数据库的一条记录的字段。利用该图元号可以实现BIM与数据库的关联。”

进一步地，所述传感器组件属性还包括预警值属性和颜色属性，所述预警值属性中设有预警值；

还包括步骤4、将所述监测数据与预警值进行比较，当所述监测数据大于所述预警值时，所述颜色属性改变以进行预警。

具体地，在传感器组件属性中设置预警值属性和颜色属性,所述预警值属性中设有预警值，在将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与获取的施工现场传感器采集的所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系后，还包括将所述监测数据与预警值进行比较，当所述监测数据大于所述预警值时，所述颜色属性改变以进行预警，能够通过传感器组件的颜色变化显示监测数据是否超限，以实时的对施工现场进行监测。

进一步地，还包括构建隧道典型施工工法BIM库，所述隧道典型施工工法BIM库包括控制变形能力依次增强的台阶法、中隔壁法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法；

还包括步骤5、对进行预警的传感器进行数量统计，当预警的传感器数量大于传感器总数量的1/3时，在所述BIM模型上显示下一工法。

具体地，可以根据经验数据库构建隧道典型施工工法BIM库，所述隧道典型施工工法BIM库包括控制变形能力依次增强的台阶法、中隔壁法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法。每个工法对应有BIM模型，按照隧道地质性质从好到坏(分级)编号14-1、14-2、14-3、14-4，见图14。如果出现报警，说明当前工法不够保证安全，可以选当前编号之后的编号。这些BIM模型存在特定文件夹，程序可以打开对应文件进行展示。在监测数据超限之后，考虑加强施工的要求，以BIM展示的方式显示动态调整的施工工法，给施工者以直观的参考。基于BIM信息时程曲线查询及预警控制单元，查询预警控制流程如下：

在BIM模型中选择特定的监测断面，将储存在SQL Server数据库中的监测数据与BIM模型相结合，遍历检索所有的传感器的监测数据，如果监测的传感器的最大值超过界限，程序自动检索出这些监测数据的测点编号，进而检索出测点编号对应Revit图元Id，对这些Revit图元Id对应的图元实现变颜色的效果，进行预警，从而直观地表现出安全状态。对于变色的预警传感器点击传感器模型，程序可以实现自动显示该传感器模型对应测点编号的监测数据，监测数据以表格的形式进行展现，可以调节监测数据按照监测时间升序降序或监测值的大小进行升序或降序排列，并且可以实现自动绘制出此传感器模型对应的测点编号的监测数据与监测时间的曲线。利用Revit ID编号即elem.Id，调用SQL Server数据库中相关监测数据，实现关联。如果该断面的传感器有3个以上进行了预警，则调用调整施工工法的BIM模型进行展示，供施工管理者参考。BIM信息预警控制流程见图8。

一种基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制的系统，包括，

隧道监测BIM自动化建模单元，用于基于IFC标准的信息扩展构建隧道围岩结构组件和传感器组件，并利用参数化自动化建模技术构建包含所述隧道围岩组件和所述传感器组件的隧道BIM模型，所述隧道BIM模型与施工现场的隧道结构相同；

BIM隧道多元信息自动化获取单元，用于获取设置在施工现场隧道中的传感器的监测数据信息，并对所述监测数据信息进行存储；

BIM隧道自动化多元信息集成存储单元，用于将存储的所述监测数据信息与所述隧道BIM模型中的所述传感器组件建立映射关系，并基于所述映射关系将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

进一步地，所述BIM隧道自动化多元信息集成存储单元包括，

传感器组件BIM信息定义模块，用于设置传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

传感器组件属性模块，用于设置传感器组件的属性，所述属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性；

监测数据信息存储模块，用于获取并存储由施工现场隧道中的传感器采集所述隧道的监测数据信息，所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；以及，

映射模块，用于将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

进一步地，所述BIM隧道自动化多元信息集成存储单元包括，

传感器组件BIM信息定义模块，用于设置传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

传感器组件属性模块，用于设置传感器组件的属性，所述属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性、监测时间属性以及映射开关属性；

监测数据信息存储模块，用于获取并存储由施工现场隧道中的传感器采集所述隧道的监测数据信息，所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；以及，

映射模块，用于当所述映射开关改变时，将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与存储到所述数据库中的所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

进一步地，所述传感器组件属性模块还用于设置所述传感器组件的预警值属性和颜色属性，所述预警值属性中设置有预警值；

还包括BIM隧道信息预警单元，用于将所述监测数据与预警值进行比较，当所述监测数据大于所述预警值时，更改所述传感器组件的颜色属性以进行预警。

进一步地，还包括典型施工工法BIM库单元，用于构建隧道典型施工工法，所述典型施工工法包括控制变形能力依次增强的台阶法、中隔壁法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法；以及，

