CN113806978A - 基于bim-fem的桥梁结构数字孪生体及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于BIM‑FEM的桥梁结构数字孪生体及方法，包括BIM建模模块、全生命周期运维管理模块、数字孪生基础模块、数字孪生数据转换及优化模块、数字孪生应用模块，各模块之间可以实现信息转接交互。所述方法包括以下步骤：建立桥梁结构的BIM三维信息模型；构建数字孪生基础层，将数字孪生数据进行转换及优化；搭建基于数字孪生体的智能运维管理平台。该数字孪生系统基于桥梁建造、运营维护阶段结构状态监测信息采集、数据处理与分析，通过桥梁信息模型(BIM)与有限元分析模型(FEM)的同步更新和参数修正优化，完成结构状态在线综合评估及响应预测，从而实现全生命周期桥梁建造安全和健康运营的实时监测与控制。

Description

基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体及方法

技术领域

本发明属于桥梁BIM建模技术领域和数字化应用领域，具体涉及一种基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体及方法。

背景技术

BIM(Building Information Modeling)的中文翻译为建筑信息模型，包含“建筑”、“信息”和“模型”三大元素，其中数字化信息是BIM的核心要素。充分挖掘桥梁工程专业领域的数字化信息，发挥BIM技术在数字化信息与三维建筑模型相结合的优势，可以形成一个包含建筑工程全生命周期信息的大型数据库。数字孪生(Digital Twin)概念最早是由美国NASA明确提出的，其含义是指依照现实世界中的事物，高度精准地建立与之对应的数字信息模型，进行现实叙述、仿真模拟和预测评估等操作。初期发展的数字孪生技术主要应用于工业级的高精度产业，以统一标准的数字化技术和服务平台来解决现实事物与虚拟数据之间信息交互，进而打破虚实世界之间信息破裂和数据隔阂的局面。要推动传统建筑行业的转型发展，必须用数字孪生的观念来推动3D数字化技术在建筑行业的智能创新应用。

关于数字孪生体在土木工程行业中的应用，必须结合全生命周期运维管理的建筑信息模型(BIM)与结构数值分析有限单元法(FEM)，在此基础上充分运用智能优化算法及综合数据库进行创新应用和发展。然而，现阶段的基于BIM-FEM的桥梁管理系统多采用相对单一的建模工具，通过桥梁运维基本数据的输入及导出，并结合桥梁BIM数据进行简要的有限元数值分析及应力应变云图导出，最终实现从BIM桥梁运维模块到ANSYS桥梁有限元计算模块的简单智能化实现过程(南京震坤物联网科技有限公司.基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统和健康评估方法.CN111611634A.2020-09-01)。针对大跨度复杂桥梁结构体系的建模精度没有提出更高的要求，未采用不同类型BIM软件之间的综合建模及模型转换方法；其建筑信息模型(BIM)没有考虑结构模拟分析中的单元参数及网格信息，缺乏必要的单元参数优化及建筑信息模型修正过程，无法完全等效地模拟现实桥梁；未能建立以基础层、数据层和应用层为代表的数字孪生体，进而实现多维度的智能分析及更广泛的功能应用，为实现真正意义上的全生命周期信息运维管理提供技术支持。因此，有必要提出一种基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，推进建筑行业从简单的三维信息化向孪生体数字化发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对大跨度复杂桥梁结构及相关构造(尤其是异形塔、钢箱梁、空间主缆或拉索等曲线曲面构造)建模困难及数据信息离散的问题；建筑信息模型(BIM)无法根据实际情况进行单元参数优化和模型修正的问题；传统的桥梁设计、施工、运维管理及健康评估的智能化水平较低，未涉及数字孪生体的综合应用等问题。

为解决上述的技术问题，提出一种基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，具体涉及桥梁在规划设计、施工分析优化以及运营维护等过程，包括BIM建模模块、全生命周期运维管理模块、数字孪生基础模块、数字孪生数据转换及优化模块、数字孪生应用模块，各个功能模块之间无缝衔接，最终实现以数字孪生体为基础的全生命周期运维管理与应用。该数字孪生体基于桥梁建造及运营维护阶段的结构状态信息采集、数据处理与分析，通过桥梁信息模型(BIM)与有限元分析模型(FEM)的同步更新和参数修正优化，完成结构状态在线综合评估及响应预测，从而实现全生命周期的实时监测与控制。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，包括BIM建模模块、全生命周期运维管理模块、数字孪生基础模块、数字孪生数据转换及优化模块、数字孪生应用模块：

所述BIM建模模块包括用于构件信息设计分类的统一命名和注解标准单元、用于创建桥梁复杂曲线曲面构件的建模模块、用于创建桥梁规整构件的建模模块、用于不同软件之间构件信息转换的模型转换模块；

所述全生命周期运维管理模块包括用于综合信息应用的6D BIM初期信息单元、用于桥梁信息更新修正的综合运维信息单元、用于数字孪生体应用成果管理的全生命周期信息运维管理模块；

所述数字孪生基础模块包括用于现场工况及响应信息采集的各类传感器单元、用于传输信息的无线通信传输单元、用于处理信息的数据处理单元；

所述数字孪生数据转换及优化模块包括用于包含单元信息在内的6D BIM初步信息提取及转换单元、用于有限元结构数值分析的工况信息单元、用于特定工况下模拟分析的结构响应对比单元、基于智能优化算法的单元参数及网格优化单元；

所述数字孪生应用模块包括结合有限元分析及智能分析的数字孪生体应用模块、用于数字孪生层应用信息交互的信息转接模块。

优选的，所述6D BIM初期信息单元主要包括桥梁三维模型信息(3D)、整体进度规划信息(4D)、工程量及成本信息(5D)、结构分析相关信息(6D)，其中的结构分析相关信息(6D)主要包括单元参数及网格划分信息、材料属性信息、工况荷载信息和边界处理信息等；所述全生命周期信息运维管理模块包括建立综合数据库单元、配置应用服务器单元、数据调用及反馈单元、信息查看及输出单元。

