一种基于BIM的钢结构全寿命周期的管理系统及方法与流程

本发明属于装配式钢结构计算机应用技术领域，尤其涉及一种基于bim的三维可视化装配式钢结构全寿命周期的信息管理系统及方法。

背景技术：

发展装配式钢结构建筑有利于节约资源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合。住房和城乡建设部已批准《装配式钢结构建筑技术标准》于2017年6月1号实施，《装配式钢结构住宅技术标准》也将于2019年10月1日起实施。进一步促进建筑产业转型升级，建筑行业必须坚决贯彻五大发展理念，以提高发展质量和效益为中心，坚持工业化、绿色化、信息化三大发展方向，实现建筑一体化管理共享信息平台。当前，应用bim技术进行建筑全生命周期管理、以及用于建筑的性能分析、可持续建筑设计的研究等方面的研究，已经逐渐受到了世界各国的关注。我国在国家层面的建筑业bim六大标准中：《建筑信息模型统一标准》、《建筑信息模型分类和编码标准》和《建筑信息模型施工应用标准》三项标准现已发布实施。近些年，将bim技术应用在装配式结构设计中的研究颇多，主要包括了探索bim技术在装配式混凝土结构设计中的应用，提出对装配式住宅的基本构件组成进行研究，指出bim技术在装配式建筑全寿命周期各环节中具有巨大的应用前景等，但大部分研究均仅停留在概念和构想上。因此，现阶段大力推行全生命周期钢结构建筑信息化，实施绿色工业化装配式钢结构建筑产业化，迫切需要将行业前沿的技术成果应用于实际工程，bim技术应用在装配式钢结构中还处于研究探索阶段，亟待进一步研究。

技术实现要素：

针对现有的bim技术发展情况和装配式钢结构的应用现状，本文提出一种基于bim的三维可视化装配式钢结构全寿命周期的信息管理系统及方法，可实现装配式钢结构在设计、加工、施工及使用维护的全寿命周期内的协同管理，并对建筑进行三维可视化的信息收集、过程监管、以及后期维护。

一种基于bim的钢结构全寿命周期的管理系统，包括四个模块：

模块一：设计计算模块，提供给建筑、结构、机电等不同专业部门数据信息共享的平台，并且以三维展示的方式将建筑模型、结构受力状态、机电管道铺设情况呈现给设计参与各方，提高设计效率；

模块二：预制加工模块，完成深化设计图纸，根据信息划分构件类别，出具预制构件生产计划，并在工厂中完成预制加工；同时，进行施工模拟，以动画形式模拟施工全过程，各专业之间的碰撞检测，制定施工进度方案；

模块三：施工管理模块，统筹构件调度，激光扫描施工现场，模拟现场施工，实时监测现场施工进度，管理施工质量；

模块四：维护管理模块，定期维护检测投入使用后的建筑，分析处理紧急事故，及加固维修既有建筑。

本发明基于bim的钢结构全寿命周期的管理方法，包括如下步骤：

步骤1：设计计算模块：

1.1用户登录系统，获得权限后点击进入设计计算模块；

1.2点击进入工程实例子模块，查询在本平台全寿命周期内已实现的装配式钢结构案例，作为项目资料参考；

1.3点击进入建筑设计子模块；

1.4点击进入结构设计子模块；

步骤2：预制加工模块：

2.1用户登录系统，获得权限之后点击进入预制加工模块；

2.2点击进入深化设计子模块：

2.3点击进入构件预制子模块，对三维模型进行构件拆分及归类，获得详细的构件加工信息，传输至工厂，由工厂整合生产资源制定好生产计划并将生产计划上传至系统平台数据库中，完成之后退出此子模块；

2.4点击进入施工模拟子模块，根据已上传至系统平台的模型信息和构件加工信息，进行各专业之间的碰撞检测，进一步完善施工方案；再经过三维动画模拟施工流程，制定现场施工进度方案，并上传至系统平台，退出子模块；

