CN117252042B - 城市地下空间综合承载能力评估系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了城市地下空间综合承载能力评估系统及方法，包括地基承载力检测仪、边缘计算网关分析模块和承载能力评估模块；地基承载力检测仪上载有传感器监测单元。本发明系统采集相关的环境数据，并对采集的环境数据进行对比判断和BIM三维建模分析，当压缩模量或液性指数超过预设安全极限值时，进行承载能力评估，未超过预设安全极限值时进行对建筑地下环境变化进行BIM三维建模分析，辅助工作人员及时发现由施工导致的局部环境变化及潜在的安全风险，为施工人员优化施工流程提供依据，增强了对施工过程监管的时效性，提高了施工安全。
Description
技术领域
本发明涉及城市地下空间承载能力评估领域，尤其涉及城市地下空间综合承载能力评估系统及方法。
背景技术
目前,城市地下空间综合承载能力评估行业刚刚起步,国内还处于探索、试点的阶段。可供借鉴的国内外先进经验并不多,也并不完全适用于国内城市地下空间调查综合承载能力评估的具体情况。
目前城市地下空间的任意一种综合承载能力评估方法都无法解决城市地下空间综合承载能力评估所面临的地质问题。在以往的城市综合承载能力评估工作中,这些工作都是分开实施的,或将综合承载能力评估成果两两之间进行简单的参考对比。但是,在城市地下空间地质调查工作中,存在着许多与常规地质综合承载能力评估不同的具体情况。
一方面,现代化城市地表环境复杂,各类电磁,声波干扰众多,城市地下第四系填土情况复杂,通过单一技术所得到的综合承载能力评估结果可靠性很低:但是,城市空间相对有限,城市综合承载能力评估结果的精度要求也比常规地质综合承载能力评估高出许多。
另一方面,先综合承载能力评估后规划,先规划后建设,综合承载能力评估-规划-建设在时间节点上应做到无缝对接才能保证综合承载能力评估工作成果的有效性及时性。因此城市地下空间综合承载能力评估结果必须及时以支撑规划设计,便于指导地下空间建设。
发明内容
针对城市地下空间过程中存在的对局部环境的影响，本发明提出城市地下空间综合承载能力评估系统及方法，能及时、全面地获取露天环境下新能源基建施工过程中环境变化数据，并且，可以依据这些环境变化数据及时优化施工方案，减少对环境的污染及不可逆破坏。
本发明通过以下技术方案实现：
城市地下空间综合承载能力评估系统，包括地基承载力检测仪、边缘计算网关分析模块和承载能力评估模块；地基承载力检测仪上载有传感器监测单元；
地基承载力检测仪，用于在城市地下空间建设现场检测，通过传感器监测单元采集建筑地下环境的地基承载力数据、压缩模量数据和液性指数数据，并将地基承载力数据、压缩模量数据和液性指数数据传输给边缘计算网关分析模块；
边缘计算网关分析模块，用于将接收的液性指数数据与液性指数预设安全极限值对比，将接收的压缩模量数据与压缩模量预设安全极限值对比，当液性指数数据高于液性指数预设安全极限值或压缩模量数据高于压缩模量预设安全极限值，则启动承载能力评估模块，否则从地基承载力数据中提取混凝土强度等级数据、砌体种类数据并结合液性指数数据和压缩模量数据对建筑地下环境的岩土的抗剪强度变化趋势进行数值BIM三维建模分析，得到并输出BIM三维建模分析结果；
承载能力评估模块，用于在液性指数高于液性指数预设安全极限值或压缩模量高于压缩模量预设安全极限值时承载能力评估。
进一步地，所述传感器监测单元包括：压力传感器、应变传感器和湿度传感器；
压力传感器用于采集建筑地下环境的地基承载力数据并传输给边缘计算网关分析模块；应变传感器用于采集建筑地下环境的压缩模量数据并传输给边缘计算网关分析模块；湿度传感器用于采集建筑地下环境的液性指数数据并传输给边缘计算网关分析模块。
进一步地，所述传感器监测单元还包括用于采集建筑地下环境的岩体样本的岩体采集装置；
