一种BIM结合AR技术的雨污管网综合处置方法

技术领域

本发明属于管道施工技术领域，特别涉及一种BIM结合AR技术的雨污管网综合处置方法。

背景技术

我国的城市化进程有很大发展，排水管网系统建设越来越多。作为城市不可或缺的基础设施之一，城市排水管道承担着防汛排涝、污水收集和输送的任务，在城市公共卫生安全、水体污染防治、水环境保护中发挥非常重要的作用。地下管线越来越复杂，燃气管线、自来水管线、地下电缆等众多管线错综复杂，虽然施工前会进行管线交底，但开挖时损伤其他管线的情况时有发生，本发明旨在优化管道开挖修复方式。

传统市政管线综合设计使用的二维平面设计仅能表达单一截面的局部信息，很难直观的将地形和管线、管线和管线之间的匹配问题进行分析，无法清晰表达，从而给施工方带来了很大的施工难度。对于现场施工图纸与现场不符的问题，无法及时反馈和修改，更严重的则会导致二次施工拆除重建等问题，致使施工阶段的财力、人力、物力过多浪费和损耗，并直接影响施工进度和施工质量。

且对于市区雨污管网大部分已老旧，管网情况复杂，在修复、改扩建等项目上还要叠加许多现场的特殊工况，使得施工更具挑战性。现状道路排水管网修复方式，一般采用开挖修复技术和非开挖修复技术。但开挖修复技术方案，主要适用于道路交通面宽广，非交通要道，不阻塞城市其它使用功能的部位。即便采用非开挖修复技术方案也需在明晰管网状况下方能顺利进行。

发明内容

本发明提供了一种BIM结合AR技术的雨污管网综合处置方法，用以解决管网施工时的工况摸底、现场与设计方案交互以及处置方案的及时调整等技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种BIM结合AR技术的雨污管网综合处置方法，具体步骤如下：

步骤一：应用GIS软件并结合现有管道施工设计图，收集基础资料从而构建GIS数据库和对应模型；

GIS数据库和对应模型中基础资料收集包含设计前收集现有管网的基础资料、区域的排水规划图、地形图、已有排水管线图、管网系统运行的水量、水位及水质检测数据报表等；将以上数据图集按统一格式进行矢量化处理形成GIS数据库和对应模型，

步骤二、根据上述资料中管道信息、施工图纸和相关资料，构建路面结构层及地下管线的BIM模型，形成GIS + BIM可应用的排水管网系统的基本框架；

步骤三、通过管道修复各参与方建立工作站，配备统一的移动端和客户端，制定统一的浏览器或移动浏览器收集并上传AR所需数据，构建AR数据收集库，而后将AR数据收集库和BIM模型以及GIS数据库和对应模型联动，形成BIM+GIS+AR处理平台；

步骤四、对雨污管网进行检测，得到管网中管道的现状信息，组织技术排查人员和溯源人员携带QV设备、CCTV设备和AR设备，借助BIM+GIS+AR移动端或手持计算机进行管网现状调查；

步骤五：将排查成果形成AR数据库和对应模型并导入BIM+GIS+AR处理平台，与前期数据对比及整合，进一步完善提高整体数据库准确性和完善性；同时将BIM+GIS+AR处理平台数据和现场实际情况进行分析比对，提出管网修建整改方案、管网修复方案以及污染源排查方案；且利用虚拟构件叠加至现场环境的方法，验证设计方案的合理性或及时调整。

进一步的，对于步骤二中，构建BIM模型时，BIM模型的信息处理层通过工作站服务器和市政工程信息协调管理系统运行处理，信息集包含设计阶段信息、施工阶段信息以及检查阶段信息；其中设计阶段信息包含污染源排查数据、施工图纸深化设计信息和管线综合平衡设计信息；施工阶段包含施工方案模拟信息、施工纠偏数据、施工进度控制信息和施工指导信息；检查阶段包含与运维工单的结合、与物联检测设备的结合以及公众参与模块。

