CN111914317A - 基于北斗/gnss和动态bim的施工现场高精度监控体系、方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，包括卫星信号接收机、高精度测绘设备、以及计算机；卫星信号接收机，用于接收施工过程中的高精度移动控制网高精度监测所需的卫星定位信号；高精度测绘设备，用于对施工过程进行实时精度监测，获得与移动站定位点、结构关键点之间的相对距离、相对方向角、高差，通过无线通讯传输至计算机；计算机，用于建立施工BIM模型,包括纯结构BIM模型和结构+模板模型，根据卫星信号接收机、高精度测绘设备的监测，通过计算机内的软件计算结构关键点的绝对坐标后，即时更新数据库中施工BIM模型中相应结构关键点的坐标，即可分析结构施工的精度,实现施工现场全过程实时精度控制和科学纠偏。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程工程测量领域技术领域，特别涉及一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系。
背景技术
传统施工测量利用全站仪、经纬仪、水准仪对施工中业已完成的作业面上引测、定位，划分轴网从而对结构进行精度控制，再绑扎钢筋、搭建模板，浇筑混凝土逐层完成施工。在此工程中，轴网控制体系依靠光学引测不断向上传递。由于模板体系本身稳定性不高，测量人员携带全站仪在模板上测量时，易产生震动，利用全站仪再对模板的精度复核，误差较为明显。因此，一般情况下，模板施工后不再进行精度复核，从而整个结构的精度因模板精度不可控导致不同层次结构轴网偏位。一旦累积误差超过阈值，不仅影响结构施工，还干扰了后续工程的施工。
解决上述问题的方法，应该是引入定点，减少引测次数，降低累积误差。但是，施工一旦开始之后，除了场地外的原点外，只能在结构上临时选择定点，但这些定点的精度随累积误差的增加而降低。
随着北斗组网卫星不断增加，配套定位服务不断丰富，卫星高精度定位算法不断优化，在超高层建筑屋顶开放空间上，北斗高精度定位已可提供mm级定位精度。
在上述成果基础上，本发明专利进一步阐述了在施工过程中引入北斗高精度定位技术，与全站仪、光电测距仪共同组建高精度测控***对支模精度进行复核，并结合我司动态BIM技术，专利号2018108678919，专利名称：基于北斗高精度定位和BIM的施工现场综合空间监测体系，进一步建立结构施工精度实时监控***。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，为及时了解、控制建筑施工的精度，提供一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系。
技术方案：一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，包括卫星信号接收机、高精度测绘设备、以及计算机；
卫星信号接收机，用于接收施工过程中的高精度移动控制网高精度监测所需的卫星定位信号，并通过无线通讯传输至计算机；
高精度测绘设备，包括光电测距仪、全站仪，用于对施工过程进行实时精度监测，获得与移动站定位点、结构关键点之间的相对距离、相对方向角、高差，通过无线通讯传输至计算机；
计算机，用于建立施工BIM模型,包括纯结构BIM模型和结构+模板模型，根据卫星信号接收机、高精度测绘设备的监测，通过计算机内的软件计算结构关键点的绝对坐标后，即时更新数据库中施工BIM模型中相应结构关键点的坐标，即可分析结构的精度；其中，计算机内的软件，包含施工过程高精度定位算法和施工过程结构精度分析算法。
本发明的进一步改进在于，施工过程中的高精度移动控制网，由基准站和移动站构成；施工作业面上方设有多个卫星信号接收机，施工作业面上方的卫星信号接收机为移动站；非施工作业面不受干扰区域布置有1～2个卫星信号接收机，非施工作业面不受干扰区域上方的卫星信号接收机为基准站。
本发明的进一步改进在于，施工过程高精度定位算法包括：北斗/GNSS精密单点定位算法（PPP）、北斗/GNSS静态相对定位算法、坐标换算及平差算法；北斗/GNSS精密单点定位算法（PPP），用于获得基准站的绝对坐标，在施工过程中利用基准站、移动站10～15分钟同步监测数据，经北斗/GNSS静态相对定位算法解算、坐标换算后获得移动站的初始坐标；利用基准站和移动站的初始坐标以及高精度测绘设备所测与移动站定位点、结构关键点之间的相对距离、相对方向角、高差，经平差算法计算修正后建立覆盖施工作业面的高精度移动监控体系。
本发明的进一步改进在于，施工BIM模型，包含纯结构BIM模型，和在结构基础上的模板模型，施工BIM模型可以提供结构阴阳角点和支模后相应模板角点结构关键节点坐标；通过BIM二次开发，根据施工过程高精度定位算法获得的数据，同步更新施工BIM模型中结构关键节点的绝对坐标，构建结构关键节点对比、分析BIM模型。