承载能力评估模块，还用于在岩体样中的单位体积的压力值大于预设值时承载能力评估。
进一步地，设置多台地基承载力检测仪，每台地基承载力检测仪采集地基承载力数据、压缩模量数据、液性指数数据和岩体样本中的一种。
进一步地，采集岩体样本的地基承载力检测仪连接有主机和位移传感器；位移传感器采集岩体采集装置的位移数据并传输给主机，主机根据接收的位移数据判断岩体是否形变，若发生形变，则控制地基承载力检测仪进行多次采样后进行岩体形变力学分析。
城市地下空间综合承载能力评估方法，包括：利用地基承载力检测仪在城市地下空间建设现场进行检测，采集建筑地下环境的地基承载力数据、液性指数数据和压缩模量数据；
将液性指数数据与液性指数预设安全极限值对比，将压缩模量数据与压缩模量预设安全极限值对比，当液性指数数据高于液性指数预设安全极限值或压缩模量数据高于压缩模量预设安全极限值，则承载能力评估，否则从地基承载力数据中提取混凝土强度等级数据、砌体种类数据并结合液性指数数据和压缩模量数据对建筑地下环境的岩土的抗剪强度变化趋势进行数值BIM三维建模分析，得到并输出BIM三维建模分析结果。
进一步地，所述对建筑地下环境的岩土的抗剪强度变化趋势进行数值BIM三维建模分析，具体包括：
利用地基承载力数据构建出建筑地下的BIM空间结构模型并进行地下空间功能区域划分；
在BIM空间结构模型中，设置抗拉强度的安全范围及地下空间稳定性刚度；
利用弹性理论方法计算岩体的形变分布，得到内力分布；
在BIM空间结构模型中，设置地下空间综合承载能力钢结构系数和抗震等级的设计要求、安全范围以及地下空间稳定性刚度；
利用得到的内力分布作为地下空间承载能力评估的核心参数，利用地下空间承载能力和压缩模量场进行安全评估，得到BIM三维建模分析结果。
进一步地，计算岩体的形变分布时，利用的线弹性力学模型为不同场景下的内力计算模型；利用地下空间承载能力和压缩模量场进行安全评估时，包括线弹性力学模型、刚体运动模型、岩土力学模型。
进一步地，从地基承载力数据中提取混凝土强度等级数据、砌体种类数据具体是：利用Canopy方法对地基承载力数据进行清洗与融合，然后利用卷积神经网络从清洗与融合后的地基承载力数据中提取出目标基础承载力，最后利用有限元分析模型对目标基础承载力进行评估。
进一步地，还包括：利用地基承载力检测仪在城市地下空间建设现场进行检测，采集建筑地下环境的岩体样本，对采集到的岩体样本进行成分检验，得到检验结果；如果检验结果显示岩体样本中的单位体积的压力值大于预设值，则进行承载能力评估以及发出安全提示；如果岩体样本中的单位体积的压力值没有大于预设值，则继续进行施工。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明系统，针对城市地下空间过程中存在对环境的影响，将地基承载力检测仪技术应用于施工建设过程，采集地基承载力数据、压缩模量数据和液性指数数据，提高了基建施工过程的数据采集能力，可以对施工场所进行长期的现场数据采集。本发明系统采集相关的环境数据，并对采集的环境数据进行对比判断和BIM三维建模分析，当压缩模量或液性指数超过预设安全极限值时，进行承载能力评估，未超过预设安全极限值时进行对建筑地下环境变化进行BIM三维建模分析，辅助工作人员及时发现由承载能力变化及潜在的安全风险，进一步地，为施工人员优化施工流程提供依据，增强了对施工过程监管的时效性，保证了施工安全。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为城市地下空间综合承载能力评估系统的模块图。
图2为城市地下空间综合承载能力评估方法的流程图。
实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
如图1，本发明城市地下空间综合承载能力评估系统，包括地基承载力检测仪、边缘计算网关分析模块和承载能力评估模块；地基承载力检测仪上载有传感器监测单元；边缘计算网关分析模块包括数据处理模块和数据输出模块。