进一步的，基于ACCESS的应用层，构建BIM数据库，ACCESS数据库、Json文件以及其他数据库。

进一步的，对于步骤三中，BIM+GIS+AR处理平台建成后，BIM+GIS+AR处理平台需进行碰撞检查：基于建筑信息模型的设计情况排查“硬碰撞”情况，形成系统碰撞报告；当点击报告所属数据时，即可迅速定位并展示问题部位，操作人员在三维旋转观察或进入绘制界面确认；在处理“软碰撞”方面，BIM结合现场AR设备进行有效的识别，从而进行碰撞检测。

进一步的，对于步骤四中，在BIM+GIS+AR处理平台中导入图纸集数据并同步到移动端软件中或手持计算机软件中，操作人员走到相应位置后，通过移动端或计算机可将图纸加载在空间中，并通过触屏操作调整图纸相对于模型和现实场景的位置。

进一步的，对于步骤四中，QV检测设备和CCTV检测设备可对管道进行快速检测，利用可调节长度的手柄将高放大倍数的摄像头放入检查井内或其他隐蔽空间，操作人员在地面通过控制器调整灯光、镜头焦距进行观察，进行影像处理、控制摄像头的旋转和定位；具有高质量的图像记录和文字编辑功能，通过它明晰管道中的情况并以图片或录像形式储存检查资料；

BIM模型位置与施工现场结合后，通过移动设备摄像头捕捉到现场管道埋深和管网走向，实时查看管道系统全部位置信息；记录并上传AR模型现场的准确位置坐标；此时现场施工班组将在移动设备中收到由管理人员发送的后续工作任务，包括BIM模型上的所有信息；并在进入目标施工后通过移动设备及时反馈施工的质量、进度和材料的领用信息并发送至此模型中，及时上报施工进展。

进一步的，通过AR设备进行现场虚拟放线，即选择性的加载BIM+GIS+AR处理平台中图纸和BIM模型与施工场地相结合，可将平面图、立面图、剖面图加载到现实空间相应的AR场景位置。

进一步的，利用注释工具在现场捕获的图片覆盖层中记录下需调整的管道修复方案；注释完成后，现场管道相关信息通过云端同步到平台系统中，即将深化的规划数据传输给BIM模型；而同步后BIM模型可以通过云端工作站访问。

进一步的，对于步骤五中，对需要修复的管道采用不开挖方式进行修复，修复方式为紫外光固化修复、不锈钢双涨环修复、局部现场固化修复（应用毡筒、树脂和固化剂）以及辅助（预处理注浆）和地基加固方式修复。

进一步的，此外，在BIM+GIS+AR处理平台中设置有工单信息，点击某个工单查看具体信息，工单信息包括工单详细信息、工单现场照片、工单地图、工单审核信息等，实现对工单从创建、接单、执行、审核到回单进行全过程追踪。

本发明的有益效果体现在：

1）本发明通过GIS数据库和对应模型的构建，易于明确管网现有状况，且对应载入管网周边环境，利于后续施工；通过构建BIM数据库和对应模型，一方面利于设计、改扩建和修复方案的制定并明确施工用料及进度，另一方面利于联合AR设备提供现场与模型的交互，进一步矫正和验证模型和设计方案，便于精确化施工；

2）本发明通过AR设备的应用，利于在不开挖的情况下进行管网的监测并指导施工，在BIM+GIS+AR处理平台中于以构建的BIM模型或预先加载的图集进行交互可以现场对存在的技术问题进行调整改正；

3）本发明通过BIM+GIS+AR处理平台可系统的完成管网的先期建设、后期监测检测维修以及局部修复，并进一步的通过平台中设计的工单信息对施工全过程进行管理控制，做到资源、进度和质量的多重把控。

