CN112882446A - 基于bim平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，包括变形监测模块、云端处理模块、无人机辅助模块、BIM模块、应急响应模块和智能视频监控模块，对大型空间钢结构受力和变形情况进行实时监测，避免了人工测量带来的误差，大大提高了监测的工作效率，监测的数据也更加有保证，施工人员的作业安全也得到保障；基于BIM应用技术对大型空间钢结构的发展方向进行动态预演，非常直观的把握现场大型空间钢结构的安全状况，让安全工作更加有预见性和前瞻性；无人机对现场钢结构进行空间信息扫描，检查钢结构安装位置是否正确；应急响应模块能最大程度的疏散作业人员，减轻人员伤亡；智能视频监控模块对现场全面把控，同时集成动态对比功能。

Description

基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统

技术领域

本发明涉及防炎布打扣技术领域，尤其涉及基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统。

背景技术

随着城市发展进程的加快，为了满足各种使用功能和需求，在公共建筑工程、民用建筑、地标性建筑上越来越多的采用造型新颖的钢结构造型，这就对钢结构安装过程的安全监测提出了较高的要求。

在钢结构安装过程中，有几个安全把控的关键点，例如：首个钢构件吊装、拐角等应力较为集中部位的构件安装、钢结构合拢、钢结构卸载、全部钢结构安装完成等节点。这些关键节点，以及施工的全过程的安全工作至关重要。为了做好钢结构安装过程的安全监测工作，目前施工现场采用的方法是：多名测量人员同时对钢结构进行测量，施工人员亲自爬到钢结构上进行人工测量，监测频率一般一天两次，重大关键节点安装时全程跟踪监测。测量完成后，将测量仪器与电脑连接，计算安装的误差情况。

上述监测方法存在以下不足之处：①人工测量无法全面覆盖所有检测部位，有些部位作业人员无法抵达，测量范围较为有限；②无法同时对钢结构进行测量，测量同步性存在误差；③测量结果不能实时传递，如果变形量超过预警值时不能及时提醒作业人员撤离现场，存在滞后性；④测量次数受限，不能对钢结构的变形情况进行实时监测；⑤只能基于现有数据提出参考，无法对钢结构的变形情况作出预判，难以为作业人员撤离提供足够的时间；⑥人工进行测量，当建筑体量较大时，需要多组测量人员同步进行，人工浪费情况严重，对作业人员同步协同的能力也提出了较高的要求，作业人员上下攀爬危险性较大。

发明内容

本发明的目的是为了为了克服现有技术的不足，而提出的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，可以对大型空间钢结构受力情况进行实时监测，并对每一个监测点精准定位；基于BIM应用技术，对现场大型空间钢结构情况进行动态三维模拟，对大型空间钢结构的发展方向进行动态预演，将图形信息转化成BIM模型，获知现场具体安装的部位，并判断安装位置是否正确；云端处理模块联动单元控制应急响应模块，提醒作业人员迅速撤离危险区域；无人机辅助模块对现场钢结构进行坐标扫描，捕捉空间钢结构的位置信息；智能视频监控模块远程查看和指挥作业人员有序疏散，最大程度的、无死角的调动整个现场资源，达到疏散快、道路畅、救援及时的效果，同时通过实时比对可以联动控制无人机辅助模块。该套系统可以根据现场实时监测的数据，通过BIM三维模型非常直观的对大型空间钢结构的安全情况进行预演、预警，大大减少了人工消耗，提高了监测的准确性，增强了钢结构施工阶段的安全性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，包括变形监测模块、云端处理模块、无人机辅助模块、BIM模块、应急响应模块和智能视频监控模块，

所述变形监测模块，用于实时监测大型空间钢结构的受力和位移情况并精准定位，监测数据通过网络传输到云端处理模块；

所述云端处理模块，用于对监测数据进行处理、分析并与预警阀值进行比对，将处理结果通过网络传输到BIM模块；

所述无人机辅助模块，用于对大型空间钢结构进行拍照，形成空间位置信息，通过网络将图像信息传输至BIM模块；

所述BIM模块，根据CAD图纸建立钢结构BIM三维模型，并根据云端处理模块提供的数据信息，对大型空间钢结构的发展方向进行动态预演，同时，将上述结果通过网络反馈到云端处理模块；

