一种基于BIM技术的桥梁结构分析系统及其分析方法

摘要

本发明公开了一种基于BIM技术的桥梁结构分析系统及其分析方法，属于桥梁建筑工程技术领域。本发明的分析系统，包括软件功能模块、硬件功能模块，软件功能模块包括三维建模模块、模型修改模块、建筑材料加入模块、模拟爆破模块、时间轴条件模块、运营分析与优化设计模块、审核与交付模块；硬件功能模块包括远程机房的计算机硬件系统及云存贮空间、安装于桥梁伸缩缝处的车辆冲击荷载传感器、安装于桥梁附近的温度、气压、湿度传感器，将数据发送到云存贮空间。本发明解决了目前BIM软件无法直接分析结构物在不同的外界环境条件下的性能及使用寿命的缺陷，可以边设计边分析边修改模型。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁建筑工程技术领域，更具体地说，涉及一种基于BIM技术的桥梁结构分析系统及其分析方法，适合于各种桥梁模型结构分析。

背景技术

BIM技术作为一种全新的计算机应用技术，在全世界范围内得到了广泛的推广与应用。与传统的建筑设计应用软件相比，用户可以直接运用三维模型进行设计，使得建筑项目的设计进度、设计成本以及设计范围发生了质的变化，BIM技术具有的优势主要表现在：显著提升设计效率、设计数据可以多次重复利用、系统的协调性增强、设计成本大幅降低、项目设计质量提升、时间成本降低、降低设计与文档的出错率等等。可以预见，BIM凭借其所具有的协调性、优化性、系统性、模拟性、可视化性以及可出图形等特点，将会在建筑设计、施工等领域得到更为广泛的应用。

BIM在工程中的应用范围涉及到建筑策划、方案论证、可视化设计、协同设计、工程量统计、施工过程模拟与碰撞检查等。目前BIM软件不具备材料的物理化学分析，无法预计结构层在阳光照射、空气成分中氧气、二氧化碳和水气及空气中其它有害气体对结构物使用寿命的影响，还有建筑材料的老化对结构物使用的影响，外荷载对结构物寿命的影响等，实际应用性能仍存在一定的局限性。

经检索，中国专利申请号：2017111442108，发明创造名称为：一种基于BIM的桥梁检测信息管理方法及系统，该申请案的系统包括无损检测模块、动静载测试模块、损伤信息BIM模块、检测车信息BIM模块、传感器信息BIM模块、模型智能转换模块、技术状况评价模块和承载力状态评价模块，可高效、精确地采集各类桥梁检测信息；可实现各类检测信息的规范化记录、集成化管理；采用BIM技术将检测信息转化为三维可视化信息，实现检测信息直观化表达；通过对模型的转换、实测信息的处理和理论值的计算，实现对桥梁技术状况、承载能力等多方面的智能化评价。该申请案旨在改善传统桥梁检测信息管理中存在的信息碎片化、记录不规范、表达不直观、评价不同步等缺陷，为桥梁检测信息管理工作提供了极大帮助。但对于目前存在的BIM软件分析功能不系统的问题并无助益。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于为了进一步提高BIM在结构物性能化分析中的应用水平，拟提供一种基于BIM技术的桥梁结构分析系统及其分析方法，该分析系统能够将模型创建与修改、材料物理特性和自然环境条件，添加到建模系统中，分析结构物自重与处荷载作用下的变形与沉降量，及外界环境如气温的变化、阳光的照射及风力等对结构物位移与沉降的影响，解决了目前BIM软件无法直接分析结构物在不同的外界环境条件下的性能及使用寿命的缺陷，可以边设计边分析边修改模型。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于BIM技术的桥梁结构分析系统，包括软件功能模块、硬件功能模块，而软件功能模块包括三维建模模块、模型修改模块、建筑材料加入模块、模拟爆破模块、时间轴条件模块、运营分析与优化设计模块、审核与交付模块；硬件功能模块包括远程机房的计算机硬件系统及云存贮空间、安装于桥梁伸缩缝处的车辆冲击荷载传感器、安装于桥梁附近的温度传感器、气压传感器、湿度传感器，各传感器利用无线移动网络将数据发送到云存贮空间。