本发明可为完成城市排水管道全面普查与修复，建成较为完善的城市排水防涝工程体系提供有力保障；对城市排水管道的不健康会造成水资源的污染和浪费，通过定期检测与修复技术可以保障城市排水管道的健康与正常运行；对定期对排水管道进行检测，可以保证排水管道的健康运行，减少由于排水管道的结构性和功能性缺陷所造成的城市内涝、水体污染和地面坍塌等事故，减少由此产生的人员伤亡和经济损失。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解；本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。

附图说明

图1是BIM+GIS+AR处理平台中BIM模型和AR设备交互操作界面图；

图2是BIM+GIS+AR处理平台中GIS矢量图；

图3是现场探测管道图。

具体实施方式

以我国某市区内河水环境综合整治项目为例，项目通过对全市雨污管网的全面疏浚，改善恢复排水大动脉、提高城市管网的通排能力，确保城市安全。前期管网普查以道路排水系统为出发点，逐条街道、逐段管道进行相关的清查，摸排，砌底摸清全市450余公里管网基本建设条件，包括现状道路主排雨污排水管道、检查井情况等。全市区管网有1000多个点位存在功能缺陷或结构缺陷，涉及82条路面、132个路段，需修复管网22000余

目前大部分城市道路已基本完成雨污水管网的铺设，形成雨污分流排水体制。但是部分管网建设时间久远，加之排水设施维护管养不足，设施运行状况不佳。部分管网出现结构缺陷，造成城市管网排水通行能力降低，局部地域雨水内涝、污水横溢。在全市区范围内开展城市雨污管网疏通修复工作，通过对全市雨污管网的全面疏浚，改善恢复排水大动脉、提高城市管网的通排能力，确保城市安全。

结合图1至图3所示，进一步说明一种BIM结合AR技术的雨污管网综合处置方法，具体步骤如下：

步骤一：应用GIS软件并结合现有管道施工设计图，收集基础资料从而构建GIS数据库和对应模型；利用城市现有地理信息建立城市GIS数据库，获取位置信息、地理信息及现场实景并进行分析，实现模拟施工可视化。

GIS数据库和对应模型中基础资料收集包含设计前收集现有管网的基础资料、区域的排水规划图、地形图、已有排水管线图、管网系统运行的水量、水位及水质检测数据报表等；将以上数据图集按统一格式进行矢量化处理形成GIS数据库和对应模型。

本实施例中通过调查单位对实施范围内的排水单位进行摸排调查，输出结果；将排水户的雨污水如何排入市政雨污管网的路径、流向、管道性质、管径、材质、排水户编号等信息记录在成果图中，同时将错接、混接、堵塞等非正常的排水管/检查井/排水户信息标记在成果图中。

步骤二、根据上述资料中管道信息、施工图纸和相关资料，构建路面结构层及地下管线的BIM模型，形成GIS + BIM可应用的排水管网系统的基本框架。

本实施例中，通过Autodesk Revit软件按比例创建适配特征的三维土建模型，构建BIM模型时，BIM模型的信息处理层通过工作站服务器和市政工程信息协调管理系统运行处理，信息集包含设计阶段信息、施工阶段信息以及检查阶段信息；其中设计阶段信息包含污染源排查数据、施工图纸深化设计信息和管线综合平衡设计信息；施工阶段包含施工方案模拟信息、施工纠偏数据、施工进度控制信息和施工指导信息；检查阶段包含与运维工单的结合、与物联检测设备的结合以及公众参与模块。

基于ACCESS的应用层，构建BIM数据库，ACCESS数据库、Json文件以及其他数据库。

步骤三、通过管道修复各参与方建立工作站，配备统一的移动端和客户端，制定统一的浏览器或移动浏览器收集并上传AR所需数据，构建AR数据收集库，而后将AR数据收集库和BIM模型以及GIS数据库和对应模型联动，形成BIM+GIS+AR处理平台。

