CN116738801B - 一种基于数字孪生的索结构智能施工方法 - Google Patents

一种基于数字孪生的索结构智能施工方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种基于数字孪生的索结构智能施工方法，包括：将索结构的施工预先划分为多个施工步骤；在仿真受力分析软件中预先建立索结构的数字孪生模型；对于任意的一个施工步骤，采用数字孪生模型进行施工步骤的仿真计算得到仿真结果；对索结构的物理实体进行施工步骤的施工，测量得到所述施工步骤的实际结果；根据实际结果对数字孪生模型进行调整；采用调整后的数字孪生模型的仿真结果作为下一个施工步骤的条件数据，根据所述条件数据进行下一个施工步骤的施工。本申请通过建立的索结构的数字孪生模型，可以模拟每一个施工步骤的结果，起到预先仿真的作用，根据每一个索结构的物理实体的施工步骤的结果，可以调整数字孪生模型，提高准确性。

Description

一种基于数字孪生的索结构智能施工方法
技术领域
本公开涉及计算机技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的索结构智能施工方法。
背景技术
随着我国城市化进程的持续推进，大跨度索结构在各种大型公共建筑中大量应用建设，结构跨度越来越大，甚至超大跨度方向发展；要求张拉设备数量不断增多，张拉吨位越来越大。大跨索结构成形过程中，提升与张拉的同步性、结构位形和拉索索力的精确控制技术要求高。相关技术中，索结构提升与张拉过程中存在着由于不能够准确的进行每个拉索节点的位移和拉索索力的控制，而导致的风险大、安全事故隐患多的问题。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种基于数字孪生的索结构智能施工方法，以解决上述的问题。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种基于数字孪生的索结构智能施工方法，所述方法包括：
将索结构的施工预先划分为多个施工步骤；
在仿真受力分析软件中预先建立所述索结构的数字孪生模型；
对于任意的一个施工步骤，采用所述数字孪生模型进行所述施工步骤的仿真计算得到所述施工步骤的仿真结果；
对所述索结构的物理实体进行所述施工步骤的施工，测量得到所述施工步骤的实际结果；
根据所述实际结果对所述数字孪生模型进行调整，以使得所述仿真结果接近所述实际结果；
采用调整后的数字孪生模型的仿真结果作为下一个施工步骤的条件数据，根据所述条件数据进行下一个施工步骤的施工，以减小所述下一个施工步骤的施工误差。
在一种实施方式中，预先建立所述索结构的数字孪生模型，包括：
在仿真受力分析软件中建立所述索结构的三维模型；
在所述索结构的物理实体中设置监测设备；
所述监测设备用于获得所述索结构的物理实体中的各种参数；
在所述仿真受力分析软件中，将所述各种参数施加在所述三维模型上，生成所述数字孪生模型；
所述参数至少包括：拉索索力和各拉索节点在空间的三维坐标。
在一种实施方式中，根据所述实际结果和所述仿真结果对所述数字孪生模型进行调整，包括：
对于任意的一个参数，如果所述参数的实际结果和仿真结果的差值大于预定的差值阈值，则对所述数字孪生模型中的所述参数的所述仿真结果进行调整，以更新所述数字孪生模型。
在一种实施方式中，对所述索结构的物理实体进行所述施工步骤的施工之后，所述方法还包括：
获取所述索结构的物理实体的点云模型；
根据所述点云模型生成所述施工步骤的BIM三维模型；
根据每个施工步骤的BIM三维模型生成整个施工过程的施工动画。
在一种实施方式中，所述仿真结果包括对拉索施加的预应力。
在一种实施方式中，所述施工步骤包括：第一个施工步骤，对第1组拉索施加第一预应力；得到每个拉索节点相对于原始位置的第一位移和第一坐标值；