优选的，6D BIM初期信息单元的多维信息是基于三维模型信息进行添加和完善的，多维信息通过轻量化后，与生命周期信息运维管理模块之间进行交互；

所述信息转接模块将数字孪生体应用模块中的信息转接并传输至生命周期信息运维管理模块，进而通过信息查看及输出单元实现与6D BIM初期信息单元之间的信息交互。

优选的，所述数字孪生体应用模块包括实时计算的有限元数值分析结果、结合历史样本分析结果建立用于智能分析的工况响应数据库、结合数据库进行智能预测及安全评估单元、基于现场实测响应结果的结构损伤部位识别单元、数字孪生应用层其余有效信息单元；

优选的，数字孪生应用层其余有效信息单元包括：根据优化后的单元及网格参数对BIM结构分析相关信息进行更新；为6D BIM初期信息单元的第六维度结构分析信息提供初期单元及网格参数的取值范围；根据不同工况下的响应误差分析和智能优化分析，对有限元结构分析模型的边界类型选择与边界简化合理性、荷载模拟有效性及响应监测布置点位合理性进行评估；依据有限元分析相关结果自动化生成桥梁结构的预防性养护决策及评估文件等。

优选的，所述单元参数及网格优化的更新迭代实现过程包括两个层面，在宏观层面上，可通过综合运维信息单元进行现场运维信息更新；在微观层面上，可通过不同工况下响应误差对比分析进行单元参数及网格优化及单元信息的迭代更新。其中，综合运维信息单元更新内容主要包括现场工况信息的采集及导入、各种响应信息的采集及对比分析、通过现场外观测量及构件试验获取的几何参数及材料特性综合运维信息。

优选的，所述单元参数及网格优化单元包括对单元种类、网格类型、单元划分细度初步信息的迭代优化，在满足不同工况下误差要求的基础上，将迭代优化后的信息传输至数字孪生体应用模块进行分类储存，借助信息转接模块将信息传输至全生命周期信息运维管理模块，进而指导更新6D BIM初期信息单元所包含的结构分析单元参数及网格信息。

优选的，综合运维信息单元包括涉及几何参数及材料特性的结构几何信息、力学性能信息、检查试验信息、评定决策信息和维修建议信息，其中，涉及几何参数及材料特性的结构几何信息或力学性能信息用于更新6D BIM初期信息单元；其余的有效运维信息用于更新全生命周期信息运维管理模块。

所述的基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体的方法，包括以下步骤：

步骤一、建立桥梁结构的BIM三维信息模型；

步骤二、构建数字孪生基础层，具体包括采集桥梁整体状态数据，并将数据传输至数据处理单元和轻量化数据处理；

步骤三、将数字孪生数据进行转换及优化；

步骤四、搭建以数字孪生体层级架构为基础的智能运维管理平台，具体是通过信息转接模块，实现数字孪生体应用模块与全生命周期信息运维管理模块之间的信息转接及综合应用。

优选的，所述智能运维管理平台将数字孪生体应用模块、信息转接模块、全生命周期信息运维管理模块进行分层，具体分为数据感知层、数字孪生体数据处理层、数字孪生应用层和智能建造与运维管理层；

所述数据感知层包括各种类型IoT传感器、环境与桥梁结构监测模块、人机料法环智能识别模块以及车辆、船舶、行人、设备状态监测模块；

所述数字孪生体数据处理层包括桥梁数字孪生体建模、现场工况响应数据、力学性能检测数据及其余有效运维数据，并对数据进行汇集整理、融合交换、轻量化预处理，最终针对不同模块需求建立有效的信息数据库；

所述数字孪生应用层包括桥梁结构数字孪生体、BIM系统、GIS系统、有限元模拟仿真系统、以数据库为基础的综合运维管理系统、基于智能预警分析的预防性养护决策与评估系统及其余数字孪生拓展应用；

智能建造与运维管理层包含以不同信息维度划分的三维模型、施工进度信息、工程量成本信息、结构分析等多维信息，以不同建造阶段划分的规划设计、施工管理、运营维护等多阶段信息，以及信息录入及管理、各分项协同交流、预防性养护决策等功能模块；

数据感知层的输出端与数字孪生体数据处理层的输入端相连接，数字孪生体数据处理层的输出端与数字孪生应用层的输入端相连接，数字孪生应用层的输出端与智能建造与运维管理层的输入端相连接。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明解决了复杂桥梁结构建模难度大、精度低、数据流通性差等问题，考虑了包括结构单元参数和网格优化在内的信息要素，构建更精确可靠的数字孪生体，进一步克服了数字孪生体难以真实反映实体结构的技术障碍。

2、本发明对解决不同BIM软件之间的建模局限和信息转换困难等问题具有一定的参考价值和借鉴意义。本发明有效地利用桥梁BIM模型数据和有限元数值分析，并结合运维信息更新等过程实时修正数字孪生体，结合智能优化算法开展桥梁健康评估和安全性预测等应用，为实现数字孪生体“感知现在、反映过去、预知未来”的基本要求提供基础保障。

3、本发明融合了数字孪生体的基本架构和全生命周期运维管理的功能要求，讲述了搭建以数字孪生体层级架构为基础的智能运维管理平台基本过程，结合数字孪生应用层进行数字孪生体的综合应用及拓展功能开发研究，为实现全生命周期需求的智能建造与运维管理提供可借鉴思路。

