CN113065276A - 一种基于数字孪生的智能建造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生的智能建造方法，该方法将数字孪生技术应用于智能建造中还缺乏相关理论与框架体系的指导中，提出了基于数字孪生的智能建造多为模型，基于模型提出了基于数字孪生的智能建造方法框架。接着在方法框架的基础上提出了基于数字孪生的智能建造实现方法。解决了传统建筑业现阶段存在信息的获取利用具有延滞性、信息化程度低、过于依赖人工施工经验进行决策等问题。本方法具有提高信息收集效率、减小误差、保障质量和安全、提高施工作业的信息利用率等方面优势。本方法综合物联网、BIM和有限元搭建了基于数字孪生的智能建造方法框架，使用实时监测数据与理论模型做对比，进而对物理空间的实际施工过程进行调整与修正。
Description
技术领域
本发明涉及建筑信息技术领域，特别涉及一种基于数字孪生的智能建造方法。
背景技术
建造业向智能化发展成为可能。我国建筑业的发展经历着手工化、机械化、网络信息化、智能化、智慧化五个发展阶段。现阶段我国建造业正处于第二发展阶段与第三发展阶段之间。随着新兴信息技术和智能建造设备的不断发展，我国传统建造业已不能满足新时代的发展需求，建筑业向智能化、信息化转型是必然的发展趋势。
BIM技术、物联网、数字孪生、人工智能等新兴信息技术的不断发展与技术融合，将推动我国建筑业的智能化发展。智能建造是一种全新的建造和管理方式，它利用上述新兴信息技术的交叉融合，从而实现建造过程的信息融合和全面物联。
数字孪生技术为建造业智能化的发展提供了新的思路，创造了新的工具，通过在虚拟空间中建立数字孪生模型，并仿真模拟物理对象的状态和行为，进行物理空间与虚拟空间的实时交互，来实现对建造过程的实时管控。同时融合BIM技术实现信息融合特性与三维可视化、物联网技术实现无线互联、人工智能技术实现预测决策等特点，消除上述信息延滞性、管理时效性差的问题，推动智能建造的发展。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的智能建造方法，能实现传统建造业向智能化、数字化转变的方法。
该方法可以针对传统建造进行革新。该方法将数字孪生技术应用于智能建造中还缺乏相关理论与框架体系的指导中，提出了基于数字孪生的智能建造多为模型，基于模型提出了基于数字孪生的智能建造方法框架。接着在方法框架的基础上提出了基于数字孪生的智能建造实现方法。解决了传统建筑业现阶段存在信息的获取利用具有延滞性、信息化程度低、过于依赖人工施工经验进行决策等问题。
具体方法为：首先将数字孪生技术应用于智能建造中还缺乏相关理论与框架体系的指导，因此，结合建筑工程复杂、要素信息多的特点和数字孪生五维模型，提出了基于数字孪生的智能建造多维模型，MBDT＝(BPE,BVE,BSs,BDD,BCN)式中：BPE表示物理建造实体，BVE表示虚拟建造模型，BSs表示面向建筑全生命周期的智能建造服务，BDD表示建造对象全生命周期数据，BCN表示各模块之间的连接。为了给智能建造各场景提供统一的参考，基于以上模型提出了基于数字孪生的智能建造方法框架，在该框架中物理建造实体和虚拟建造实体虚实交互，通过建造对象全生命周期数据驱动实现智能设计、智能施工、智能运维等智能建造服务，辅助智能建造的实现。
以建立的基于数字孪生的智能建造框架为基础，提出了基于数字孪生的智能建造实现方法。实现方法包括三个方面：
1)物理空间信息采集与传输。
通过安装在施工人员或机械设备上的不同类型传感器来进行状态感知、质量感知和位置感知，同时采集多源异构数据；在此基础上，建立一套标准的数据接口与通讯协议，实现对不同来源的数据的统一转换与传输，将建造活动的实时数据上传至虚拟空间。
2)多维多尺度数字孪生模型建立
时间维数字孪生模型的建立，包括按照时间跨度划分的三个阶段：设计阶段、施工阶段、反馈修正阶段。信息维数字孪生模型的建立，是包含几何、物理、行为、规则模型在内的多种模型深度融合。种类维数字孪生模型包括但不限于BIM模型、有限元模型、三维激光扫描点云模型等。
3)基于数字孪生的智能辅助决策
第一步建立BIM模型，然后从BIM模型中提取关键节点坐标建立对象有限元模型，可以在BIM三维模型中模拟施工对象的复杂施工工艺，在有限元模型中对结构进行施工仿真分析，以给出合理的施工方案。第二步将安装在结构上的拉压传感器、位移传感器等实时采集并上传监测数据，同时利用三维扫描仪建立实际结构的点云模型。利用这些数据建立的实际监测模型与理论设计模型实时对比，系统层通过逻辑算法对二者数据进行计算分析，进而对物理空间的实际施工过程进行调整与修正。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
1)本发明中的数字孪生模型通过不断更新的实时建造数据与积累的历史数据，对建造全过程给予实时的反馈与调控，提高了施工作业中的信息利用率、减小了误差。
2)本发明中传感器收集到的多源异构数据，通过标准化的数据接口与通讯协议实现的统一转换与传输，提高了信息收集效率，以及信息准确度。
3)本发明中的智能决策辅助实现了实时化监测、智能化决策等方面功能，为施工提供了质量和安全保障，减少了传统施工中“经验”做法造成的返工.
