秦志浩，李志強(qiáng)，李永輝

（中交二公局第七工程有限公司，廣西 南寧 530201）

1 研究背景

針對(duì)施工過程的特征，有必要建立孿生模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高安全評(píng)估的精度和智能化。數(shù)字孿生是指通過可視化虛擬空間完成建模，對(duì)現(xiàn)實(shí)物體進(jìn)行復(fù)制，并對(duì)其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)運(yùn)行軌跡進(jìn)行模仿[1]。眾多學(xué)者將數(shù)字孿生框架應(yīng)用于車輛、船舶、發(fā)電廠、復(fù)雜機(jī)電裝備、衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、立體倉庫、醫(yī)療、飛機(jī)、智慧城市等領(lǐng)域[2]，為數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)展做出了許多貢獻(xiàn)。結(jié)合施工過程的特征，本研究將數(shù)字孿生理念作為根據(jù)，基于鋼結(jié)構(gòu)施工安全評(píng)估構(gòu)建數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)，形成了安全預(yù)判方法，有效地保證了結(jié)構(gòu)在各個(gè)施工階段均處于可靠狀態(tài)。

2 鋼結(jié)構(gòu)施工安全評(píng)估的數(shù)字孿生框架

鋼結(jié)構(gòu)施工安全評(píng)估的數(shù)字孿生框架由5 個(gè)維度組成，即物理施工現(xiàn)場(chǎng)、虛擬施工模型、孿生數(shù)據(jù)處理層、安全評(píng)估的功能應(yīng)用層以及各組成部分間的連接層?；谖锢硎┕がF(xiàn)場(chǎng)，由規(guī)則、幾何、行為以及物理等多個(gè)層面出發(fā)構(gòu)建虛擬模型，使虛擬模型與物理施工現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生實(shí)時(shí)交互。由射頻識(shí)別（RFID） 等傳感設(shè)備[3]對(duì)物理施工現(xiàn)場(chǎng)的各類信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，實(shí)時(shí)反饋到虛擬施工模型中。在虛擬施工模型中通過設(shè)置與現(xiàn)實(shí)施工一致的工況參數(shù)，調(diào)整結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，仿真模擬現(xiàn)實(shí)施工的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。由物理施工現(xiàn)場(chǎng)的采集數(shù)據(jù)和虛擬施工模型中的仿真數(shù)據(jù)形成施工過程的孿生數(shù)據(jù)，其中包含了施工過程的人、機(jī)、料、法、環(huán)等多個(gè)施工要素。在孿生數(shù)據(jù)處理層中由機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)施工過程各空間要素與時(shí)間維度的高度融合，從而分析各施工步結(jié)構(gòu)安全性能?；诮孬@物理空間數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析模型并在構(gòu)建虛擬施工模型的前提下，搭建施工不安全事件的維護(hù)模型，由此對(duì)不安全事件進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)及執(zhí)行。通過搭建面向鋼結(jié)構(gòu)施工框架，形成了數(shù)字孿生框架驅(qū)動(dòng)的施工安全評(píng)估建模方法。通過虛擬空間對(duì)現(xiàn)實(shí)施工信息的動(dòng)態(tài)感知，由機(jī)器學(xué)習(xí)的理念進(jìn)行安全性能的評(píng)估，將執(zhí)行指令輸入虛擬模型進(jìn)行驗(yàn)證，最終指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的施工，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工過程結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的智能化閉環(huán)控制。

在面向鋼結(jié)構(gòu)施工安全評(píng)估的數(shù)字孿生框架的驅(qū)動(dòng)下，研究數(shù)字孿生框架驅(qū)動(dòng)的施工安全評(píng)估建模方法，安全評(píng)估建模流程見圖1。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)施工過程的安全評(píng)估建模流程

3 多維數(shù)字孿生模型的構(gòu)建

基于鋼結(jié)構(gòu)施工安全評(píng)估的數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)中，截獲物理空間數(shù)據(jù)、虛擬模型的搭建和施工過程的時(shí)空信息融合是多維模型構(gòu)建的組成部分。通過對(duì)以上3 個(gè)方面的研究，可以實(shí)現(xiàn)施工過程時(shí)間維度與空間維度的多要素的融合，為施工過程各施工步的安全分析提供依據(jù)，同時(shí)也是對(duì)不安全事件維護(hù)建模的基礎(chǔ)。對(duì)數(shù)字孿生模型的3 個(gè)組成部分進(jìn)行描述如下。