附图说明

图1为本发明的模块层级示意图；

图2为本发明的系统结构流程示意图；

图3为本发明数字孪生体的层级架构示意图；

图4为本发明所述实例的桥梁结构BIM效果图；

图5为本发明所述实例钢箱梁结构示意图；

图6为本发明所述实例的桥梁结构采用SOLID1单元的分析的位移云图；

图7为本发明所述实例的桥梁结构采用SOLID1+SOLID2单元分析的位移云图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及相关附图及对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在不脱离本发明系统结构的基本构思前提下，进行的简单变形和相关改进，都属于本发明的保护范围。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明所述实例中，除非另有明确的规定和限定说明，术语“转换”、“连接”、“转接”、“更新”、“交互”、“实现”等术语应做广义理解。例如，转接可以是两者的简单转接，也可以是通过中间媒介的间接转接；交互可以是两个单元直接交互，也可以是通过某些技术手段在内的间接交互。对于不同的实际情况，可以根据需要理解上述术语的具体含义。

如图1所示，一种基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，包括BIM综合建模及信息管理子系统和基于BIM-FEM的数字孪生技术子系统，其中BIM综合建模及信息管理子系统包括BIM(建筑信息模型)建模模块、全生命周期运维管理模块；基于BIM-FEM的数字孪生技术子系统包含有数字孪生基础模块、数字孪生数据转换及优化模块和数字孪生应用模块。

图1所述BIM建模模块，用于实现复杂桥梁结构的不同类型构件之间的精确建模，具体的，所述的BIM建模模块包括多种综合建模及转换软件，可以根据复杂桥梁结构1的需求运用各种三维数字建模软件MODEL3D进行建模，尤其是针对如图5所示的复杂钢箱梁、异形曲面桥塔、空间曲线主缆等复杂结构模型创建，然后将创建的模型通过模型转换软件整合到统一的BIM软件中进行后续的信息完善及综合应用；

通过制定统一的命名及注解标准2，为各类建模软件不同构件的统一信息管理提供便利。不同建模软件直接可以通过模型建模软件进行构件模型的转换及定位对接，最终在综合信息管理能力更好及工程应用性更合理的BIM软件平台中实现整体模型的拼接整合及信息管理。

所述制定统一的命名及注解标准包括：单位工程名称+位置+节段号+构件类别+细部单元划分信息等，建立针对全桥构件的信息分类及编码方法，最终形成类似于“XX-XX.XX.XX.XX”分层信息管理的统一标准。

所述全生命周期信息运维管理模块9，用于分类和储存桥梁全生命周期过程中的运维管理信息，并将相关信息处理成格式化表达方式，以便于与6DBIM(六维建筑信息模型)进行信息交互，该模块的呈现方式可以借鉴基于网页轻量化的综合信息管理平台进行实时展示；

图1所述全生命周期管理模块，包括初期设计建模过程的6DBIM初期信息单元6、用于桥梁信息更新修正的综合运维信息单元20、用于数字孪生体应用成果管理的全生命周期信息运维管理9；

所述6DBIM初期信息单元6包括桥梁三维模型信息3D、整体进度规划信息4D、工程量及成本信息5D、结构分析相关信息6D；中期模型修正过程的现场监测信息和单元参数优化信息；后期综合运维信息及来自数字孪生功能层的应用信息。

综合运维信息单元20包括涉及几何参数及材料特性的结构几何信息、力学性能信息、检查试验信息、评定决策信息和维修建议信息。其中，涉及几何参数及材料特性的结构几何信息或力学性能信息用于更新6DBIM初期信息单元6；其余的有效运维信息用于更新全生命周期信息运维管理模块9。

所述全生命周期信息运维管理模块9包括建立综合数据库单元91、配置应用服务器单元92、数据调用及反馈单元93、信息查看及输出单元94；通过各类数据的汇集融合、数据轻量化及储存备用等过程，搭建综合运维的信息数据库，将不同阶段的多维数据统一更新储存在服务器端，以供客户在Web端或其他客服终端进行后台服务器的信息调取及访问，并将调取的信息与BIM轻量化模型相结合进行查看和输出等功能。

图1所述数字孪生基础模块，用于现场工况及各类响应信息采集、通信传输及数据初步处理等，通过不同传感器所采集的数据进行汇集融合、轻量化处理、数据转接等过程，为建立综合的运维数据库提供基础条件，并将轻量化的有效现场工况信息输入有限元分析软件中进行特定荷载下的响应分析。这是构建复杂桥梁结构数字孪生体的基础，为数字孪生数据转换及优化模块提供现场信息来源。

具体的，所述数字孪生基础模块包括用于现场工况及响应信息采集的各类传感器单元(10、15)、用于采集信息的无线通信传输单元(11、16)、用于采集信息的数据处理单元(12、17)；

所述的各类传感器单元15主要包括布设在桥梁主跨和桥塔处的温度传感器和风速风向仪，布设在桥梁主体结构控制点位桥面底部的静力水准仪、光纤光栅应变仪，布设在桥梁端部支撑处及桥墩支座处的位移传感器和加速度传感器，布设在斜拉索或主缆上的索力传感器，以及布设在跨中和塔顶处的GNSS传感器等。

具体的，各种传感器采集的信息经过不同的区域转发节点通过5G无线通信的方式与数据处理单元相连接，所述数据处理单元(12、17)通过对采集数据的整合分类和轻量化处理，进一步实现数据格式规范化以提高信息适用性，有利于有限元分析的现场工况荷载快速输入及不同类型响应的误差对比。

图1所述的数字孪生数据转换及优化模块，用于构建与现实结构相对应的数字孪生体。通过二次开发插件实现BIM初期信息与有限元模型信息之间的提取及转换，在此基础上进行有限元分析结果响应与现场采集的响应的误差对比分析，经过不断迭代过程对模型转换中的单元参数和网格优化信息进行优化更新，直到不同工况荷载下的响应对比均能满足误差条件。

