基于BIM-FEM的桥梁结构数字孪生体及方法技术

本发明专利技术涉及一种基于BIM

【技术实现步骤摘要】
基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体及方法


[0001]本专利技术属于桥梁BIM建模
和数字化应用领域，具体涉及一种基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体及方法。

技术介绍

[0002]BIM(Building Information Modeling)的中文翻译为建筑信息模型，包含“建筑”、“信息”和“模型”三大元素，其中数字化信息是BIM的核心要素。充分挖掘桥梁工程专业领域的数字化信息，发挥BIM技术在数字化信息与三维建筑模型相结合的优势，可以形成一个包含建筑工程全生命周期信息的大型数据库。数字孪生(Digital Twin)概念最早是由美国NASA明确提出的，其含义是指依照现实世界中的事物，高度精准地建立与之对应的数字信息模型，进行现实叙述、仿真模拟和预测评估等操作。初期发展的数字孪生技术主要应用于工业级的高精度产业，以统一标准的数字化技术和服务平台来解决现实事物与虚拟数据之间信息交互，进而打破虚实世界之间信息破裂和数据隔阂的局面。要推动传统建筑行业的转型发展，必须用数字孪生的观念来推动3D数字化技术在建筑行业的智能创新应用。
[0003]关于数字孪生体在土木工程行业中的应用，必须结合全生命周期运维管理的建筑信息模型(BIM)与结构数值分析有限单元法(FEM)，在此基础上充分运用智能优化算法及综合数据库进行创新应用和发展。然而，现阶段的基于BIM
‑
FEM的桥梁管理系统多采用相对单一的建模工具，通过桥梁运维基本数据的输入及导出，并结合桥梁BIM数据进行简要的有限元数值分析及应力应变云图导出，最终实现从BIM桥梁运维模块到ANSYS桥梁有限元计算模块的简单智能化实现过程(南京震坤物联网科技有限公司.基于BIM
‑
FEM的桥梁健康评估系统和健康评估方法.CN111611634A.2020
‑
09
‑
01)。针对大跨度复杂桥梁结构体系的建模精度没有提出更高的要求，未采用不同类型BIM软件之间的综合建模及模型转换方法；其建筑信息模型(BIM)没有考虑结构模拟分析中的单元参数及网格信息，缺乏必要的单元参数优化及建筑信息模型修正过程，无法完全等效地模拟现实桥梁；未能建立以基础层、数据层和应用层为代表的数字孪生体，进而实现多维度的智能分析及更广泛的功能应用，为实现真正意义上的全生命周期信息运维管理提供技术支持。因此，有必要提出一种基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体，推进建筑行业从简单的三维信息化向孪生体数字化发展。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：针对大跨度复杂桥梁结构及相关构造(尤其是异形塔、钢箱梁、空间主缆或拉索等曲线曲面构造)建模困难及数据信息离散的问题；建筑信息模型(BIM)无法根据实际情况进行单元参数优化和模型修正的问题；传统的桥梁设计、施工、运维管理及健康评估的智能化水平较低，未涉及数字孪生体的综合应用等问题。
[0005]为解决上述的技术问题，提出一种基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体，具体涉及桥梁在规划设计、施工分析优化以及运营维护等过程，包括BIM建模模块、全生命周期运维管理模块、数字孪生基础模块、数字孪生数据转换及优化模块、数字孪生应用模块，各个功
能模块之间无缝衔接，最终实现以数字孪生体为基础的全生命周期运维管理与应用。该数字孪生体基于桥梁建造及运营维护阶段的结构状态信息采集、数据处理与分析，通过桥梁信息模型(BIM)与有限元分析模型(FEM)的同步更新和参数修正优化，完成结构状态在线综合评估及响应预测，从而实现全生命周期的实时监测与控制。
[0006]本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。
[0007]一种基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体，包括BIM建模模块、全生命周期运维管理模块、数字孪生基础模块、数字孪生数据转换及优化模块、数字孪生应用模块：
[0008]所述BIM建模模块包括用于构件信息设计分类的统一命名和注解标准单元、用于创建桥梁复杂曲线曲面构件的建模模块、用于创建桥梁规整构件的建模模块、用于不同软件之间构件信息转换的模型转换模块；
[0009]所述全生命周期运维管理模块包括用于综合信息应用的6D BIM初期信息单元、用于桥梁信息更新修正的综合运维信息单元、用于数字孪生体应用成果管理的全生命周期信息运维管理模块；
[0010]所述数字孪生基础模块包括用于现场工况及响应信息采集的各类传感器单元、用于传输信息的无线通信传输单元、用于处理信息的数据处理单元；
[0011]所述数字孪生数据转换及优化模块包括用于包含单元信息在内的6D BIM初步信息提取及转换单元、用于有限元结构数值分析的工况信息单元、用于特定工况下模拟分析的结构响应对比单元、基于智能优化算法的单元参数及网格优化单元；
[0012]所述数字孪生应用模块包括结合有限元分析及智能分析的数字孪生体应用模块、用于数字孪生层应用信息交互的信息转接模块。