本实施例中，对已建成的建筑或构筑物，设计单位根据前期成果制定设计方案，绘制施工图，将施工图信息置入BIM+GIS+AR处理平台，在信息化支撑下进行现场施工；将施工信息及最终竣工数据置入BIM+GIS+AR处理平台。市政管网数据收集整理输出成果，现有已测绘、整理的市政雨污管线基础上，将管网数据进行BIM三维数字化存储对于BIM+GIS+AR处理平台根据需求进行调研，创建数据库、通过AR定位及物体识别，软件封装。

本实施例中，在建立拟建建筑、构筑物的BIM模型的基础上，审核该三维模型的对象名称、材料、区域位置、结构等工程信息，生成轻量化的三维模型和属性文件，而后导入至AR设备平台中，在AR设备平台中对三维管网模型进行浏览查看、旋转平移、放大缩小、居中、测距、剖切，实现人机交互。BIM模型与GIS叠加时，需有两个以上的坐标控制点，以便使模型与实景完全重合。

本实施例中，BIM+GIS+AR处理平台建成后，BIM+GIS+AR处理平台需进行碰撞检查：基于建筑信息模型的设计情况排查“硬碰撞”情况，形成系统碰撞报告；当点击报告所属数据时，即可迅速定位并展示问题部位，操作人员在三维旋转观察或进入绘制界面确认；在处理“软碰撞”方面，BIM结合现场AR设备进行有效的识别，从而进行碰撞检测。

步骤四、对雨污管网进行检测，得到管网中管道的现状信息，组织技术排查人员和溯源人员携带QV设备、CCTV设备和AR设备，借助BIM+GIS+AR移动端或手持计算机进行管网现状调查；在BIM模型中选取坐标控制点，与现实中坐标控制点重合，使模拟施工平台中的模型与现实重合。

本实施例中，在BIM+GIS+AR处理平台中导入图纸集数据并同步到移动端软件中或手持计算机软件中，操作人员走到相应位置后，通过移动端或计算机可将图纸加载在空间中，并通过触屏操作调整图纸相对于模型和现实场景的位置。

本实施例中，QV检测设备和CCTV检测设备可对管道进行快速检测。CCTV设备为电视检测设备，CCTV检测设备具有先进的摄像头、爬行器及灯光系统，由带遥控操纵杆的监视器控制，操作简单，移动方便。可以进行影像处理、控制摄像头的旋转和定位。具有高质量的图像记录和文字编辑功能。通过它能够将管道中的情况一览无余。

QV设备为管道潜望镜设备，QV检测设备是可对管道进行快速检测，它利用可调节长度的手柄将高放大倍数的摄像头放入检查井内或其他隐蔽空间，操作人员在地面通过控制器调整灯光、镜头焦距进行观察，并以图片或录像形式储存检查资料。

本实施例中，BIM模型位置与施工现场结合后，通过移动设备摄像头捕捉到现场管道埋深和管网走向，实时查看管道系统全部位置信息；记录并上传AR模型现场的准确位置坐标；此时现场施工班组将在移动设备中收到由管理人员发送的后续工作任务，包括BIM模型上的所有信息；并在进入目标施工后通过移动设备及时反馈施工的质量、进度和材料的领用信息并发送至此模型中，及时上报施工进展。

本实施例中，通过AR设备进行现场虚拟放线，即选择性的加载BIM+GIS+AR处理平台中图纸和BIM模型与施工场地相结合，可将平面图、立面图、剖面图加载到现实空间相应的AR场景位置。

本实施例中，利用注释工具在现场捕获的图片覆盖层中记录下需调整的管道修复方案；注释完成后，现场管道相关信息通过云端同步到平台系统中，即将深化的规划数据传输给BIM模型；而同步后BIM模型可以通过云端工作站访问。

步骤五：将排查成果形成AR数据库和对应模型并导入BIM+GIS+AR处理平台，与前期数据对比及整合，进一步完善提高整体数据库准确性和完善性；同时将BIM+GIS+AR处理平台数据和现场实际情况进行分析比对，提出管网修建整改方案、管网修复方案以及污染源排查方案；且利用虚拟构件叠加至现场环境的方法，验证设计方案的合理性或及时调整。