动态调整施工工法单元，用于统计进行预警的传感器的数量，并当进行预警的传感器数量大于传感器总数量的1/3时，在所述BIM模型上显示下一工法。本发明中基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制的系统与方法的功能相对应，不再详细描述。

实施例1

现针对北方地区的某高速公路隧道建立基于BIM的自动化监测控制方法。基于BIM的自动化建模。监测传感器模型在建立时，需要通过Revit二次开发的方式，运行用C#语言编写建模程序，监测传感器模型在Revit环境下输入安放的位置参数(半径和角度)可以自动生成并安放到指定位置，无需手动建模时反复寻找位置。利用Revit二次开发的方式实现参数化建模可以高效精准地完成建模工作。

Revit二次开发的编程环境采用采用visual studio2013，用支持.Net Framework的C#语言进行编写，在编译器中引用revitAPI.dll和revitAPIUI.dll动态链接库。安装AddinManager插件，作用是在不重启Revit软件的情况下，可以重新生成程序中的命令。IExternalCommand是RevitAPI中实现外部扩展的命令，内含Excute函数。外部命令调用Excute函数来实现IExternalCommand，Excute的定义方式publicAutodesk.Revit.UI.Result Execute(ExternalCommandData cmdData，ref stringmessage，ElementSet elements)，分别为输入参数CommandData(ExternalCommandData)、输出参数message(string)、输出参数elements(ElementSet)。搭建Windows窗体应用程序，利用外部事件IExternalEventHandler，在窗体应用程序内即可触发外部事件，创建隧道构件采用RevitAPI中事务Transaction的方法，不同的隧道监测传感器编写相应的绘制程序。运行相应二次开发的参数化建模程序，在输入对话框内按照传感器安放位置输入参数后，即可得到相应的BIM三维传感器组件模型，例如在传感器——土压力盒参数输入框内输入参数，如图9，类似输入应变计传感器、钢筋计传感器、位移计传感器的参数，即可得到相应的传感器族模型。分别建立一个断面的传感器族模型，将族载入至项目中，对构件进行拼装，形成带有监测传感器的隧道BIM模型，如图10。

自动化监测信息数据的采集，借助先进的无线传输技术和云服务技术。采集设备箱中的振弦式采集模块实时采集现场安装的土压力盒、锚杆计、位移计等传感器反馈的监测数据，借助基于433Hz无线透传模块，无线透传模块之间以485数据信号通讯的模式，将振弦式采集模块采集到的监测数据传输到洞口的发射箱中的无线透传模块终端，终端无线透传模块将数据传输给GPRS模块，GPRS模块可实现基于以太网的双向透明传输，远程将数据传输至终端服务器，服务器利用自主研发的到岩土工程多元信息采集分析软件对传输过来数据进行采集与分析，并存储至云服务器中的SQL Server数据库。为BIM技术与隧道工程中的监控量测相结合提供实时的监测数据的更新。

基于IFC标准的监测信息表达与集成，需要对IFC标准进行拓展。IFC标准拓展主要包括两种拓展模式，分别为实体拓展和属性集拓展。实体拓展是作为IFC标准的每次升级所采用的体系结构扩展方式，采用自定义实体类型的形式，用以对原IFC标准中未定义的类型进行表达，即人为增加IFC标准的定义数量。属性集扩展是通过自定义属性的形式，以及自定义属性集的形式来表达原有IFC标准中未定义的类型属性，如监测信息。属性集扩展对原有IFC模型体系结构不会产生影响，不会对原有IFC模型体系结构产生混乱或歧义，而且采用属性集拓展相对简单方便，完全可以满足将监测信息集成至IFC文件的要求，通过属性集拓展的方式实现监测信息向IFC文件的集成。

属性集拓展需要定义每个传感器模型表达信息时需要的属性集及属性，将监测数据集成至IFC文件，属性集扩展中传感器均用在IFC标准中有定义类型的IfcSensor实体表示，传感器类型包含在IfcSensorTypeEnum枚举类型中。用IfcProperty表示具体的监测信息，属性集的定义由多个相关性能属性IfcProperty构成，即IfcPropertySetDefinition。IfcPropertySetDefinition提供实体的属性集合的定义，它是所有属性定义的抽象超类IfcPropertyDefinition的子类，对实体属性起到容纳的作用，每一个属性集合都对一个特定的对象类型进行定义，与主体实体IfcObject的子类实体通过IfcRelDefines及其子类IfcRelDefinedByProperties产生关联，使抽象的对象具体化。传感器实体IfcSensor通过IfcRelDefinesByProperties与属性集合的定义IfcPropertySetDefinition建立关联关系。

对于需要拓展的基于IFC标准的监测传感器实体，建立了传感器信息IFC属性集定义，见表1，和传感器信息IFC属性定义，见表2。将表中的属性与数据成员一一对应，实现传感器信息与IFC标准数据模型之间的映射。