更进一步地，车辆冲击荷载传感器包括平板电容器Ⅰ、数据处理发送单元Ⅰ和两个石英谐振器，一个石英谐振器直接与数据处理发送单元Ⅰ连接并保持电容容量固定，平板电容器Ⅰ通过另一个石英谐振器与数据处理发送单元Ⅰ连接，且平板电容器Ⅰ亦单独与数据处理发送单元Ⅰ连接；数据处理发送单元Ⅰ利用车辆冲击引起电容两极之间距离变化引起电容变化造成晶体振动频率变化来计算冲击荷载，其频率变化值是数据处理发送单元I通过电容固定的石英谐振器频率比较计算，并将数据发送至云端，对载荷冲击进行监测，修整设计预估的载荷力。

更进一步地，平板电容器Ⅰ外侧设有弹性防水保护套；石英谐振器安装于恒温密封套中。

更进一步地，温度传感器包括平板电容器Ⅱ、石英谐振器和数据处理发送单元Ⅱ，平板电容器Ⅱ一方面通过石英谐振器和数据处理发送单元Ⅱ连接，一方面平板电容器Ⅱ直接与数据处理发送单元Ⅱ连接；且数据处理发送单元Ⅱ内部自带固定频率的石英谐振器；温度上升或下降引起两极距离变化引起电容量的变化，引起晶体振动频率变化，数据处理发送单元Ⅱ根据频率变化数据计算温度变化并发送数据至云端。

更进一步地，湿度传感器包括平板电容器Ⅲ、石英谐振器和数据处理发送单元Ⅲ，平板电容器Ⅲ一方面通过石英谐振器和数据处理发送单元Ⅲ连接，一方面平板电容器Ⅲ直接与数据处理发送单元Ⅲ连接；且数据处理发送单元Ⅲ自带固定频率的石英谐振器；电容介质受空气湿度的变化而引起电容量变化，引起晶体振动频率变化，数据处理发送单元Ⅲ利用晶体振动频率变化计算空气湿度并发送数据至云端。

更进一步地，气压传感器包括平板电容器Ⅳ、石英谐振器和数据处理发送单元Ⅳ，平板电容器Ⅳ一方面通过石英谐振器和数据处理发送单元Ⅳ连接，一方面平板电容器Ⅳ直接与数据处理发送单元Ⅳ连接；且数据处理发送单元Ⅳ自带固定频率的石英谐振器；平板电容器Ⅳ的两电极外侧分别设有真空金属盒，且真空金属盒外设有弹性金属架，气压变化引起真空金属盒厚度变化，引起电容变化，数据处理发送单元Ⅳ利用晶体振动频率变化计算出气压值并发送到云端。

更进一步地，各传感器利用太阳能板和充电电池进行供电，且各传感器可单独供电或共享同一太阳能板和充电电池进行供电，传感器中固定频率的石英谐振器均安装于恒温密封套中。

本发明的一种基于BIM技术的桥梁结构分析方法，包括以下步骤：

步骤一、三维设计建模，根据设计思想构想桥梁的类型与结构，再进行三维桥梁建模；

步骤二、模型的修改，根据现场的地质勘探结果和实际情况，对模型的结构、尺寸修改；

步骤三、建筑材料的加入，包括混凝土的标号、类型，以及钢筋材料的类型加入模型中；

步骤四、模拟爆破，利用勘测的土质、岩石类型模拟爆破后飞石最大距离，分析爆破安全性，为人工挖孔桩及扩大基础的爆破施工方案提供参考；

步骤五、时间轴条件，分析桥梁运营期的时间轴，加入混凝土的老化中强度衰减曲线及其它材料的老化率曲线，预测的车辆交通流量及车辆荷载，概算桥梁的运营期；

步骤六、运营分析与优化设计，如果桥梁概算的运营寿命无法达到设计要求，对材料的型号进行修改，使桥梁概算的运营期长达到设计要求；

步骤七、审核与交付，当概算的桥梁运营期及承受的车辆交通流量达到设计要求，交付桥梁的三维设计模型或设计图纸；

步骤八、运营期的实际监测。

更进一步地，步骤八具体包括：桥梁竣工后进入质保期，质保期时在桥梁伸缩缝处安装有监测车辆冲击荷载传感器，于桥梁附近安装有温度、气压、湿度传感器，桥梁上安装单组温度、气压、湿度传感器，或间隔设有多组温度、气压、湿度传感器，利用各传感器进行监测，运营期结束再拆除。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的桥梁结构分析系统，将三维建模与结构分析集成在一起，加入了时间轴分析桥梁的使用寿命，可以边设计边观测桥梁的运营时间，达不到预期使用寿命再提高材料标准及设计标准，再观测桥梁运营期长及使用寿命，大大方便了桥梁的设计人员。

