本發(fā)明涉及一種基于BIM的巖土工程監(jiān)測模型構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
我國的巖土工程監(jiān)測從20世紀(jì)80年代初開始，監(jiān)測技術(shù)手段以手工操作為主。隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測方法和技術(shù)手段也得到不斷地改進(jìn)和提升。工程界在充分研究了工程監(jiān)測儀器的使用經(jīng)驗(yàn)和效果、儀器種類和技術(shù)性能、質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，確認(rèn)了一批可供選用的儀器；對(duì)這些儀器的技術(shù)指標(biāo)、適用條件、穩(wěn)定性等也有了評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測儀器安裝埋設(shè)與觀測的標(biāo)準(zhǔn)化、程序化和質(zhì)量控制措施也逐步的形成、完善。
由于巖土工程監(jiān)測內(nèi)容較多，但是與工程安全緊密相關(guān)的主要是被監(jiān)測結(jié)構(gòu)體和巖土體的變形大小和均勻程度。因此，目前國內(nèi)巖土工程施工一般都側(cè)重于施工期的變形監(jiān)測，相關(guān)的變形監(jiān)測技術(shù)也得到了較為廣泛的應(yīng)用。與變形監(jiān)測技術(shù)及其預(yù)警預(yù)報(bào)相關(guān)的參考文獻(xiàn)和資料介紹也較多。例如：對(duì)基坑進(jìn)行變形時(shí)運(yùn)用非固定站二次基準(zhǔn)差分技術(shù)；對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行監(jiān)測時(shí)采用了近景攝影測量新技術(shù)；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)基坑的垂直位移和水平位移等進(jìn)行預(yù)測。
盡管許多研究者進(jìn)行了一些較為深入的理論性研究，但是在具體的工程實(shí)踐中，大多數(shù)的監(jiān)測單位都是將直接獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)合同約定時(shí)間向相關(guān)方以報(bào)告形式進(jìn)行簡單的反饋；將階段監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)定的預(yù)警控制值進(jìn)行簡單比較以判定是否超限；并沒有對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入詳細(xì)的分析，沒有采用實(shí)時(shí)監(jiān)測手段及時(shí)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前，變形監(jiān)測的成果大都以監(jiān)測日?qǐng)?bào)表的形式提交給業(yè)主、監(jiān)理、施工和設(shè)計(jì)等單位。監(jiān)測日?qǐng)?bào)表中多采用二維圖形或曲線，如基坑變形觀測的測點(diǎn)平面布設(shè)圖、墻體深層水平位移曲線圖、地表沉降曲線圖以及監(jiān)測點(diǎn)位移變化曲錢等。這些簡單的處理方式不能充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)的價(jià)值，造成一定程度的信息浪費(fèi)；同時(shí)還具有不形象、無法從整體上表現(xiàn)巖土體變形狀態(tài)、各測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏關(guān)聯(lián)性等缺陷。
在巖土工程監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)方面，目前多數(shù)國內(nèi)施工期監(jiān)測信息直接使用電子表格系統(tǒng)(如Excel)或者關(guān)系數(shù)據(jù)庫(如Access)來管理觀測成果，對(duì)數(shù)據(jù)僅能進(jìn)行簡單存儲(chǔ)和處理。當(dāng)前已有的基坑監(jiān)測系統(tǒng)主要存在以下缺點(diǎn)：(1)信息管理功能較弱，一般采用Access等桌面數(shù)據(jù)庫，不適于管理大量的，兼有文字、聲音、圖片和影像等多媒體形式的監(jiān)測數(shù)據(jù)；(2)圖形可視化功能較差，多數(shù)系統(tǒng)只支持靜態(tài)的監(jiān)測平面布置圖顯示，不能進(jìn)行圖形編輯，更不能實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和圖形對(duì)象之間的雙向聯(lián)動(dòng)查詢；(3)查詢功能差，沒有或者只提供了很簡單的查詢功能，不能進(jìn)行復(fù)雜的組合查詢；(4)功能比較單一。
綜上所述，目前的巖土工程監(jiān)測報(bào)告還停留在基于二維圖表的傳統(tǒng)文件管理模式下，沒有建立監(jiān)測圖形數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)不能共享。這種應(yīng)用模式不僅大大降低了監(jiān)測作用、工作效率和管理分析水平,而且無法發(fā)揮海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于BIM巖土工程監(jiān)測模型構(gòu)建方法。
本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
它包括以下步驟：
步驟1：采集監(jiān)測數(shù)據(jù)；
步驟2：對(duì)步驟1的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理；
步驟3：將步驟2插值處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，形成監(jiān)測數(shù)據(jù)三維曲面模型；