具体的，所述的数字孪生数据转换及优化模块包括包含单元信息在内的6DBIM初期信息提取及转换单元7、用于有限元结构数值分析的模型及工况信息单元12、用于特定工况下模拟分析结构的各种类型响应对比单元18、基于智能优化算法的单元参数及网格优化单元19。

所述初步信息提取及转换单元7主要包括构件信息及单元信息，其中的构件信息可通过人工直接输入或调整几何参数及材料特性等运维信息20对6DBIM初期信息单元6进行更新；单元信息则基于智能优化算法的单元参数及网格优化单元19，通过循环迭代过程进行单元参数更新及网格优化，最终将模型修正成与现实桥梁结构相一致的数字孪生体。

所述单元参数及网格优化单元19的迭代更新实现过程包括两个层面，在宏观层面上，可通过综合运维信息单元20进行现场运维信息修改，进而更新6D BIM初期信息单元6和初步信息提取及转换单元7，实现有限元结分析模型13的信息更新优化；在微观层面上，可通过不同工况下各类响应误差对比18和智能优化分析，进而对单元参数及网格优化19及相关单元信息进行持续性的迭代更新。其中，综合运维信息单元20更新内容主要包括现场工况信息的采集及导入、各种响应信息的采集及对比分析、通过现场外观测量及构件试验获取的几何参数及材料特性综合运维信息。

所述单元参数及网格优化单元19包括对单元种类、网格类型、单元划分细度初步信息的迭代优化，在满足不同工况下误差要求的基础上，将优化完善后的信息传输至数字孪生体应用模块20进行分类储存，可借助信息转接模块21将信息传输至全生命周期信息运维管理模块9，进而指导更新6D BIM初期信息单元6所包含的结构分析单元参数及网格信息。

关于建筑信息模型(BIM)与有限元结构分析模型之间的二次开发插件主要涉及任何一种与.NET兼容的语言(例如C#、C++、F#、Visual Basic.NET等)以及集成了多种计算机语言的开发工具。此外，还有针对开发者提供的SDK文件和一些官方提供的开发插件，包含了许多帮助文件和源代码例子及方法。

在二次开发插件的数据信息转换类型上，主要包括构件单元尺寸及坐标位置等几何信息；弹性模量、泊松比、密度及强度等材质特性；有限元分析采用的单元种类及大小、网格划分的类型及细度。其中，几何信息和材质特性可以通过综合运维信息单元20的现场数据采集或同期构件试验方法进行阶段性更新；单元参数及网格优化单元19通过有限元分析结果响应与现场实测响应的误差对比、单元信息调整和循环迭代的过程实现优化。

其中，6D BIM初期信息单元6的转换采用二次开发插件生成命令流的方法，在模型迭代修正的过程中采用在有限元软件直接添加或修改相关参数的形式，进而可以在有限元软件中的修正处理步骤信息和求解分析结果信息以命令流的方式导出到特定格式的文件中，以便于后期应用的数据转接和交互；

图1所述的数字孪生应用模块，主要包括实时计算的有限元数值分析结果81、结合历史样本分析结果创建用于智能分析的工况响应数据库82、结合数据库进行智能预测及安全评估单元83、基于现场实测响应结果的结构损伤部位识别单元84、数字孪生应用层其余有效信息单元85等，通过结合历史样本建立各种工况条件下的响应数据库，借助智能优化算法进行数据库的智能化应用及分析，可对孪生结构进行响应预测及安全评估、结构损伤反演算和其余应用层有效信息管理。数字孪生体应用模块8开拓了数字孪生体层级架构与有限元数值分析之间的融合应用，并进一步通过信息转接模块21与全生命周期信息运维管理模块9相连接，为实现桥梁的全生命周期智能化运营管理提供架构基础。

关于数字孪生应用层其余有效信息单元85的拓展应用，主要包括为6D BIM初期信息单元6的第六维度结构分析信息提供不同类型构件的初期单元及网格参数的取值范围，便于在有限元结构模型迭代更新的过程中减少初期迭代次数；以不同工况下的响应误差对比为基础，比较各种工况下的现场响应信息与数值分析模拟响应信息，通过误差分析和智能优化分析对有限元分析模型的边界简化合理性、荷载模拟有效性及响应监测布置点位合理性进行评估。

所述数字孪生体应用模块8、全生命周期信息运维管理模块9与6DBIM初期信息6的转接交互需要借助多种格式信息转换文件进行，主要包括二次开发插件提取生成的满足有限元分析软件参数化设计语言具体要求的命令流文件、模型修正预处理阶段使用的inp文件、求解结果数据储存的res文件和动画文件等。关于数字孪生体应用模块相关功能的实现需要结合多方面技术原理，主要涉及样本数据库建立、结合智能优化算法的响应预测、智能化的拓展应用、综合信息展示平台开发等。

具体的，以数字孪生体应用模块为基础的智能运维管理平台，融合了数字孪生体的硬软件基础，主要包括数据感知层、数字孪生体数据处理层、数字孪生应用层、智能建造与运维管理层。数据感知层包括各种类型传感器的多维度数据采集和不同数据源的分类储存传输；数字孪生体数据处理层是在桥梁数字孪生体建模的基础上，对采集数据进行相关处理，包括数据汇集、交互融合、轻量化及导出分析等，进而构建信息综合数据库；数字孪生应用层包括桥梁结构数字孪生体、BIM系统、GIS系统、有限元模拟仿真系统、以数据库为基础的综合运维管理系统、智能预警评估系统及其余数字孪生拓展应用；智能建造与运维管理层以数字孪生融合平台的拓展应用为基础，可以分模块展示多维数据并实现全生命周期管理。

