CN115906255A - 一种基于bim和ar的热力管网布管方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于BIM和AR的热力管网布管方法。一种基于BIM和AR的热力管网布管方法包括:建立地形BIM模块；将初步的热力管网设计方案集合至地形BIM模块中；将地下管道的信息参数导入三维建模软件并生成地下管道模型；通过三维建模软件对所有的管道进行模拟碰撞检测；测量每个碰撞点对应的实际位置的管道线路两侧的土壤硬度，并根据土壤硬度确定管道偏移方向及距离；将最终方案以AR模型上传至控制平台，控制平台通过AR视角契合实际地形，对热力管网布管进行统筹规划，施工人员通过局部的AR模型进行布管操作。通过BIM模型与AR技术融合，能够通过三维模型更清晰地理解施工图纸和操作环境，不易出现施工方向及位置的差错，避免返工，进而提高施工效率。

Description

一种基于BIM和AR的热力管网布管方法

技术领域

本发明涉及建筑设计技术领域，尤其涉及一种基于BIM和AR的热力管网布管方法。

背景技术

热力管网又称热力管道，热力管道是指从供热中心输送到建筑物的供热管道，具有强力的防腐蚀、防泄漏、防热等多种性能，管道发生泄漏时，后果可大可小，由于热力管道是理想的高温液体或高温气体输送管道，因此热力管道的好坏与经济效益和能耗有很大关系，生活中的这些供热管道一般埋在地下，多年来经受各种腐蚀等损伤，为了避免事故，热力管道的质量非常重要，热力管道通常使用聚氨酯硬质泡沫塑料作为保温材料，外面使用玻璃钢或其他材料作为外保护壳。一般热力管道的主材料相同，都是钢管，但其保温与防腐材料输送的介质不同，例如输送气体时需要PE防腐。热力管道的制作设计需要考虑环境条件、暴露在地下或地面、周围是否有腐蚀气体、或所处的环境温度、湿度等多个方面，并且实施的铺设方法，这些都是热力管道设计的重要考虑事项。

在一般的施工过程中，施工人员往往拿到的是施工图纸，只是各个构件的信息在图纸上采用线条绘制表达，其真正的构造形式需要自行想象。此外，施工过程中还容易出现工序碰撞造成的返工、窝工等现象，现场布置不合理造成的二次搬运等问题，造成时间和金钱的浪费。

发明内容

本发明的目的在于为施工人员提供直观立体的热力管网布管施工图纸，提高工作效率，减少现场施工出错，现提供一种基于BIM和AR的热力管网布管方法。

本发明通过如下技术方案实现：一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，包括以下步骤：

S101、通过无人机扫描获取地形数据实时反馈至三维建模软件里面进行地形三维重建，建立地形BIM模块；

S102、在地形BIM模块中规划主热力管道和各支路热力管道的起止点，导入预设的热力管道的规格参数和位置参数，生成各热力管道模型，形成初步的布管路线方案；

S103、获取布管区域的所有地下管道的信息参数并导入三维建模软件，将地下管道的信息参数转换成地下管道模型；

S104、通过三维建模软件对所有的管道进行模拟碰撞检测；

S105、若热力管道与其他地下管道发生碰撞，则进入S106，否则，进入S107；

S106、测量每个碰撞点对应的实际位置的管道线路两侧的土壤硬度，并根据土壤硬度确定管道偏移方向及距离，回到S104；

S107、输出最终的布管路线方案，将最终的布管路线方案以AR模型上传至控制平台，控制平台通过AR视角契合实际地形，对热力管网布管进行统筹规划，施工人员通过局部的AR模型进行布管操作。

进一步的，所述步骤S106具体包括：

S201、获取所有碰撞点的实际位置和热力管道与其他地下管道之间的安全距离数据；

S202、在实际位置的管道线路两侧设置采样点并测量土壤硬度，将土壤坚固系数大于预设阈值的采样点标记为障碍点，取无障碍点的一侧作为热力管道的偏移方向；若碰撞点热力管道两侧的采样点均为障碍点，则分别统计热力管道两侧沿线的障碍点总数，取障碍点总数少的一侧作为热力管道的偏移方向，并对偏移侧的障碍点进行范围测量和对热力管道进行改道规划，结合所述安全距离数据生成各碰撞点的热力管道的偏移参数，导入三维建模软件进行管道路线改道重建。