一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控方法，具体步骤如下：
（1）根据结构施工的精度要求，在施工作业面及非施工作业面布置卫星信号接收机，利用施工过程高精度定位算法计算各点坐标，形成高精度移动控制网；
（2）利用高精度测绘设备，测量与移动站、结构关键节点的相对距离、相对方向角、高差；
（3）通过步骤（2）所测的设备之间相对距离、相对方向角和高差，以及步骤（1）中计算的卫星接收机坐标，根据施工过程高精度定位算法，北斗/GNSS精密单点定位算法（PPP）、北斗/GNSS静态相对定位算法、坐标换算及平差算法计算后获得结构关键节点的绝对坐标；
（4）将施工BIM模型中结构阴阳角点以及支模后模板角点坐标替换为步骤（3）中计算获得的结构关键节点坐标，构建结构关键节点对比、分析BIM模型；
（5）利用施工过程结构精度分析算法，计算结构关键节点对比、分析模型中施工过程中不同结构层次关键节点在水平方向、垂直方向的差异性，分析结构整体的垂直度、平度和精度。
本发明的进一步改进在于，步骤（4）中，将施工BIM模型中结构阴阳角点和支模后模板角点的绝对坐标改为步骤（3）中计算获得的相应点的绝对坐标， 计算机重新绘制与施工现场一致的结构关键节点对比、分析BIM模型，模型mesh文件中含有现场实际结构阴阳角点和支模后模板角点的绝对坐标。
本发明的进一步改进在于，步骤（5）中，通过BIM二次开发，建立施工过程结构精度分析算法，自动提取结构关键节点对比、分析BIM模型mesh文件中结构阴阳角点和支模后模板角点的坐标，对比、分析结构拆模后和支模后各个关键节点坐标X,Y,Z方向的差异，推算结构的垂直度、平度、扭度等相关精度控制数据，对结构整体精度进行分析，指导施工优化。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，至少实现了如下的有益效果：
本发明首先利用卫星高精度定位技术替代传统测量技术，在建筑结构施工过程中提供定位原点；接着利用光电测距仪、全站仪、激光测距仪等设备获取结构关键节点的相对空间数据；然后，通过无线通讯，将上述测量数据汇总至主计算机，实施坐标转换，将相对坐标转换为绝对空间坐标；最后，将设计BIM模型的坐标替换为上述绝对空间坐标，建立施工级BIM模型，即可对施工精度进行判断。本发明对移动控制网实现施工作业面任意定点的高精度定位，精度在5mm以内，能过监测施工精度尤其是模板支模精度，从而达到动态监测的目的，便于及时指导施工，整体上控制结构误差。
当然，实施本发明的任一产品并不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
现详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
实施例1，
如图1所示，一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，包括卫星信号接收机、高精度测绘设备、以及计算机；
卫星信号接收机，用于接收施工过程中的高精度移动控制网高精度监测所需的卫星定位信号，并通过无线通讯传输至计算机；
高精度测绘设备，包括光电测距仪、全站仪，用于对施工过程进行实时精度监测，获得与移动站定位点、结构关键点之间的相对距离、相对方向角、高差，通过无线通讯传输至计算机；
计算机，用于建立施工BIM模型,包括纯结构BIM模型和结构+模板模型，根据卫星信号接收机、高精度测绘设备的监测，通过计算机内的软件计算结构关键点的绝对坐标后，即时更新数据库中施工BIM模型中相应结构关键点的坐标，即可分析结构的精度；其中，计算机内的软件，包含施工过程高精度定位算法和施工过程结构精度分析算法。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，施工过程中的高精度移动控制网，由基准站和移动站构成；施工作业面上方设有多个卫星信号接收机，施工作业面上方的卫星信号接收机为移动站；非施工作业面不受干扰区域布置有1～2个卫星信号接收机，非施工作业面不受干扰区域上方的卫星信号接收机为基准站。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，施工过程高精度定位算法包括：北斗/GNSS精密单点定位算法（PPP）、北斗/GNSS静态相对定位算法、坐标换算及平差算法；