本发明对建模精度提出更高的要求，对模型进行单元参数和网格信息的迭代优化，结合综合运维信息对桥梁信息模型进行持续更新，主要是为了构建更真实的数字孪生体，为进行实时有限元分析、建立更加可靠的历史信息数据库、根据特定自然灾害或结构病害条件下的桥梁安全评估和响应预测提供现实保障。通过数字孪生体的拓展应用，还可以通过采集数据对现场的桥梁结构进行损伤识别，帮助运维人员及时排查出容易损坏的部位，并及时提供相应的维护措施或施工方案。

下面结合图2，以某大跨度异型塔混合梁悬索桥为实例，说明基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体的方法，包括以下步骤。

步骤一、建立某异形塔混合梁悬索桥BIM三维信息模型，包括：

a.桥梁构件信息设计分类：对桥梁构件依据复杂程度进行初步的分类，将桥梁构件分为复杂曲线曲面构件(需设定相关函数进行定位及创建的构件)和规整构件(可通过拉伸或放样等简单编辑创建的构件)两种类型，并结合构件信息分类及编码标准统一管理。所述的构件信息包括几何尺寸及坐标位置、弹性模量、泊松比、密度及强度材质特性等；

b.桥梁构件模型建立：对于结构复杂的钢箱梁段、曲面异形桥塔、空间主缆或吊杆拉索等曲线曲面构件采用三维数字建模软件MODEL3D；对于其他规整的构件，采用更符合传统建筑行业出图风格和工程人员操作习惯的BIM建模软件BIM3D。在曲线曲面设计建模功能方面，MODEL3D能够弥补传统BIM建模软件在复杂结构建模中的难度大、精度低的技术缺陷，可以生成光滑的曲面。

c.桥梁构件模型转换：若使用的MODEL3D与BIM3D软件之间并不支持模型数据的直接转换，可以采用MODELTRANS3D软件作为模型转换的工具。在MODELTRANS3D软件中选择“MODEL3D”对应的导入类型，再通过具体模型的定位选择、控制调整、选定导出格式等命令，将MODEL3D模型数据转换成可供BIM3D使用的格式数据。最后，在BIM3D中实现标准统一的全桥模型拼接整合和多维信息管理，该悬索桥的全桥BIM成型如图4所示。

步骤二、数字孪生基础模块的实现过程，包括：

d.数据采集:为实现对桥梁整体状态数据的采集，确定某大跨度悬索桥的主要控制点位，根据实际要求布设相关传感器。其中包括布设在桥梁主跨和桥塔处的温度传感器和风速风向仪，布设在桥梁主体结构控制点位桥面底部的静力水准仪、光纤光栅应变仪，布设在桥梁端部支撑处及桥墩支座处的位移传感器和加速度传感器，布设在主缆和拉杆上的索力传感器，布设在跨中和塔顶处的GNSS传感器以及监测现场人车船流量及设备状态的高清摄像头等。

e.数据传输：各类传感器采集的信息经过不同的区域转发节点转接至数据处理单元，其中的现场工况荷载信息和各类响应信息可以通过无线通信方式远程传输至数据处理单元；其余的几何参数及材料特性等运维信息可以通过原位测量和同期样本构件试验等方式获取，并采用人工信息输入的方式对BIM初期信息进行定期更新。

f.数据处理：来自现场采集的各类信息体量庞杂，需要经过整合分类和轻量化处理以提高信息的实用性。本实施例建议采用压缩算法做为轻量化手段，对时序性连续变量进行偏差检测处理和压缩过滤简化，不仅能够准确地反映数据实际趋势，而且可以大幅度减少信息数据的储存空间。通过数据轻量化处理后的桥梁信息包括用于有限元数值分析的工况荷载信息，用于与特定工况下数值分析结果进行对比的现场各类响应信息，以及用于完善和更新桥梁BIM信息的相关运维信息等。所述整合分类是把具体的不同类型的数据储存到不同的数据库，为了方便后面的数据分析和调用。

步骤三、数字孪生数据交换及优化模块的基本过程，包括：

g.基于BIM3D API的二次开发插件应用：BIM3D API的数据交互功能可供用户进行二次开发应用，主要包括：获取构件的几何图形和相关参数数据、创建或修改模型元素、创建可用于快速实现重复操作命令的UI插件以及实现模型信息共享等功能。可尽量选用具有更优越操作能力和语言特性的C#语言进行插件的二次开发，根据BIM3D的软件配套要求选用合适的开发工具。依次通过导出BIM3D三维模型的几何信息(构件尺寸和坐标定位)、物理信息(弹性模量、泊松比、材质密度等)、单元信息(单元种类和形状、网格类型和划分细度等)以及模型的边界处理信息等，转换成有限元软件NERAP相对应的命令流文件。本案例采用NERAP版本的命令流标准定义txt输出格式，最终生成包含有限元分析必要信息的txt文档。

h.有限元模型的单元参数及网格优化：由于桥梁结构的几何参数和材料特性等信息是不断变化的，因此需要对相关的运维数据进行定期更新并及时反映在建筑信息模型中，以便于二次开发插件对BIM相关信息进行重复转换和有限元模型的更新。在此基础上，对比在不同工况下有限元数值分析的响应结果和现场实测响应之间的误差，通过设定单元参数和网格类型等变量并结合智能优化算法进行组合优化分析，最终确定满足各种工况下响应误差要求的变量取值范围。可以针对不同的模型深度要求选择不同的单元类型(如各种实体、杆、梁、板、壳单元)，这些单元类型各自适用的模拟范围都有所区别；针对网格类型和网格大小的选取，实体单元可以选择不同节点数量的四面体、六面体，网格大小的合理与否可以通过前后两次调整网格细度后控制部位的应力应变值变化范围来判断，如果应力应变值变化在5％以内则认为细度取值相对合理。