(2)本发明的桥梁结构分析系统，设有模拟爆破功能，利用桥梁所在地勘测的土质、岩山类型及炸药类型模拟爆破飞石的最大距离以及爆破的效果，提高炸药的用量则模拟的爆破破坏范围更大，为人工挖孔桩及扩大基础爆破施工方案的编制提供参考。

(3)本发明的桥梁结构分析方法，通过硬件设置的车辆冲击荷载传感器，以及空气的湿度、温度、气压传感器，用于桥梁竣工后的质保期内监测车辆荷载及外界气象因素，并分析对桥梁材料老化率的影响，为桥梁运营期的安全提供参考。

附图说明

图1为本发明中的车辆冲击荷载传感器的结构示意图；

图2为本发明中的温度传感器的结构示意图；

图3为本发明中的湿度传感器的结构示意图；

图4为本发明中的气压传感器的结构示意图；

图5为本发明中的分析过程流程图。

示意图中的标号说明：

101、平板电容器Ⅰ；102、数据处理发送单元Ⅰ；

201、平板电容器Ⅱ；202、数据处理发送单元Ⅱ；

301、平板电容器Ⅲ；302、数据处理发送单元Ⅲ；

401、弹性金属架；402、数据处理发送单元Ⅳ；403、平板电容器Ⅳ；404、真空金属盒。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1-图5所示，本实施例的一种基于BIM技术的桥梁结构分析系统，包括软件功能模块、硬件功能模块，而软件功能模块包括三维建模模块、模型修改模块、建筑材料加入模块、模拟爆破模块、时间轴条件模块、运营分析与优化设计模块、审核与交付模块；硬件功能模块包括远程机房的计算机硬件系统及云存贮空间、安装于桥梁伸缩缝处的车辆冲击荷载传感器、安装于桥梁附近的温度传感器、气压传感器、湿度传感器，各传感器利用安装于传感器附近的无线移动网络将数据发送到云存贮空间。

如图1所示，本实施例中的车辆冲击荷载传感器包括平板电容器Ⅰ101、数据处理发送单元Ⅰ102和两个石英谐振器，平板电容器Ⅰ101两电极之间充弹性绝缘材料，且平板电容器Ⅰ101外设有弹性防水保护套，石英谐振器安装于恒温密封套中，以防止气温变化引起晶体频率漂移。为了测量石英晶体频率变化，恒温密封套内部安装两个石英谐振器，两个频率完全相同，一个电容固定，一个电容接伸缩缝受车辆冲击载荷引起电容改变，具体地，一个石英谐振器直接与数据处理发送单元Ⅰ102连接，平板电容器Ⅰ101通过另一个石英谐振器与数据处理发送单元Ⅰ102连接，且平板电容器Ⅰ101亦单独与数据处理发送单元Ⅰ102连接；数据处理与发送单元Ⅰ102利电容固定的石英谐振器作为标准频率与连伸缩缝处平板电容受车辆冲击时电容量变化引起的石英谐振频率比较频率的变化量，并将频率增减数据发送云端，有了固定电容的标准石英谐振频率作比较，数据处理发送单元Ⅰ102利用电容两极之间距离变化引起电容变化造成晶体振动频率变化来计算冲击荷载，并将数据发送至云端，云端的数据由计算机系统根据本传感器的设计频率计算与统计每天的车辆冲击载荷变化，对载荷冲击进行监测，修整设计预估的载荷力。

本实施例中车辆冲击荷载传感器与温度传感器、气压传感器、湿度传感器可设置共享连接一个无线wifi，利用移动网络发送数据到云端。四个传感器设置距离间距适宜，车辆冲击荷载传感器安装在伸缩缝边，温度传感器、气压传感器、湿度传感器设置于附近，可安装一个移动wifi无线路由器进行无线wifi共享，各传感器利用太阳能板和充电电池进行供电，且各传感器可单独供电或共享同一太阳能板和充电电池进行供电。

如图2所示，本实施例中的温度传感器包括平板电容器Ⅱ201、石英谐振器和数据处理发送单元Ⅱ202，平板电容器Ⅱ201一方面通过石英谐振器和数据处理发送单元Ⅱ202连接，一方面平板电容器Ⅱ201直接与数据处理发送单元Ⅱ202连接，数据处理发送单元II202内部自带一个固定频率的石英谐振器作为标准时钟频率；平板电容器Ⅱ201的电极采用膨胀系数较大的金属材料如铝，电极厚度大，温度变化引起电极厚度热胀冷缩变化，引起两极间距变化使电容容量变化，引起石英谐振器频率变化，再与数据处理发送单元II202自带的固定频率石英谐振器的标准频率比较计算出温度变化，数据处理发送单元Ⅱ202并发送数据至云端，云端计算机系统根据温度传感器发送的频率变化计算传感器地点的气温变化，统计每天的气温变化修整设计预估当地气温变化。本实施例中可每小时发送当地的气温数据到云端。

