基于AR技术的建筑运维期结构内力实时评估方法

摘要

本发明的基于AR技术的建筑运维期结构内力实时评估方法，涉及建筑施工技术领域。针对现有基于VR和BIM技术进行建筑结构运维期内力状态分析的方法，无法获知建筑结构内准确的内力状态的问题。评估方法步骤如下：利用增强现实技术获得建筑结构内可变物体信息，并基于可变物体与荷载工况的对应关系，将荷载工况集成至增强现实场景中，根据真实场景下的荷载工况建立荷载组合，将其与设计荷载组合进行对比得到真实场景下关键性构件的实际内力安全系数，通过实际内力安全系数和设计内力安全系数的比值对建筑结构内力状态进行实时评估。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种基于AR技术的建筑运维期结构内力实时评估方法。

背景技术

在建筑结构的运维期内，尤其是大型公共场馆(如体育馆、展览馆)以及道路桥隧等，均存在内外部荷载的随机性变化，这些变化与建筑结构内力直接相关。建筑结构内力关系到建筑的整体安全性，是建筑结构运维的关键组成部分。

通常，建筑结构的运维多通过前期设计给定的安全余量提供保障，但是，一方面随着建筑结构使用时间的增长，建筑结构的性能不断退化，其安全余量将不断降低；另一方面，建筑结构亦可能出现设计阶段未能充分考虑的极端荷载情况，使得安全余量在极端荷载下有极大概率不能满足安全需求，因此，建筑结构的内力状态评估应在建筑结构的运维期间进行定期或连续的监测和评估，监测和评估的关键在于获取建筑结构的可变特征，主要表征为实际建筑结构中人和/或物的位置、数量、重量变化，环境荷载(如温湿度)及风荷载变化等。

目前，已有基于虚拟现实(VR)技术、BIM技术的联合应用以解决上述问题，具体方式为建立建筑结构的三维模型，将上述可变特征引入建筑结构的三维模型中进行内力的分析和评估，但是，采用上述方法产生的三维模型是静态模型，不能快速响应建筑结构内力的动态变化，无法获知建筑结构内准确的内力状态。

发明内容

针对现有基于VR和BIM技术进行建筑结构运维期内力状态分析的方法，无法获知建筑结构内准确的内力状态的问题。本发明的目的是提供一种基于AR技术的建筑运维期结构内力实时评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于AR技术的建筑运维期结构内力实时评估方法，步骤如下：

S1：对建筑结构进行区块划分，给出每个所述区块对应的设计的荷载工况、荷载组合、以及既定荷载组合下所述建筑结构内关键性构件的设计内力安全系数；

S2：建立建筑结构内可变物体与荷载工况的对应关系；

S3：基于增强现实技术对每个所述区块进行跟踪注册和场景扫描，给出当前每个所述区块内增加的可变物体以及减少的可变物体的信息，并基于所述可变物体与所述荷载工况的对应关系，将所述可变物体与所述荷载工况进行换算，形成真实场景下的荷载工况；

S4：根据所述真实场景下的荷载工况建立荷载组合，将其与设计的荷载组合进行对比，得到真实场景下关键性构件的实际内力安全系数，对所述建筑结构的内力状态进行实时评估如下：

当真实场景下关键性构件的实际内力安全系数大于关键性构件的设计内力安全系数，则所述建筑结构处于安全状态；

当真实场景下关键性构件的实际内力安全系数小于关键性构件的设计内力安全系数但大于1，则所述建筑结构仍处于安全状态，但安全余量降低；

当真实场景下关键性构件的实际内力安全系数小于1，则所述建筑结构处于危险状态。

本发明的基于AR技术的建筑运维期结构内力实时评估方法，利用增强现实技术获得建筑结构内可变物体信息，并基于可变物体与荷载工况的对应关系，将荷载工况集成至增强现实场景中，根据真实场景下的荷载工况建立荷载组合，将其与设计荷载组合进行对比得到真实场景下关键性构件的实际内力安全系数，通过实际内力安全系数和设计内力安全系数的比值对建筑结构内力状态进行实时评估，具有如下有益效果：

1、增强现实技术可提供相较于虚拟现实技术更优的解决方案，虚拟现实技术提供的是建筑结构的全三维静态模型，而全三维静态模型与实际建筑结构在运维期内将出现动态差异性，其在虚拟现实场景中难以得到快速配置，而增强现实技术提供的是建筑结构可变物体的虚拟化三维模型，并配合建筑结构的实际场景，上述动态差异性可通过增强现实的融合模拟技术快速实现配置，从而使增强现实场景下的三维空间特征与实际建筑特征保持一致，因此，相较于虚拟现实技术产生的静态模型，增强现实技术采用的是动态增量模型，其基础场景始终是现实场景，因而更能快速响应建筑结构的动态变化；