进一步的，所述S202中采样点的测量深度为30-120cm，土壤硬度以土壤坚固系数为指标，用硬度测量仪进行测量。

进一步的，若碰撞点处的热力管道与其他地下管道在同一水平面上，则优先将热力管道向上偏移所述安全距离。

进一步的，所述对偏移侧的障碍点进行范围测量和对热力管道进行改道规划，具体方法为：

S501、以土壤坚固系数大于预设阈值的采样点为基点，沿管道铺设路径的前后方向分别采用二分法定点测量土壤坚固系数，确认硬土边缘，进而确定障碍点范围；

S502、过硬土边缘做外接圆，标记为改道区域；

S503、沿改道区域所做的外接圆再做外接正方形，沿外接正方形同管道偏移方向的边进行改道铺管。

进一步的，所述步骤106还包括对热力管道进行热损优化，其步骤为：

S601、获取管道周围的地形数据和温度数据，将所得的地形数据和温度数据以及初步方案的热力管道模型导入热传导模型中，输入热力管道内部的导热介质的温度T，进行热力管道与环境之间的热传导模拟测试；

S602、将热力管道路线分割成M段，获取预设周期内每一段热力管道的最低温度P，计算每段管道的单位面积的热量损失，所用计算公式为E＝a(T-P)，式中，E为单位面积热量损失，单位为W/㎡，a为热力管道的换热系数，单位为W/(㎡·℃)；

S603、将单位面积的热量损失大于预设量的管段的热力管道的保温层厚度增加一级，若单位面积的热量损失为预设量的N倍，则相应管段的热力管道增加

级保温层厚度，所述k为热力管道保温层的保温系数。

进一步的，还包括对温度数据中的最高温度与最低温度的温差大于温差阈值的管段增设补偿器，所述补偿器根据施工现场的情况进行安装，具体选用自然补偿器、套管式、波纹管、方形或球形补偿器中的至少一种。

进一步的，所述S107中的布管操作具体包括：

S801、将最终的布管方案上传至AR设备，AR设备根据现场地形生成AR模型，根据AR模型提前制作管道预制件；

S802、划分施工分区，分配管道、管道预制件及配件，各分区同步开工；

S803、清除施工区域内的地下、地上障碍物；

S804、对地下管线及危险地段，做好明显标志；

S805、根据AR模型确定管道的位置和尺寸，结合S804中所做的标志，开挖管道沟槽，进行布管、改道、清理和填土作业。

进一步的，所述布管操作还包括对现场施工管道进行位置编码，并与AR模型中的布管方案的管道位置一一对应，每根管道实行订单式管理，施工人员通过AR设备扫描管道上的编码，进行认领及安装确认，并将管道铺设进度实时更新至控制平台，控制平台对现场进行调控。

本发明有以下优点：

1、通过BIM模型与AR技术融合，施工人员通过佩戴AR设备，能够通过三维模型更清晰地理解施工图纸和操作环境，不易出现施工方向及位置的差错，避免返工，进而提高施工效率，利用BIM和AR软件技术能在一定程度上减小施工人员的工作强度。

2、结合BIM技术对布管的方案进行持续优化，能够使布管方案更加合理，通过对热力管道进行热损优化，能够降低热力管道的热损耗，保持热力管道的供热温度稳定，增加补偿器能够延长热力管道的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的热力管网布管方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加的清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明所述的一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，进一步的详细说明，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

结合图1所示流程图，一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，包括以下步骤：

S101、通过无人机扫描获取地形数据实时反馈至三维建模软件里面进行地形三维重建，建立地形BIM模块；

S102、在地形BIM模块中规划主热力管道和各支路热力管道的起止点，导入预设的热力管道的规格参数和位置参数，生成各热力管道模型，形成初步的布管路线方案；具体地，热力管道的规格参数包括壁厚、管径、长度、弹性模量、线膨胀系数、材料、换热系数、应力承重力等；

S103、获取布管区域的所有地下管道的信息参数并导入三维建模软件，将地下管道的信息参数转换成地下管道模型，具体地，三维建模软件选用AutoPIPE，地下管道的信息参数包括地下管道的种类和对应的管道规格参数以及位置参数，其中地下管道种类包括：燃气管道、下水管道、化工管道和电缆管道等；