第二个施工步骤，对第2组拉索施加第二预应力；得到每个拉索节点相对于原始位置的第二位移和第二坐标值；
第三个施工步骤，对第3组拉索施加第三预应力；得到每个拉索节点相对于原始位置的第三位移和第三坐标值；
一直到第N个步骤，对第N组拉索施加第N预应力，得到每个拉索节点相对于原始位置的第N位移和第N坐标值；
其中，N为大于3的整数。
在一种实施方式中， 在所述施工动画中，显示每一个施工步骤结束后，每个拉索节点相对于原始位置的位移和坐标值。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请的上述的技术方案，将索结构的施工预先划分为多个施工步骤；
在仿真受力分析软件中预先建立所述索结构的数字孪生模型；对于任意的一个施工步骤，采用所述数字孪生模型进行所述施工步骤的仿真计算得到所述施工步骤的仿真结果；对所述索结构的物理实体进行所述施工步骤的施工，测量得到所述施工步骤的实际结果；根据所述实际结果对所述数字孪生模型进行调整，以使得所述仿真结果接近所述实际结果；采用调整后的数字孪生模型的仿真结果作为下一个施工步骤的条件数据，根据所述条件数据进行下一个施工步骤的施工，以减小所述下一个施工步骤的施工误差。本申请通过建立的索结构的数字孪生模型，可以模拟每一个施工步骤的结果，起到预先仿真的作用，可以指导实际的施工步骤，根据每一个索结构的物理实体的施工步骤的结构，可以调整数字孪生模型，提高数字孪生模型的准确性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于数字孪生的索结构智能施工方法的流程图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种索结构的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是，本申请中所有获取信号、信息或数据的动作都是在遵照所在地国家相应的数据保护法规政策的前提下，并获得由相应装置所有者给予授权的情况下进行的。
本申请提出了一种基于数字孪生的索结构智能施工方法，参见附图1所示的一种基于数字孪生的索结构智能施工方法的流程图；该方法可以包括以下的步骤：
步骤S102中，将索结构的施工预先划分为多个施工步骤。
在一些实施例中，参见附图2，可以按照施工方案来把整个的施工划分为多个施工步骤，所述施工步骤包括以下步骤：
第一个施工步骤，对第1组拉索施加第一预应力；得到每个拉索节点相对于原始位置的第一位移和第一坐标值；
第二个施工步骤，对第2组拉索施加第二预应力；得到每个拉索节点相对于原始位置的第二位移和第二坐标值；
第三个施工步骤，对第3组拉索施加第三预应力；得到每个拉索节点相对于原始位置的第三位移和第三坐标值；
一直到第N个步骤，对第N组拉索施加第N预应力，得到每个拉索节点相对于原始位置的第N位移和第N坐标值；
其中，N为大于3的整数。
步骤S104中，在仿真受力分析软件中预先建立所述索结构的数字孪生模型。
在本实施例中，可以在仿真受力分析软件ANSYS中预先建立所述索结构的数字孪生模型。建立所述索结构的数字孪生模型时，包括第一步，建立三维模型，第二步，在上述的三维模型中赋予参数，参数包括材料属性、力学特性等。
具体的，可以根据设计单位提供的CAD的二维图纸建立三维BIM模型，还可以获取各个施工步的索结构的实际物理模型的点云模型，根据点云模型在REVIT中建立索结构的施工全过程工艺孪生模型。
在一些实施例中，还可以把上述的三维BIM模型和点云模型进行合模，进行综合检查，可以根据点云模型来对三维BIM模型进行修改。
步骤S106中，对于任意的一个施工步骤，采用所述数字孪生模型进行所述施工步骤的仿真计算得到所述施工步骤的仿真结果。