北斗/GNSS精密单点定位算法（PPP），用于获得基准站的绝对坐标，在施工过程中利用基准站、移动站10～15分钟同步监测数据，经北斗/GNSS静态相对定位算法解算、坐标换算后获得移动站的初始坐标；利用基准站和移动站的初始坐标以及高精度测绘设备所测与移动站定位点、结构关键点之间的相对距离、相对方向角、高差，经平差算法计算修正后建立覆盖施工作业面的高精度移动监控体系。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，施工BIM模型，包含纯结构BIM模型，和在结构基础上的模板模型，施工BIM模型可以提供结构阴阳角点和支模后相应模板角点结构关键节点坐标；通过BIM二次开发，根据施工过程高精度定位算法获得的数据，同步更新施工BIM模型中结构关键节点的绝对坐标，构建结构关键节点对比、分析BIM模型。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，卫星信号接收机由北斗接收机、全天候供电***组成，其中全天候供电***包括锂电池、太阳能电板。
实施例2，
一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控方法，具体步骤如下：
（1）根据结构施工的精度要求，在施工作业面及非施工作业面布置卫星信号接收机，利用施工过程高精度定位算法计算各点坐标，形成高精度移动控制网；
（2）利用高精度测绘设备，测量与移动站、结构关键节点的相对距离、相对方向角、高差；
（3）通过步骤（2）所测的设备之间相对距离、相对方向角和高差，以及步骤（1）中计算的卫星接收机坐标，根据施工过程高精度定位算法，北斗/GNSS精密单点定位算法（PPP）、北斗/GNSS静态相对定位算法、坐标换算及平差算法计算后获得结构关键节点的绝对坐标；
（4）将施工BIM模型中结构阴阳角点以及支模后模板角点坐标替换为步骤（3）中计算获得的结构关键节点坐标，构建结构关键节点对比、分析BIM模型；
（5）利用施工过程结构精度分析算法，计算结构关键节点对比、分析模型中施工过程中不同结构层次关键节点在水平方向、垂直方向的差异性，分析结构整体的垂直度、平度和精度。
本发明的进一步改进在于，步骤（4）中，将施工BIM模型中结构阴阳角点和支模后模板角点的绝对坐标改为步骤（3）中计算获得的相应点的绝对坐标， 计算机重新绘制与施工现场一致的结构关键节点对比、分析BIM模型，模型mesh文件中含有现场实际结构阴阳角点和支模后模板角点的绝对坐标。
本发明的进一步改进在于，步骤（5）中，通过BIM二次开发，建立施工过程结构精度分析算法，自动提取结构关键节点对比、分析BIM模型mesh文件中结构阴阳角点和支模后模板角点的坐标，对比、分析结构拆模后和支模后各个关键节点坐标X,Y,Z方向的差异，推算结构的垂直度、平度、扭度等相关精度控制数据，对结构整体精度进行分析，指导施工优化。
实施3，
住宅楼工程，地下2层，地上32层，框架剪力墙结构。针对施工中的测量定位以及高层施工的结构精度控制，采用基于卫星高精度定位和动态BIM的施工现场mm级综合空间定位***。不仅可以在施工中过程中应用该测量定位***提供精确的结构定位，而且可以在施工中建立施工级BIM模型，监测施工精度，控制施工误差，从而达到动态监测的目的。
实施案例：
（1）根据结构施工的精度要求，选用定位精度符合要求的卫星定位设备，在拟建住宅楼场地施工面与周边区域布设基准站2台、移动站2台，形成移动控制网。基准站由太能阳供电，可保持长期固定；移动站根据工程需求，在相应作业面布设，根据精度要求确定布点时间；
（2）基准站依靠GNSS静态算法获得两个基准站的绝对坐标；在此基础上，利用基准站、移动站同步作业的数据，经短基线解算、坐标转化即可获得移动站的相对坐标；
（3）利用光电测距仪、全站仪和激光扫描仪，测量与移动站定位点、结构关键点的相对距离、相对方向角等参数，通过无线通讯传输至主计算机，通过坐标转换，计算结构关键点的相对坐标；
（4）将设计BIM模型中结构角点和对应模板角点的坐标改为步骤（3）中计算获得的坐标，设计BIM 即更新为施工BIM模型，在模型中可以重现与现场一致的墙、柱、楼板等几何空间结构和模板特征；
（5）主计算机可将施工BIM模型与设计BIM模型的精度进行对比，了解结构施工精度，以便及时制订下一阶段的施工计划，实行精度整体控制。
通过上述实施例可知，本发明提供的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，至少实现了如下的有益效果：
本发明首先利用卫星高精度定位技术替代传统测量技术，在建筑结构施工过程中提供定位原点；接着联合全站仪、激光测距仪等设备共同获取结构节点和对应模板角点的坐标；最后，将设计BIM模型的坐标替换为上述绝对空间坐标，建立施工BIM模型，即可对施工精度进行判断。本发明对移动控制网实现施工作业面任意定点的高精度定位，精度在5mm以内，能过监测施工精度，控制施工误差，从而达到动态监测的目的，便于及时指导施工。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，包括卫星信号接收机、高精度测绘设备、以及计算机；