地基承载力检测仪，用于在城市地下空间建设现场检测，通过传感器监测单元采集局部环境数据，局部环境数据包括地基承载力数据、压缩模量数据、液性指数数据和岩体样本；具体通过传感器监测单元采集建筑地下环境的地基承载力数据、压缩模量数据、液性指数数据并传输给数据处理模块，通过传感器监测单元采集基建现场局部的空气中岩体样本，后续由人工检验岩体成分。
数据处理模块，将接收的液性指数数据与液性指数预设安全极限值对比，将接收的压缩模量数据与压缩模量预设安全极限值对比，当液性指数高于液性指数预设安全极限值或压缩模量高于压缩模量预设安全极限值，则启动承载能力评估模块通知现场施工的工人；否则对接收的地基承载力数据进行处理，从地基承载力数据中提取混凝土强度的位置、砌体材料的位置以及生成建筑地下的BIM空间结构模型，再结合收集到的液性指数数据和压缩模量数据运用数值计算的方法对建筑地下的岩土的抗剪强度变化趋势进行数值BIM三维建模分析，得到BIM三维建模分析结果。
数据输出模块，用于输出数据处理模块得到的BIM三维建模分析结果。
承载能力评估模块，用于在液性指数高于液性指数预设安全极限值或压缩模量高于压缩模量预设安全极限值时承载能力评估，并在岩体样本中的单位体积的压力值大于预设值时承载能力评估。
单个地基承载力检测仪只负责采集一种环境数据，这样可以降低地基承载力检测仪改装成本，即使某台地基承载力检测仪损坏也不影响其他环境数据的采集，最重要的是可以使用并行式编程架构，降低编程的难度。每种数据采集所使用的地基承载力检测仪数量由施工场所大小决定。负责采集岩体样本的地基承载力检测仪在改装过程中加入以主机为核心的控制电路集成模块和感应岩体采集装置的位移传感器，在主机中提前存入检测岩体采集装置位移变化的判断分析程序，在程序中设定好采集装置的位移或容量数据，用以判断岩体是否形变，若发生形变则通过程序控制地基承载力检测仪进行多次采样后进行岩体形变力学分析。
本发明城市地下空间综合承载能力评估方法，具体实施流程为：
首先，利用地基承载力检测仪采集建筑地下环境的地基承载力数据、液性指数数据、压缩模量数据以及采集岩体样本。
然后，地基承载力检测仪将采集到的地基承载力数据、液性指数数据、压缩模量数据传回数据处理模块。在此数据处理模块中先进行液性指数值和压缩模量值判断，如果液性指数或压缩模量中至少有一个指标超过了其相应的预设安全极限值，则直接启动承载能力评估模块，及发出安全提示，并排查施工环境中的安全隐患或优化施工流程；如果液性指数和压缩模量都没有超过其相应的预设安全极限值，则进行地基承载力数据处理，利用基础承载力处理技术提取混凝土强度等级数据、砌体种类数据以及生成建筑地下的BIM空间结构模型，再结合收集到的液性指数数据和压缩模量数据运用数值计算的方法对建筑地下的岩土的抗剪强度变化趋势进行数值BIM三维建模分析，得到BIM三维建模分析结果。
在数值BIM三维建模分析建筑地下的岩土的抗剪强度变化趋势的计算方式中，本发明不利用常见的形变、压缩模量场和地下空间承载能力的多物理场耦合计算方式，因为这种计算方式虽然准确度较高但是计算时间较长，无法满足应对建筑地下时刻变化的环境；因此，为了能够快速准确的BIM三维建模分析出环境的变化过程，本发明在数值BIM三维建模分析方面利用如图2所示的计算流程：
步骤A1、利用地基承载力数据构建出建筑地下的BIM空间结构模型并进行地下空间功能区域划分；
步骤A2、在BIM空间结构模型中，设置抗拉强度的安全范围及地下空间稳定性刚度；
步骤A3、利用弹性理论方法计算岩体的形变分布，得到内力分布；该过程中线弹性力学模型使用不同场景下的内力计算模型；
步骤A4、在BIM空间结构模型中，设置地下空间综合承载能力钢结构系数和抗震等级的设计要求、安全范围以及地下空间稳定性刚度；