在本实施例中，在物理实体进行施工步骤之前，可以采用所述数字孪生模型进行所述施工步骤的仿真计算，得到施工步骤的仿真结果，这样，可以提高实际施工的安全性。仿真结果包括：对拉索施加的预应力。
步骤S108中，对所述索结构的物理实体进行所述施工步骤的施工，测量得到所述施工步骤的实际结果。
其中，实际结果包括，拉索的索力，拉索节点的位移和空间三维坐标位置。
步骤S110中，根据所述实际结果对所述数字孪生模型进行调整，以使得所述仿真结果接近所述实际结果。
在本实施例中，根据所述实际结果和所述仿真结果对所述数字孪生模型进行调整，可以实际结果为基准，确定仿真结果偏离实际结果的差值，差值大于预定的差值阈值，则确定需要进行调整数字孪生模型。
步骤S112中，采用调整后的数字孪生模型的仿真结果作为下一个施工步骤的条件数据，根据所述条件数据进行下一个施工步骤的施工，以减小所述下一个施工步骤的施工误差。
其中，条件数据包括：各个拉索的索力，拉索节点的空间三维坐标。在ANSYS受力位移分析软件中，需要预先设置每根拉索的预应力大小，才可以进行进一步的仿真。
本申请的上述的技术方案，通过建立的索结构的数字孪生模型，可以模拟每一个施工步骤的结果，起到预先仿真的作用，可以指导实际的施工步骤，根据每一个索结构的物理实体的施工步骤的结构，可以调整数字孪生模型，提高数字孪生模型的准确性。
在一种实施方式中，预先建立所述索结构的数字孪生模型，包括：
在仿真受力分析软件中建立所述索结构的三维模型；
在所述索结构的物理实体中设置监测设备；
所述监测设备用于获得所述索结构的物理实体中的各种参数。
其中，监测设备可以采用力学传感器，可以为每一个拉索设置一个力学传感器，力学传感器用于监测每个拉索节点的受力大小。
监测设备可以为位移传感器，或者全站仪，每一个拉索节点设置一个位移传感器，位移传感器用于监测每个拉索节点的位移。或者，采用全站仪测量每个拉索节点的三维坐标位置。
监测设备还可以采用三维扫描仪，用于对索结构进行扫描，生成索结构的点云模型。
在所述仿真受力分析软件中，将所述各种参数施加在所述三维模型上，生成所述数字孪生模型。
所述参数至少包括：拉索索力和各拉索节点在空间的三维坐标。
在本实施例中，仿真受力分析软件可以采用REVTT，ANSYS软件等。上述的传感器获取到每根拉索的索力，以及拉索节点三维坐标参数之后，可以在上述的仿真受力分析软件中，导入三维模型，然后再上述的三维模型中，为每个拉索设置预应力的大小和拉索节点的三维坐标，从而生成数字孪生模型。
本申请上述的方法，通过设置传感器来获取索结构实体中的各种参数，把实际的参数反馈给三维模型中，生成数字孪生模型，从而有利于提高数字孪生模型的准确性。
在一种实施方式中，根据所述实际结果和所述仿真结果对所述数字孪生模型进行调整，包括：
对于任意的一个参数，如果所述参数的实际结果和仿真结果的差值大于预定的差值阈值，则对所述数字孪生模型中的所述参数的所述仿真结果进行调整，以更新所述数字孪生模型。
在本实施例中，上述的差值阈值可以灵活设定。通过参数的实际结果和仿真结果进行比对，从而可以实现对于数字孪生模型进行纠正更新，从而可以提高数字孪生模型的准确性。
在一种实施方式中，对所述索结构的物理实体进行所述施工步骤的施工之后，所述方法还包括：
获取各个施工步的索结构的物理实体的点云模型；
根据所述点云模型生成所述施工步骤的BIM三维模型；
根据每个施工步骤的BIM三维模型生成整个施工过程的施工动画。
在本实施例中，可以生成施工动画，施工动画有利于用户对于整个施工过程有一个全面生动形象的了解掌握。
在一些实施例中，在所述施工动画中，显示每一个施工步骤结束后，每个拉索节点相对于原始位置的位移和坐标值。