表1传感器信息IFC属性集定义

属性集名称	Pset_SensorTypeEnum
		适用的实体	IfcSensor
适用的类型值	IfcSensor/Userdefined/Enum
		定义	A device that records function data

表2传感器信息IFC属性定义

属性名称	属性类型	数据类型
			传感器类型	IfcPropertySingleValue	IfcLabel
测点编号	IfcPropertySingleValue	IfcText
			监测数据	IfcPropertyListValue	Ifcreal

在IFC文件中描述监测数据的属性及属性集语句如下:

#1011＝IFCSENSOR('2ODFJcoe9DuBkT2XKeuC9K',#42,'\X2\4F20611F566820142014571F538B529B76D265CF\X0\2:\X2\4F20611F566820142014571F538B529B76D265CF\X0\2:223456',$,'\X2\4F20611F566820142014571F538B529B76D265CF\X0\2:X2\4F20611F566820142014571F538B529B76D265CF\X0\2',#1010,#1004,'223456',.NOTDEFINED.)；

#1029＝IFCPROPERTYSINGLEVALUE('\X2\4F20611F56687C7B578B\X0\',$,IFCTEXT('\X2\571F538B529B76D2\X0\'),$)；

#1030＝

IFCPROPERTYSINGLEVALUE('\X2\6D4B70B97F1653F7\X0\',$,IFCTEXT('3660'),$)；

#1031＝IFCPROPERTYSINGLEVALUE('\X2\76D16D4B6570636E\X0\',$,IFCTEXT('7.80 2018-08-10 22:42:18'),$)；

#1058＝IFCPROPERTYSET('2ODFJcoe9DuBkT30qeuC9K',#42,'Pset_SensorTypeEnum',$,(#1029,#1030,#1031))；

#1063＝

IFCRELDEFINESBYPROPERTIES('2ODFJcoe9DuBkT3GqeuC9K',#42,$,$,(#1011),#1058)；

其中，#1011描述IFCSENSOR传感器实体。#1029对应的IFC语句描述传感器类型属性，#1030对应的IFC语句描述测点编号属性，#1031对应的IFC语句描述监测数据属性。#1058描述属性集，属性集名称Pset_SensorTypeEnum，其中包含了传感器类型属性、测点编号属性、监测数据属性。#1063表示传感器实体#1011与属性集#1058关联。至此完成对传感器记录信息的IFC语句表达。

利用IFC标准监测信息读取软件，自动将储存在数据库中的监测数据批量写入IFC数据格式文件，进而显示在属性拓展的测点的监测值文字框中。IFC标准监测信息读写程序软件基于IFC标准中对实体属性的表达方式，明确传感器实体与监测数据属性在IFC中性文件的组织关系，在此理论基础上完成IFC中性文件的解析，通过对需要拓展的信息对应的IFC文件中属性语句、属性集语句及关联语句的自动编写，生成新的IFC文件，从而实现将监测数据批量集成到IFC文件，对该IFC文件进行基于IFC标准监测信息批量读写操作，如图11。从而实现基于IFC标准的监测信息表达与集成。由于IFC文件是一种通用的数据格式，所以在任何一个支持IFC格式的BIM软件都能可视化显示监测信息，以至于构建的BIM模型中的传感器信息在不同的BIM软件之间可实现交互。

通过Revit二次开发，选择开发的功能面板中“预警”，可以启动预警的功能。当某个传感器监测数据大于安全值时，程序自动检索出这些监测数据的测点编号，进而检索出测点编号对应Revit图元Id，对这些Revit图元Id对应的图元实现变颜色的效果，可以在BIM模型中直观地展现出安全状态，实现预警的功能。在最常用的Revit软件打开基于IFC数据标准的隧道模型，分析筛选IFC文件中监测数据时，通过Revit二次开发的方式，点击开发的功能面板中“所选传感器监测数据查询”。点击传感器模型，程序可以实现自动显示该传感器模型对应测点编号的监测数据，监测数据以表格的形式进行展现，如图12。可以调节监测数据按照监测时间升序降序或监测值的大小进行升序或降序排列，并且可以实现自动绘制出此传感器模型对应的测点编号的监测数据与监测时间的曲线，如图13，方便分析监测数据的规律。经统计该断面报警的传感器数量超过3个，所以由原来的台阶法调整为双侧壁导坑法。调用调整施工工法的BIM模型进行展示，供施工管理者参考见图15。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、基于IFC标准的信息扩展构建隧道围岩结构组件和传感器组件，并构建包括所述隧道围岩结构组件和所述传感器组件的隧道BIM模型，所述隧道BIM模型与施工现场的隧道结构相同，所述隧道BIM模型构建过程如下：通过Revit二次开发的方式，运行用VisualC#语言编写的建模程序，在Revit环境下输入安放传感器组件的位置参数以自动生成传感器组件并将传感器组件安放到指定位置，所述安放传感器组件的位置参数包括半径和角度，按照传感器组件种类和数量建立模型，对围岩结构组件和传感器组件进行拼装，形成具有传感器组件的隧道BIM模型，在参数化构件基础上，根据隧道工程情况，按照数字化三维地形、隧道衬砌结构模型、循环插入传感器模型并调整角度，最终拼合形成带有监测传感器的隧道BIM模型；