i.有限元模型修改及分析结果数据转接：由于单元参数和网格优化的迭代过程需要多次重复修改相关参数，如果通过修改建筑信息模型的单元相关信息显然不够便捷，因此也可采用在有限元软件NERAP中直接修改单元相关参数的方法实现模型修正。通过对模型几何信息、单元信息和相关拓扑信息的优化过程，生成更精确可靠的数字孪生模型并进行荷载模拟分析，进而对特定工况荷载下的位移响应进行误差对比和分析。其中，本实施例桥梁某跨在相同的静力均布荷载作用下，采用SOLID1单元的位移云图如图6所示；采用SOLID1+SOLID2单元的位移云图如图7所示。有限元模型输入的前处理相关信息和模型分析后处理结果信息可以通过有限元软件NERAP内置的命令流导出功能，生成可供其他安全计算分析模块调取使用的inp文件；求解结果则以res文件的进行保存，可供桥梁全生命周期运维管理模块调用并进行三维模型应力或位移云图的数据重建和平台展示。当桥梁的几何信息、拓扑信息及结构分析相关信息(如单元网格、材料属性、工况荷载和边界处理等信息)需要改变时，可以生成更新的inp文件和res文件以覆盖上一次的输出结果。

步骤四、搭建以数字孪生体为基础的智能运维管理平台

如图2所示，数字孪生体应用模块8可通过信息转接模块21与全生命周期信息运维管理模块9实现信息转接，数字孪生体应用模块8重点内容在于智能化功能目标的实现；全生命周期信息运维管理模块9重点内容在于各类数据的汇集融合、储存备用、调用查看以及交互拓展等功能；信息转接模块21用于数字孪生层应用信息的交换。可以利用上述三个模块进行分层融合，搭建一个以数字孪生体为基础的智能化融合平台，进而实现整桥项目全生命周期信息的智能化运维管理。如图3所示，以数字孪生体的层级架构为基础搭建智能运维管理平台，该平台融合数字孪生体的硬软件基础，主要包括数据感知层22、数字孪生体数据处理层23、数字孪生应用层24和智能建造与运维管理层25。

j.数据感知层及数字孪生体数据处理层：数据感知层22可以针对不同信息源对所需检测的区域进行全面感知和采集，主要包括各种类型IoT传感器、环境与桥梁结构监测模块、人机料法环智能识别模块以及车辆、船舶、行人、设备等状态监测模块；其中，环境与桥梁结构监测模块以环境检测器和大疆无人机点云扫描为基础，主要对桥梁的内外部环境和主体结构施工情况进行检测，包括周围环境的空气质量、桥梁外围的温度或湿度变化、不同气候条件下的日照时间和桥梁结构的实时施工进度；人机料法环智能识别模块以生物特征识别技术和卫星定位技术为基础，对进出施工现场的人员、设备、原材料进行智能识别和快速定位，进而对相关工法标准和环境影响情况进行评估分析和统筹管理；车辆、船舶、行人、设备等状态监测模块中的人车船流量状态监测采用去重后目标特征统计的计数方法，基于实时视频监控进行人车流量统计分析；设备状态监测以安装在桥梁施工机械设备上的状态预警器为基础，对设备运行状态进行实时监测和智能预警，主要包括升降机、塔吊、挂篮等。数字孪生体数据处理层23以桥梁数字孪生体建模为基础，对全面感知的数据进行汇集整理、融合交换、轻量化预处理，最终针对不同模块需求建立有效的信息数据库。数据感知层及数字孪生体数据处理层的具体实现过程如步骤二及步骤三所述，下面介绍以数字孪生体层级架构为基础的智能运维管理平台基本实现过程。

k.数字孪生应用层：数字孪生应用层以数字孪生体应用模块为基础，针对该模块相关功能的硬软件实现要求，结合接收的数据预处理层信息进行整合分析。数字孪生应用层以桥梁结构数字孪生体为应用主体，可以实现包括BIM系统、GIS系统、有限元模拟仿真系统、以数据库为基础的综合运维管理系统、预防性养护决策与评估系统及数字孪生拓展功能等。

具体过程包括：运维管理系统的开发主要涉及脚本语言选定、服务器开发和数据库搭建等步骤。本实施例建议以6D BIM初期信息6、现场综合运维信息20和数字孪生应用模块8转接的有效信息为基础，结合不同工况响应的历史样本，搭建免费开源的MySQL数据库做为全生命周期运维信息数据库；在高配置计算机中采用具有开放源代码并支持跨平台应用的Apache作为Web服务器软件，便于在不同移动设备上浏览查询相关信息；选用PHP(超文本预处理器)作为Web开发的脚本语言，PHP语言支持绝大多数的操作系统和数据库。基于PHP+Apache+MySQL的开发组合，可以在Windows操作系统上进行项目开发和动态网站的具体功能设计等，最终搭建以数据库为基础的综合运维管理系统。预防性养护决策与评估系统的主要内容包括对结构响应进行智能预测及安全评估、对结构损伤部位进行有效识别、自动化生成维护措施或施工方案等，主要涉及智能优化算法、模态参数识别、结构损伤识别等知识基础。本实施例建议采用基于res结果文件设置相应设计变量和目标函数的方法，建立不同构件结构参数或材料性能等变化参数与各种结构部位变形之间的映射关系，采用智能优化算法(如深度学习CNN)对特定工况下的桥梁结构响应进行预测，并借助有限元分析结果验证参数设置合理性及变形预测准确性。深度学习CNN主要用于处理类网格结构的数据，对于有时间序列的实时信息以及图像数据的分析与识别具有显著优势。采用不同响应变量合理范围的限值控制方法，对结构响应的预测结果进行安全性、适用性和耐久性综合评估，生成自动化报表、维护措施、施工建议及评估报告。基于现场实测响应的结构损伤识别过程，本案例建议采用一种先设计模态参数提取方法，得到模态参数识别模型，然后根据模态参数识别结构损伤的检测方法。该检测方法可以识别结构损伤部位并计算损伤指数，再根据损伤指数来判断结构损伤严重程度，进而得到结构损伤的相关检测报告，生成桥梁结构预防性养护决策和健康评估报告。