2、将增强现实技术下的增量模型虚拟技术与建筑结构运维期内的动态变化特征相匹配，将增强现实场景与建筑结构的内力状态评估相结合，从而使增强现实技术真正应用于建筑结构运维期的性能评估，提高了建筑结构内力安全评估的适用性和效率，提升了增强现实技术在建筑领域的应用的广度和深度；

3、基于荷载工况及荷载组合，给出增强现实场景下关键性构件的实际内力安全系数的快速计算方法，通过与设计内力安全系数的对比得出建筑结构内力状态的实时评估，提升了内力状态评估的效率和可靠性。

更进一步，所述步骤S2中，所述可变物体与所述荷载工况的对应关系如下：

新增/减少物体荷载，对应二期恒载荷载工况，形式为集中力荷载及均布荷载；

新增/减少人员荷载，对应人群荷载工况，形式为均布荷载；

新增/减少车辆等移动机具荷载，对应其他活荷载工况，形式为集中力荷载；

新增/减少风荷载，对应风荷载工况，形式为均布荷载；

新增/减少温湿度，对应温湿度荷载工况，形式为体荷载。

更进一步，所述步骤S4中，真实场景下关键性构件的实际内力安全系数的计算方法如下：真实场景下关键性构件的实际内力安全系数＝关键性构件的设计内力安全系数×Σ(设计的荷载工况对应的结构内力×工况组合系数)/Σ(真实场景下的荷载工况对应的结构内力×工况组合系数)。

更进一步，所述步骤S4还包括，真实场景下关键性构件的实际内力安全系数根据需要直接显示于增强现实场景。

更进一步，所述步骤S4还包括：通过增强现实技术预先模拟所述荷载工况，预先得知所述关键性构件在预设场景下的实际内力安全系数。

更进一步，所述步骤S1还包括对所述关键性构件的设计内力安全系数进行修正，步骤如下：在一段时期内，针对多种不同荷载条件下的实际荷载情况，连续监测所述关键性构件的结构内力，获取所述关键性构件的实际内力数据；

基于增强现实技术同步获取所述多种不同荷载条件下的荷载工况对应的所述关键性构件的结构内力，并计算其在荷载组合下的理论内力数据；

如各种不同荷载条件下的实际内力均大于理论内力，则判断所述关键性构件性能下降，采用所述实际内力重新计算所述关键性构件的设计内力安全系数。

更进一步，修正后的关键性构件的设计内力安全系数的计算方法如下：修正后关键性构件的设计内力安全系数＝修正前关键性构件的设计内力安全系数×(理论内力/实际内力)。

更进一步，修正前后的关键性构件的设计内力安全系数根据需要直接显示于增强现实场景。

附图说明

图1为本发明的基于AR技术的建筑运维期结构内力实时评估及修正方法一实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

结合图1说明本发明的基于AR技术的建筑运维期结构内力实时评估方法，具体步骤如下：

S1：对建筑结构进行区块划分，所述区块是具有内力评估意义的区块，如大型公共场馆按照层或房间划分，道路桥隧按照公里数划分等；针对每个区块，基于建筑结构设计资料给出所述区块对应的设计的荷载工况(如集中力、均布荷载、体荷载等)、荷载组合、以及既定荷载组合下关键性构件的设计内力安全系数，关键性构件指的是内力值较大，或内力变化值较大的构件；

S2：建立建筑结构内可变物体与荷载工况的对应关系；

S3：基于增强现实技术对每个区块进行跟踪注册和场景扫描，给出当前每个区块内增加的可变物体以及减少的可变物体的信息，并基于可变物体与荷载工况的对应关系，将可变物体与荷载工况进行换算，从而快速形成真实场景下的荷载工况；

S4：根据真实场景下的荷载工况建立荷载组合，将其与设计的荷载组合进行对比，得到真实场景下关键性构件的实际内力安全系数，对建筑结构的内力状态进行实时评估如下：

当真实场景下关键性构件的实际内力安全系数大于关键性构件的设计内力安全系数，则建筑结构处于安全状态；

当真实场景下关键性构件的实际内力安全系数小于关键性构件的设计内力安全系数但大于1，则建筑结构仍处于安全状态，但安全余量降低；

当真实场景下关键性构件的实际内力安全系数小于1，则建筑结构处于危险状态。

简化表达即

实际内力安全系数≥设计内力安全系数 安全

1≤实际内力安全系数<设计内力安全系数 安全但安全余量降低

实际内力安全系数<1 危险

本发明的基于AR技术的建筑运维期结构内力实时评估方法，利用增强现实技术获得建筑结构内可变物体信息，并基于可变物体与荷载工况的对应关系，将荷载工况集成至增强现实场景中，根据真实场景下的荷载工况建立荷载组合，将其与设计荷载组合进行对比得到真实场景下关键性构件的实际内力安全系数，通过实际内力安全系数和设计内力安全系数的比值对建筑结构内力状态进行实时评估，具有如下有益效果：