所述应急响应模块与云端处理模块通过网络连接，将信息推送至手机APP和电脑客户端，

所述智能视频监控模块用于实时监控现场作业情况以及在应急响应模块动作后，远程指挥现场施工人员，按照拟定的应急预案撤离至安全区域，同时动态对比现场施工进度，将情况反馈至云端，控制无人机对新安装部位的钢结构空间位置信息进行360°扫描。

优选的，所述变形监测模块，包括应力传感器、位移传感器、角度传感器、数据通讯单元和GPS定位器，

所述云端处理模块包括数据处理单元、数据分析单元、逻辑判断单元、联动控制单元和数据通讯单元，

所述无人机辅助模块包括空间位置信息扫排单元、自适应巡航单元、图形传输单元和数据通讯单元，

所述BIM模块包括CAD建楼单元、图形逆成像单元、动态预演单元、GPS定位跟踪单元和数据通讯单元，

所述应急响应模块包括声光警报单元、信息推送单元和数据通讯单元，

所述智能视频监控模块包括视频监控单元、动态比对单元和数据通讯单元。

优选的，所述变形监测模块用于实时监测大型空间钢结构的受力和位移情况并精准定位，监测数据通过数据通讯单元传输到云端处理模块，

所述云端处理模块内的联动控制单元连接到应急响应模块，一方面控制声光警报单元，另一方面通过信息推送单元将信息推送至手机APP和电脑客户端。

优选的，所述网络为5G网络。

优选的，设置在大型空间钢结构上的应力传感器可以实时监测钢构件受到的轴向荷载，位移传感器可以实时监测钢构件发生变形的位移，角度传感器可以实时监测钢构件偏离的角度，设置在监测点上的GPS定位器可以提供精准的定位坐标，以上信息通过通过数据通讯模块传输到云端处理模块。

优选的，所述数据通讯通信单元接收到变形监测模块传输的数据后，将数据传输至数据处理单元。数据处理单元通过相关规范经验公式对监测数据进行处理，可以得知现场大型空间钢结构的实时变化情况，进一步，可以得知大型空间钢结构所受应力的实时变化速率和累计变化量。数据分析单元根据数据处理单元得出的结果，分析和预测大型空间钢结构稳定性发展状态，预判大型空间钢结构坍塌的可能。数据处理单元和数据分析单元得到的结果通过数据通讯通信单元传输至BIM模块。逻辑判断单元对数据处理单元的处理结果进行逻辑判断，将实时变化速率和累计变化量与设定好的预警阀值进行对比，当监测结果大于预警阀值时，联动控制单元控制应急响应模块作出相应动作。

优选的，所述数据通信通信单元接收到智能视频监控模块提供的对比信息，发挥数据中转站和指挥部的功能，联动控制单元启动无人机辅助模块，自适应巡航单元开始工作，对新安装部位进行空间信息扫描。

优选的，所述无人机辅助模块拥有两种工作模式，一是人工控制主动巡查，技术人员远程遥控无人机对现场钢结构进行拍摄，空间位置信息扫描单元对现场钢结构进行坐标扫描，捕捉空间钢结构的位置信息，图形传输单元借助数据通讯单元，在5G网络的帮助下，将现场画面实时传递到BIM模块。二是联动控制自适应巡航检查，当智能视频监控模块捕捉到前后图形信息存在差异时，通过5G网络将信息反馈至云端处理模块，联动控制单元启动无人机辅助模块开始对现场新安装的部位进行自适应巡航。

优选的，所述CAD建模单元根据CAD图纸建立钢结构BIM三维模型。动态预演单元接收来自数据处理单元的结果，对大型空间钢结构的受力情况通过三维模型的方式进行动态演示，进一步，接收来自数据分析单元的结果，通过三维模型的方式动态模拟大型空间钢结构稳定性发展状态。当演示超过安全范围时，BIM模块将信息反馈至联动控制单元，控制应急响应模块作出响应，提醒作业人员迅速撤离。

优选的，，安装在大型空间钢结构监测点上的GPS定位器可以提供精准的定位坐标，GPS定位跟踪单元将GPS信息与BIM三维模型中的相应位置一一对应，可以得知现场发生异常的部位，这样采取应对措施时更加有针对性和目的性。

优选的，所述数据通讯单元还接收无人机辅助模块提供的带有坐标点位的图形信息，图形逆成像单元对其进行加工处理，可以获知现场具体安装的部位，进一步可以判断安装位置是否正确。