上述方法通过显示施工动画，施工动画中可以显示每个施工步骤结束之后，每个拉索节点相对于原始位置的位移和坐标值。这样，可以形象的向用户展示每个拉索节点的受力以及位移的动态变化过程，有利于用户直观的感受拉索的受力和位移的变化情况，如果发现某一个施工步骤的受力和位移超过了预定的安全范围阈值，则可以更改施工步骤，从而有利于对设计方案进行改进，或者对施工步骤进行改进，可以提高施工的安全性。
下面详施细介绍一种基于数字孪生的索结构智能工方法，包括以下的步骤：
步骤一，根据设计图纸在AUTOCAD中建立索结构的三维单线模型、索结构相关拉索节点的三维实体模型；在REVIT里，建立好族库，建立索结构的BIM模型，按照既定的施工方案制作施工全过程动画，制作索结构相关拉索节点安装的详细视频；
步骤二，将单线模型导入有限元计算分析软件ANSYS中，根据图纸，建立包含单元材质、结构构件特性、边界条件等信息的基本计算模型，按照既定的施工方案进行索结构施工全过程模拟仿真计算分析，得到若干施工步的计算结果，该计算结果包括结构的空间位置、各拉索节点的三向位移、索结构内力、边界钢结构的应力。
步骤三，在施工现场，将各种传感器布置在索结构相应的拉索节点和构件上。布置智能传感器收集施工过程中的索结构物理模型的力学信息，根据需要测定拉索杆件的内力、拉索节点坐标、拉索节点位移，利用柱式拉压力传感器配合静态应变仪来测量拉索索力，利用振弦式应力应变传感器配合振弦式应力应变采集仪来测量钢结构构件的内力，利用全站仪测量上索结构拉索节点的位移和空间三维坐标，利用三维激光扫描仪获得索结构所有构件、拉索节点的点云模型。
步骤四，按照步骤二中的第1个施工步，对现场物理世界的索结构施加预应力，完成第1个施工步后，现场的传感器记录各拉索索力，全站仪记录各拉索节点在空间的三维坐标，三维扫描仪扫描索结构得到点云图形。
步骤五，在ANSYS里建立数字孪生索结构模型，根据步骤四中传感器记录的各种信息进行建模，得到数字孪生索结构模型。
步骤六，根据步骤四中得到的索结构点云图形建立索结构BIM三维模型，与REVIT里对应的施工步骤进行对比，如果确定错误或者误差过大，及时进行调整，以实现索结构施工的工艺孪生。
步骤七，对现场物理世界的索结构施加预应力，按照步骤二中所述的第2个施工步施加荷载步，完成第2个施工步后，现场的传感器记录各个拉索节点的索力，全站仪记录各拉索节点在空间的三维空间坐标，全站仪测量上述索结构每个拉索节点的位移，振弦式应力应变传感器测量边界钢结构的应力，三维扫描仪扫描索结构得到索结构的点云图形。
步骤八，在力学孪生模型中，提取步骤二中的第2个施工步的结构的空间位置、各拉索节点的三向位移、索结构内力、边界钢结构的应力。
步骤九，根据工程特点和施工需要，提前设定好各参数可接受的误差范围，步骤八所得的计算结果和步骤七所得到监测数据进行对比，两者数据误差超过预定阈值时，按照传感器监测所得数据对力学孪生模型的数据进行更新，使得此时的力学模型与施工现场的索结构物理模型形成彼此对应的孪生状态。
步骤十，在REVIT里根据步骤七中得到的点云图形建立BIM模型，获得第2个施工步的索结构工艺孪生模型。
对于接下来的每一个施工步骤，重复进行上述的步骤七-步骤九的步骤，直到完成每一个施工步骤。
本申请的上述方法，利用数字孪生的概念，将有限元软件进行施工全过程仿真计算的结果与施工现场传感器采集到的结构位形与内力信息进行传递与交互，从而实现力学孪生。
