CN116305749A - 一种桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明工程建设技术领域，尤其是涉及一种桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，包括三维交互场地布置与临建设计；参数化工艺设计；资源量化配置；风险识别；边界条件设定与仿真；完成仿真推演；基于虚拟建造系统，建立桥梁架设工程的三维可视化总体施工模型；基于工艺知识库进行桥梁架设工程参数化施工方案的智能匹配；依据施工方案及项目录入信息进行量化资源配置；基于风险隐患库，自动生成桥梁架设工程的结构化风险隐患清单和安全专项计划；根据实际选择或输入桥梁架设工程的边界条件，基于图形引擎对总体施工模型及方案进行仿真模拟，生成项目虚拟建造数据，实现对施工方案的审核、评估、优化。
Description
技术领域
本发明工程建设技术领域，尤其是涉及一种桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法。
背景技术
BIM技术作为建筑深度数字化的重要组成部分和实现转型升级的重要支撑手段，可提升相关企业标准化、专业化、数字化、精细化管理水平，实现企业高质量发展，同时帮助推动建筑行业“数字化转型”。虚拟建造是在计算机技术和信息技术基础上，利用BIM建模技术等建立建筑物或项目工程模型，对各施工生产要素进行模拟建设，同时利用虚拟仿真计算技术进行各种虚拟环境条件下的分析，提前发现实际工程中可能出现的问题，并采取预防措施。
目前，工程建设领域对虚拟建造的需求愈发强烈，存在知识库模板不足、业务应用工具不足，业务应用工具使用难度大，导致虚拟建造应用落地难等问题。因此，亟需通过BIM技术与数字孪生技术，打通从设计到施工的生命周期链条，实现数字世界的建造过程，为实际建造提供仿真数据来源。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，其包括如下步骤：
S1、三维交互场地布置与临建设计，包括：
从虚拟建造系统中导入桥梁架设工程施工场景，叠加施工主体模型、临建设施，从资源库中添加机械资源，生成三维可视化总体施工模型；
S2、参数化工艺设计，包括：
基于工艺知识库，根据桥梁架设工程的特点匹配合适的桥梁工艺参数化模板，智能匹配工艺中每项工作的工序流程，随后匹配构件的施工工艺，整合生成桥梁架设的施工工艺，并进行可视化展示；
S3、资源量化配置，包括：
计算与施工工艺相契合的人力、机械、物料数据，生成量化资源配置计划；
S4、风险识别，包括：
对步骤S2中的施工工艺与步骤S3中的资源配置进行风险因素识别，汇总后生成结构化风险隐患清单和安全专项计划；
S5、边界条件设定与仿真，包括：
对桥梁架设工程的过程成本、工期、气候等边界条件进行约束，并通过仿真计算施工进度；
S6、完成仿真推演，包括：
结合参数化工序、量化资源配置计划、边界条件仿真结果，基于图形引擎技术，将最终桥梁架设施工方案以电子沙盘与3D-PPT的形式进行可视化展示。
优选的，步骤S1，包括如下子步骤：
S11、选择桥梁架设工程初始点，初始化地图影像及周边地形；
S12、通过在线服务的形式导入GIS资源、倾斜摄影数据，创建施工场地及道路，作为总平面布置底图；
S13、在底图上建立主体模型，并调整位置；
S14、从资源库中选择临建模型，搭建项目临建场地；
S15、在资源库中选择对应的机械、人员模型，作为项目初始化的数据来源；
S16、主体模型与临建模型经格式转换，形成轻量化模型，并与总平面布置底图整合，形成三维可视化总体施工模型。
优选的，步骤S2，包括如下子步骤：
S21、桥梁架设工程信息录入；
S22、导入总体施工模型，并进行工程特征识别；
S23、基于工艺知识库进行桥梁工艺参数化模板的匹配，
若匹配成功则执行步骤S24；
若未匹配出合适的施工工艺，则请本领技术人员进行研判，并将结果录入工艺知识库；
S24、对桥梁整体施工工艺中每项工作进行施工工序的智能匹配：
①计算当前桥梁工序的特征匹配度X：
首先，计算桥梁的主要特征参数矩阵A：
其中，a1桥型匹配度、a2截面匹配度、a3材料匹配度、a4上部结构匹配度、a5下部结构匹配度；
其次，计算特征参数的权重矩阵Γ：
Γ＝[τ1,τ2,τ3,τ4,τ5]
其中，τ1～τ5分别为a1～a5的权重，参考工艺知识库中给出的经验系数；
最后，计算当前桥梁工序的特征匹配度X：
X＝ΓΑ
②计算当前工序的匹配度ζ：