步驟4：對(duì)步驟3形成的模型進(jìn)行分析并風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別；
步驟5：對(duì)步驟4分析并風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的數(shù)據(jù)推送至用戶端。
較之現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：將基坑工程施工過程中所引發(fā)的各種土力學(xué)問題、環(huán)境土工學(xué)問題及施工力學(xué)問題,以三維空間曲面、三維空間等值面和結(jié)構(gòu)面等各種可視化手段在計(jì)算機(jī)屏幕上表示出來,以期使工程技術(shù)人員能夠生動(dòng)、直觀地感受土體在受力條件改變后的變形性態(tài)及其隨時(shí)空歷程的變化及趨勢,以便實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)報(bào)工程險(xiǎn)情和環(huán)境土工公害,為施工決策提供依據(jù)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說明：
基于BIM巖土工程監(jiān)測模型構(gòu)建方法，它包括以下步驟：
步驟1：采集監(jiān)測數(shù)據(jù)；
步驟2：對(duì)步驟1的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理；
步驟3：將步驟2插值處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，形成監(jiān)測數(shù)據(jù)三維曲面模型；
步驟4：對(duì)步驟3形成的模型進(jìn)行分析并風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別；
步驟5：對(duì)步驟4分析并風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的數(shù)據(jù)推送至用戶端。
其中，步驟1中采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括但不限于：支護(hù)樁頂沉降和水平位移、支護(hù)樁深層側(cè)向位移、支護(hù)樁和水平支撐的應(yīng)力變化、支撐系統(tǒng)三維變形、錨桿拉力、基坑內(nèi)坑底回彈監(jiān)測、土層分層豎向位移、基坑外側(cè)的土體側(cè)向位移、支護(hù)樁前后土壓力、孔隙水壓力、基坑內(nèi)外的地下水位監(jiān)測、基坑周邊地表、道路沉降、周邊建筑物以及地下管線、地下設(shè)施沉降。
步驟2中采用的插值處理方法為克里金插值算法。
采用克里金插值算法的原因在于：由于受現(xiàn)場條件和成本的限制，基坑監(jiān)測測點(diǎn)的空間分布往往具有相當(dāng)程度的不均勻性。由于采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)大多數(shù)都是離散型的，為實(shí)現(xiàn)其二維或三維圖形表示，必須采用插值算法解析出外推點(diǎn)的數(shù)據(jù)。插值模型的選擇取決于幾個(gè)方面:采集數(shù)據(jù)的對(duì)象的內(nèi)在性質(zhì)與規(guī)律、插值后數(shù)據(jù)表達(dá)信息的真實(shí)性與準(zhǔn)確性?；幼冃尾逯档哪Ｐ蜆?gòu)架主要涉及如何從可視化的角度來滿足對(duì)基坑變形信息的表達(dá)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息表達(dá)的正確性、充分性。
空間插值方法依據(jù)其實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)原理可分為兩類:確定性插值方法與克里金插值。根據(jù)對(duì)若干工程實(shí)例采用多種插值方法的試算，最終選擇變異分析手段為協(xié)方差的克里金插值算法。
步驟3中監(jiān)測數(shù)據(jù)三維曲面模型為不規(guī)則三角網(wǎng)模型或NURBS模型。
對(duì)基坑開挖變形的描述，事實(shí)上可以分解為對(duì)各基坑側(cè)壁平面、臨近區(qū)域地表面，坑底平面等面域變形后曲面形態(tài)的描述。因此，在可視化算法中需要引入“監(jiān)測數(shù)據(jù)三維曲面模型”的概念。
監(jiān)測數(shù)據(jù)三維曲面模型(Moniter Data Model簡稱MDM)是利用一個(gè)坐標(biāo)系中大量選擇的己知x，y，z的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測表面變形形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)。MDM可以分為：規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型、不規(guī)則三角網(wǎng)模型和NURBS模型。與傳統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)相比，MDM有以下特點(diǎn)：精度的恒定性、表達(dá)的多樣性、更新的實(shí)時(shí)性和尺度的綜合性。
由于規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型在實(shí)踐過程中都存在的一定的缺陷，可采用不規(guī)則三角網(wǎng)模型或NURBS模型。
不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN，Triangulated Irregular Network)，通過從不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)、線生成的連續(xù)三角面來表示地形表面。TIN模型通常是根據(jù)區(qū)域內(nèi)的有限散點(diǎn)形成三角面網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的高程值通過線性插值的方法計(jì)算出。三角形邊上的點(diǎn)利用所在邊的兩個(gè)頂點(diǎn)的高程值，三角形內(nèi)的點(diǎn)則用三個(gè)頂點(diǎn)的高程。另外，生成TIN模型是唯一的，并且要求每個(gè)三角形要盡量接近等邊形狀，還要求滿足三角形的邊長之和最小，即保證最鄰近的點(diǎn)構(gòu)成三角形。