在数字孪生体修正完善的基础上，可以通过有限元数值模拟的方法实时准确地分析现场工况荷载下结构响应，这是数字孪生体的“感知现在”基本功能；结合历史样本建立不同工况响应数据库，这是数字孪生体的“反映过去”基本功能；结合数据库和智能优化算法进行智能预测及安全评估，这是数字孪生体的“预测未来”基本功能。当现场监测到的桥梁运维信息或桥梁结构力学性能参数有变动时，例如构件的几何尺寸误差、材料属性变化、结构新增病害、支座改变等，这些信息将会通过构件细部调整、材料弹性模量及刚度调整、构件连接方式及空间位置调整等人工信息录入方式反映到BIM系统信息的更新过程中，进而通过二次开发插件的转换方式重新生成有限元分析模型；而对于现场工况和结构边界条件等运维信息的变化，可直接通过有限元软件NERAP进行相应的荷载施加及边界单元调整，经过循环迭代的单元参数优化过程，最后将满足特定条件的信息传输至综合运维系统进行储存应用。大跨度异形塔混合梁悬索桥具有许多重要的结构控制点、复杂的桥梁施工和运维过程、不同结构构件的各种单元参数和网格类型等多种技术特点，可以根据桥梁结构数字孪生体进行数字孪生功能拓展与应用(如AR、VR、云计算等)，为实现桥梁全生命周期信息运维管理提供技术基础。

l.智能建造与运维管理层：智能建造与运维管理层可以与数字孪生应用层进行全面的信息交互融合，充分结合计算机硬软件及应用开发优势，搭建满足全生命周期运维管理要求的数字孪生融合平台。该数字孪生融合平台包含了规划设计、施工管理、运营维护等不同阶段的信息模块，整合了3D建筑模型、4D施工进度、5D工程量成本、6D结构分析等不同维度的信息模块，开拓各部门信息录入管理、各分项协同设计交流和预测性养护决策等模块。

关于数字孪生融合平台的信息系统搭建和实现过程，主要包括数据库的调用和管理平台的功能开发，可以通过网络编辑技术进行管理平台相关功能开发，通过数据库系统开发技术实现数据的采集、储存和分析，通过API技术实现桥梁BIM模型轻量化处理并在Web端便捷显示，实现轻量化的三维模型与各阶段多维度信息相结合，追求可视化信息的最大化应用。

本实施例建议采用浏览器/服务器(Browser/Server)网络系统架构，运用PHP网络编程通过统一的HTML和Javascript语言开发数字孪生智能运维管理平台BIM-MAG的基本应用，使用MySQL数据库系统开发技术实现数据的采集、储存与分析，并与通过WebGL等技术轻量化处理后的BIM模型相结合，最终实现将不同阶段的多维数据统一存储在服务器端。客户端可以通过不同设备的Web端以域名的方式向后台服务器发送请求并进行特定信息的调取及访问，系统可以将基本工程信息、运维管理信息和分析结果信息存储到服务器上，以供客户在BIM-MAG管理平台上进行各种操作、多维度浏览和个性化处理。基本的系统框架分为Web层、业务功能层以及数据访问层，Web层支持用户进行信息查询和信息录入管理等操作；业务功能层用于实施业务和数据规则，主要负责业务功能的处理和实现；数据访问层用于整合存储数据信息并负责数据库的访问和调用，主要包括桥梁设计施工阶段的实体三维模型信息、桥梁运维阶段的各类监测信息、数字孪生应用分析的结果信息等。

此外，还可以在智能运维管理平台BIM-MAG的基础上开发多种拓展功能，主要包括：场景加载、分层级浏览、对象访问及搜索等查询功能，针对不同对象的多种控制效果和动画演示功能，以及通过摄像机视角控制、界面数据动态展示、温湿度云图及粒子效果图等各种可视化功能。搭建针对大跨度复杂桥梁结构的数字孪生智能运维管理平台，有助于全生命周期管理的信息技术融合与应用，推进建筑行业从简单的三维信息化向孪生体数字化发展。

本领域技术人员容易理解，以上所述的某大跨度异形塔混合梁悬索桥仅为本发明的某个较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所作的相关修改、等同替换或改进等，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：包括BIM建模模块、全生命周期运维管理模块、数字孪生基础模块、数字孪生数据转换及优化模块、数字孪生应用模块；

所述BIM建模模块包括用于构件信息设计分类的统一命名和注解标准单元(2)、用于创建桥梁复杂曲线曲面构件的建模模块(3)、用于创建桥梁规整构件的建模模块(4)、用于不同软件之间构件信息转换的模型转换模块(5)；

所述全生命周期运维管理模块包括用于综合信息应用的6DBIM初期信息单元(6)、用于桥梁信息更新修正的综合运维信息单元(20)、用于数字孪生体应用成果管理的全生命周期信息运维管理模块(9)；

所述数字孪生基础模块包括用于现场工况及响应信息采集的各类传感器单元(10、15)、用于传输信息的无线通信传输单元(11、16)、用于处理信息的数据处理单元(12、17)；