优选的，所述云端处理模块接收到BIM模块反馈的结果，当动态预演单元显示结果超出安全范围或者逻辑判断单元显示应力、位移、角度中任一项超过预警阀值时，联动控制单元通过数据通讯单元，借助5G网络，启动应急响应模块。一方面控制声光警报单元发出警报，告知作业人员迅速撤离；另一方面通过信息推送单元将信息推送至手机APP和电脑客户端。应急响应模块的动作情况也通过5G网络反馈至云端处理模块。

优选的，所述视频监控单元可以实时监控现场作业情况，同时在应急响应模块动作后，可以远程指挥现场施工人员，按照拟定的应急预案撤离至安全区域，最大程度的、无死角的调动整个现场资源，达到疏散快、道路畅、救援及时的效果。

优选的，所述动态比对单元通过图像拍摄的方式，对现场正在施工的钢结构进展情况进行实时采集，每间隔十分钟对拍摄的照片进行前后比对，当图像出现变化时，通过数据通讯单元将情况反馈至云端处理模块，联动控制单元启动无人机辅助模块，自适应巡航单元开始工作，对新安装部位的钢结构空间位置信息进行扫描，获取空间坐标点位信息，并将信息反馈至BIM模块。

与现有技术相比，本发明提供了基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，具备以下有益效果：

基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其有益效果是：①能够对大型空间钢结构受力情况进行实时监测，无需人为干预，节省了人工工资，避免人工操作带来的误差，提高了监测的安全性、准确性。②基于BIM应用技术，通过三维模型进行动态展示，现场施工进展情况和安全情况一目了然。③基于现有数据的提前预警，模拟大型空间钢结构稳定性发展状态，让安全工作更加有预见性和前瞻性。④无人机对现场钢结构进行空间信息扫描，检查钢结构安装位置是否正确。⑤GPS精准定位，能清楚知道大型空间钢结构出现问题的部位和区域，采取应对措施时更加有针对性和目的性。⑥远程查看和指挥作业人员有序疏散，最大程度的、无死角的调动整个现场资源，达到疏散快、道路畅、救援及时的效果。

附图说明

图1为本发明提出的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统的原理框图简图；

图2为本发明提出的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统的原理框图详图。

图中：1-变形监测模块，11-应力传感器，12-位移传感器，13-角度传感器，14-数据通讯单元，15-GPS定位器；2-云端处理模块，21-数据处理单元，22-数据分析单元，23-逻辑判断单元，24-联动控制单元，25-数据通讯单元；3-无人机辅助模块，31-空间位置信息扫描单元，32-自适应巡航单元，33-图形传输单元，34-数据通讯单元；4-BIM模块，41-CAD建模单元，42-图形逆成像单元，43-动态预演单元，44-GPS定位跟踪单元，45-数据通讯单元；5-应急响应模块，51-声光警报单元，52-信息推送单元，53-数据通讯单元；6-智能视频监控模块，61-视频监控单元，62-动态比对单元，63-数据通讯单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

具体实施例一

参照图1-2，基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，在大型空间钢结构监测点上设置应力传感器11、位移传感器12、角度传感器12、GPS定位器15，实时监测大型空间钢结构的受力情况并提供精准的定位坐标，以上信息通过数据通讯单元14传输到云端处理模块2。

数据处理单元22通过相关规范经验公式对监测数据进行处理，能够得知现场大型空间钢结构的实时变化情况，进一步，能够得知大型空间钢结构所受应力的实时变化速率和累计变化量。数据分析单元23根据数据处理单元22得出的结果，分析和预测大型空间钢结构稳定性发展状态。逻辑判断单元24对数据处理单元22的处理结果进行逻辑判断，将实时变化速率和累计变化量与设定好的预警阀值进行对比，当监测结果大于预警阀值时，联动控制单元24控制应急响应模块5作出相应动作。

无人机辅助模块拥有两种工作模式，一是人工控制主动巡查，空间位置信息扫描单元31对现场钢结构进行坐标扫描，捕捉空间钢结构的位置信息，将现场画面实时传递到BIM模块4。二是联动控制自适应巡航检查，当智能视频监控模块6捕捉到前后图形信息存在差异时，通过5G网络将信息反馈至云端处理模块2，联动控制单元24启动无人机辅助模块3开始对现场新安装的部位进行自适应巡航。

