一种基于BIM和FEM协同的宽幅钢箱梁优化分块方法与流程

一种基于bim和fem协同的宽幅钢箱梁优化分块方法
技术领域
1.本发明属于建筑施工技术领域，尤其属于桥梁施工技术领域，特别是一种基于bim fem协同的宽幅钢箱梁优化分块方法。


背景技术：

2.bim为建筑信息模型的缩写，随着bim技术发展，其在桥梁建造的应用也越来越广泛深入；fem为有限元法或有限元素法的缩写，是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，fem的应用可以将桥梁结构细部分析做得越来越深入。
3.随着大跨度桥梁的发展与建立，宽幅钢箱梁被使用在桥梁上，宽幅钢箱梁的分块与拼装是桥梁建造中一个关键的技术，其对桥梁的施工及其建造质量影响巨大；因此，将宽幅钢箱梁的分块和拼装与bim fem先进技术结合，提高桥梁工程的建设效率与质量安全成为桥梁建设中必须解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明目的是针对上述问题，公开一种基于bim和fem协同的宽幅钢箱梁优化分块方法，通过bim fem协同技术的应用，解决大型钢箱梁进行分段、分块的难点和解决施工图中的设计缺陷，提升施工质量，减少后期修改变更，避免人力、物力浪费，并达到降本增效的效果。
5.为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
6.一种基于bim和fem协同的宽幅钢箱梁优化分块方法，其特征在于：优化分块方法包括fem优化阶段、bim优化阶段和现场施工阶段；
7.所述的fem优化阶段通过模拟和分析不同焊接方案的温度场、应力场和残余变形，获得最优的分块数量和焊缝位置；
8.所述的bim优化阶段通过钢结构加工前对具体钢构件、节点的构造方式、工艺做法和工序安排进行优化调整，有效指导制造厂工人采取合理有效的工艺加工，提高施工质量和效率，降低施工难度和风险。
9.所述的现场施工阶段在钢构件施工现场安装过程中，利用钢结构bim模型数据，对每个钢构件的起重量、安装操作空间进行精确校核和定位，为在复杂及特殊环境下的吊装以及拼装施工创造实用价值。
10.作为优选，所述的fem优化阶段通过以下步骤实现：
11.s1：在有限元软件里面，根据设计图纸建立空间fem几何模型；
12.s2：设置材料属性，编辑钢材和焊材的热材料属性；
13.s3：设置接触和加入移动热源，利用生死单元的方法模拟出焊接过程，最后提交作业算出温度场和与之相对应的应力场和残余变形；
14.s4：通过模拟不同的方块方法，在有限元软件里面计算与之对应的温度场、应力场和残余变形，分析各个方法的受力，并且比较大小，取较小且最有效的分块方法得到最优的
分块数量和焊缝位置。
15.作为优选，所述的bim优化阶段通过以下步骤实现：
16.s5：依据设计图纸建立bim模型，钢结构bim模型是本系统信息化和可视化功能实现的主要载体；
17.s6：使用徕卡novams50的三维激光扫描技术或高分辨率数字图像测量技术进行图像采集；
18.s7：结合徕卡公司的geomos、cyclone、infinity、multiworx等软件，高效处理ms50全站扫描仪的数据，根据点云自动生成平面、曲面、圆柱、弯管等，并输出实测三维模型；
19.s8：根据实测数据和理论数据，对预拼装检测项点综合分析，包括分析出预拼装段相对基准段实际偏差值，将不符合要求的单元反馈到加工制作并进行调整，合格的部分直接进入节段焊接环节。
20.作为优选，所述的现场施工阶段通过以下方法实现：
21.s9：钢梁进场后先对节段进行质量验收，质量验收包括吊耳、焊缝外观检查，吊装前先进行试吊，再平稳起吊；
22.s10：现场设置液压升降胎架，拼装前对胎架标高进行调整定位，拼装过程中利用三维千斤顶进行微调，实现拼装时线性的控制；
23.s11：结合徕卡公司的geomos、cyclone、infinity、multiworx等软件，高效处理ms50全站扫描仪的数据，根据点云自动生成平面、曲面、圆柱、弯管等，并输出实测三维模型；
24.s12：严格按拼装顺序吊装，拼装时按测量及bim仿真实时监测数据调整线性直至完成拼装。