ζ＝αX+βY+γZ
其中，Y为工序与总工程的契合度，Z为工序中重难点工程的完成度，α、β、γ分别为X、Y、Z的权重，权重值参考工艺知识库中的经验系数；
③设定匹配次数N，N次匹配后取ζ达最大值时的施工工序。
S25、依据施工工序进行构件施工工艺的匹配，
若匹配成功则执行步骤S26；
若未匹配成功，则请本领技术人员进行研判，并将结果录入工艺知识库；
S26、整合S23至S25中的施工流程、施工工序、构件施工工艺，生成桥梁架设工程的总体施工方案；
S27、基于虚拟建造系统的数字孪生技术和图形引擎技术，将桥梁架设施工工艺进行可视化展示。
优选的，步骤S2中所述工艺知识库包括：
主体工程模型库、临建模型库、机械设备库，为三维交互场地布置与临建设计中高频使用的三维模型资源，极大提高了建模的效率；工艺工法库、风险隐患库、质量检验库，是与模型关联的施工常用数据，将其转化为结构化数据存入资源库，便于在参数化工艺设计和风险识别中进行施工方案的智能匹配，提升了工作效率。
优选的，步骤S3，包括如下子步骤：
S31、绘制施工有向图G，将步骤S2中生成的施工工序绘制成施工有向图G，图中有向边(每个有向边都代表一个工序)的集合为E，各结点的编号为p0，p1，…，pn，使得对任意有向边pipj∈E(G)都有i＜j；
S32、计算各工序的最早开工时间TE(pj),j＝1,2,…,n：
①赋初值TE(p0)＝0；
②依次计算TE(pj)：
TE(pj)＝max{TE(pi)+ω(pi,pj)}
其中，ω(pi,pj)为第j道工序的完工时间；
S33、计算所需人力Qp、机械Qm、物料QR：
①根据S32中各工序的最早开工时间及完工时间，绘制施工甘特图，若工序pj在第x天有施工，则pjx＝1，反之为0；
②计算第x天所需的人力Qpx：
其中，Qj指施工工序j所需的人力；
③同理，计算机械Qm、物料QR。
优选的，步骤S5，包括如下子步骤：
S51、输入桥梁架设工程的实际边界条件：施工进度、投资、成本、气候、水文等；
S52、导入步骤S2至S4生成的施工方案，包括：工程量、施工工序、资源配置、工时；
S53、计算施工进度：利用施工过程多目标优化与多属性决策算法，仿真计算并推演出最优的施工进度和资源方案；
S54、仿真结果以施工组织设计、仿真数据、推演动画的形式导出。
优选的，步骤S5中所述边界条件包括：施工进度、投资、成本、气候、水文，其中施工进度的约束如下：
计算各工序的最晚开工时间TL(pj),j＝n-1,n-2,…,1：
①赋初值TL(pn)＝TE(pn)；
②依次计算TL(pj)：
TL(pj)＝min{TL(pi)-ω(pi,pj)}
第j道施工工序的开工时间T(pj)需满足：
TE(pj)≤T(pj)≤TL(pj)
优选的，步骤S6中，最终桥梁架设施工方案以电子沙盘与3D-PPT的形式进行可视化展示。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明基于工艺知识库，对施工工艺、资源配置、风险识别等进行智能匹配，极大程度上减少工作量，提高了数字化建造水平；同时能够实现桥梁架设施工全过程的虚拟建造及三维可视化，预先发现实际工程中可能出现的问题，提前采取预防措施，保障实际施工过程安全有序的开展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提出的桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法流程图；
图2为本发明提出的桥梁架设工程参数化工艺设计流程图；
图3为本发明提出的桥梁架设工程施工方案生成流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
结合图1、图2所示，本实施例提供一种桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，其包括如下步骤：
S1、三维交互场地布置与临建设计，包括：从虚拟建造系统中导入桥梁架设工程施工场景，叠加施工主体模型、临建设施，从资源库中添加机械资源，生成三维可视化总体施工模型；
S2、参数化工艺设计(要素1)，包括：基于工艺知识库，根据桥梁架设工程的特点匹配合适的桥梁工艺参数化模板，智能匹配工艺中每项工作的工序流程，随后匹配构件的施工工艺，整合生成桥梁架设的施工工艺，并进行可视化展示；
S3、资源量化配置(要素2)，包括：计算与施工工艺相契合的人力、机械、物料数据，生成量化资源配置计划；