CAD建模单元41根据CAD图纸建立钢结构BIM三维模型。动态预演单元43接收来自数据处理单元21的结果，对大型空间钢结构的受力情况通过三维模型的方式进行动态演示，进一步，接收来自数据分析单元22的结果，通过三维模型的方式动态模拟大型空间钢结构稳定性发展状态。当演示超过安全范围时，BIM模块4将信息反馈至联动控制单元24，控制应急响应模块5作出响应。安装在大型空间钢结构监测点上的GPS定位器15能够提供精准的定位坐标，GPS定位跟踪单元44将GPS信息与BIM三维模型中的相应位置一一对应，能够得知现场发生异常的部位。

数据通讯单元45还接收无人机辅助模块3提供的带有坐标点位的图形信息，图形逆成像单元42对其进行加工处理，能够获知现场具体安装的部位，进一步能够判断安装位置是否正确。

云端处理模块2接收到BIM模块4反馈的结果，当动态预演单元43显示结果超出安全范围或者逻辑判断单元24显示应力、位移、角度中任一项超过预警阀值时，联动控制单元24通过数据通讯单元25，借助5G网络，启动应急响应模块5。一方面控制声光警报单元51发出警报，告知作业人员迅速撤离；另一方面通过信息推送单元52将信息推送至手机APP和电脑客户端。应急响应模块5的动作情况也通过5G网络反馈至云端处理模块2。

视频监控单元61能够实时监控现场作业情况，同时在应急响应模块5动作后，能够远程指挥现场施工人员，按照拟定的应急预案撤离至安全区域，最大程度的、无死角的调动整个现场资源，达到疏散快、道路畅、救援及时的效果。

动态比对单元62通过图像拍摄的方式，对现场正在施工的钢结构进展情况进行实时采集，当图像出现变化时，通过数据通讯单元63将情况反馈至云端处理模块2，联动控制单元24启动无人机辅助模块3，自适应巡航单元32开始工作，对新安装部位的钢结构空间位置信息进行扫描，获取空间坐标点位信息，并将信息反馈至BIM模块4。

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 (10)

1.基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其特征在于，包括变形监测模块、云端处理模块、无人机辅助模块、BIM模块、应急响应模块和智能视频监控模块，

所述变形监测模块，用于实时监测大型空间钢结构的受力和位移情况并精准定位，监测数据通过网络传输到云端处理模块；

所述云端处理模块，用于对监测数据进行处理、分析并与预警阀值进行比对，将处理结果通过网络传输到BIM模块；

所述无人机辅助模块，用于对大型空间钢结构进行拍照，形成空间位置信息，通过网络将图像信息传输至BIM模块；

所述BIM模块，根据CAD图纸建立钢结构BIM三维模型，并根据云端处理模块提供的数据信息，对大型空间钢结构的发展方向进行动态预演，同时，将上述结果通过网络反馈到云端处理模块；

所述应急响应模块与云端处理模块通过网络连接，将信息推送至手机APP和电脑客户端，

所述智能视频监控模块用于实时监控现场作业情况以及在应急响应模块动作后，远程指挥现场施工人员，按照拟定的应急预案撤离至安全区域，同时动态对比现场施工进度，将情况反馈至云端，控制无人机对新安装部位的钢结构空间位置信息进行360°扫描。

2.根据权利要求1所述的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其特征在于，所述变形监测模块，包括应力传感器、位移传感器、角度传感器、数据通讯单元和GPS定位器，

所述云端处理模块包括数据处理单元、数据分析单元、逻辑判断单元、联动控制单元和数据通讯单元，

所述无人机辅助模块包括空间位置信息扫排单元、自适应巡航单元、图形传输单元和数据通讯单元，

所述BIM模块包括CAD建楼单元、图形逆成像单元、动态预演单元、GPS定位跟踪单元和数据通讯单元，

所述应急响应模块包括声光警报单元、信息推送单元和数据通讯单元，

所述智能视频监控模块包括视频监控单元、动态比对单元和数据通讯单元。

3.根据权利要求2所述的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其特征在于，

所述变形监测模块用于实时监测大型空间钢结构的受力和位移情况并精准定位，监测数据通过数据通讯单元传输到云端处理模块，

所述云端处理模块内的联动控制单元连接到应急响应模块，一方面控制声光警报单元，另一方面通过信息推送单元将信息推送至手机APP和电脑客户端。

4.根据权利要求1所述的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其特征在于，所述网络为5G网络。