2.5检查信息上传情况，预制加工信息管理结束，退出预制加工模块；

步骤３：施工管理模块：

3.1用户登录系统，获得权限后点击进入施工管理模块；

3.2运输构件工程车出厂，点击进入材料管理子模块：

3.3点击进入进度监管子模块：

3.4施工现场管理人员在施工现场点击进入施工质量检测子模块:

步骤4：维护管理模块：

4.1用户登录系统，获得权限之后点击进入维护管理模块；

4.2通过模块内的项目编号点击打开相应装配式钢结构建筑模型的三维信息；

4.3若有新的定期维护信息需要更新，点击打开定期维护监测子模块，如果存在历史维护检测记录则在此基础上添加新的维护记录，与历史维护记录相关联，形成维护信息时间轴，记录完成结束，退出子模块；

4.4若有意外事故发生，点击打开现场事故处理子模块，调取相关建筑模型的各构件详细信息，定位构件位置属性数据，分析事故数据和事故构件，对应生成事故处理方案且确定问责对象；若没有此项信息，则跳过此步骤；

4.5点击进入工程加固维修子模块，对装配式钢结构结构体系信息进行检查，查看是否有构件需要加固维修，若在定期维护检查记录中发现存在事故构件已不能满足承载需求，调取三维模型，定位该事故构件的位置信息并备注损坏情况，并在三维模型中以事故标记体的方式在模型中显示。将事故构件id信息，三维坐标和损坏参数等级上传至管理系统分析之后或转到方案设计模块由多方协同制定构件维护方案生成构件加固维修方案供参考，完成之后返回步骤4.3记录加固信息；若没有构件需加固维修则跳过并退出此子模块；

4.6若需要对既有装配式钢结构建筑进行维护管理，点击打开既有建筑维护模块，导入通过外部扫描和检测得到的建筑三维模型信息，分析建筑数据，若需要执行维护监测信息记录，则跳转至步骤4.3；若需要意外事故处理方案规划，则跳转至步骤4.4；若有构件需要维修加固，则跳转至步骤4.5；操作执行完毕或退出此模块；

4.7检查维护管理模块本地是否还有维护信息未上传更新，如果有则以时间为序上传至bim数据中心形成离散化数据，生成上传记录；如果没有，则维护管理结束。

本发明的有益效果是：

1、基于bim的三维可视化装配式钢结构建筑全寿命周期管理系统平台，突破以往基于繁杂无序二维图纸的平面管理模式，该平台内容更加直观生动。平台实现通过对全寿命周期内，包括：各阶段设计、施工、建筑投入使用后的维护管理，及加固维修的信息的录入、分析、处理，使用户更加方便快捷地对装配式钢结构各个阶段信息进行查询、编辑、修改等操作，以全局视角把握整个装配式钢结构项目走向。

2、该系统平台面对对象涵盖从甲方、建筑设计师、结构设计师、施工方、后期物业管理方，使得项目各参与方更好地各司其职，却也能利用平台信息高度集成交互的性能，协同工作，提高整体项目实现及运行效率。

3、该系统平台在设计计算模块前期，开拓性建立了工程实例数据库，可将在该平台上以实现且具有鲜明应用价值的装配式钢结构实例及其对应的建筑、结构施工设计图等信息实现全面共享，并实时更新，为建筑设计师、结构设计师建筑选型和结构设计提供思路。

4、该系统平台在预制加工模块实现设计方与施工方的紧密联系，使得设计方的构件深化设计、碰撞检测与施工方加工厂的构建预制及施工管理方的模拟施工形成良性衔接，高效地完成施工前期地准备工作。

5、该系统平台在施工管理模块可将工程所使用的所有构件信息化数据化录入平台数据库，为现场施工人员验收、调配构件提供有效直接的信息，实现对施工用材料的高度管理，也为后期维修管理阶段构件定位和信息调取奠定基础。

