一种桥梁施工全过程控制及可视化预警系统的制作方法

本发明涉及桥梁的施工控制相关领域，具体来讲是一种桥梁施工全过程控制及可视化预警系统。

背景技术：

悬臂浇筑法为桥梁结构特别是大跨度桥梁结构常用的施工方法，在悬臂浇筑法中如何确定桥梁各梁段的底板立模标高、分析并控制桥梁梁段的位移和应力为桥梁施工线形、受力控制的关键。目前，主要采用midascivil、桥梁博士等大型桥梁通用有限元计算软件进行各类桥梁结构的计算分析，但通过有限元软件并不能直接对桥梁施工过程进行控制，需要结合桥梁施工现场实际情况对计算数据进行复杂的分析、处理和校正，在这一分析处理过程中，手工处理的步骤较多不能完全保证监控计算结果的准确性，计算结果也仅限于内容形式不规范统一的文本表格，不能进行可视化操作，也没有系统的预警功能。

桥梁施工控制（也称桥梁施工监控）对于保证桥梁施工过程的安全性以及成桥线形及内力达到设计要求而言十分重要，在桥梁工程的发展史中，有许多的桥梁就是因为在施工过程中出现受力过大或稳定性问题而发生桥梁事故。悬臂浇筑法为桥梁结构特别是大跨度桥梁结构常用的施工方法，桥梁在采用悬臂法施工时其内力和位移都是随着施工过程的进展而不断发生变化的，为保证桥梁结构在施工中的受力安全以及成桥后的达到理想线形和内力，对桥梁进行施工监控是必不可少的。桥梁施工监控主要包括几何（线形）监控、应力监控，具体包括桥梁节段位移监控、应力监控、斜拉索索力监控、墩塔轴线偏位监控、墩塔应力监控等。

现有技术的缺点可以是成本高，效率底，耗时间，输出文件不规范、无可视化功能、无预警功能等类似问题。

桥梁施工监控计算的主要过程包括：步骤1、全桥有限元仿真计算；步骤2、有限元计算数据分析和处理；步骤3、施工全过程的主梁节段位移、应力数据表的建立；步骤4、施工阶段主梁悬浇节段理论与实测位移值对比及修正，挂篮造成的主梁节段弹性变形的计算；步骤5、施工阶段主梁悬浇节段理论与实测应力值对比及修正；步骤6、待悬浇梁段底板立模标高的计算；步骤7、梁段施工监控指令以及施工建议控制措施的编写。

现有技术中，步骤1通常采用大型桥梁通用软件midascivil或桥梁博士完成，技术已较为成熟；而对于步骤2~7，技术人员通常采用办公软件excel、word等进行完成，然而此方法进行数据的处理和编写主要靠人工完成，由于数据处理分析十分复杂，需要的耗时长且易出错，数据处理的正确性与准确性亦未能得到足够保证；计算结果仅限于文本表格，文本表格的规范性、统一性差；不能进行可视化操作，也没有系统的实时预警功能，不便于建设、施工、监理等各方对施工过程中桥梁结构的受力变形情况进行实时掌控，从而造成桥梁在施工过程中存在潜在风险；传统方法中数据处理和编写的过程不具有普适性，监控计算及必要的实测—理论修正步骤不能在一套统一规范的流程下进行，不便于部门/企业标准化施工管理，不利于形成完整统一地规范性桥梁施工监控文件。

技术实现要素：

因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种桥梁施工全过程控制及可视化预警系统；通过采集有限元软件的计算数据，可应用于采用悬臂施工的各类桥梁结构的全过程施工监控，包括桥梁位移、应力结果、斜拉索索力变化情况、墩塔轴线偏位情况、墩塔应力等各方面桥梁施工监控。

本发明是这样实现的，构造一种桥梁施工全过程控制及可视化预警系统，其特征在于：包括实测数据采集与输入模块、软件接入与有限元数据采集模块、数据处理与分析模块、可视化实时播报及预警模块、监控结果及立模指令输出模块五个部分；

其中，实测数据采集及输入模块用于采集桥梁梁段位移及应力实测结果、参考梁段实测标高、挂篮在指定荷载作用下的弹性变形，并将其输入至系统用于后续的数据处理分析；

其中，软件接入与有限元数据采集模块用于本控制系统与有限元计算软件的连接与计算数据的采集，通过该模块可连入有限元软件的后处理数据库，采集到与桥梁施工监控相关的关键信息及数据，并将其输入至系统用于后续的数据处理分析；

其中，数据处理与分析模块用于将采集到的桥梁关键数据进行数据整理、分析和转换；

其中，可视化实时播报及预警模块用于将数据处理与分析模块给出的桥梁节段位移及应力结果、斜拉索索力变化情况、墩塔轴线偏位情况、墩塔应力分析表情况等在外接可视化设备上进行可视化显示，实时反映施工过程中梁段的位移、应力、温湿度、风速等桥梁结构及环境情况；

其中，监控结果及立模指令输出模块用于将数据处理与分析模块给出的梁段位移、变形结果、梁段底板立模标高进行整理，以标准化、可定制化、统一化的格式将技术人员所需要的分析结果进行输出。