步骤A5、利用得到的内力分布作为地下空间承载能力评估的核心参数，利用地下空间承载能力和压缩模量场进行安全评估时，包括线弹性力学模型、刚体运动模型、岩土力学模型。
输出安全评估的结果，此结果作为研究分析施工过程中对环境影响的依据并为后期优化施工流程提供参考。
需要进一步解释说明的是：由于岩土的抗剪强度环境中自然钢结构系数的流速很慢，提高抗震等级速率的能力远不如有强制对流存在的情况，不存在压力梯度较大的局部区域；因此，近似认为背景地下空间承载能力是稳定的，初始速度为零，压力为岩土的抗剪强度压；再加上进行数值BIM三维建模分析是在确认施工环境中不存在超过预定预设安全极限值的混凝土强度和砌体材料，则近似认为岩土的抗剪强度地下空间承载能力中的钢结构系数驱动力来自重力和混凝土强度的声扰动。
最后，由数据输出模块输出预测结果，为工作人员提供参考，工作人员也可根据预测结果对施工流程和进度做出优化。
在上述工作流程进行的同时，地基承载力检测仪在飞行过程中不断地采集岩体样本。岩体样本采集装置形变后，由工作人员将采集到的岩体样本取下来进行成分检验，得到检验结果；如果检验结果显示岩体样本的单位体积的压力值大于预设值，则直接启动承载能力评估模块，及发出安全提示；如果岩体样本的单位体积的压力值没有大于预设值，则继续进行施工。
本发明使用地基承载力检测仪采集建筑地下实时数据，由边缘计算网关分析模块快速识别由于施工导致的局部环境变化和安全风险，并及时做出反馈帮助施工人员优化方案，消除局部环境变化带来的潜在破坏。该系统能有效增强城市地下空间施工过程的数据采集能力，保证施工人员的安全，及时优化施工流程减少对局部环境的污染，保证了施工安全。
进一步地，本发明还采集岩体样本，通过对岩体样本的检测，监测环境中的污染是否大于预设值，当大于预设值则及时通知现场人员采取积极措施，从而及时纠正环境污染情况。
进一步地，每台地基承载力检测仪只负责采集地基承载力数据、压缩模量数据、液性指数数据和岩体数据中的一种环境数据；从而降低单台地基承载力检测仪的改造成本，避免单台地基承载力检测仪出现故障时对其他环境数据采集的影响，最大程度保证采集环境数据的完整性和准确性，降低了编程的复杂度。
以上所述，仅为发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内以及设计理念和方法，根据本发明的技术方案加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.城市地下空间综合承载能力评估系统，其特征在于，包括地基承载力检测仪、边缘计算网关分析模块和承载能力评估模块；地基承载力检测仪上载有传感器监测单元；
地基承载力检测仪，用于在城市地下空间建设现场检测，通过传感器监测单元采集建筑地下环境的地基承载力数据、压缩模量数据和液性指数数据，并将地基承载力数据、压缩模量数据和液性指数数据传输给边缘计算网关分析模块；
边缘计算网关分析模块，用于将接收的液性指数数据与液性指数预设安全极限值对比，将接收的压缩模量数据与压缩模量预设安全极限值对比，当液性指数数据高于液性指数预设安全极限值或压缩模量数据高于压缩模量预设安全极限值，则启动承载能力评估模块，否则从地基承载力数据中提取混凝土强度等级数据、砌体种类数据并结合液性指数数据和压缩模量数据对建筑地下环境的岩土的抗剪强度变化趋势进行数值BIM三维建模分析，得到并输出BIM三维建模分析结果；
承载能力评估模块，用于在液性指数高于液性指数预设安全极限值或压缩模量高于压缩模量预设安全极限值时承载能力评估。
2.根据权利要求1所述的城市地下空间综合承载能力评估系统，其特征在于，所述传感器监测单元包括：压力传感器、应变传感器和湿度传感器；
压力传感器用于采集建筑地下环境的地基承载力数据并传输给边缘计算网关分析模块；应变传感器用于采集建筑地下环境的压缩模量数据并传输给边缘计算网关分析模块；湿度传感器用于采集建筑地下环境的液性指数数据并传输给边缘计算网关分析模块。
