一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型的构建方法技术

本发明专利技术一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型的构建方法，包括设计建筑数字孪生模型的分层结构，该结构为数据几何层、感知分析层与动态交互层，所述数据几何层包括BIM与实景三维模型建立、BIM LOD层级语义构建、实景LOD与BIM LOD对齐、模型融合数据对齐；所述感知分析层包括基于传感器技术的结构受力感知与有限元分析下的力学孪生分析；所述动态交互层包含建筑数字孪生模型三维展示、BIM LOD语义加载、传感器模型控制查询和模型力学分析4大模块。本发明专利技术打破传统建筑安全监测关联性不强与建筑全局感知受限的局限性，提升建筑安全监控能力，为建筑安全预警奠定数据基础，促进了建筑数字孪生体系的可持续发展。了建筑数字孪生体系的可持续发展。了建筑数字孪生体系的可持续发展。

【技术实现步骤摘要】
一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型的构建方法


[0001]本专利技术涉及一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型的构建方法，属于建筑数字孪生领域。

技术介绍

[0002]随着智慧城市建设的发展及建筑技术水平的提升，建筑结构也向着更大规模的方向发展，在发展的同时，却也带来了建筑安全风险。近年来，建筑物由于自身内部结构存在缺陷、长期受外界环境影响或遭受突发性灾害等原因发生破坏及坍塌的事故也多次发生。因此，在智慧城市的大背景下，对建筑物结构开展健康监测与安全诊断，并使建筑业向着精细化、科技化、智慧化的方向发展，这不仅秉承了智慧城市的建设理念，也满足了建筑业自身发展转型的需要。
[0003]现有的智慧数字化系统对建筑结构整体关注不足，缺少面向智能监测的建筑物信息载体，不能够为管理决策提供数据支撑。基于数字孪生，构建建筑数字孪生模型，为解决这个问题提供了一个良好的思路。利用GIS、BIM、无线传感及有限元分析技术，从建筑模型三维呈现与结构安全状态监测感知两方面出发，建立一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型。其中，建筑信息模型(Building本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型的构建方法，其特征在于，包括设计建筑数字孪生模型的分层结构，该分层结构为数据几何层、感知分析层与动态交互层，其中：(1)数据几何层：所述数据几何层分为4部分，具体包括BIM与实景三维模型建立、BIM LOD层级语义构建、实景LOD与BIM LOD对齐、模型融合数据对齐；通过对建筑BIM与实景三维模型建立、BIM LOD层级语义构建、实景LOD与BIM LOD对齐、模型融合数据对齐步骤，实现对建筑模型基底数据的孪生建立，为传感器网的布设提供表达框架；(2)感知分析层：所述感知分析层分为两部分，具体包括基于传感器技术的结构受力感知与有限元分析下的力学孪生分析；通过对建筑结构的受力感知与孪生分析，完成对传感器监测数据的传输存储、建筑有限元力学分析与建筑力学变化映射关系表达，实现对建筑结构受力动态的孪生；(3)动态交互层：所述动态交互层借助Cesium平台，将建筑数字孪生模型以系统的形式表现出来，包含4大模块：建筑数字孪生模型三维展示、BIM LOD语义加载、传感器模型控制查询和模型力学分析；其借助系统的形式将建筑数字孪生模型可视化，并针对不同用户，二次开发相应功能模型满足不同应用需求。2.根据权利要求1所述的一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型的构建方法，其特征在于，所述数据几何层中，BIM与实景三维模型建立：利用无人机倾斜摄影测量与Revit建模技术分别建立建筑的实景三维模型与BIM模型。3.根据权利要求1所述的一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型的构建方法，其特征在于，所述数据几何层中，BIM LOD层级语义构建：借助3ds max软件，将BIM LOD按构件类型语义分为5个层级，即LOD0
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LOD4，并利用“ADD”细化方式构建BIM语义索引。4.根据权利要求3所述的一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型的构建方法，其特征在于，所述BIM LOD层级语义构建具体步骤如下：步骤一，将BIM LOD分为LOD0