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图做简单的介绍，显而易见地，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基于数字孪生的智能建造方法框架。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种基于数字孪生的智能建造方法，此方法可以提高信息收集效率、减小误差、保障质量和安全、提高施工作业的信息利用率
步骤一：根据基于数字孪生的智能建造多维模型理论，利用多传感器与其他数据采集设备实现的实际数据感知与传输，收集物理实体的数据。
步骤二：建立大数据存储管理平台，将收集到的人员数据、机械数据、物料数据、工法数据、环境数据等储存以及进行数据驱动。
步骤三：建立与物理实体所对应的全部虚拟模型，包括BIM模型、有限元模型、扫描点云模型等。通过虚拟模型对物理空间建造活动的数字化、信息化、仿真化分析，建立起完善的虚拟空间。
步骤四：建立一套标准的数据接口与通讯协议，实现对不同来源的数据的统一转换与传输，将建造活动的实时数据上传至虚拟空间，实现的物理实体与虚拟模型的映射与交互，也实现了数字孪生模型的建立。
步骤五：在上述模型与数据的基础上再建立智能建造服务平台，通过分析物理空间的实际需求，依靠虚拟空间算法库、模型库、知识库的支撑和数据处理能力，对整个建造过程进行实时优化控制，以及智能化决策。
步骤一中，物理建造实体包括两个方面的内容，一是指建造对象本身的结构、构件与它们包含的全生命周期信息，二是指与建造对象相关的要素，如人员、机械、物料、工法、环境与它们包含的全生命周期信息。
步骤二中，数据来源主要包括建造现场的人、机、料、法、环五大要素数据，由于建造环境复杂，数据来源广泛，涉及要素众多、建筑工程生命周期长，所以数据具有类型多样、数据量巨大的特点。
步骤三中，在建造活动中产生多源异构数据被传送至虚拟空间，同时接收虚拟空间的指令并做出相应反应。
步骤三中，虚拟空间具有交互、计算和控制属性，在建筑设计阶段，虚拟空间基于高保真度的虚拟模型，对结构设计方案进行施工模拟、迭代计算与仿真分析；在建造阶段，虚拟空间通过不断更新的实时建造数据与积累的历史数据，对建造全过程给予实时的反馈与调控；在运维阶段，虚拟空间可实时预测将发生的冲突或故障，并将信息反馈给物理空间。
步骤四中，数字孪生模型包括以下三个维度：时间维数字孪生模型，信息维数字孪生模型，种类维数字孪生模型。时间维数字孪生模型是指：按时间跨度，历经设计阶段、施工阶段、运维阶段的全生命周期数字孪生模型。信息维数字孪生模型是指：数字孪生模型的建立，是包含几何、物理、行为、规则模型在内的多种模型深度融合。种类维数字孪生模型是指：数字孪生模型包括但不限于BIM模型、有限元模型、三维激光扫描点云模型等。
步骤五中，将基于数字孪生的智能辅助决策分为两个阶段：方案设计阶段与实时修正阶段。
步骤五中，在方案设计阶段首先依据设计图纸建立对象BIM模型，然后从BIM模型中提取关键节点坐标建立对象有限元模型，可以在BIM三维模型中模拟施工对象的复杂施工工艺，在有限元模型中对结构进行施工仿真分析，以给出合理的施工方案。
步骤五中，在实时修正阶段，利用传感器收集数据和点云数据建立的实际监测模型与理论设计模型实时对比，系统层通过逻辑算法对二者数据进行计算分析，进而对物理空间的实际施工过程进行调整与修正。
综上所述，本发明指出的一种基于数字孪生的智能建造方法，应用数字孪生、物联网和BIM等方法，配合方法框架建立、建模、分析软件等辅助实现了对预应力钢结构进行智能安全风险预测。解决了传统建造业信息的获取利用，具有延滞性、信息化程度低、过于依赖施工经验进行决策等问题。同时该发明也为进一步智能建造打下了基础，有利于建筑建造的智能化发展。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于数字孪生的智能建造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，步骤一：根据基于数字孪生的智能建造多维模型理论，利用多传感器与其他数据采集设备实现的实际数据感知与传输，收集物理实体的数据；