1、增强现实(Augmented Reality，简称AR)能够有效的将虚拟物体融合集成到实际场景中，从而为实际场景中虚拟物体布置提供预先的模拟演算，在应对建筑行业的虚拟建造和虚拟维护需求方面有较高的使用价值，但是面向建筑结构的虚拟运维需求，增强现实技术可提供相较于虚拟现实技术更优的解决方案，其区别性优势在于：虚拟现实技术提供的是建筑结构的全三维静态模型，而全三维静态模型与实际建筑结构在运维期内将出现动态差异性，其在虚拟现实场景中难以得到快速配置，而增强现实技术提供的是建筑结构可变物体的虚拟化三维模型，并配合建筑结构的实际场景，上述动态差异性可通过增强现实的融合模拟技术快速实现配置，从而使增强现实场景下的三维空间特征与实际建筑特征保持一致，因此，相较于虚拟现实技术产生的静态模型，增强现实技术采用的是动态增量模型，其基础场景始终是现实场景，因而更能快速响应建筑结构的动态变化；

2、将增强现实技术下的增量模型虚拟技术与建筑结构运维期内的动态变化特征相匹配，将增强现实场景与建筑结构的内力状态评估相结合，从而使增强现实技术真正应用于建筑结构运维期的性能评估，提高了建筑结构内力安全评估的适用性和效率，提升了增强现实技术在建筑领域的应用的广度和深度；

3、基于荷载工况及荷载组合，给出增强现实场景下关键性构件的实际内力安全系数的快速计算方法，通过与设计内力安全系数的对比得出建筑结构内力状态的实时评估，提升了内力状态评估的效率和可靠性。

上述步骤S2中，可变物体与荷载工况的对应关系参照如下方式进行：

新增/减少物体荷载，对应二期恒载荷载工况，形式为集中力荷载及均布荷载；

新增/减少人员荷载，对应人群荷载工况，形式为均布荷载；

新增/减少车辆等移动机具荷载，对应其他活荷载工况，形式为集中力荷载；

新增/减少风荷载，对应风荷载工况，形式为均布荷载；

新增/减少温湿度，对应温湿度荷载工况，形式为体荷载。

上述步骤S4中，真实场景下关键性构件的实际内力安全系数的计算方法如下：真实场景下关键性构件的实际内力安全系数＝关键性构件的设计内力安全系数×Σ(设计的荷载工况对应的结构内力×工况组合系数)/Σ(真实场景下的荷载工况对应的结构内力×工况组合系数)。工况组合系数是指评估结构安全性时，对某类型荷载考虑的权重程度，该系数可通过经验或相关的设计规范获取。

上述步骤S4还包括，真实场景下关键性构件的实际内力安全系数可根据需要直接显示在增强现实场景中，供内力实时评估使用，更加直观、方便，提高了内力状态评估的工作效率。

上述步骤S4还包括，通过增强现实技术预先模拟荷载工况，预先得知关键性构件在预设场景下的实际内力安全系数，进一步对建筑结构运维期内力安全状态进行评估。

实施例2

与实施例1不同的是，考虑到建筑结构会随时间而发生退化，需要对建筑结构设计资料给定的既定荷载组合下关键性构件的设计内力安全系数进行定期修正，上述步骤S1还包括对所述关键性构件的设计内力安全系数进行修正，步骤如下：

在一段时期内，针对多种不同荷载条件下的实际荷载情况，连续监测关键性构件的结构内力，获取关键性构件的实际内力数据；

基于增强现实技术，同步获取上述多种不同荷载条件下的荷载工况对应的关键性构件的结构内力，并计算其在荷载组合下的理论内力数据；

如各种不同荷载条件下的实际内力均大于理论内力，则判断该关键性构件性能下降，应采用实际内力重新计算修正后关键性构件的设计内力安全系数，且修正后关键性构件的设计内力安全系数＝修正前关键性构件的设计内力安全系数×(理论内力/实际内力)，以提高建筑结构内力评估结果的可靠性，需指出的是，该修正方法得出的内力安全系数的精度要低于重新进行建筑结构分析得出的内力安全系数的精度，但是，在建筑结构运维期，利用该修正方法修正内力安全系数的效率较高，而且，在内力安全系数较高的情况下，其计算精度足以满足运维期内力安全评估的精度要求。

修正前后的关键性构件的设计内力安全系数可根据需要直接显示在增强现实场景中，供内力实时评估使用，更加直观、方便，提高了内力状态评估的工作效率。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求范围。