TIN模型可以表現(xiàn)復(fù)雜表面的細(xì)部。它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式比格網(wǎng)DEM復(fù)雜，需要存儲(chǔ)點(diǎn)的高程、平面坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)連接的拓?fù)潢P(guān)系、三角形及鄰接三角形等關(guān)系。但是減少了規(guī)則格網(wǎng)方法帶來的數(shù)據(jù)冗余，在計(jì)算效率方面優(yōu)于其他方法。
NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines的縮寫，是非均勻有理B樣條的意思。NURBS是一種非常優(yōu)秀的建模方式，在高級(jí)三維系統(tǒng)當(dāng)中都支持這種建模方式。NURBS能夠比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模方式更好地控制物體表面的曲線度，從而能夠創(chuàng)建出更逼真、生動(dòng)的造型。它具有節(jié)省存儲(chǔ)空間、處理簡便易行、并可保證空間唯一性和幾何不變性等優(yōu)點(diǎn)，有很高的應(yīng)用價(jià)值。其具體原因體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
(1)NURBS具有幾何變換不變性，在比例、旋轉(zhuǎn)、平移、剪切以及平行和透視投影變換下是不變的，這為繪制MDM模型提供了便利的前提。
(2)NURBS是非有理B樣條形式以及有理與非有理Bezier形式的合適推廣，給出更多的控制形狀的自由度，可生成多種規(guī)則和不規(guī)則的形狀，能夠描述更復(fù)雜的圖形。
(3)NURBS能表示自由曲面、等距曲面、過渡曲面、延伸面和掃描面，通過對(duì)這些非封閉曲面片的縫合形成封閉的三維曲面模型，為監(jiān)測結(jié)果的仿真分析提供了條件。
(4)NURBS可通過控制點(diǎn)和權(quán)因子來靈活地改變形狀，對(duì)插入、刪除、修改節(jié)點(diǎn)和幾何插值等能很好地處理，這為修改信息模型提供了方便。
TIN模型和NURBS模型是本發(fā)明監(jiān)測數(shù)據(jù)面域變形可視化的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
步驟4：對(duì)步驟3形成的模型進(jìn)行分析并風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別；
通過巖土工程的深入研究，我們所關(guān)心的是：在基坑開挖過程中，由于土方開挖卸載和地下水控制，將會(huì)引起坑內(nèi)外土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的受力狀態(tài)發(fā)生明顯變化,從而使土體產(chǎn)生變形。當(dāng)坑外土體變形超過一定限度時(shí),將會(huì)引起鄰近地區(qū)地面的沉降，造成既有建構(gòu)筑物、地下管線變形、移位等各種環(huán)境土工公害,嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及鄰近建筑和地下管線的安全；并且可能導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效破壞，釀成嚴(yán)重工程安全事故。為此我們對(duì)開挖過程中基坑周邊一定范圍內(nèi)的土體變形狀態(tài)進(jìn)行可視化計(jì)算分析,以借助BIM三維可視化技術(shù)迅速、直觀、準(zhǔn)確地反映不同施工階段結(jié)構(gòu)體應(yīng)力、位移的變化以及基坑工程施工對(duì)周圍環(huán)境的影響。
受施工擾動(dòng)周圍土體變形的可視化研究,可遵循一般科學(xué)計(jì)算可視化的研究步驟和算法,按照可視化的計(jì)算方法來完成整個(gè)過程；但其與普通意義上的數(shù)據(jù)可視化又有所不同。其研究重點(diǎn)是：利用目前已有的可視化計(jì)算方法和理論來展現(xiàn)受施工影響土體變形過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù),探索和發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)中的有用信息及其隱含的(常規(guī)手段不易發(fā)現(xiàn)的)物理現(xiàn)象,并從基坑工程的角度來分析和研究所發(fā)現(xiàn)的問題。換而言之，使用可視化的技術(shù)手段,將基坑工程施工過程中所引發(fā)的各種土力學(xué)問題、環(huán)境土工學(xué)問題、施工力學(xué)問題,以三維空間曲面,三維空間等值面、結(jié)構(gòu)面等各種可視化手段在計(jì)算機(jī)屏幕上表示出來,以期使工程技術(shù)人員能夠生動(dòng)、直觀地感受土體在受力條件改變后的變形性態(tài)及其隨時(shí)空歷程的變化及趨勢,以便實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)報(bào)工程險(xiǎn)情和環(huán)境土工公害,為施工決策提供依據(jù)。該過程一般可以通過數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析或收集數(shù)據(jù)后進(jìn)行人工分析，同時(shí)還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。
最后應(yīng)說明的是：以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。