建筑施工数字孪生模型智能预警技术研究

建筑施工数字孪生模型智能预警技术研究

路少辉

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摘要：智能建造技术通过将建筑信息模型（BIM）、数字孪生、物联网等信息技术相互融合，在建筑施工中实现目标的信息集成与综合物联。而在目前建筑业的智能化发展过程中，还存在着信息化水平低、管理决策不科学、过于依赖施工经验等问题。因此，首先建立建筑施工数字孪生模型框架，然后搭建智能监控预警系统，通过将现场监测数据与理论模型的信息进行对比，对实际工程施工进行修正，对建筑施工项目智能信息化发展是有指导作用。

关键词：智能建造；物联网；数字孪生；监测预警

引言

在传统数字孪生模型基础上，提出基于数字孪生的建筑施工智能监控预警系统，将现场监测数据与理论模型进行实时对比，对实际工程进行指导与修正。

1 建筑施工数字孪生理论方法

1.1 物理施工

物理施工即客观存在的实际物体，物理施工是整个数字孪生模型的主要数据来源，主要通过相关传感设备对施工现场进行实时监测。

物理施工模型主要包括建筑主体自身的结构、构件及其所蕴含的整个生命周期信息；与施工目标有关的因素，如施工人员，机械设备、建材、工艺、施工环境等。

1.2 虚拟施工

虚拟施工是物理施工的虚拟化，从多角度对施工情况进行刻画，主要包含几何BIM模型和物理有限元模型。

在施工的各个阶段，主要有以下几个方面：在建筑设计阶段，利用高还原度和贴合性的虚拟模型，模拟施工过程、数据计算和分析；在建筑阶段，虚拟模型利用实时获取的现场施工资料和已保存的历史资料，实现对建筑全过程的动态交互和调节。

1.3 数据平台

数据平台的数据主要包含两大类：历史数据主要为运维决策提供基础；实时数据是指通过传感器与物联网实时采集到的各类数据，可以反映出当下目标建筑物的状态，即物理施工的实时状态。

2 建筑施工数字孪生管理模型

实际工程项目中的施工现场主要涵盖信息感知模块和网络连接模块。施工人员、设备、材料、工艺、施工环境是最基本的信息来源，在建造施工时，将所产生的多维、多尺度数据传送至虚拟空间，并按照虚拟空间的指令做出反应。

感知模块包含施工人员、施工设备及现场其他环境中安置的各种传感器，主要用来感知有关施工现场中项目构件的几何信息和物理信息，同样对以上信息进行全时段、不间断的采集。然后，通过网络模块中一套标准的数据接口和通信协议，对各种资源的数据进行统一的转换和传送。

2.1.1智能构件信息设置

智能构件中，将RFID物联网电子标签与嵌入式终端共同放置于构件内部，主要通过安放于构件中的RFID标签实现构件信息读写、识别及传输。通过R F I D电子标签识别到目标构件的I D数据，从而可以对该构件的多种类、多维度属性信息进行了解与检索。

与传感器进行连接，用于实时感知与传输该构件当下的多种类应力应变信息、地理位置信息等。嵌入式终端是整个智能构件系统中的核心，是智能设备间进行信息采集与传递的最重要途径。

为便于理解，此处以施工项目中的某构件M1为例，其ID数据表达式为：M1={A 0 8 1 8，实心柱，C60,180–1000–60}，14.7 MPa,2022–05–05}，(1009,239.9,30.1),(5.0 MPa,3.1 MPa,4.9 MPa)}}。

该公式包含的信息如下：构件的I D编号为A 0 2 1 0 0 2 0 6，表示项目工况8中第1 8根预制实心柱，该构件所使用混凝土强度为C 6 0，尺寸为180 mm×1000 mm×60 mm；该构件在起吊过程中应力限制为14.7 MPa，起吊日期为2022年5月5日；该构件现处本项目相对位置空间坐标（单位：m）为（1009,239.9,30.1），同时对应3个应变传感器经过边缘计算后所对应的应力分别是5.0MPa、3.1MPa、4.9 MPa。