6、该系统平台的维护管理模块不仅可提供从设计到投入使用后的建筑的管理维护，也可针对既有钢结构建筑的维护管理，采用对既有建筑的外部扫描和检测进行模型录入进行管理。

7、该系统平台可记录整个装配式钢结构全寿命周期的各阶段数据信息，通过追溯实施实现的历程，为后期的养护和修补提供数据支撑，也可落实项目问责监管体系。

附图说明

图1是本发明管理系统平台主体模块部分的示意图。

图2是本发明设计计算模块各子模块及其界面选项的示意图。

图3是本发明预制加工模块各子模块及其界面选项的示意图。

图4是本发明施工管理模块各子模块及其界面选项的示意图。

图5是本发明维修管理模块各子模块及其界面选项的示意图。

图6是本发明管理系统实现的流程示意图。

具体实施方式

本发明各模块的功能及具体实现方式如下：

如图1所示，一种基于bim的钢结构全寿命周期的管理系统，包括四个模块：

模块一：设计计算模块，提供给建筑、结构、机电等不同专业部门数据信息共享的平台，并且以三维展示的方式将建筑模型、结构受力状态、机电管道铺设情况呈现给设计参与各方，提高设计效率；

模块二：预制加工模块，完成深化设计图纸，根据信息划分构件类别，出具预制构件生产计划，并在工厂中完成预制加工；同时，进行施工模拟，以动画形式模拟施工全过程，各专业之间的碰撞检测，制定施工进度方案；

模块三：施工管理模块，统筹构件调度，激光扫描施工现场，模拟现场施工，实时监测现场施工进度，管理施工质量；

模块四：维护管理模块，定期维护检测投入使用后的建筑，分析处理紧急事故，及加固维修既有建筑。

如图6所示，本发明设计计算模块的功能是提供一个多方参与的设计平台，集成已有、已建成投入使用的装配式钢结构实际案例、建筑选型及设计、结构形式确定及设计计算三个子模块，以满足不同的项目需求，其主要面对对象为甲方、建筑设计工程师、结构设计工程师。此阶段可采用revit、tekla等商业化bim应用软件实现建筑与结构模型建立及分析；采用gis技术与bimcivil3d应用软件实现现场场地勘测及规划；采用navisworks、teklabimsight等bim技术渲染漫游软件实现模型三维可视化展示和模型细部检查。

如图6所示，本发明预制加工模块的功能是包含了深化设计、划分构件信息、构件的预制加工，及通过施工模拟制定施工进度计划。此模块主要包含三个子模块，分别是深化设计模块、构件预制模块和施工模拟模块。深化设计模块一般以图形工作站为硬件基础，可采用teklastructure、revit等商业软件实现，得到详细的建筑施工图和构件加工信息；构件预制模块引入rfid技术，结合revit等bim软件，实时监测构件的加工信息，严格把控构件质量。构件预制工厂亦可以预先创建预制构件标准库，储存构件的详细信息，为后续的构件拆分提供数据支持，提高设计和预制加工效率；施工模拟子模块，采用bim渲染漫游软件<navisworks、teklabimsight>软件实现各专业之间的碰撞检测，并对施工流程进行预先演示，避免现场施工出现返工的问题，为施工进度计划的创建提供依据。

如图6所示，本发明施工管理模块的功能是在装配式钢结构施工前期预制构件的运输、验收、堆放过程中，以自动化、集成化的手段进行规划和管理，以及在装配式钢结构施工过程中实现对进度、施工质量的智能化监测与管理。该模块主要面向对象为现场施工人员。该模块在材料管理部分，可采用rfid技术实现，对装配式钢结构预制构件以及运输物流车辆，通过系统平台不断地进行数据录入和读取，实现材料的高效管理；在装配式钢结构主体结构施工过程的检测与监管部分，主要利用三维激光扫描技术，建立现场施工下的结构三维模型，以revit、tekla等商业化bim应用软件为载体，对比模拟施工进度计划表、拟合原bim设计三维模型，完成对施工进度与装配式钢结构垂直位移的分析，采用geomagicqualify检测软件实现，对比设计模型，完成对施工偏差的检测。