如图3所示，本实施例中的湿度传感器包括平板电容器Ⅲ301、石英谐振器和数据处理发送单元Ⅲ302，平板电容器Ⅲ301一方面通过石英谐振器和数据处理发送单元Ⅲ302连接，一方面平板电容器Ⅲ301直接与数据处理发送单元Ⅲ302连接；数据处理发送单元Ⅲ302自带一个固定频率的石英谐振器作为标准时钟频率，电容介质受空气湿度的变化而引起电容量变化，引起石英谐振器振动频率变化，与标准频率对比计算出空气湿度，数据处理发送单元Ⅲ302利用晶体振动频率变化计算空气湿度并发送数据至云端，云端计算机系统根据湿度传感器发送的频率变化量计算传感器地点的湿度变化，统计每天的湿度变化修整设计预估当地湿度变化。本实施例中可每小时发送一次桥梁附近的空气湿度数据到云端。

如图4所示，本实施例中的气压传感器包括平板电容器Ⅳ403、石英谐振器和数据处理发送单元Ⅳ402，平板电容器Ⅳ403一方面通过石英谐振器和数据处理发送单元Ⅳ402连接，一方面平板电容器Ⅳ403直接与数据处理发送单元Ⅳ402连接；数据处理发送单元IV402自带一个固定频率的石英谐振器作为标准频率，平板电容器Ⅳ403的两电极外侧分别设有真空金属盒404，且真空金属盒404外设有弹性金属架405，真空金属盒404的上下壁面分别与弹性金属架405的上下壁面相连，使得弹性金属架405能够随弹性金属架405的弹性回复而回复，防止真空金属盒404被大气压扁。当气压升高时真空金属盒404压小，气压下降时弹性金属架405在弹力作用下使真空金属盒404扩大，从而引起电容极间距变化，电容量发生变化引起石英谐振器频率变化再与标准频率比较计算出气压大小，数据处理发送单元Ⅳ402利用晶体振动频率变化计算出气压值并发送到云端，云端计算机系统根据气压传感器发送的频率变化计算传感器地点的气压变化，统计每天的气压变化修整预估当地气压变化，本实施例中可每小时发送一次桥梁附近的气压数据到云端。

需要说明的是，本实施例的分析系统，为了防止气温变化引起固定频率石英谐振器频率变化，固定频率石英谐振器均密封恒温密封套中，带有平板电容的石英谐振器的荷载、气温、气压、湿度传感器也受气温变化影响其频率，这通过云端计算机系统根据气温传感器的温度变化计算修正气压、冲击荷载、湿度值，传感器使用前需要实测石英谐振器的温度-频率变化曲线拟合成曲线方程输入计算机系统，上述检测传感器亦可采用其他常见结构形式的冲击荷载传感器与温度传感器、气压传感器、湿度传感器等，在此不再赘述。

本实施例的一种基于BIM技术的桥梁结构分析方法，利用上述结构分析系统，包括以下步骤：

步骤一、三维设计建模，根据设计思想构想桥梁的类型与结构，再进行三维桥梁建模；

本实施例的三维建模模块根据不同桥梁类型分多种框架，不同的框架内置多种子框架，各个子框架具有多种已建好的簇，只要修改参数尺寸即可以使用，也可以自建模型簇。

步骤二、模型的修改，根据现场的地质勘探结果和实际情况，对模型的结构、尺寸修改；包括采用的技术标准与框架类型修改，对模拟运营后出现的问题也需要进行设计模型的修改；

步骤三、建筑材料的加入，包括混凝土的标号、类型，以及钢筋材料的类型加入模型中；

混凝土材料有使用寿命，结构物使用中混凝土受空气中的水汽、温度的变化和空气中各种离子的影响，引起材料成分的化学反应而强度降低，为了分析混凝土受各种因素对强度的影响，统计各种因素大小对混凝土的强度-时间关系曲线总结成解析公式，编入上述分析系统中，以便于模拟分析本结构物的使用寿命。钢筋混凝土内部的钢筋材料随着混凝土的老化破坏惭惭失去对内部钢筋材料的保护。当钢筋外面的混凝土中性化或出现开裂等情况时，钝化膜破坏并开始锈蚀。锈蚀的钢筋不但截面积有所损失，材料的各项性能也会发生衰退，从而影响混凝土构件的承载能力和使用性能。钢筋锈蚀也是引起混凝土结构耐久性下降的最主要和最直接的因素。