步骤二：建立大数据存储管理平台，将收集到的人员数据、机械数据、物料数据、工法数据、环境数据等储存以及进行数据驱动；
步骤三：建立与物理实体所对应的全部虚拟模型，包括BIM模型、有限元模型、扫描点云模型；通过虚拟模型对物理空间建造活动的数字化、信息化、仿真化分析，建立起完善的虚拟空间；
步骤四：建立一套标准的数据接口与通讯协议，实现对不同来源的数据的统一转换与传输，将建造活动的实时数据上传至虚拟空间，实现的物理实体与虚拟模型的映射与交互，也实现了数字孪生模型的建立；
步骤五：在上述模型与数据的基础上再建立智能建造服务平台，通过分析物理空间的实际需求，依靠虚拟空间算法库、模型库、知识库的支撑和数据处理能力，对整个建造过程进行实时优化控制，以及智能化决策。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能建造方法，其特征在于：提出基于数字孪生的智能建造多维模型，MBDT＝(BPE,BVE,BSs,BDD,BCN)式中：BPE表示物理建造实体，BVE表示虚拟建造模型，BSs表示面向建筑全生命周期的智能建造服务，BDD表示建造对象全生命周期数据，BCN表示各模块之间的连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能建造方法，其特征在于：基于数字孪生的智能建造方法框架，能够实现虚拟空间与物理空间的信息融合与交互，并向物理空间实时传递虚拟空间反馈的信息，从而实现建筑工程的全物理空间映射、全生命期动态建模、全过程实时信息交互、全阶段反馈控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能建造方法，其特征在于：多维多尺度数字孪生模型建立，时间维数字孪生模型的建立，包括按照时间跨度划分的三个阶段：设计阶段、施工阶段、反馈修正阶段；信息维数字孪生模型的建立，是包含几何、物理、行为、规则模型在内的多种模型深度融合；种类维数字孪生模型包括BIM模型、有限元模型、三维激光扫描点云模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能建造方法，其特征在于：物理空间信息采集与多源异构数据传输，五大要素在建造活动中产生多源异构数据被传送至虚拟空间，同时接收虚拟空间的指令并做出相应反应；感知模块与网络模块分别负责数据的感知采集与数据向虚拟空间的传输，感知模块通过安装在施工人员或机械设备上的不同类型传感器来进行状态感知、质量感知和位置感知，同时采集多源异构数据；在此基础上，通过在网络模块中建立一套标准的数据接口与通讯协议，实现对不同来源的数据的统一转换与传输，将建造活动的实时数据上传至虚拟空间。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能建造方法，其特征在于：基于数字孪生的智能辅助决策，将基于数字孪生的智能辅助决策分为两个阶段：方案设计阶段与实时修正阶段；方案设计阶段：首先依据设计图纸建立对象BIM模型，然后从BIM模型中提取关键节点坐标建立对象有限元模型，在有限元模型中对结构进行施工仿真分析，以给出合理的施工方案；实时修正阶段：安装在结构上的拉压传感器、位移传感器等实时采集并上传监测数据，包括结构关键构件和节点处的内力、位移；同时利用三维扫描仪建立实际结构的点云模型；利用这些数据建立的实际监测模型与理论设计模型实时对比，系统层通过逻辑算法对二者数据进行计算分析，进而对物理空间的实际施工过程进行调整与修正。
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