[0013]优选的，所述6D BIM初期信息单元主要包括桥梁三维模型信息(3D)、整体进度规划信息(4D)、工程量及成本信息(5D)、结构分析相关信息(6D)，其中的结构分析相关信息(6D)主要包括单元参数及网格划分信息、材料属性信息、工况荷载信息和边界处理信息等；所述全生命周期信息运维管理模块包括建立综合数据库单元、配置应用服务器单元、数据调用及反馈单元、信息查看及输出单元。
[0014]优选的，6D BIM初期信息单元的多维信息是基于三维模型信息进行添加和完善的，多维信息通过轻量化后，与生命周期信息运维管理模块之间进行交互；
[0015]所述信息转接模块将数字孪生体应用模块中的信息转接并传输至生命周期信息运维管理模块，进而通过信息查看及输出单元实现与6D BIM初期信息单元之间的信息交互。
[0016]优选的，所述数字孪生体应用模块包括实时计算的有限元数值分析结果、结合历史样本分析结果建立用于智能分析的工况响应数据库、结合数据库进行智能预测及安全评估单元、基于现场实测响应结果的结构损伤部位识别单元、数字孪生应用层其余有效信息单元；
[0017]优选的，数字孪生应用层其余有效信息单元包括：根据优化后的单元及网格参数对BIM结构分析相关信息进行更新；为6D BIM初期信息单元的第六维度结构分析信息提供初期单元及网格参数的取值范围；根据不同工况下的响应误差分析和智能优化分析，对有限元结构分析模型的边界类型选择与边界简化合理性、荷载模拟有效性及响应监测布置点位合理性进行评估；依据有限元分析相关结果自动化生成桥梁结构的预防性养护决策及评
估文件等。
[0018]优选的，所述单元参数及网格优化的更新迭代实现过程包括两个层面，在宏观层面上，可通过综合运维信息单元进行现场运维信息更新；在微观层面上，可通过不同工况下响应误差对比分析进行单元参数及网格优化及单元信息的迭代更新。其中，综合运维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：包括BIM建模模块、全生命周期运维管理模块、数字孪生基础模块、数字孪生数据转换及优化模块、数字孪生应用模块；所述BIM建模模块包括用于构件信息设计分类的统一命名和注解标准单元(2)、用于创建桥梁复杂曲线曲面构件的建模模块(3)、用于创建桥梁规整构件的建模模块(4)、用于不同软件之间构件信息转换的模型转换模块(5)；所述全生命周期运维管理模块包括用于综合信息应用的6DBIM初期信息单元(6)、用于桥梁信息更新修正的综合运维信息单元(20)、用于数字孪生体应用成果管理的全生命周期信息运维管理模块(9)；所述数字孪生基础模块包括用于现场工况及响应信息采集的各类传感器单元(10、15)、用于传输信息的无线通信传输单元(11、16)、用于处理信息的数据处理单元(12、17)；所述数字孪生数据转换及优化模块包括用于包含单元信息在内的6DBIM初步信息提取及转换单元(7)、用于有限元结构数值分析的工况信息单元(12)、用于特定工况下模拟分析的结构响应对比单元(18)、基于智能优化算法的单元参数及网格优化单元(19)；所述数字孪生应用模块包括结合有限元分析及智能分析的数字孪生体应用模块(8)、用于数字孪生层应用信息交互的信息转接模块(21)。2.根据权利要求1所述的基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：所述6DBIM初期信息单元(6)主要包括桥梁三维模型信息(3D)、整体进度规划信息(4D)、工程量及成本信息(5D)、结构分析相关信息(6D)，其中的结构分析相关信息(6D)主要包括单元参数及网格划分信息、材料属性信息、工况荷载信息和边界处理信息；所述全生命周期信息运维管理模块(9)包括建立综合数据库单元(91)、配置应用服务器单元(92)、数据调用及反馈单元(93)、信息查看及输出单元(94)。3.根据权利要求2所述的基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：6D BIM初期信息单元(6)的多维信息是基于三维模型信息进行添加和完善的，多维信息通过轻量化后，与生命周期信息运维管理模块(9)之间进行交互；所述信息转接模块(21)将数字孪生体应用模块(8)中的信息转接并传输至生命周期信息运维管理模块(9)，进而通过信息查看及输出单元(94)实现与6D BIM初期信息单元(6)之间的信息交互。4.根据权利要求1所述的基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：所述数字孪生体应用模块(8)包括实时计算的有限元数值分析结果(81)、结合历史样本分析结果建立用于智能分析的工况响应数据库(82)、结合数据库进行智能预测及安全评估单元(83)、基于现场实测响应结果的结构损伤部位识别单元(84)、数字孪生应用层其余有效信息单元(85)。5.根据权利要求4所述的基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体，其特征是：数字孪生应用层其余有效信息单元(85)包括根据优化后的单元及网格参数对BIM结构分析相关信息进行更新；为6D BIM初期信息单元(6)的第六维度结构分析信息提供初期单元及网格参数的取值范围；根据不同工况下的各种类型响应对比(18)及误差分析，对有限元结构分析模型进行边界类型选择与边界简化、荷载模拟有效性及响应监测布置点位进行评估；依据有限元分析及智能分析的结果，自动化生成桥梁结构的预防性养护决策及评估文件。6.根据权利要求1所述的基于BIM
‑
FEM的桥梁结构数字孪生体...

【专利技术属性】
技术研发人员：周建春，李卫民，梁耀聪，周洋，李潇聪，蒋军来，黄浩志，黄航，左仝，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：