3.1 物理空間的信息捕捉

在多維數(shù)字孿生模型構(gòu)建的過程中，對(duì)物理空間的信息捕捉是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生框架驅(qū)動(dòng)的安全評(píng)估建模的第一步。通過RFID 等傳感設(shè)備實(shí)時(shí)感知施工現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)信息，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)空間與虛擬模型的一一映射[4]。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估主要分析的對(duì)象是結(jié)構(gòu)響應(yīng)和環(huán)境荷載[5]。在本研究中，將物理空間的信息分為兩個(gè)方面，即構(gòu)件信息（CI） 和環(huán)境信息（EI*）。

1） 構(gòu)件信息捕捉。鋼結(jié)構(gòu)由各類鋼構(gòu)件組成，在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中涉及的構(gòu)件種類眾多，各構(gòu)件的施工順序錯(cuò)綜復(fù)雜，因此對(duì)施工過程的各類構(gòu)件信息的捕捉對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性能評(píng)估意義重大。對(duì)構(gòu)件信息捕捉的過程中，將主要信息分為構(gòu)件標(biāo)號(hào)（CS）、構(gòu)件的基本信息（BI）、構(gòu)件的施工信息（CI*） 及構(gòu)件的力學(xué)信息（MI）。

在構(gòu)件信息捕捉的過程中，在主動(dòng)RFID 標(biāo)簽上填寫構(gòu)件的標(biāo)號(hào)、基本信息、施工信息。從構(gòu)件的進(jìn)場(chǎng)到施工過程的每個(gè)施工步驟，通過RFID 標(biāo)簽時(shí)刻更新相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的信息動(dòng)態(tài)感知。在結(jié)構(gòu)的施工過程中，構(gòu)件會(huì)處于不同的施工工序，因此，構(gòu)件信息會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于施工過程中構(gòu)件信息的改變，可以利用標(biāo)簽的可編輯性通過讀寫器對(duì)其修改，最終在移動(dòng)終端設(shè)備中實(shí)時(shí)查看構(gòu)件的基本信息和施工信息。對(duì)于構(gòu)件的力學(xué)信息的捕捉，則是利用傳感器針對(duì)每個(gè)施工步驟采集構(gòu)件的力學(xué)參數(shù)。

2） 環(huán)境信息捕捉。結(jié)構(gòu)建設(shè)期間，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損或受到破壞的因素多種多樣，考慮外界各種影響因素的前提下，獲取環(huán)境信息時(shí)，需要著重收集構(gòu)件長(zhǎng)度（Le）、溫度（Te） 以及風(fēng)載（Wl） 等誤差信息。對(duì)于施工過程的環(huán)境信息捕捉采用數(shù)學(xué)語言表述，公式為

在對(duì)環(huán)境信息捕捉的過程中，采用RFID 技術(shù)對(duì)構(gòu)件的尺寸實(shí)時(shí)采集并通過移動(dòng)終端設(shè)備動(dòng)態(tài)更新拉索長(zhǎng)度的誤差。結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于加工、安裝等原因造成構(gòu)件長(zhǎng)度誤差對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能產(chǎn)生重要的影響。針對(duì)拉索的長(zhǎng)度變化，在施工的每個(gè)步驟中由三維激光掃描進(jìn)行關(guān)鍵坐標(biāo)的拾取，通過現(xiàn)場(chǎng)的掃描生成結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成點(diǎn)云模型，實(shí)時(shí)捕捉構(gòu)件的長(zhǎng)度誤差。RFID 讀寫器具有可編輯性，利用移動(dòng)終端設(shè)備識(shí)別構(gòu)件上的標(biāo)簽，記錄并更新構(gòu)件的狀態(tài)。對(duì)風(fēng)載作用和溫度作用的影響，則是采用風(fēng)速傳感器和溫度傳感器在施工過程的每個(gè)施工步進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，為虛擬模型工況的設(shè)置和結(jié)構(gòu)安全性能的分析提供依據(jù)。