5.根据权利要求2所述的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其特征在于，设置在大型空间钢结构上的应力传感器能够实时监测钢构件受到的轴向荷载，位移传感器能够实时监测钢构件发生变形的位移，角度传感器用于实时监测钢构件偏离的角度，设置在监测点上的GPS定位器能够提供精准的定位坐标，以上信息通过通过数据通讯模块传输到云端处理模块。

6.根据权利要求5所述的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其特征在于，数据通讯通信单元接收到变形监测模块传输的数据后，将数据传输至数据处理单元，数据处理单元通过相关规范经验公式对监测数据进行处理，能够得知现场大型空间钢结构的实时变化情况，进一步，能够得知大型空间钢结构所受应力的实时变化速率和累计变化量，数据分析单元根据数据处理单元得出的结果，分析和预测大型空间钢结构稳定性发展状态，预判大型空间钢结构坍塌的可能，数据处理单元和数据分析单元得到的结果通过数据通讯通信单元传输至BIM模块，逻辑判断单元对数据处理单元的处理结果进行逻辑判断，将实时变化速率和累计变化量与设定好的预警阀值进行对比，当监测结果大于预警阀值时，联动控制单元控制应急响应模块作出相应动作。

7.根据权利要求5所述的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其特征在于，数据通信通信单元接收到智能视频监控模块提供的对比信息，发挥数据中转站和指挥部的功能，联动控制单元启动无人机辅助模块，自适应巡航单元开始工作，对新安装部位进行空间信息扫描。

8.根据权利要求5所述的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其特征在于，所述无人机辅助模块拥有两种工作模式，一是人工控制主动巡查，技术人员远程遥控无人机对现场钢结构进行拍摄，空间位置信息扫描单元对现场钢结构进行坐标扫描，捕捉空间钢结构的位置信息，图形传输单元借助数据通讯单元，在网络的帮助下，将现场画面实时传递到BIM模块，二是联动控制自适应巡航检查，当智能视频监控模块捕捉到前后图形信息存在差异时，通过网络将信息反馈至云端处理模块，联动控制单元启动无人机辅助模块开始对现场新安装的部位进行自适应巡航，所述CAD建模单元根据CAD图纸建立钢结构BIM三维模型，动态预演单元接收来自数据处理单元的结果，对大型空间钢结构的受力情况通过三维模型的方式进行动态演示，接收来自数据分析单元的结果，通过三维模型的方式动态模拟大型空间钢结构稳定性发展状态，当演示超过安全范围时，BIM模块将信息反馈至联动控制单元，控制应急响应模块作出响应，提醒作业人员迅速撤离。

9.根据权利要求5所述的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其特征在于，安装在大型空间钢结构监测点上的GPS定位器15可以提供精准的定位坐标，GPS定位跟踪单元将GPS信息与BIM三维模型中的相应位置一一对应，数据通讯单元还接收无人机辅助模块提供的带有坐标点位的图形信息，图形逆成像单元对其进行加工处理，可以获知现场具体安装的部位，进一步可以判断安装位置是否正确，所述云端处理模块接收到BIM模块反馈的结果，当动态预演单元显示结果超出安全范围或者逻辑判断单元显示应力、位移、角度中任一项超过预警阀值时，联动控制单元通过数据通讯单元，借助网络，启动应急响应模块，一方面控制声光警报单元发出警报，告知作业人员迅速撤离；另一方面通过信息推送单元将信息推送至手机APP和电脑客户端，应急响应模块的动作情况也通过网络反馈至云端处理模块。

10.根据权利要求7所述的基于BIM平台的大型空间钢结构可视化施工监控系统，其特征在于，视频监控单元可以实时监控现场作业情况，同时在应急响应模块动作后，可以远程指挥现场施工人员，按照拟定的应急预案撤离至安全区域，最大程度的、无死角的调动整个现场资源，达到疏散快、道路畅、救援及时的效果，动态比对单元通过图像拍摄的方式，对现场正在施工的钢结构进展情况进行实时采集，每间隔十分钟对拍摄的照片进行前后比对，当图像出现变化时，通过数据通讯单元将情况反馈至云端处理模块，联动控制单元启动无人机辅助模块，自适应巡航单元开始工作，对新安装部位的钢结构空间位置信息进行扫描，获取空间坐标点位信息，并将信息反馈至BIM模块。

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