本发明将仿真模拟技术、物联网技术、人工智能技术进行集成，在物理施工现场与虚拟施工现场之间建立有效的信息交互机制。解决了传统索结构施工智能化、信息化程度低的问题，提高了索结构施工的信息化水平，提高了索结构施工的质量。提出了基于数字孪生的索结构智能施工方法，可以提高现场安全管理的智能化水平。能够有效地降低由于各个施工步的现场施工误差造成的索结构整体施工误差，解决了因索结构整体施工误差过大而无法达到设计要求的施工完成成型态的问题，提高了施工精确度，保证了施工效率。采用数字孪生技术，可以有效预测索结构施工风险，提前预判，提高对索结构施工安全风险的控制能力。利用数字孪生的概念，采用BIM技术与三维扫描技术实现工艺孪生。解决传统索结构施工过程因体量大、不够直观、查找问题困难的缺陷，提索结构安装过程信息化水平。采用了有限元软件计算与传感器实时采集现场结构数据相结合的方式，两者所得的各项结构数据相辅相成，相互印证。
本领域技术人员在考虑说明书及实践本公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种基于数字孪生的索结构智能施工方法，其特征在于，包括：
将索结构的施工预先划分为多个施工步骤；
在仿真受力分析软件中预先建立所述索结构的数字孪生模型；
对于任意的一个施工步骤，采用所述数字孪生模型进行所述施工步骤的仿真计算得到所述施工步骤的仿真结果；
对所述索结构的物理实体进行所述施工步骤的施工，测量得到所述施工步骤的实际结果；
根据所述实际结果对所述数字孪生模型进行调整，以使得所述仿真结果接近所述实际结果；
采用调整后的数字孪生模型的仿真结果作为下一个施工步骤的条件数据，根据所述条件数据进行下一个施工步骤的施工，以减小所述下一个施工步骤的施工误差；
预先建立所述索结构的数字孪生模型，包括：
在仿真受力分析软件中建立所述索结构的三维模型；
在所述索结构的物理实体中设置监测设备；
所述监测设备用于获得所述索结构的物理实体中的各种参数；
在所述仿真受力分析软件中，将所述各种参数施加在所述三维模型上，生成所述数字孪生模型；
所述参数至少包括：拉索索力和各拉索节点在空间的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的索结构智能施工方法，其特征在于，
根据所述实际结果和所述仿真结果对所述数字孪生模型进行调整，包括：
对于任意的一个参数，如果所述参数的实际结果和仿真结果的差值大于预定的差值阈值，则对所述数字孪生模型中的所述参数的所述仿真结果进行调整，以更新所述数字孪生模型。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的索结构智能施工方法，其特征在于，
对所述索结构的物理实体进行所述施工步骤的施工之后，所述方法还包括：
获取所述索结构的物理实体的点云模型；
根据所述点云模型生成所述施工步骤的BIM三维模型；
根据每个施工步骤的BIM三维模型生成整个施工过程的施工动画。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的索结构智能施工方法，其特征在于，
所述仿真结果包括对拉索施加的预应力。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的索结构智能施工方法，其特征在于，
所述施工步骤包括：
第一个施工步骤，对第1组拉索施加第一预应力；得到每个拉索节点相对于原始位置的第一位移和第一坐标值；
第二个施工步骤，对第2组拉索施加第二预应力；得到每个拉索节点相对于原始位置的第二位移和第二坐标值；
第三个施工步骤，对第3组拉索施加第三预应力；得到每个拉索节点相对于原始位置的第三位移和第三坐标值；
一直到第N个步骤，对第N组拉索施加第N预应力，得到每个拉索节点相对于原始位置的第N位移和第N坐标值；
其中，N为大于3的整数。
6.根据权利要求3所述的基于数字孪生的索结构智能施工方法，其特征在于，
在所述施工动画中，显示每一个施工步骤结束后，每个拉索节点相对于原始位置的位移和坐标值。
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