25.作为优选，所述bim优化阶段中步骤s8的模拟预拼装有两种方式：
26.s81：第一种是理论模型与实测模型之间的比对，即依据设计图纸搭建或者设计阶段传递下来的理论模型，和零构件加工完毕之后经测量搭建的实测模型进行对比分析并模拟其拼装过程；
27.s82:第二种是理论坐标点与实测坐标点之间的比对，即在依据设计图纸搭建或者设计阶段传递下来的理论模型中建立相应坐标系，选取构件尺寸关键控制点作为主要测量控制点。拼装完成后测量各控制点的实际坐标值并输入计算机，实现坐标转换后再与理论模型中对应的控制点坐标值进行拟合比对。
28.作为优选，所述bim优化阶段中步骤s6的图像采集分为两个步骤：
29.s61:第一步是ms50自动拍摄选择的范围并合成全景图，以提供后期点云的rgb色彩信息；
30.s62:第二步是根据预设的间隔进行扫描。徕卡novams50点云获取的方式比较灵活，对于钢结构桥梁节段而言，1000hz点云采集即可满足要求。同时，徕卡提供了带有自动扫描功能的完整监测方案，可以监测到工作人员无法触及的死角或安放棱镜的区域目标。
31.作为优选，所述bim优化阶段步骤s82中所提取的坐标需要进行坐标转换，转换方法为：采用case提出并经改进的eopa算法进行坐标系的转换，使得理论模型和实测模型的控制点均处于同一坐标系下，是实现坐标值比对的基础。
32.作为优选，所述现场施工阶段中焊接环向焊缝临时固定的顺序为：先顶板后底板、
从中间往两端对称的顺序施工。
33.作为优选，所述现场施工阶段中焊接要求为：梁段对接箱内u肋、连接板、管应时同时进行，避免后期现场切割，u肋对接必须平顺，无错台，焊接封口应严实，防止桥梁运行中湿气进入。
34.本发明方法通过有限元软件，编辑钢材和焊材的热材料属性，并且加入移动热源，利用生死单元的方法模拟出焊接的温度场和与之相对应的应力场和残余变形。
35.通过模拟不同的方块方法，在有限元软件里面计算与之对应的温度场、应力场和残余变形，比较大小，并取较小且最有效的分块方法得到最优的分块数量和焊缝位置。
36.由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
37.基于fem的优化阶段，通过fem计算优化分块后的结构件可以工厂加工质量保障性好，结构安装定位和拼装质量易于保证，无需采用参数很大的起重设备，通过合理分段、分块施工，保证了施工质量和满足整个项目要求，也可为同类型工程项目提供参考。
38.基于bim的优化阶段，在钢结构深化设计中利用bim技术三维建模，对钢结构构件空间立体布置进行可视化模拟，通过提前碰撞校核，可对方案进行优化，有效解决施工图中的设计缺陷，提升施工质量，减少后期修改变更，避免人力、物力浪费，达到降本增效的效果。
39.基于bim的现场施工阶段，通过钢结构bim模型数据，对每个钢构件的起重量、安装操作空间进行精确校核和定位，为在复杂及特殊环境下的吊装以及拼装施工创造实用价值。
附图说明
40.图1是本发明宽幅钢箱梁优化分块方法的原理框图；
41.图2是本发明宽幅钢箱梁优化分块方法fem优化阶段的原理框图；
42.图3是本发明宽幅钢箱梁优化分块方法bim优化阶段的原理框图；
43.图4是本发明宽幅钢箱梁优化分块方法现场施工阶段的原理框图；
44.附图中：1、fem优化节段；2、bim优化阶段；3、现场施工阶段；101、设计图纸；102、有限元模型；103、模拟的焊接温度场；104、应力场和残余变形；105、理论分析；106、分块数量和焊缝位置；201、理论模型；202、钢结构详图；203、构建加工制作；204、数据实测；205、实测模型；206、模型对比；207、模拟拼装；208、数据分析；209、构件交出工厂；301、节段质量验收；302、液压升降胎架；303、千斤顶；304、三维实测模型；305、bim、实时监测；306、调整线性；307、完成拼装。
具体实施方式
45.下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
46.结合附图，参照图1，本发明基于bim fem协同的宽幅钢箱梁优化分块方法，包括fem优化阶段1、bim优化阶段2和现场施工阶段3。