所述卫星信号接收机，用于接收施工过程中的高精度移动控制网高精度监测所需的卫星定位信号，并通过无线通讯传输至所述计算机；
所述高精度测绘设备，包括光电测距仪、全站仪，用于对施工过程进行实时精度监测，获得与移动站定位点、结构关键点之间的相对距离、相对方向角、高差，通过无线通讯传输至所述计算机；
所述计算机，用于建立施工BIM模型,包括纯结构BIM模型和结构+模板模型，根据所述卫星信号接收机、所述高精度测绘设备的监测，通过所述计算机内的软件计算结构关键点的绝对坐标后，即时更新数据库中施工BIM模型中相应结构关键点的坐标，即可分析结构的精度；其中，所述计算机内的软件，包含施工过程高精度定位算法和施工过程结构精度分析算法。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，
施工过程中的所述高精度移动控制网，由所述基准站和移动站构成；
施工作业面上方设有多个所述卫星信号接收机，所述施工作业面上方的所述卫星信号接收机为移动站；
非施工作业面不受干扰区域布置有1～2个所述卫星信号接收机，所述非施工作业面不受干扰区域上方的所述卫星信号接收机为基准站。
3.根据权利要求2所述的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，
所述施工过程高精度定位算法包括：北斗/GNSS精密单点定位算法（PPP）、北斗/GNSS静态相对定位算法、坐标换算及平差算法；
所述北斗/GNSS精密单点定位算法（PPP），用于获得基准站的绝对坐标，在施工过程中利用基准站、移动站10～15分钟同步监测数据，经北斗/GNSS静态相对定位算法解算、坐标换算后获得移动站的初始坐标；利用基准站和移动站的初始坐标以及高精度测绘设备所测与移动站定位点、结构关键点之间的相对距离、相对方向角、高差，经平差算法计算修正后建立覆盖施工作业面的高精度移动监控体系。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系，其特征在于，
所述施工BIM模型，包含纯结构BIM模型，和在结构基础上的模板模型，施工BIM模型可以提供结构阴阳角点和支模后相应模板角点结构关键节点坐标；通过BIM二次开发，根据施工过程高精度定位算法获得的数据，同步更新施工BIM模型中结构关键节点的绝对坐标，构建结构关键节点对比、分析BIM模型。
5.根据权利要求1一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）根据结构施工的精度要求，在施工作业面及非施工作业面布置所述卫星信号接收机，利用施工过程高精度定位算法计算各点坐标，形成高精度移动控制网；
（2）利用所述高精度测绘设备，测量与移动站、结构关键节点的相对距离、相对方向角、高差；
（3）通过步骤（2）所测的设备之间相对距离、相对方向角和高差，以及步骤（1）中计算的卫星接收机坐标，根据施工过程高精度定位算法，北斗/GNSS精密单点定位算法（PPP）、北斗/GNSS静态相对定位算法、坐标换算及平差算法计算后获得结构关键节点的绝对坐标；
（4）将施工BIM模型中结构阴阳角点以及支模后模板角点坐标替换为步骤（3）中计算获得的结构关键节点坐标，构建结构关键节点对比、分析BIM模型；
（5）利用施工过程结构精度分析算法，计算结构关键节点对比、分析模型中施工过程中不同结构层次关键节点在水平方向、垂直方向的差异性，分析结构整体的垂直度、平度和精度。
6.根据权利要求5一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控方法，其特征在于，
所述步骤（4）中，将施工BIM模型中结构阴阳角点和支模后模板角点的绝对坐标改为步骤（3）中计算获得的相应点的绝对坐标， 计算机重新绘制与施工现场一致的结构关键节点对比、分析BIM模型，模型mesh文件中含有现场实际结构阴阳角点和支模后模板角点的绝对坐标。
7.根据权利要求5一种基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控方法，其特征在于，
所述步骤（5）中，通过BIM二次开发，建立施工过程结构精度分析算法，自动提取结构关键节点对比、分析BIM模型mesh文件中结构阴阳角点和支模后模板角点的坐标，对比、分析结构拆模后和支模后各个关键节点坐标X,Y,Z方向的差异，推算结构的垂直度、平度、扭度等相关精度控制数据，对结构整体精度进行分析，指导施工优化。
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2020
- 2020-03-11 CN CN202010166083.7A patent/CN111914317A/zh active Pending
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