如图6所示，本发明维护管理模块功能是用以实现在装配式钢结构建筑交付、投入使用后，对建筑实现三维可视化的管理。该模块可以借助移动设备端、pc端等支持数据模型三维现实的设备为硬件设施，并以三维方式显示装配式钢结构建筑的详细信息和维护信息。该模块中包含四个子模块，分别是定期维护监测子模块、现场事故处理子模块、工程加固维修子模块及既有建筑维护子模块。定期维护检测模块主要借由rfid技术实现信息交互传递，以时间为序记录并上传定期维护的信息，并生成维护信息时间轴；现场事故处理模块借助管理系统对事故突发位置进行定位，收集受灾害构件的相关信息并进行分析，规划处理方案；工程加固维修模块通过检查建筑结构和构件信息，可以分析出事故构件的存在及损坏情况，由系统平台数据库中已存的数据和历史工程实例的信息为参考来制定加固维修方案以供参考；既有建筑维护子模块可录入已有装配式钢结构建筑信息，对其进行后期的维护检测、事故处理和加固维修等操作。

本发明采用三维可视化的装配式钢结构全寿命周期的管理系统，具体按照以下步骤实施：

其中各步骤的具体实施方式如下：

步骤1：设计计算模块具体实施步骤(如图2)：

1.1用户登录系统，获得权限后点击进入设计计算模块；

1.2建筑信息本身的易于参数化的特点为项目信息集成共享提供一个技术平台,运用云计算理论和技术将信息资源进行连接，形成信息资源池用于分类储存信息，以封装服务模式将信息发布给平台用户，实现信息之间的交流传递，避免信息缺失、失真。

1.3进入建筑设计子模块：

1.3.1进入项目信息选项。甲方根据项目本身需求在平台的项目信息选项中录入项目要求，将数据化的项目信息传入平台，建筑设计方与结构设计方均有权限查看、明确甲方设计要求；

1.3.2进入建筑选型选项。在该平台内，建筑方设计初期可以根据甲方要求在建筑选型选项中了解构件库的基本建筑用构件，如板、梁、柱，节点等。同时模拟施加单位荷载作用下，给出在不同截面形式选用以及支承条件下建筑用构件的受力情况。平台可采用navisworks等bim漫游渲染软件提供真实的视觉冲击和3d渲染，以三维可视化效果呈现给工程师，以便合理选择。

1.3.3点击进入模型建立选项。在平台内进行建模操作。采用内嵌的revit等bim建模软件进行选型建模。当在该项选中完成了装配式钢结构建筑施工设计图纸后直接导入navisworks可识别的格式，将信息数据整合，易于简化操作。

1.4进入结构设计子模块：

1.4.1进入场地勘测规划选项。

完成了双方的协同工作后，结构设计方进行前期的场地勘测，通过bim技术和gis技术的交融，对施工用地的各种场地信息有基本把握。gis提供的数据信息配合构件的设计施工标准，数据化所有构件，使得每个构件在该地势地形下拥有自身的构件属性，并且当数据出错时更改数据，相应的其他相关也会做出调整，尽可能的避免因设计问题而导致工期延误。bim技术以civil3d软件为基础完成场地勘测。通过直接读取．dwg图纸文件获取各种图形参数。获取到的大量图形参数在数据处理模块中筛选分类并运算处理后，得到需要的道路平纵线形参数。有了必要的参数，通过自动建模模块就可以直接在civil3d中建立路线模型，最后导入平台完成操作。

1.4.2进入结构形式选择选项。界面内可模拟计算出各类常见结构形式及其受力特性，如门式刚架，多层框架结构，结构设计方根据需求选择可使用的结构形式。对于复杂结构平台可进行后台记录，该项工程完成后可修改整合，更新结构形式数据库。

1.4.3进入结构分析计算选项。平台可采用teklastructures构建三维结构模型，由软件自动分析结构模型，生成结构分析计算书，自动上传至管理系统平台。

步骤2：预制加工模块，具体实施步骤(如图3)：

2.1用户登录系统，获得权限之后进入预制加工模块；

2.2点击进入深化设计子模块：

2.2.1在此子模块中用户可用项目编号查看在方案设计模块中得出的装配式钢结构建筑初步协同设计图纸，得到三维可视化的模型信息；

2.2.2根据已有信息，用户在进行进一步的深化设计。此时，用户可采用teklastructure、bimrevit软件对进行设计和排错，将构件信息生成离散化数据上传储存在系统平台数据库中。信息收集完成之后，绘制该装配式钢结构建筑的相关构件加工详图，结束退出此子模块，进入下一步骤；