S104、通过三维建模软件对所有的管道进行模拟碰撞检测；

S105、若热力管道与其他地下管道发生碰撞，则进入S106，否则，进入S107；

S106、获取所有碰撞点的实际位置和热力管道与其他地下管道之间的安全距离数据，在实际位置的管道线路两侧设置采样点并测量土壤硬度，其中，采样点的测量深度为80cm，土壤硬度以土壤坚固系数为指标，用硬度测量仪进行测量；将土壤坚固系数大于2.0的采样点标记为障碍点，取无障碍点的一侧作为热力管道的偏移方向，若碰撞点热力管道两侧的采样点均为障碍点，则分别统计热力管道两侧沿线的障碍点总数，取障碍点总数少的一侧作为热力管道的偏移方向，并对偏移侧的障碍点进行范围测量和对热力管道进行改道规划，特别地，若碰撞点处的热力管道与其他地下管道在同一水平面上，则优先将热力管道向上偏移对应的安全距离，障碍点少的一侧一定程度上反映了地质偏软，能够降低管道被阻挡的概率，减少一定的工作强度，结合获取的安全距离数据生成各碰撞点的热力管道的偏移参数，导入三维建模软件进行管道路线改道重建，回到S104；其中，安全距离数据为热力管道与不同的地下管道之间为了避免造成管道间的相互干扰，同时为降低安全隐患，所必须保持的最小间距，热力管道的偏移参数包括偏移方向和偏移距离；

S107、输出最终的布管路线方案，将最终的布管路线方案以AR模型上传至控制平台，控制平台通过AR视角契合实际地形，对热力管网布管进行统筹规划，施工人员通过局部的AR模型进行布管操作，其中AR模型通过佩戴于施工人员头部的AR眼镜实现模型生成和画面呈现。

具体地，对偏移侧的障碍点进行范围测量和对热力管道进行改道规划，具体方法为：

S401、以土壤坚固系数大于预设阈值的采样点为基点，沿管道铺设路径的前后方向分别采用二分法定点测量土壤坚固系数，确认硬土边缘，进而确定障碍点范围，即采用二分法逐步查找和逼近硬土边缘；

S402、过硬土边缘做外接圆，标记为改道区域；

S403、沿改道区域所做的外接圆再做外接正方形，沿外接正方形同管道偏移方向的边进行改道铺管，管道偏移方向的一侧由于障碍点数量少，土壤更易挖掘，能一定程度上降低施工强度。

作为本发明更优的实施例，所述步骤106还包括对热力管道进行热损优化，其步骤为：

S601、获取管道周围的地形数据和温度数据，将所得的地形数据和温度数据以及初步方案的热力管道模型导入热传导模型中，输入热力管道内部的导热介质的温度T，进行热力管道与环境之间的热传导模拟测试，其中，地形数据包括土壤的地质类型和建筑物的材质以及土壤和建筑物的热传导系数，温度数据采样上一年冬季气温最低的一天的气温数据，热传导模型为Ansys软件中的热传导分析模块；

S602、将热力管道路线分割成M段，获取预设周期内每一段热力管道的最低温度P，计算每段管道的单位面积的热量损失，所用计算公式为E＝a(T-P)，式中，E为单位面积热量损失，单位为W/㎡，a为热力管道的换热系数，单位为W/(㎡·℃)，其中，M根据热力管道的管线长度确定，可以10米一段进行分段，预设周期为1天；

S603、将单位面积的热量损失大于预设量的管段的热力管道的保温层厚度增加一级，若单位面积的热量损失为预设量的N倍，则相应管段的热力管道增加

级保温层厚度，所述k为热力管道保温层的保温系数，其数值与不同的保温材质有关，

表示为k与N相乘，再向上取整数，本实施例中，预设量为总热量的5％，保温层厚度一级的厚度为10mm。

本发明更优的实施例中，还包括对温度数据中的最高温度与最低温度的温差大于温差阈值的管段增设补偿器，补偿器用于补偿吸收管道的轴向、横向和角向热变形，可以根据施工现场的情况进行安装，具体选用自然补偿器、套管式、波纹管、方形或球形补偿器中的至少一种，本实施例温差阈值取值10℃。

具体地，步骤S107中的布管操作具体包括：

S701、将最终的布管方案上传至AR设备，AR设备根据现场地形生成AR模型，根据AR模型提前制作管道预制件，提前制作预制件，可以提高工作效率；

S702、划分施工分区，分配管道、管道预制件及配件，各分区同步开工；先分配好材料和人员，各区域同步施工，能够加快施工进度；

S703、清除施工区域内的地下、地上障碍物；

S704、对地下管线及危险地段，做好明显标志；

S705、根据AR模型确定管道的位置和尺寸，结合S704所做标志，开挖管道沟槽，进行布管、改道、清理和填土作业。

作为布管操作更优的方案，可在布管操作前，对现场施工管道进行位置编码，并与AR模型中的布管方案的管道位置一一对应，每根管道实行订单式管理，施工人员通过AR眼镜扫描管道上的编码，进行认领及安装确认，并将管道铺设进度实时更新至控制平台，控制平台对现场进行调控，实行订单式管理能够确保管道对号入座，不会出现装错管的问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、通过无人机扫描获取地形数据实时反馈至三维建模软件里面进行地形三维重建，建立地形BIM模块；