S4、风险识别(要素3)，包括：对步骤S2中的施工工艺与步骤S3中的资源配置进行风险因素识别，汇总后生成结构化风险隐患清单和安全专项计划；
S5、边界条件设定与仿真(要素4)，包括：对桥梁架设工程的过程成本、工期、气候等边界条件进行约束，并通过仿真计算施工进度；
S6、完成仿真推演，包括：结合参数化工序、量化资源配置计划、边界条件仿真结果，基于图形引擎技术，将最终桥梁架设施工方案以电子沙盘与3D-PPT的形式进行可视化展示(以电子沙盘与3D-PPT的形式进行可视化展示)。
本实施例中，优选的，步骤S1，包括如下子步骤：
S11、选择桥梁架设工程初始点，初始化地图影像及周边地形；
S12、通过在线服务的形式导入GIS资源、倾斜摄影数据，创建施工场地及道路，作为总平面布置底图；
S13、在底图上建立主体模型，并调整位置；
S14、从资源库中选择临建模型，搭建项目临建场地；
S15、在资源库中选择对应的机械、人员模型，作为项目初始化的数据来源；
S16、主体模型与临建模型经格式转换，形成轻量化模型，并与总平面布置底图整合，形成三维可视化总体施工模型。
优选的，步骤S2，包括如下子步骤：
S21、桥梁架设工程信息录入；
S22、导入总体施工模型，并进行工程特征识别；
S23、基于工艺知识库进行桥梁工艺参数化模板的匹配，
若匹配成功则执行步骤S24；
若未匹配出合适的施工工艺，则请本领技术人员进行研判，并将结果录入工艺知识库；
S24、对桥梁整体施工工艺中每项工作进行施工工序的智能匹配：
①计算当前桥梁工序的特征匹配度X：
首先，计算桥梁的主要特征参数矩阵A：
其中，a1桥型匹配度、a2截面匹配度、a3材料匹配度、a4上部结构匹配度、a5下部结构匹配度；
其次，计算特征参数的权重矩阵Γ：
Γ＝[τ1,τ2,τ3,τ4,τ5]
其中，τ1～τ5分别为a1～a5的权重，参考工艺知识库中给出的经验系数；
最后，计算当前桥梁工序的特征匹配度X：
X＝ΓΑ
②计算当前工序的匹配度ζ：
ζ＝αX+βY+γZ
其中，Y为工序与总工程的契合度，Z为工序中重难点工程的完成度，α、β、γ分别为X、Y、Z的权重，权重值参考工艺知识库中的经验系数；
③设定匹配次数N，N次匹配后取ζ达最大值时的施工工序。
S25、依据施工工序进行构件施工工艺的匹配，
若匹配成功则执行步骤S26；
若未匹配成功，则请本领技术人员进行研判，并将结果录入工艺知识库；
S26、整合S23至S25中的施工流程、施工工序、构件施工工艺，生成桥梁架设工程的总体施工方案；
S27、基于虚拟建造系统的数字孪生技术和图形引擎技术，将桥梁架设施工工艺进行可视化展示。
下面将结合图3桥梁架设工程施工方案生成流程示意图，进一步说明桥梁架设工程基于参数化工艺设计、资源量化配置及风险识别要素的施工方案生成流程。
如图3所示，虚拟建造系统依据桥梁架设工程的特征及三维可视化模型，在资源库中匹配合适的工艺工法模板，得出从施工前准备到验收的桥梁施工流程图；针对施工流程图中的每项工作，如基础施工，进行施工工序的智能匹配，自动生成从场地平整到质量验收的工序流程；针对施工工序中的每项施工提供与之匹配的构件施工工艺，如图3中的桩孔开挖工艺；若工艺知识库中没有匹配成功，则请专业人员进行研判并将结果录入工艺知识库，为以后类似工程做经验积累，通过智能匹配为主和手动微调为辅的方式，将构件、工序、工艺相关联，形成整个桥梁架设工程的施工工艺。进一步，借助资源库中的资源配置模板，依据每个构件的施工工艺进行量化资源配置，如图3中旋挖钻孔的人机资源配置计划，包含：旋挖钻机1台、渣土车10辆、抽水泵2台，作业人员10名。进一步地，基于工艺知识库中的风险隐患库和质量检验库，结合旋挖钻孔的工艺及人机资源的特点，推荐常见的旋钻法危险源及应对措施，并根据实际进行修改后形成安全专项计划。将上述施工工艺、资源配置计划、安全专项计划汇总，即生成桥梁架设工程的施工方案。
本实施例中，优选的，步骤S2中所述工艺知识库包括：
主体工程模型库、临建模型库、机械设备库，为三维交互场地布置与临建设计中高频使用的三维模型资源，极大提高了建模的效率；工艺工法库、风险隐患库、质量检验库，是与模型关联的施工常用数据，将其转化为结构化数据存入资源库，便于在参数化工艺设计和风险识别中进行施工方案的智能匹配，提升了工作效率。
优选的，步骤S3，包括如下子步骤：
S31、绘制施工有向图，将步骤S2中生成的施工工序绘制成施工有向图，图中有向边(每个有向边都代表一个工序)的集合为E，各结点的编号为p0，p1，…，pn，使得对任意有向边pipj∈E(G)都有i＜j；