根据本发明所述一种桥梁施工全过程控制及可视化预警系统，其特征在于：对于实测数据采集及输入模块（10）来讲，位移实测结果一般通过设置观测点进行卫星gps定位或工程测量得到，应力实测结果一般通过对提前布置好的应变测试计进行自动化或人工采集得到，通过该模块可将实测数据储存到系统中，以便开展下一步的理论与实测结果对比分析。

根据本发明所述一种桥梁施工全过程控制及可视化预警系统，其特征在于：软件接入与有限元数据采集模块（20）采集桥梁施工监控的关键信息及数据，包括桥梁结构节点及单元信息，桥梁施工全过程施工步骤，各施工步骤中桥梁结构激活与钝化、边界条件、荷载加载情况等数据，各施工步骤中桥梁待监测节段的节点位移及单元应力数据等，采集到的数据送至数据处理与分析模块。

根据本发明所述一种桥梁施工全过程控制及可视化预警系统，其特征在于：数据处理与分析模块（30）包括几何处理分析、应力处理分析两大部分；其中几何处理分析包括主梁节段位移、墩塔轴线偏位等数据的处理分析；应力处理分析包括主梁节段应力、斜拉索索力、墩塔应力等数据的处理分析。

根据本发明所述一种桥梁施工全过程控制及可视化预警系统，其特征在于：监控结果及立模指令输出模块（50）的输出包括梁段位移分析表、梁段应力分析表、斜拉索索力分析表、墩塔轴线偏位分析表、墩塔应力分析表、梁段立模标高指令表。

本发明具有如下优点：本发明通过改进在此提供一种桥梁施工全过程控制及可视化预警系统，通过采集有限元软件的计算数据，可应用于采用悬臂施工的各类桥梁结构的全过程施工监控，包括桥梁位移、应力结果、斜拉索索力变化情况、墩塔轴线偏位情况、墩塔应力等各方面桥梁施工监控。系统可自动测量、采集和整理各类桥梁变形、应力实测结果，并通过与midascivil、桥梁博士等有限元计算软件的接入采集得到桥梁结构关键的信息数据，通过内置的数据处理分析功能对采集到的实测、理论计算数据进行分析，分析得到的数据结果一方面可通过可视化与预警模块进行实时播报和应力、位移情况预警，另一方面可通过输出模块标准化、定制化、统一化输出各类施工监控文本文件。

通过该控制系统可以方便地对在施工过程中的桥梁线形进行全过程控制，使得数据处理过程无需人为参与，大大简化了数据处理的流程且保证了分析结果的准确可靠；桥梁位移、应力结果、斜拉索索力变化情况、墩塔轴线偏位情况、墩塔应力分析表等情况可通过可视化实时播报及预警功能进行实时反应，便于各方对桥梁施工过程情况进行了解和掌握。标准化输出模块（施工监控立模指令、施工建议控制措施等）的设置可使施工监控文件格式统一，内容明确。

本发明具有如下改进及优点：

（1）在有限元计算完成后，技术人员通过本系统仅需输入桥梁相关实测数据就可得到各类桥梁的位移、应力信息，无需重复繁琐的数据处理分析，从而大大提升了监控工作效率。

（2）本系统内嵌的标准化数据处理分析流程保证了桥梁施工监控指令及各类分析结果的准确性和可靠性。

（3）本系统可外接显示设备，可实时展示和播报桥梁在施工过程中的各类技术指标、应力及位移变化情况，方便便于业主、施工方、监理方及监控方实时掌握处于施工过程中的桥梁结构的安全与变形情况。预警系统的设置使得桥梁在施工过程中一旦出现了受力不安全或变形超限等问题，可及时地在可视化设备上显示，便于各方及时地制定工程修正方案。

（4）通过本系统的监控结果及立模指令输出模块可标准化、可定制化、统一化地输出各类桥梁监控文件和指令。

附图说明

图1是本发明桥梁施工全过程控制及可视化预警系统流程框图。

具体实施方式

下面将结合附图1对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过改进在此提供一种桥梁施工全过程控制及可视化预警系统通过采集有限元软件的计算数据，可应用于采用悬臂施工的各类桥梁结构的全过程施工监控，包括桥梁位移、应力结果、斜拉索索力变化情况、墩塔轴线偏位情况、墩塔应力等各方面桥梁施工监控。系统可自动测量、采集和整理各类桥梁变形、应力实测结果，并通过与midascivil、桥梁博士等有限元计算软件的接入采集得到桥梁结构关键的信息数据，通过内置的数据处理分析功能对采集到的实测、理论计算数据进行分析，分析得到的数据结果一方面可通过可视化与预警模块进行实时播报和应力、位移情况预警，另一方面可通过输出模块标准化、定制化、统一化输出各类施工监控文本文件。