2.3点击进入构件预制子模块，借助tekla等bim软件将三维模型进行构件拆分（可借助已有的预制构件标准库），获得详细的构件加工信息，由工厂整合生产资源制定好生产计划并将生产计划上传至bim模型数据中心（管理系统），构件预制过程中将构件的详细信息利用rfid技术与bim模型实现信息交互传递，即通过三维可视化模型可监控构件生产过程中的任何信息，并将构件预制信息存储进系统平台数据库；

2.4点击进入施工模拟子模块，用户由已有的模型信息和构件加工信息，通过bim数据平台与各专业部门数据共享，通过bim渲染漫游软件<navisworks、teklabimsight>进行各专业之间的碰撞检测，发现存在问题上报解决，进一步完善设计方案并初步制定施工流程进度计划。再借由三维模拟施工进度流程，制定现场施工进度规划方案，方案信息上传，退出子模块；

2.5检查信息上传情况，预制加工信息管理结束，退出预制加工模块；

步骤3：施工管理模块，具体实施步骤(如图4)：

3.1用户登录系统，获得权限后点击进入施工管理模块；

3.2用户在施工现场点击进入材料管理子模块：

3.2.1进入构件运输规划选项界面。预制构件加工厂利用rfid技术在装配式钢结构预制构件运输的工程车上植入rfid芯片。工程车在出厂时，芯片中运用rfid技术录入车辆出厂时间、所运输的构件类型信息以及车辆编号，并将数据及时上传至平台上。预制构件验收管理人员获得并输入工厂给出的运输车辆编号，即可实现对运输车辆进行跟踪定位，掌握当前批次构件运输位置信息，同时也可根据施工现场实际需求给予该批次运输车辆相关运输路线规划以及发货时间的建议；

3.2.2当该批次运输车辆到达施工现场，点击进入构件信息录入选项。用户通过rfid阅读器，自动化扫描内置于装配式钢结构预制构件中的rfid芯片，数据经过中间件，在pc自动生成相关rfid数据库。预制构件验收管理人员在数据库中获取当前运输批次所有构件的相关信息，如出厂时间、构件尺寸等；

3.2.3用户在pc端阅读完该批次构件基本信息后，对该批次预制构件进行质量验收检查。拍取相关构件照片后，将图片与扫描所得数据一同上传至内嵌于系统中的revit等商业bim软件中，实现信息共享；

3.2.4预制构件验收管理人员在根据已知该批次构件信息后，点击进入材料堆放管理选项。

3.2.5若有已堆放的构件位置信息，点击读取并查看对应的构件其他属性信息。若无已堆放的构件位置信息，则跳过此步骤；

3.2.6规划当前批次施工材料堆放位置，在内嵌bim5d、revit等商业bim应用软件的系统平台中记录该批次材料堆放的位置信息；

3.2.7预制构件验收管理人员在接受下一批次构件时，回到步骤3.2.1进行物流监控、信息录入以及堆放管理。

3.3管理人员在施工现场点击进入进度监管子模块：

3.3.1进入二维／三维信息模型导入选项，在界面中选择上传二维或三维信息模型导入；

3.3.2(a)若选择二维信息模型录入，在该平台上传当前项目施工现场的进度照片，同时记录下时间信息，获得当前阶段进度监管id。

3.3.2(b)若选择三维信息模型导入选项，通过focus3dx130三维激光扫描仪对装配式钢结构施工现场进行全景扫描，以点云数据的形式在经过数据预处理后，上传三维激光点云模型至系统平台，在平台内嵌的revit等商业bim模型软件中完成三维模型重建，并记录下时间信息，获得此阶段进度监管id；