本实施例的解决方案是将以前本地区每年每天的平均气温、平均温度的变化与其它气象条件及预估每天平均通行车辆的荷载与本地以前各种结构物建筑材料的老化曲线利用回归分析总结温度-湿度-气压-荷载和强度变化的解析方程输入上述分析系统中。不同地区不同结构材料及不同配合比的材料老化系数不同，本系统的解析方程参数可以根据不同地区总结的解析关系方程进行修改。

步骤四、模拟爆破，利用勘测的土质、岩石类型模拟爆破后飞石最大距离，分析爆破安全性，为人工挖孔桩及扩大基础的爆破施工方案提供参考；

原地面的地形建模后，岩土类型输入后，输入炸药类型及炮眼布置的位置和大小与深度，利用计算模拟爆破后的破坏面积大小和深度及岩石和土质碎片飞行的范围和最远距离分析爆破作业是否安全和爆破的效果，修改不同的装药量和炮孔位置大小模拟不同的爆破效果和安全范围，为爆破作业提供参考。

步骤五、时间轴条件，分析桥梁运营期的时间轴，加入混凝土的老化中强度衰减曲线及其它材料的老化率曲线，预测的车辆交通流量及车辆荷载，概算桥梁的运营期；

步骤六、运营分析与优化设计，如果桥梁概算的运营寿命无法达到设计要求，对材料的型号进行修改，使桥梁概算的运营期长达到设计要求；

本实施例利用上述分析系统模拟计算施工和运营的各个时间段结构的自重和外界荷载引起的模型变形和位移沉降量的大小。如采用挂篮施工的组合梁桥各个梁块浇筑和张位后下沉量，计算合笼的误差，分析设计提供的预留沉降量是否合理，对预留沉降量修正后再分析并与实际测量进行对比，边修正边分析直到参数合理，为施工提供参考。运营阶段加入每天平均的车流量和平均车辆重量荷载，每天气温的变化及天晴日照时间(根据过去几年的数据统计)，分析几年后结构物的状态，包括位移和沉降总量及材料老化后的强度变化，再模拟本结构物的使用寿命是否达到设计要求。无法满足设计要求再对模型的结构和使用材料进行修改，直到结构物达到设计使用年限。

步骤七、审核与交付，当概算的桥梁运营期及承受的车辆交通流量达到设计要求，交付桥梁的三维设计模型或设计图纸；

步骤八、运营期的实际监测，桥梁竣工后进入质保期，质保期时在桥梁伸缩缝处安装有监测车辆冲击荷载传感器，于桥梁附近安装有温度、气压、湿度传感器，根据桥梁长度，桥梁上可安装单组温度、气压、湿度传感器，或较长桥梁间隔设有多组温度、气压、湿度传感器，如本实施例中长度超过1km的桥梁可每间隔1km增设一组，利用各传感器进行监测，利用云端数据对设计估计的荷载进行修正，从而提高预测结构物运营寿命的准确性。运营期结束再拆除各传感器装置。

本实施例的分析方法以及应用的具体分析系统，将三维建模与结构力学分析结合在一起，可以边修改模型边分析结构受力情况，并在结构受力与变形分析中加入时间轴进行四维分析，将材料的老化率及其车辆荷载、当地以往的温度、气压、湿度对材料老化率的影响曲线加入时间轴，分析桥梁的运营寿命；桥梁竣工后安装车辆荷载、空气温度、气压、湿度传感器实时监测利用无线网络上传云端，再利用远程计算机系统概算计算桥梁能够确保安全运营期限，确保桥梁运营安全。

本实施例进一步提高了BIM在结构物性能化分析中的应用水平，将模型创建与修改、材料物理特性和自然环境条件添加到建模系统中分析结构物自重与处荷载作用下的变形与沉降量及外界环境如气温的变化，阳光的照射及风力对结构物位移与沉降的影响，解决了目前BIM软件无法直接分析结构物在不同的外界环境条件下的性能及使用寿命，可以边设计边分析边修改模型。并可以根据当地地震发生的频率和地震等级及其它不利天气因素和地质灾害因素频率，随机加入时间轴再分析最不利条件对本结构物的寿命影响，为设计提供参考。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。