S32、计算各工序的最早开工时间TE(pj),j＝1,2,…,n：
①赋初值TE(p0)＝0；
②依次计算TE(pj)：
TE(pj)＝max{TE(pi)+ω(pi,pj)}
其中，ω(pi,pj)为第j道工序的完工时间；
S33、计算所需人力Qp、机械Qm、物料QR：
①根据S32中各工序的最早开工时间及完工时间，绘制施工甘特图，若工序pj在第x天有施工，则pjx＝1，反之为0；
②计算第x天所需的人力Qpx：
其中，Qj指施工工序j所需的人力；
③同理，计算机械Qm、物料QR。
优选的，步骤S5，包括如下子步骤：
S51、输入桥梁架设工程的实际边界条件：施工进度、投资、成本、气候、水文，其中施工进度的约束如下：
(1)计算各工序的最晚开工时间TL(pj),j＝n-1,n-2,…,1：
①赋初值TL(pn)＝TE(pn)；
②依次计算TL(pj)：
TL(pj)＝min{TL(pi)-ω(pi,pj)}
(2)第j道施工工序的开工时间T(pj)需满足：
TE(pj)≤T(pj)≤TL(pj)
S52、导入步骤S2至S4生成的施工方案，包括：工程量、施工工序、资源配置、工时；
S53、计算施工进度：利用施工过程多目标优化与多属性决策算法，仿真计算并推演出最优的施工进度和资源方案；
S54、仿真结果以施工组织设计、仿真数据、推演动画的形式导出。
综上，本发明为提升虚拟建造的可视化程度并解决虚拟建造落地难的问题，基于工艺知识库，对施工工艺、资源配置、风险识别等进行智能匹配，极大程度上减少工作量，提高了数字化建造水平；同时能够实现桥梁架设施工全过程的虚拟建造及三维可视化，预先发现实际工程中可能出现的问题，提前采取预防措施，保障实际施工过程安全有序的开展。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、三维交互场地布置与临建设计，包括：
从虚拟建造系统中导入桥梁架设工程施工场景，叠加施工主体模型、临建设施，从资源库中添加机械资源，生成三维可视化总体施工模型；
S2、参数化工艺设计，包括：
基于工艺知识库，根据桥梁架设工程的特点匹配合适的桥梁工艺参数化模板，智能匹配工艺中每项工作的工序流程，随后匹配构件的施工工艺，整合生成桥梁架设的施工工艺，并进行可视化展示；
S3、资源量化配置，包括：
计算与施工工艺相契合的人力、机械、物料数据，生成量化资源配置计划；
S4、风险识别，包括：
对步骤S2中的施工工艺与步骤S3中的资源配置进行风险因素识别，汇总后生成结构化风险隐患清单和安全专项计划；
S5、边界条件设定与仿真，包括：
对桥梁架设工程的过程边界条件进行约束，并通过仿真计算施工进度；
S6、完成仿真推演，包括：
结合参数化工序、量化资源配置计划、边界条件仿真结果，基于图形引擎技术，将最终桥梁架设施工方案进行可视化展示。
2.根据权利要求1所述的桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，其特征在于，步骤S1，包括如下子步骤：
S11、选择桥梁架设工程初始点，初始化地图影像及周边地形；
S12、通过在线服务的形式导入GIS(Geographic Information System，地理信息系统)资源、倾斜摄影数据，创建施工场地及道路，作为总平面布置底图；
S13、在底图上建立主体模型，并调整位置；
S14、从资源库中选择临建模型，搭建项目临建场地；
S15、在资源库中选择对应的机械、人员模型，作为项目初始化的数据来源；
S16、主体模型与临建模型经格式转换，形成轻量化模型，并与总平面布置底图整合，形成三维可视化总体施工模型。
3.根据权利要求1所述的桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，其特征在于，步骤S2，包括如下子步骤：
S21、桥梁架设工程信息录入；
S22、导入总体施工模型，并进行工程特征识别；
S23、基于工艺知识库进行桥梁工艺参数化模板的匹配，
若匹配成功则执行步骤S24；
若未匹配出合适的施工工艺，则请本领技术人员进行研判，并将结果录入工艺知识库；
S24、对桥梁整体施工工艺中每项工作进行施工工序的智能匹配：
①计算当前桥梁工序的特征匹配度X：
首先，计算桥梁的主要特征参数矩阵A：
其中，a1桥型匹配度、a2截面匹配度、a3材料匹配度、a4上部结构匹配度、a5下部结构匹配度；
其次，计算特征参数的权重矩阵Γ：
Γ＝[τ1,τ2,τ3,τ4,τ5]