通過對(duì)施工過程的構(gòu)件信息和環(huán)境信息的采集，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的結(jié)構(gòu)安全性能的預(yù)測(cè)。同時(shí)在采集施工現(xiàn)場(chǎng)信息的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行虛擬模型的搭建。在虛擬模型中設(shè)置同施工現(xiàn)場(chǎng)一致的工況，仿真模擬出結(jié)構(gòu)安全性能，從而實(shí)現(xiàn)映射施工現(xiàn)場(chǎng)、指導(dǎo)施工過程的目標(biāo)。

3.2 虛擬模型的搭建

在評(píng)估鋼結(jié)構(gòu)安全性能的數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建虛擬模型可由“幾何-物理-行為-規(guī)則”層面出發(fā)，基于施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，集中各維度模型，從而能夠全方位、深層次以及多視角地模仿施工現(xiàn)場(chǎng)情況。

構(gòu)建虛擬模型時(shí)，首先由幾何層面出發(fā)，建立外觀、型號(hào)及尺寸模型，選擇建筑信息模型（BIM）軟件中的Revit 軟件模塊來完成。通過構(gòu)建高保真度的幾何模型能夠充分體現(xiàn)工程建設(shè)過程中的幾何屬性，從而在后續(xù)物理建模過程中獲得有力支撐。在虛擬模型幾何建模過程中需要以Revit 軟件模塊為支撐，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，建立同施工現(xiàn)場(chǎng)一致的幾何模型。物理建模主要針對(duì)施工構(gòu)件材料數(shù)據(jù)而言，大多以有限元分析軟件為主，諸如ANSYS 軟件等。在此期間，借助傳感器獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，糾正幾何模型中的誤差，對(duì)構(gòu)建鏈接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以此為基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。構(gòu)件的尺寸會(huì)影響到結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。在行為層面，可在有限元模型中添加等同于施工現(xiàn)場(chǎng)的工況信息，對(duì)于構(gòu)建力學(xué)性能系數(shù)和材料本身在使用中的數(shù)據(jù)變化，借助獲取到的材料信息及力學(xué)性能系數(shù)，評(píng)估工程安全系數(shù)。對(duì)數(shù)字孿生虛體建模進(jìn)行形式化的數(shù)學(xué)語言表述，具體表述公式為

式中：VM 為面向鋼結(jié)構(gòu)施工安全評(píng)估的數(shù)字孿生框架中的虛擬模型；GMset為幾何模型集；PMset為物理模型集；BMset為行為模型集；RMset為規(guī)則模型集。各類模型集通過自然連接符∞進(jìn)行連接，對(duì)物理施工現(xiàn)場(chǎng)形成全要素、多維度、多狀態(tài)的“幾何-物理-行為-規(guī)則”模擬、仿真。在各類模型相關(guān)聯(lián)的過程中，應(yīng)用三維激光掃描儀、傳感器等設(shè)備調(diào)整幾何模型與物理模型，使其能映射現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；同時(shí)由馬爾可夫鏈[5]對(duì)各施工步的信息進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)施工過程的時(shí)間維度與空間維度的信息融合。由此有效連接行為模型與幾何模型、物理模型，達(dá)到實(shí)時(shí)評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性能的目標(biāo)。以下在3.3 節(jié)重點(diǎn)探索基于馬爾可夫鏈[5]的施工過程的時(shí)空信息融合。規(guī)則模型則貫穿整個(gè)虛擬模型搭建的全過程，對(duì)幾何模型、物理模型、行為模型3 類模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，以確保施工的各施工步均處于安全狀態(tài)。

3.3 施工過程的時(shí)空信息融合

馬爾可夫鏈[5]可以根據(jù)施工過程的前后步驟之間的關(guān)系，獲取未來階段的安全狀態(tài)。由此可以應(yīng)用于施工過程各施工步之間的安全性能分析。結(jié)合施工過程的主要控制要素的閾值，制定結(jié)構(gòu)安全與不安全事件發(fā)生的概率。根據(jù)當(dāng)前施工步結(jié)構(gòu)安全性能，并融合風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率或結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)變化的程度，預(yù)測(cè)下個(gè)施工步結(jié)構(gòu)安全性能。其中的安全風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括了施工過程中操作失誤和環(huán)境要素的急劇變化。在本研究中，以每個(gè)施工步的應(yīng)力為研究對(duì)象，當(dāng)應(yīng)力大于或等于該施工步應(yīng)力設(shè)計(jì)值時(shí)，記為結(jié)構(gòu)安全性能處于a 級(jí)；當(dāng)應(yīng)力大于或等于該施工步應(yīng)力設(shè)計(jì)值的93%時(shí)，記為結(jié)構(gòu)安全性能處于b 級(jí)；當(dāng)應(yīng)力大于或等于該施工步應(yīng)力設(shè)計(jì)值的90%時(shí)，記為結(jié)構(gòu)安全性能處于c級(jí)；當(dāng)應(yīng)力低于該施工步應(yīng)力設(shè)計(jì)值的85%時(shí)，記為結(jié)構(gòu)安全性能處于d 級(jí)。