对于步骤五中，对需要修复的管道采用不开挖方式进行修复，修复方式为紫外光固化修复、不锈钢双涨环修复、局部现场固化修复（应用毡筒、树脂和固化剂）以及辅助（预处理注浆）和地基加固方式修复。

本实施例中，紫外光固化修复可修复管网的渗漏、混凝土腐蚀性、接口材料脱落、异物异入和沉积等；不锈钢双涨环修复可修复管网的错口、起伏和脱节等；局部现场固化修复可修复管网的破裂、变形、渗漏、混凝土腐蚀性、错口、起伏、脱节和接口材料脱落等；辅助修复（预处理注浆）技术-地基加固防渗可修复管网的破裂、变形、渗漏、砼腐蚀性、错口、起伏、脱节和接口材料脱落等。

本实施例中，对内衬管均进行内部的外观检查，检查资料应进入竣工档案；内径小于或等于800mm的内衬管，应采用闭路电视检测，以影像作为外观检查的依据；内径大于800mm的内衬管，宜在完全冷却后人工进入检查，并在缺陷处留下影像资料。外观检查结果应符合下列规定；无裂缝、孔洞、干斑、脱落、灼伤点、软弱带和可见的渗漏现象；应紧贴旧管道，内壁顺滑，无明显的环形褶皱；一个井段内局部隆起的数量应不大于2处，且隆起高度不超过内径的2%；端部切口应平整，贴合缝隙应无渗水现象；局部修复时，缺陷部位应被完全覆盖。

在于在建项目，在BIM+GIS+AR模拟施工平台中模拟管道开挖施工，开挖中可直接看到地下各管线分部，反复模拟，选出最合适的开挖方式、管材选取、材料堆放、沟槽回填方式。

此外，在BIM+GIS+AR处理平台中设置有工单信息，点击某个工单查看具体信息，工单信息包括工单详细信息、工单现场照片、工单地图、工单审核信息等，实现对工单从创建、接单、执行、审核到回单进行全过程追踪。

本次结合了BIM+GIS+AR技术，并将管网调查后的最新官网资料导入，为后期雨污管网运营提供了依据，同时培养了一批技术人才和有经验的技术工人。管网采用非开挖修复方式，相比开挖修复每米可节约300元，且无需回填、路面恢复，可节约一般工期。

在BIM+GIS+AR处理平台中还内置了参与方模块，参与方包含业主、承包方、施工方、监理方、设计方和政府，并设置有公众参与模块；参与方便随时随地上问题，对水环境治理提出宝贵的意见和建议，提供有效的途径切实参与到治理全过程中。BIM+GIS+AR处理平台在本项目治理先行示范区中对外开放；针对河道与河道相关的排水管网运行现状及CCTV管道普查等全方位数据进行展示，当发生突发水污染事件时，可借助系统及时上报。

利用BIM+GIS+AR技术，可以十分直观的对地形和管线，管线和管线之间的关系进行匹配分析：借助BIM的三维模型可以清楚的表现设计细节，减少沟通难度。AR展示是依附于现实场景，对于设计模型与现场不符的问题容易被发现，给设计变更调整提供更多的时间。避免二次施工造成施工阶段的财力、人力、物力过多浪费和损耗及影响施工进度和施工质量。

将监测数据关联BIM+GIS+AR处理平台，可以全面的评估不同情景下整个市区水环境系统的现行状态，为分析水环境系统的潜在隐患提供丰富的数据支持，而且可以对系统发生事故时的运行状态进行模拟分析，为准确而合理地制定事故应急预案和应急抢险处理方案提供数据支持，为应急抢险工作争取宝贵的时间，从而有助于最大限度的降低事故的影响和损失。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。