47.fem优化阶段1通过模拟和分析不同焊接方案的温度场、应力场和残余变形，从而
获得最优的分块数量和焊缝位置。
48.bim优化阶段2通过在钢结构加工前对具体钢构件、节点的构造方式、工艺做法和工序安排进行优化调整，有效指导制造厂工人采取合理有效的工艺加工，提高施工质量和效率，降低施工难度和风险。
49.现场施工阶段3在钢构件施工现场安装过程中，利用钢结构bim模型数据，对每个钢构件的起重量、安装操作空间进行精确校核和定位，为在复杂及特殊环境下的吊装以及拼装施工创造实用价值。
50.参见图2，fem优化阶段通过以下方法步骤实现：
51.步骤一：根据设计图纸101建立复杂的空间有限元模型102；
52.步骤二：模拟不同焊接方案的温度场103，计算得到与之对应的应力场和残余变形104；
53.步骤三：通过对不同方案的残余变形和应力场104的分析105，得到最优的分块数量和焊缝位置106。
54.参见图3，bim优化阶段通过以下方法步骤实现：
55.步骤一：依据设计图纸建立精准的bim模型201，钢结构bim模型是本系统信息化和可视化功能实现的主要载体；
56.步骤二：使用徕卡novams50的三维激光扫描技术或高分辨率数字图像测量技术进行图像采集204；
57.步骤三：结合徕卡公司的geomos、cyclone、infinity、multiworx等软件，高效处理ms50全站扫描仪的数据，根据点云自动生成平面、曲面、圆柱、弯管等，并输出实测三维模型205；
58.步骤四：根据实测数据和理论数据206，对预拼装检测项点综合分析207，分析出预拼装段相对基准段实际偏差值
59.208，将不符合要求的单元反馈到加工制作并进行调整，合格的部分直接进入节段焊接环节209。
60.参见图4，所述的现场施工阶段通过以下手段实现：
61.步骤一：钢梁进场后先对节段进行质量验收301(吊耳、焊缝外观检查)，吊装前先进行试吊，再平稳起吊；
62.步骤二：现场设置液压升降胎架302，拼装前对胎架标高进行调整定位，拼装过程中利用三维千斤顶进行微调303，实现拼装时线性的控制；
63.步骤三：结合徕卡公司的geomos、cyclone、infinity、multiworx等软件，高效处理ms50全站扫描仪的数据，根据点云自动生成平面、曲面、圆柱、弯管等，并输出实测三维模型304；
64.步骤四：严格按拼装顺序吊装，拼装时按测量及bim仿真实时监测305数据调整线性306直至完成拼装307。
65.参见图3，所述bim优化阶段中的实现模拟预拼装主要有两种方式：
66.s1：第一种是理论模型与实测模型之间的比对，即依据设计图纸搭建或者设计阶段传递下来的理论模型，和零构件加工完毕之后经测量搭建的实测模型进行对比分析并模拟其拼装过程；
67.s2:第二种是理论坐标点与实测坐标点之间的比对，即在依据设计图纸搭建或者设计阶段传递下来的理论模型中建立相应坐标系，选取构件尺寸关键控制点作为主要测量控制点。拼装完成后测量各控制点的实际坐标值并输入计算机，实现坐标转换后再与理论模型中对应的控制点坐标值进行拟合比对。
68.参见图3，所述bim优化阶段中的图像采集主要分为两个步骤：
69.s1:第一步是ms50自动拍摄选择的范围并合成全景图，以提供后期点云的rgb色彩信息；
70.s2:第二步是根据预设的间隔进行扫描。徕卡novams50点云获取的方式比较灵活，对于钢结构桥梁节段而言，1000hz点云采集即可满足要求。同时，徕卡提供了带有自动扫描功能的完整监测方案，可以监测到工作人员无法触及的死角或安放棱镜的区域目标。
71.参见图3，所述bim优化阶段中的所提取的坐标需要进行坐标转换，转换方法为：采用case提出并经改进的eopa算法进行坐标系的转换，使得理论模型和实测模型的控制点均处于同一坐标系下，是实现坐标值比对的基础。
72.参见图4，所述现场施工阶段焊接环向焊缝临时固定的顺序为：先顶板后底板、从中间往两端对称的顺序施工。
73.参见图4，所述现场施工阶段焊接要求为：梁段对接箱内u肋、连接板、管应时同时进行，避免后期现场切割，u肋对接必须平顺，无错台，焊接封口应严实，防止桥梁运行中湿气进入。