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LOD4层级，划分定义如下：1)LOD0：其空间粒度描述单位为是“幢”，以表达建筑物外部轮廓为主，包含建筑物的外墙、屋顶等外部构件类型；2)LOD1：由建筑物的基本构件要素如门、窗及其余相应的结构组成；3)LOD2：主要是包含建筑内部楼梯、内部墙及楼板等大体积构件；4)LOD3：由楼梯栏杆扶手，修饰物等细部构件组成；5)LOD4：将剩余的建筑构件如矩形梁、方形柱等要素组成一个构件层级；步骤二，建立BIM语义索引：1)在3ds max中，将LOD0
‑
LOD4分别另存为glb格式标准的文件；2)引进IFC2B3DM开源库，将glb文件转换成b3dm数据，同时生成tileset.json索引文件；3)利用“ADD”细化方式，语义构建一个总JSON文件将5个tileset.json进行关联。5.根据权利要求1所述的一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型的构建方法，其特征在于，所述数据几何层中，实景LOD与BIM LOD对齐：利用Cesiumlab软件将实景LOD层次划分为5个层级，并与BIM LOD层级逐一对齐，具体过程如下：1)实景三维模型分为LOD16
‑
LOD24共9个LOD层级，借助Cesiumlab软件控制每个LOD瓦片单独加载，获得每一级别的展示效果；
2)根据模型纹理细节由粗糙到细腻的变化，将实景LOD分为五大层次，分别是：LOD16、LOD17、LOD 18
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LOD20、LOD 21
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LOD23、LOD 24；3)将实景LOD层级与BIM LOD层级逐一对应，获得两类模型LOD层次对照。6.根据权利要求1所述的一种面向结构安全监测的建筑数字孪生模型的构建方法，其特征在于，所述数据几何层中，模型融合数据对齐：从模型的几何属性数据对齐与空间位置对齐两方面出发，实现BIM与实景三维模型的融合集成，具体步骤如下：步骤一，几何属性数据对齐：用于实现对BIM模型几何数据与属性数据的组织管理，包括BIM模型拆分、几何信息对齐和属性信息映射；其中：所述BIM模型拆分过程如下：(1)将BIM模型导出为IFC格式文件，并引进BIMserver开源软件中，利用BIMserver应用程序接口连接服务器，完成对IFC文件的存储与管理；(2)BIMserver开源库将建筑构件分为常规构件与其他类型构件，并根据ID对模型中的所有构件的描述类型进行查询，将具有具体类型信息与三维形状的常规构件识别为需要解析重新生成的子构件，进而读取其属性信息；(3)将新生成的子构件数据存储为相互对应的IFC与JSON两种文件格式，实现构件的几何属性信息一一对应；所述几何信息对齐过程如下：(1)将拆分存储后的子构件IFC文件引进IfcConvert开源工具，转换成obj格式的文件；(2)再利用obj2gltf开源库，对obj数据进行优化完善，转换为glTF格式；(3)将glTF格式文件导入IFC2B3DM开源库，经过二次开发，生成相应的b3dm格式数据与配套的tileset.json索引文件；所述子构件属性信息映射过程如下：(1)拆分后的子构件模型属性信息被存储在json文件中，将构件的glTF与json文件通过同名检索一一匹配对应；(2)将glTF文件二进制处理，以glb格式写入b3dm的glTF区块中，并将json属性信息写入b3dm的Batch Table区块里；(3)写入过程中，二者通过glTF文件中的BATCH_ID属性实现相互映射连接；步骤二，空间位置对齐：用于保证不同数据标准的实景三维模型与BIM模型能在相同地理范围内进行三维可视化，配准时利用奇异值分解法对BIM模型进行位置转化操作，具体过程如下：(1)以实景三维模型为参考，在BIM与实景三维模型中均匀的选取3对以上的特征点进行同名点特征匹配；(2)将实景模型的特征点坐标表示为A
i
＝(x
i
,y
i
,z
i
)，BIM模型的特征点坐标表示为B
i
＝(x
’
i
,y
’
i
,z
’
i
)，其匹配参数解算流程如下：(2.1)、模型坐标的重心计算：(2.2)、重心化处理：ΔA
i
＝A
i
‑
E、ΔB
i
＝B
i
‑
F(2.3)、数据矩阵计算：(2.4)、利用SVD算法分解S矩阵：S＝UΛV
T
(2.5)、旋转矩阵计算：R＝VU
T
(2.6)、平移矩阵计算：T＝F
‑
RE式中各参数含义如下：E、F：实景与BIM模型特征点的重心；M：特征点对数；i：特征点编号；ΔA
i
、ΔB
i
：实景与BIM模型“i”特征点重...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敬海，陈洁，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：