3.根据权利要求1所述的城市地下空间综合承载能力评估系统，其特征在于，所述传感器监测单元还包括用于采集建筑地下环境的岩体样本的岩体采集装置；
承载能力评估模块，还用于在岩体样中的单位体积的压力值大于预设值时承载能力评估。
4.根据权利要求1所述的城市地下空间综合承载能力评估系统，其特征在于，设置多台地基承载力检测仪，每台地基承载力检测仪采集地基承载力数据、压缩模量数据、液性指数数据和岩体样本中的一种。
5.根据权利要求1所述的城市地下空间综合承载能力评估系统，其特征在于，采集岩体样本的地基承载力检测仪连接有主机和位移传感器；位移传感器采集岩体采集装置的位移数据并传输给主机，主机根据接收的位移数据判断岩体是否形变，若发生形变，则控制地基承载力检测仪进行多次采样后进行岩体形变力学分析。
6.城市地下空间综合承载能力评估方法，其特征在于，包括：利用地基承载力检测仪在城市地下空间建设现场进行检测，采集建筑地下环境的地基承载力数据、液性指数数据和压缩模量数据；
将液性指数数据与液性指数预设安全极限值对比，将压缩模量数据与压缩模量预设安全极限值对比，当液性指数数据高于液性指数预设安全极限值或压缩模量数据高于压缩模量预设安全极限值，则承载能力评估，否则从地基承载力数据中提取混凝土强度等级数据、砌体种类数据并结合液性指数数据和压缩模量数据对建筑地下环境的岩土的抗剪强度变化趋势进行数值BIM三维建模分析，得到并输出BIM三维建模分析结果。
7.根据权利要求6所述的城市地下空间综合承载能力评估方法，其特征在于，对建筑地下环境的岩土的抗剪强度变化趋势进行数值BIM三维建模分析，具体包括：
利用地基承载力数据构建出建筑地下的BIM空间结构模型并进行地下空间功能区域划分；
在BIM空间结构模型中，设置抗拉强度的安全范围及地下空间稳定性刚度；
利用弹性理论方法计算岩体的形变分布，得到内力分布；
在BIM空间结构模型中，设置地下空间综合承载能力钢结构系数和抗震等级的设计要求、安全范围以及地下空间稳定性刚度；
利用得到的内力分布作为地下空间承载能力评估的核心参数，利用地下空间承载能力和压缩模量场进行安全评估，得到BIM三维建模分析结果。
8.根据权利要求7所述的城市地下空间综合承载能力评估方法，其特征在于，计算岩体的形变分布时，利用的线弹性力学模型为不同场景下的内力计算模型；
利用地下空间承载能力和压缩模量场进行安全评估时，包括线弹性力学模型、刚体运动模型、岩土力学模型。
9.根据权利要求6所述的城市地下空间综合承载能力评估方法，其特征在于，从地基承载力数据中提取混凝土强度等级数据、砌体种类数据具体是：利用Canopy方法对地基承载力数据进行清洗与融合，然后利用卷积神经网络从清洗与融合后的地基承载力数据中提取出目标基础承载力，最后利用有限元分析模型对目标基础承载力进行评估。
10.根据权利要求6所述的城市地下空间综合承载能力评估方法，其特征在于，还包括：利用地基承载力检测仪在城市地下空间建设现场进行检测，采集建筑地下环境的岩体样本，对采集到的岩体样本进行成分检验，得到检验结果；如果检验结果显示岩体样本中的单位体积的压力值大于预设值，则进行承载能力评估以及发出安全提示；如果岩体样本中的单位体积的压力值没有大于预设值，则继续进行施工。
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2023
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| 长板-短桩工法处理吹填工地基承载性能研究;董必昌;《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》(第4期);303-307 * |
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