其中，τ1～τ5分别为a1～a5的权重，参考工艺知识库中给出的经验系数；
最后，计算当前桥梁工序的特征匹配度X：
X＝ΓΑ
②计算当前工序的匹配度ζ：
ζ＝αX+βY+γZ
其中，Y为工序与总工程的契合度，Z为工序中重难点工程的完成度，α、β、γ分别为X、Y、Z的权重，权重值参考工艺知识库中的经验系数；
③设定匹配次数N，N次匹配后取ζ达最大值时的施工工序，
S25、依据施工工序进行构件施工工艺的匹配，
若匹配成功则执行步骤S26；
若未匹配成功，则请本领技术人员进行研判，并将结果录入工艺知识库；
S26、整合S23至S25中的施工流程、施工工序、构件施工工艺，生成桥梁架设工程的总体施工方案；
S27、基于虚拟建造系统的数字孪生技术和图形引擎技术，将桥梁架设施工工艺进行可视化展示。
4.根据权利要求1所述的桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，其特征在于，步骤S2中所述工艺知识库包括：
主体工程模型库、临建模型库、机械设备库，为三维交互场地布置与临建设计中高频使用的三维模型资源；工艺工法库、风险隐患库、质量检验库，是与模型关联的施工常用数据，将其转化为结构化数据存入资源库。
5.根据权利要求1所述的桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，其特征在于，步骤S3，包括如下子步骤：
S31、绘制施工有向图G，将步骤S2中生成的施工工序绘制成施工有向图G，图中有向边(每个有向边都代表一个工序)的集合为E，各结点的编号为p0，p1，...，pn，使得对任意有向边pipj∈E(G)都有i＜j；
S32、计算各工序的最早开工时间TE(pj),j＝1,2,…,n：
①赋初值TE(p0)＝0；
②依次计算TE(pj)：
TE(pj)＝max{TE(pi)+ω(pi,pj)}
其中，ω(pi,pj)为第j道工序的完工时间；
S33、计算所需人力Qp、机械Qm、物料QR：
①根据S32中各工序的最早开工时间及完工时间，绘制施工甘特图，若工序pj在第x天有施工，则pjx＝1，反之为0；
②计算第x天所需的人力Qpx：
其中，Qj指施工工序j所需的人力；
③同理，计算机械Qm、物料QR。
6.根据权利要求1所述的桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，其特征在于，步骤S5，包括如下子步骤：
S51、输入桥梁架设工程的实际边界条件；
S52、导入步骤S2至S4生成的施工方案，包括：工程量、施工工序、资源配置、工时；
S53、计算施工进度：利用施工过程多目标优化与多属性决策算法，仿真计算并推演出最优的施工进度和资源方案；
S54、仿真结果以施工组织设计、仿真数据、推演动画的形式导出。
7.根据权利要求6所述的桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，其特征在于，步骤S5中所述边界条件包括：施工进度、投资、成本、气候、水文，其中施工进度的约束如下：
计算各工序的最晚开工时间TL(pj),j＝n-1,n-2,…,1：
①赋初值TL(pn)＝TE(pn)；
②依次计算TL(pj)：
TL(pj)＝min{TL(pi)-ω(pi,pj)}
第j道施工工序的开工时间T(pj)需满足：
TE(pj)≤T(pj)≤TL(pj)。
8.根据权利要求1所述的桥梁架设工程多要素可视化虚拟建造方法，其特征在于，步骤S6中，最终桥梁架设施工方案以电子沙盘与3D-PPT的形式进行可视化展示。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117725662A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 青岛瑞源工程集团有限公司 | 一种基于市政工程的工程施工仿真方法及系统 |
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2022
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| CN117725662B (zh) * | 2024-02-07 | 2024-04-26 | 青岛瑞源工程集团有限公司 | 一种基于市政工程的工程施工仿真方法及系统 |
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