通过该控制系统可以方便地对在施工过程中的桥梁线形进行全过程控制，使得数据处理过程无需人为参与，大大简化了数据处理的流程且保证了分析结果的准确可靠；桥梁位移、应力结果、斜拉索索力变化情况、墩塔轴线偏位情况、墩塔应力分析表等情况可通过可视化实时播报及预警功能进行实时反应，便于各方对桥梁施工过程情况进行了解和掌握。标准化输出模块（施工监控立模指令、施工建议控制措施等）的设置可使施工监控文件格式统一，内容明确。

本发明包括实测数据采集与输入模块（10）、软件接入与有限元数据采集模块（20）、数据处理与分析模块（30）、可视化实时播报及预警模块（40）、监控结果及立模指令输出模块（50）五个部分，其中：

实测数据采集及输入模块10用于采集和输入桥梁梁段位移及应力实测结果、参考梁段实测标高、挂篮在指定荷载作用下的弹性变形。位移实测结果一般通过设置观测点进行卫星gps定位或工程测量得到，应力实测结果一般通过对提前布置好的应变测试计进行自动化采集得到，通过该模块可将实测数据储存到系统中，以便开展下一步的理论与实测结果对比分析。

软件接入与有限元数据采集模块20用于本控制系统与有限元计算软件的连接与计算数据的采集，通过该模块可连入有限元软件的后处理数据库，采集到桥梁施工监控的关键信息及数据，包括桥梁结构节点及单元信息，桥梁施工全过程施工步骤，各施工步骤中桥梁结构激活与钝化、边界条件、荷载加载情况等数据，各施工步骤中桥梁待监测节段的节点位移及单元应力数据等，采集到的数据送至数据处理与分析模块。

数据处理与分析模块30用于将采集到的桥梁关键数据进行数据整理、分析和转换，是本控制系统的核心，包括几何处理分析、应力处理分析两大部分。其中几何处理分析包括主梁节段位移、墩塔轴线偏位等数据的处理分析。以主梁节段位移监控为例：基于收集到的主梁节段位移数据，首先形成由“主梁节点号”、“各施工阶段名称”与“各施工阶段主梁节点位移”组成的信息表格，然后通过设置偏移函数将此信息表格转换成由施工阶段与节点号一一对应的矩阵数据表格，形成施工全过程主梁节点的位移信息矩阵；再通过各梁段与参考梁段标高的相对关系得到施工全过程主梁节点的标高信息矩阵；最后通过标高矩阵数据提取、对比分析前一梁段的实测梁底理论与实测标高，进行梁底标高修正，最终通过计算得到待悬浇梁段的立模标高值。应力处理分析包括主梁节段应力、斜拉索索力、墩塔应力等数据的处理分析。以主梁节段应力分析为例：基于收集到的主梁阶段应力数据，首先形成由“主梁节点号”、“各施工阶段名称”与“各施工阶段主梁单元应力”组成的信息表格，然后通过设置偏移函数将此信息表格转换成由施工阶段与节点号一一对应的矩阵数据表格，形成全过程主梁节点的应力信息矩阵；通过“实测数据输入模块“中储存的梁段应力实测结果，将其与应力信息矩阵中对于的应力理论计算值进行对比，分析梁段的理论与实测应力的差异及分布情况，自动生成梁段受力情况、位移变形情况等监控反馈意见。

可视化实时播报及预警模块40用于将数据处理与分析模块给出的桥梁节段位移及应力结果、斜拉索索力变化情况、墩塔轴线偏位情况、墩塔应力分析表情况等在外接可视化设备上进行可视化显示，实时反映施工过程中梁段的位移、应力、温湿度、风速等桥梁结构及环境情况，便于业主、施工方、监理方及监控方实时掌握处于施工过程中的桥梁结构的安全与变形情况。并实时播报桥梁在施工过程中可能存在的问题，给出预警提示及建议措施。

监控结果及立模指令输出模块50用于将数据处理与分析模块给出的梁段位移、变形结果、梁段底板立模标高进行整理，以标准化、可定制化、统一化的格式将技术人员所需要的分析结果进行输出，包括梁段位移分析表、梁段应力分析表、斜拉索索力分析表、墩塔轴线偏位分析表、墩塔应力分析表、梁段立模标高指令表等。技术人员还可对该模块进行设置，针对部门/企业的具体情况进行标准化设置，从而得到精确、高效、标准化的桥梁施工监控文件。

本发明具有如下改进及优点：

（1）在有限元计算完成后，技术人员通过本系统仅需输入桥梁相关实测数据就可得到各类桥梁的位移、应力信息，无需重复繁琐的数据处理分析，从而大大提升了监控工作效率。

（2）本系统内嵌的标准化数据处理分析流程保证了桥梁施工监控指令及各类分析结果的准确性和可靠性。

（3）本系统可外接显示设备，可实时展示和播报桥梁在施工过程中的各类技术指标、应力及位移变化情况，方便便于业主、施工、监理及监控各方实时掌握处于施工过程中的桥梁结构的安全与变形情况。预警系统的设置使得桥梁在施工过程中一旦出现了受力不安全或变形超限等问题，可及时地在可视化设备上显示，便于各方及时地制定工程修正方案。

（4）通过本系统的监控结果及立模指令输出模块50可标准化、可定制化、统一化地输出各类桥梁监控文件和指令。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。