3.3.3在此阶段的进度信息录入结束后，退出信息模型导入选项界面；

3.3.4现场施工管理人员可点击进入施工进度对比选项界面，输入在3.3.2(a)或3.3.2(b)所获得的当前阶段进度监管id，创建此次进度监管档案id，进入分析报告界面。在与施工模拟阶段由bim5d、revit等商业bim软件模拟绘制的施工进度安排表进行对比分析后，完成此次进度检测分析报告，系统自动上传存入平台数据库；

3.3.5完成本次进度检测后，退出该子模块界面。待下一阶段进度检测，循环步骤3.3.1。

3.4施工现场管理人员可在施工现场点击进入施工质量检测子模块:

3.4.1进入施工检测的运行界面，并在界面中选择检测类型，开始此次施工质量检测；

3.4.2若点击进入结构垂直位移检测选项，通过focus3dx130三维激光扫描仪对装配式钢结构施工现场进行全景扫描，获取点云数据并在cyclone生成点云模型。导入由外部软件cyclone生成的点云模型进入平台内嵌的tekla等钢结构商业bim三维建模软件中，再与设计模型进行拟合后。系统将分析数据添加至模型属性中，形成数据分析bim模型，从数据变化中分析出装配式钢结构建筑的变形及受力情况，保存并上传至平台数据库，退出该选项界面；

3.4.3若点击进入施工偏差检测选项，通过focus3dx130三维激光扫描仪对装配式钢结构施工现场进行全景扫描，获取点云数据。将转换为通用格式的点云数据导入内嵌入平台的检测软件geomagicqualify2013中，同时中删除偏离主体部分且容易删除的点云。随后将该施工现场的bim设计模型从bim建模软件中以通用格式导出，同样导入检测软件中，设置参考对象、测试对象以及最大偏差参数。在三维比较结束后，系统自动显示出点云与模型的色谱偏差分析图及相关数据表，并上传至平台数据库，退出该选项界面；

3.4.4完成本次施工质量检测后，退出施工质量检测子模块，待下一阶段的质量检测循环步骤3.4.1。

步骤4维修管理模块具体实施步骤(如图5)：

4.1用户登录系统，获得权限之后点击进入维护管理模块；

4.2通过模块内的项目编号点击打开相应装配式钢结构建筑模型的三维信息；

4.3若有新的定期维护信息需要更新，点击打开定期维护监测子模块，如果存在历史维护检测记录则在此基础上添加新的维护记录，与历史维护记录相关联，形成维护信息时间轴，记录完成结束，退出子模块；

4.4若有意外事故发生，点击打开现场该事故处理子模块，调取相关建筑模型的整体结构和各构件详细信息，定位构件位置属性数据，在平台内分析事故数据和事故构件，对应生成事故处理方案且确定问责对象。若没有此项信息，则跳过此步骤；

4.5点击进入工程加固维修子模块，对装配式钢结构结构体系信息进行检查，查看是否有构件需要加固维修，若在定期维护检查中发现存在事故构件已不能满足承载需求，调取三维模型，分析定期维护记录信息，定位该事故构件的位置属性和历史维护信息并备注损坏情况，并在三维模型中以事故标记体的方式在模型中显示。将事故构件id信息，三维坐标和损坏参数等级上传至管理系统分析之后（可转到方案设计模块由多方协同制定构件维护方案），智能生成构件加固维修方案供参考，完成之后返回步骤4.3记录加固信息。若没有构件需要加固维修则跳过并推出此子模块；

4.6若需要对既有装配式钢结构建筑进行维护管理，点击打开既有建筑维护模块。借助focus3dx130三维激光扫描仪对既有装配化钢结构建筑扫描，将所得建筑信息转换为通用点云数据后录入，实现建筑三维模型建立。分析模型数据，若需要执行维护监测信息记录，则跳转至步骤4.3；若需要意外事故处理方案规划，则跳转至步骤4.4；若有构件需要维修加固，则跳转至步骤4.5。操作执行完毕后退出此模块。

4.7检查维护管理模块是否还有维护信息未上传更新，如果有则以时间为序上传至管理系统数据库形成离散化数据，生成上传记录；如果没有，则维护管理结束。