在時(shí)空信息融合的過程中，將結(jié)構(gòu)的狀態(tài)按照安全性能級(jí)別分為4 類。假定隨機(jī)變量Xn（n=1，2，3，…） 表示第n個(gè)施工步的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，則Xn=1表示為結(jié)構(gòu)安全性能處于a 級(jí)，Xn=2 表示為結(jié)構(gòu)安全性能處于b 級(jí)，Xn=3 表示為結(jié)構(gòu)安全性能處于c級(jí)，Xn=4 表示為結(jié)構(gòu)安全性能處于d 級(jí)。ai（n）表示第n個(gè)施工步結(jié)構(gòu)處于狀態(tài)i的概率，即ai（n） =p（Xn=i），其中i取1，2，3，4。pij表示當(dāng)前施工步結(jié)構(gòu)狀態(tài)為i、下個(gè)施工步結(jié)構(gòu)狀態(tài)為j的概率，即pij=p（Xn+1=j|Xn=i），其中，i，j=1，2，3，4。在本研究中，轉(zhuǎn)換概率pij是由有限元模型進(jìn)行工況設(shè)置，對(duì)比施工步之間的應(yīng)力值得到的。根據(jù)當(dāng)前的安全狀態(tài)，結(jié)合工況變化，可以預(yù)見性地分析結(jié)構(gòu)在下一個(gè)施工步的安全狀態(tài)。

4 施工過程安全評(píng)估

以北海市鐵山港區(qū)興港鎮(zhèn)呼北高速公路沿線兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)改造項(xiàng)目為例，進(jìn)行研究方法的應(yīng)用。該項(xiàng)目距離向海大道3～16 km 內(nèi)。興港鎮(zhèn)大樹嶺、小馬頭、彬池村委會(huì)范圍內(nèi)246 棟農(nóng)房、南康鎮(zhèn)夏塘村委會(huì)147 棟農(nóng)房，在原有農(nóng)房基礎(chǔ)上進(jìn)行坡屋頂和外墻立面改造。工程主要建設(shè)內(nèi)容包括腳手架工程，農(nóng)房外立面涂裝工程，屋頂房鋼結(jié)構(gòu)、門窗、屋面及防水、保溫隔熱、天棚封閉等工程。采用有限元模擬分析鋼結(jié)構(gòu)框架施工受力性能情況，見圖2。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)框架施工受力性能分析

根據(jù)3.3 節(jié)施工過程的時(shí)空信息融合，由有限元計(jì)算獲取前期施工階段結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在馬爾科夫鏈[5]的驅(qū)動(dòng)下快速精準(zhǔn)獲取后續(xù)施工階段結(jié)構(gòu)的安全性能。通過與實(shí)際施工過程力學(xué)性能表現(xiàn)規(guī)律的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本研究方法可以精準(zhǔn)有效地評(píng)估各個(gè)施工階段結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。施工過程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)等級(jí)的對(duì)比見表1。

表1 施工過程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)等級(jí)的對(duì)比

5 結(jié)論

本研究提出了城鎮(zhèn)老舊小區(qū)建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)及安全性評(píng)價(jià)分析方法，基于數(shù)字孿生形成了施工評(píng)估流程。通過工程，實(shí)踐驗(yàn)證了本研究方法可以精準(zhǔn)有效地分析結(jié)構(gòu)在各個(gè)施工階段的安全狀態(tài)，保證了施工過程的合理性。在研究過程中，形成了結(jié)構(gòu)施工安全評(píng)估的數(shù)字孿生框架，為施工安全管理提供了可靠的借鑒。通過集成虛擬和物理空間，形成了時(shí)空信息融合方法，實(shí)現(xiàn)了施工過程結(jié)構(gòu)安全的科學(xué)預(yù)判。