步骤2、获取设置在施工现场隧道中的传感器的监测数据信息，并对所述监测数据信息进行存储；

步骤3、将存储的所述监测数据信息与所述隧道BIM模型中的所述传感器组件建立映射关系，并基于所述映射关系将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中；

所述传感器组件属性还包括预警值属性和颜色属性，所述预警值属性中设有预警值；

还包括步骤4、将监测数据与预警值进行比较，当监测数据大于所述预警值时，所述颜色属性改变以进行预警；

还包括构建隧道典型施工工法BIM库，所述隧道典型施工工法BIM库包括控制变形能力依次增强的台阶法、中隔壁法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法；

还包括步骤5、对进行预警的传感器进行数量统计，当预警的传感器数量大于传感器总数量的1/3时，在所述BIM模型上显示下一工法。

2.根据权利要求1所述的基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法，其特征在于：所述步骤3包括，

步骤301、针对所有传感器组件建立传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

步骤302、针对每个传感器组件设置传感器组件属性，所述传感器组件属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性；

步骤303、获取的所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；

步骤304、将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

3.根据权利要求1所述的基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法，其特征在于：所述步骤3包括，

步骤301、针对所述传感器组件建立传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

步骤302、针对每个传感器组件建立传感器组件属性，所述传感器组件属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性、监测时间属性以及映射开关属性；

步骤303、将获取的所述监测数据信息存储到数据库中，获取的所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；

步骤304、在所述隧道BIM模型中点选所述传感器组件，所述传感器组件的映射开关改变，当所述映射开关改变时，将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与存储到所述数据库中的所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

4.一种基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制的系统，其特征在于：包括，

隧道监测BIM自动化建模单元，用于基于IFC标准的信息扩展构建隧道围岩结构组件和传感器组件，并利用参数化自动化建模技术构建包含所述隧道围岩结构组件和所述传感器组件的隧道BIM模型，所述隧道BIM模型与施工现场的隧道结构相同；

BIM隧道多元信息自动化获取单元，用于获取设置在施工现场隧道中的传感器的监测数据信息，并对所述监测数据信息进行存储；

BIM隧道自动化多元信息集成存储单元，用于将存储的所述监测数据信息与所述隧道BIM模型中的所述传感器组件建立映射关系，并基于所述映射关系将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中；

所述传感器组件属性模块还用于设置所述传感器组件的预警值属性和颜色属性，所述预警值属性中设置有预警值；

还包括BIM隧道信息预警单元，用于将监测数据与预警值进行比较，当监测数据大于所述预警值时，更改所述传感器组件的颜色属性以进行预警；

还包括典型施工工法BIM库单元，用于构建隧道典型施工工法，所述典型施工工法包括控制变形能力依次增强的台阶法、中隔壁法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法；以及，

动态调整施工工法单元，用于统计进行预警的传感器的数量，并当进行预警的传感器数量大于传感器总数量的1/3时，在所述BIM模型上显示下一工法。

5.根据权利要求4所述的基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制的系统，其特征在于：

所述BIM隧道自动化多元信息集成存储单元包括，

传感器组件BIM信息定义模块，用于设置传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

传感器组件属性模块，用于设置传感器组件的属性，所述属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性；

监测数据信息存储模块，用于获取并存储由施工现场隧道中的传感器采集所述隧道的监测数据信息，所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；以及，

映射模块，用于将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与所述监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

6.根据权利要求4所述的基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制的系统，其特征在于：

所述BIM隧道自动化多元信息集成存储单元包括，

传感器组件BIM信息定义模块，用于设置传感器属性集，所述传感器属性集包括属性集的名称、适用的实体以及适用的类型值；

传感器组件属性模块，用于设置传感器组件的属性，所述属性包括传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性、监测时间属性以及映射开关属性；

监测数据信息存储模块，用于获取并存储由施工现场隧道中的传感器采集的所述隧道的监测数据信息，所述监测数据信息包括传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间；以及，

映射模块，用于当所述映射开关改变时，将所述传感器组件属性中传感器组件类型属性、测点编号属性、监测数据属性以及监测时间属性与存储到数据库中的监测数据信息中的所述传感器类型、测点编号、监测数据以及监测时间一一建立映射关系，并基于所述映射关系实时的将所述监测数据信息添加至所述隧道BIM模型中。

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