所述数字孪生数据转换及优化模块包括用于包含单元信息在内的6DBIM初步信息提取及转换单元(7)、用于有限元结构数值分析的工况信息单元(12)、用于特定工况下模拟分析的结构响应对比单元(18)、基于智能优化算法的单元参数及网格优化单元(19)；

所述数字孪生应用模块包括结合有限元分析及智能分析的数字孪生体应用模块(8)、用于数字孪生层应用信息交互的信息转接模块(21)。

2.根据权利要求1所述的基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：所述6DBIM初期信息单元(6)主要包括桥梁三维模型信息(3D)、整体进度规划信息(4D)、工程量及成本信息(5D)、结构分析相关信息(6D)，其中的结构分析相关信息(6D)主要包括单元参数及网格划分信息、材料属性信息、工况荷载信息和边界处理信息；所述全生命周期信息运维管理模块(9)包括建立综合数据库单元(91)、配置应用服务器单元(92)、数据调用及反馈单元(93)、信息查看及输出单元(94)。

3.根据权利要求2所述的基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：6D BIM初期信息单元(6)的多维信息是基于三维模型信息进行添加和完善的，多维信息通过轻量化后，与生命周期信息运维管理模块(9)之间进行交互；

所述信息转接模块(21)将数字孪生体应用模块(8)中的信息转接并传输至生命周期信息运维管理模块(9)，进而通过信息查看及输出单元(94)实现与6D BIM初期信息单元(6)之间的信息交互。

4.根据权利要求1所述的基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：所述数字孪生体应用模块(8)包括实时计算的有限元数值分析结果(81)、结合历史样本分析结果建立用于智能分析的工况响应数据库(82)、结合数据库进行智能预测及安全评估单元(83)、基于现场实测响应结果的结构损伤部位识别单元(84)、数字孪生应用层其余有效信息单元(85)。

5.根据权利要求4所述的基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：数字孪生应用层其余有效信息单元(85)包括根据优化后的单元及网格参数对BIM结构分析相关信息进行更新；为6D BIM初期信息单元(6)的第六维度结构分析信息提供初期单元及网格参数的取值范围；根据不同工况下的各种类型响应对比(18)及误差分析，对有限元结构分析模型进行边界类型选择与边界简化、荷载模拟有效性及响应监测布置点位进行评估；依据有限元分析及智能分析的结果，自动化生成桥梁结构的预防性养护决策及评估文件。

6.根据权利要求1所述的基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：所述的单元参数及网格优化单元(19)的更新迭代实现过程包括两个层面：通过综合运维信息单元(20)进行现场运维信息更新以及通过不同工况下响应误差对比分析进行单元参数及网格优化(19)及单元信息的迭代更新，其中，综合运维信息单元(20)更新内容主要包括现场工况信息的采集及导入、各种响应信息的采集及对比分析、通过现场外观测量及构件试验获取的几何参数及材料特性综合运维信息。

7.根据权利要求6所述的基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：所述单元参数及网格优化单元(19)包括对单元种类、网格类型、单元划分细度初步信息的迭代优化，在满足不同工况下误差要求的基础上，将迭代优化后的信息传输至数字孪生体应用模块(20)进行分类储存，借助信息转接模块(21)将信息传输至全生命周期信息运维管理模块(9)，进而指导更新6D BIM初期信息单元(6)所包含的结构分析单元参数及网格信息。

8.根据权利要求1所述的基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：综合运维信息单元(20)包括涉及几何参数及材料特性的结构几何信息、力学性能信息、检查试验信息、评定决策信息和维修建议信息，其中，涉及几何参数及材料特性的结构几何信息或力学性能信息用于更新6DBIM初期信息单元(6)；其余的有效运维信息用于更新全生命周期信息运维管理模块(9)。

9.根据权利要求1所述的基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一、建立桥梁结构的BIM三维信息模型；

步骤二、构建数字孪生基础层，具体包括采集桥梁整体状态数据，并将数据传输至数据处理单元和轻量化数据处理；

步骤三、将数字孪生数据进行转换及优化；

步骤四、搭建以数字孪生体层级架构为基础的智能运维管理平台，具体是通过信息转接模块(21)，实现数字孪生体应用模块(8)与全生命周期信息运维管理模块(9)之间的信息转接及综合应用。

10.根据权利要求9所述的基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体的方法，其特征是：所述智能运维管理平台将数字孪生体应用模块(8)、信息转接模块(21)、全生命周期信息运维管理模块(9)进行分层，具体分为数据感知层(22)、数字孪生体数据处理层(23)、数字孪生应用层(24)和智能建造与运维管理层(25)；

所述数据感知层(22)包括各种类型IoT传感器、环境与桥梁结构监测模块、人机料法环智能识别模块以及车辆、船舶、行人、设备状态监测模块；

所述数字孪生体数据处理层(23)包括桥梁数字孪生体建模、现场工况响应数据、力学性能检测数据及其余有效运维数据，并对数据进行汇集整理、融合交换、轻量化预处理，最终针对不同模块需求建立有效的信息数据库；

所述数字孪生应用层(24)包括桥梁结构数字孪生体、BIM系统、GIS系统、有限元模拟仿真系统、以数据库为基础的综合运维管理系统、基于智能预警分析的预防性养护决策与评估系统及其余数字孪生拓展应用；

智能建造与运维管理层(25)包括以不同信息维度划分的三维模型、施工进度信息、工程量成本信息、结构分析的多维信息，以不同建造阶段划分的规划设计、施工管理、运营维护的多阶段信息、以及信息录入及管理、各分项协同交流、预防性养护决策功能模块；

数据感知层(22)的输出端与数字孪生体数据处理层(23)的输入端相连接，数字孪生体数据处理层(23)的输出端与数字孪生应用层(24)的输入端相连接，数字孪生应用层(24)的输出端与智能建造与运维管理层(25)的输入端相连接。

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