2.1.2智能设备信息设置

智能设备包括设备本体、嵌入式终端、RFID读写器、异构传感器、执行器、控制器等。智能设备的RFID电子标签与智能设备中电子元件所使用的RFID标签可进行信息传递与交流，从而将施工设备中各个电子元件与组成部分所包含的状态信息储存在智能设备的RFID电子标签中。

为便于理解，此处以施工项目中的某设备M1为例，其ID数据表达式为：C1={固定塔机,附着，{SYT80,8 t,100 m,70 m,80 m/min}，占用，0.5 t}。该公式包含的信息如下：该设备为附着式塔机，设备型号是SYT80，最大吊装质量为8 t，最大跨度为100 m，最大起吊高度为70 m，最快提升速度为80 m/min，目前该设备处于使用阶段，目前吊绳所承受质量为0.5 t。

3 智能监测预警系统

为方便施工相关人员尽可能事先预知项目施工中存在的问题，并及时进行调整，本文提出了一种智能预警监测系统。

在智能监测预警系统中，数据来源主要分为两个阶段，即施工方案设计阶段和施工项目实施阶段。而设计阶段的主要工作为：根据设计图纸，分别创建工程项目的BIM模型，根据图纸及BIM模型节点，制作项目中各个关键部位相应的有限元模型。

在建立了理论设计模型与实际监测模型后，对二者进行差值分析：

SIM(STD,i,MAM,i)为理论设计模型与实际监测模型的相差程度，λ、μ为几何信息与物理信息在相似度计算中所占的权重，在多信息计算对比过程中，各类信息由于监测的目标对象不同，赋予权重不同，整体的计算判断结果也不同。

因此，可根据不同工况下实际监测模型数据相较于理论设计模型数据的离散程度来确定权重，离散程度越大，则证明该类信息发生较大波动的可能性越大，即对于施工项目质量安全影响越大。

几何信息中，理论设计数据与实际监测数据在各个工况下的相对差定义为数组x，即x={x1,x2,x3,...,xu}；物理信息中，理论设计数据与实际监测数据在各个工况下的相对差定义为数组y，即y={y1,y2,y3,...,yv}，其中u、v表示几何信息与物理信息涵盖的工况总数量，分别计算各自标准差，按照标准差的大小进行归一化后，得到两类信息指标的权重：

根据公式和采集到的信息计算得到的相差值越小，代表在工程实践中实测模型和理论模型之间的相似度越高，即工程实践中的施工工艺和工程方案更贴近，更能满足理论计算的需要。在相差值过大，超过了项目预估的阈值，则系统进行报警，即认为该误差不可忽视。

该相差值在不同构件、不同设备的不同时刻都在发生着变化，因而该系统可以实现对于项目误差的实时智能监测预警。在系统发出预警后，分别从以下两方面进行判断决策并采取措施。

(1）构件物理信息偏差。构件物理信息偏差主要指构件的实际监测受力信息与理论ABAQUS模型中构件受力产生偏差。

项目管理人员在接收到预警信号后，通过预警信号追踪到建筑物中出现问题的目标构件，根据受力偏差数据，指挥现场吊装人员及相应部位施工人员对目标问题构件进行调整。

(2）构件几何信息偏差。构件几何信息偏差主要指各构件的实际监测位置信息与理论Revit模型中的构件位置产生偏差。

项目管理人员在接收到预警信号后，可提取实时监测信息，通过与理论设计模型的位置进行对比，得到预制构件在空间中的坐标差值，然后指挥现场吊装人员及相应部位施工人员根据x,y,z3个方向的偏移量进行调整。

通过上述两方面进行调整后，重新对已修改构件的物理信息和几何信息进行采集，再次计算该构件理论设计数据与修改后模型的实际监测数据的偏差值，如若超过误差限值γ，则再次进行调整；否则，则该构件整改完毕，继续进行下个预警构件的整改，直至整个过程结束。

结束语

本文在传统的数字孪生五维模型的基础上，建立物理空间信息采集与传输模型，完成数字孪生智能建造框架，同时搭建智能监控预警系统，明确数字孪生模型中物理信息与虚拟信息的偏差计算方式，根据智能监测预警系统中相关功能从而辅助提升实际施工项目的效率与准确性。

参考文献

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