S102、在地形BIM模块中规划主热力管道和各支路热力管道的起止点，导入预设的热力管道的规格参数和位置参数，生成各热力管道模型，形成初步的布管路线方案；

S103、获取布管区域的所有地下管道的信息参数并导入三维建模软件，将地下管道的信息参数转换成地下管道模型；

S104、通过三维建模软件对所有的管道进行模拟碰撞检测；

S105、若热力管道与其他地下管道发生碰撞，则进入S106，否则，进入S107；；

S106、测量每个碰撞点对应的实际位置的管道线路两侧的土壤硬度，并根据土壤硬度确定管道偏移方向及距离，回到S104；

S107、输出最终的布管路线方案，将最终的布管路线方案以AR模型上传至控制平台，控制平台通过AR视角契合实际地形，对热力管网布管进行统筹规划，施工人员通过局部的AR模型进行布管操作。

2.根据权利要求1所述的一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，其特征在于，所述步骤S106具体包括：

S201、获取所有碰撞点的实际位置和热力管道与其他地下管道之间的安全距离数据；

S202、在实际位置的管道线路两侧设置采样点并测量土壤硬度，将土壤坚固系数大于预设阈值的采样点标记为障碍点，取无障碍点的一侧作为热力管道的偏移方向；若碰撞点热力管道两侧的采样点均为障碍点，则分别统计热力管道两侧沿线的障碍点总数，取障碍点总数少的一侧作为热力管道的偏移方向，并对偏移侧的障碍点进行范围测量和对热力管道进行改道规划，结合所述安全距离数据生成各碰撞点的热力管道的偏移参数，导入三维建模软件进行管道路线改道重建。

3.根据权利要求2所述的一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，其特征在于，所述S202中采样点的测量深度为30-120cm，土壤硬度以土壤坚固系数为指标，用硬度测量仪进行测量。

4.根据权利要求2所述的一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，其特征在于，若碰撞点处的热力管道与其他地下管道在同一水平面上，则优先将热力管道向上偏移所述安全距离。

5.根据权利要求2所述的一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，其特征在于，所述对偏移侧的障碍点进行范围测量和对热力管道进行改道规划，具体方法为：

S501、以土壤坚固系数大于预设阈值的采样点为基点，沿管道铺设路径的前后方向分别采用二分法定点测量土壤坚固系数，确认硬土边缘，进而确定障碍点范围；

S502、过硬土边缘做外接圆，标记为改道区域；

S503、沿改道区域所做的外接圆再做外接正方形，沿外接正方形同管道偏移方向的边进行改道铺管。

6.根据权利要求1所述的一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，其特征在于，所述步骤106还包括对热力管道进行热损优化，其步骤为：

S601、获取管道周围的地形数据和温度数据，将所得的地形数据和温度数据以及初步方案的热力管道模型导入热传导模型中，输入热力管道内部的导热介质的温度T，进行热力管道与环境之间的热传导模拟测试；

S602、将热力管道路线分割成M段，获取预设周期内每一段热力管道的最低温度P，计算每段管道的单位面积的热量损失，所用计算公式为E＝a(T-P)，式中，E为单位面积热量损失，单位为W/㎡，a为热力管道的换热系数，单位为W/(㎡·℃)；

S603、将单位面积的热量损失大于预设量的管段的热力管道的保温层厚度增加一级，若单位面积的热量损失为预设量的N倍，则相应管段的热力管道增加

级保温层厚度，所述k为热力管道保温层的保温系数。

7.根据权利要求6所述的一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，其特征在于，还包括对温度数据中的最高温度与最低温度的温差大于温差阈值的管段增设补偿器，所述补偿器根据施工现场的情况进行安装，具体选用自然补偿器、套管式、波纹管、方形或球形补偿器中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，其特征在于，所述S107中的布管操作具体包括：

S801、将最终的布管方案上传至AR设备，AR设备根据现场地形生成AR模型，根据AR模型提前制作管道预制件；

S802、划分施工分区，分配管道、管道预制件及配件，各分区同步开工；

S803、清除施工区域内的地下、地上障碍物；

S804、对地下管线及危险地段，做好明显标志；

S805、根据AR模型确定管道的位置和尺寸，结合S804中所做的标志，开挖管道沟槽，进行布管、改道、清理和填土作业。

9.根据权利要求1所述的一种基于BIM和AR的热力管网布管方法，其特征在于，所述布管操作还包括对现场施工管道进行位置编码，并与AR模型中的布管方案的管道位置一一对应，每根管道实行订单式管理，施工人员通过AR设备扫描管道上的编码，进行认领及安装确认，并将管道铺设进度实时更新至控制平台，控制平台对现场进行调控。

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