淺談水工金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)備三維模型創(chuàng)建和編碼應(yīng)用

于 堯

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200061）

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，人民日益增長的美好生活需要對城市管理提出了更高的要求。對于超大城市，管理工作更要向繡花一樣精細(xì)[1]。在水務(wù)行業(yè)實(shí)施精細(xì)化管理，更需要現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的支持。為此，上海市堤防處通過建立重大水利工程BIM（building information modeling，建筑信息模型）系統(tǒng)，計(jì)劃對市管23 座泵閘實(shí)現(xiàn)BIM 平臺(tái)運(yùn)營維護(hù)，平臺(tái)建成投入使用后預(yù)期可達(dá)到以下幾點(diǎn)：

（1）通過工程三維數(shù)字化，可以通過漫游、動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)等形式形象生動(dòng)地展示工程面貌。

（2）基于創(chuàng)建完成的三維模型，可將資產(chǎn)管理信息與模型在工程數(shù)字化模型管理平臺(tái)上進(jìn)行集成[2]，如設(shè)備需要更換零件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示用戶進(jìn)行更換操作，并且顯示備品備件數(shù)量、有效期等提示。

（3）通過堤防處數(shù)字化模型管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口，可將設(shè)施設(shè)備監(jiān)控信息集成至管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

（4）在管理平臺(tái)上，通過收集和分析安全監(jiān)測系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)，可以辨識安全風(fēng)險(xiǎn)。

（5）利用三維模型及設(shè)施設(shè)備信息，可以制定應(yīng)急預(yù)案，開展模擬演練。遇到突發(fā)事件時(shí)，可隨時(shí)調(diào)用應(yīng)急預(yù)案，采取應(yīng)急措施，控制事態(tài)發(fā)展[3]。

（6）通過模型編碼，可使得工程的每個(gè)構(gòu)件都具有唯一性，通過查找相應(yīng)的信息，可迅速找到相關(guān)聯(lián)的其他信息，將零散的數(shù)據(jù)集成起來[4]。

該項(xiàng)目的實(shí)施是配合開展上海市重大水利工程BIM 系統(tǒng)工作的需要，是在竣工圖基礎(chǔ)上構(gòu)建三維模型，并進(jìn)一步對設(shè)施設(shè)備進(jìn)行編碼，并發(fā)布在管理平臺(tái)上。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目主要內(nèi)容為計(jì)劃數(shù)字化23 座泵閘中的3 座，分別為桃浦河泵閘、淀東船閘（位于淀東泵閘旁，滿足管理要求）、木瀆港泵閘工程竣工圖BIM模型的構(gòu)建和編碼工作，包括場地、水工、水機(jī)、電氣、金屬結(jié)構(gòu)等專業(yè)。

桃浦河泵閘工程位于桃浦河入蘊(yùn)藻浜河口處，工程等別為Ⅰ等工程，工程內(nèi)容主要為現(xiàn)有泵閘一座，其中泵站為三臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)流量40 m3/s，水閘為單孔，凈寬12 m。站身、閘首采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 底板采用整底板。 泵站裝設(shè)三臺(tái)2000ZXB13.4-3.5 型斜式軸流泵，水泵的流量為13.4 m3/s，最高凈揚(yáng)程為3.48 m，配套電機(jī)功率為710 kW。站身及閘首垂直水流向長度為43.70 m，順?biāo)飨蜷L度為28.35 m。進(jìn)水流道底高程為-2.78 m，站身底板厚1.50 m，出水流道的底高程為-0.37 m。據(jù)防洪及泵站的運(yùn)行要求及現(xiàn)狀地面高程等，站身內(nèi)外河側(cè)墻頂高程分別為5.5 m 和7.10 m。吊車的軌頂標(biāo)高為15.5 m。桃浦河泵閘于2006 年2 月動(dòng)工建設(shè)，2007 年底完工驗(yàn)收并投入運(yùn)行。

淀東船閘工程等別為Ⅲ等工程，通航等級為100 t 級，航道等級為Ⅵ級，最小通航水深為2.0 m，抗震標(biāo)準(zhǔn)按基本烈度7 度設(shè)防。船閘為廣室船閘，上下閘首凈寬為12 m，閘室凈寬為16 m，船閘閘室長200 m。閘室墻采用鋼筋混凝土拉錨板樁墻。閘門門體為鋼桁架結(jié)構(gòu)三角閘門，上閘首底坎高程-1.0 m，閘門頂高程4.2 m，下閘首底坎高程-1.3 m，閘門頂高程5.4 m；閘門采用液壓啟閉機(jī)，均使用計(jì)算機(jī)集中控制。綠化面積10000 m2。淀東船閘于1975 年9 月動(dòng)工建設(shè)，1978 年10 月投入運(yùn)行。

木瀆港泵閘位于蘇州河與木瀆港相接處，包括30 m3/s 泵站一座和單孔凈寬為12 m 的節(jié)制閘一座。泵閘采用泵閘合建方式——“泵+閘+泵”方案，泵站裝設(shè)6 臺(tái)型號為1400QZ-125 的立式潛水軸流泵，最高凈揚(yáng)程為2.98 m，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為1.98 m，單機(jī)容量300 kW。站身包括進(jìn)水前池、進(jìn)水池、站身、出水池、清污機(jī)橋；水閘包括進(jìn)水前池（消力池）、閘首、出水池（消力池）、交通橋等，閘門采用升臥式平面鋼閘門。站身、閘首采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，站身及閘首總寬為38.44 m，順?biāo)飨蜷L20.50 m。站身外河側(cè)底板頂面高程為-2.10 m, 底板厚度1.3 m，內(nèi)河側(cè)站身底板頂面高程為0.00 m；水閘閘首底板為折線形，外河側(cè)底板頂面高程為-2.10 m，閘門門檻部位底板頂高程為0.0 m，內(nèi)河側(cè)站身底板頂面高程為-1.00 m，底板厚度1.3 m。根據(jù)防洪及泵站的運(yùn)行要求、現(xiàn)狀地面高程等, 進(jìn)水前池及出水池岸頂高程為5.05 m，泵閘站身攔污柵工作橋橋面和內(nèi)外河側(cè)墻頂高程為5.60 m。2003 年，泵站由原單向引水改為雙向引排水功能，正向引水即將蘇州河水體引入桃浦河，設(shè)計(jì)流量為30 m3/s，反向排水即在汛期向蘇州河排澇，設(shè)計(jì)流量為10 m3/s。其中水機(jī)方面，原6 臺(tái)水泵中的緊靠水閘側(cè)的2 臺(tái)改為1400QZ-125 雙向S 形立式潛水軸流泵，最高凈揚(yáng)程為1.70 m，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為1.40 m，功率為450 kW；金結(jié)方面，雙向泵的工作閘門和浮箱拍門均改為帶拍門的工作閘門，反向排水的進(jìn)水口利用原檢修門槽設(shè)置攔污柵；水工方面，改造河中心與節(jié)制閘緊鄰的左右兩臺(tái)水泵的反向進(jìn)水流道及局部改造泵房頂板；電氣方面，調(diào)整主變壓器容量及低壓電壓等級，調(diào)整部分低壓開關(guān)柜的電壓等級。

2 模型分析和構(gòu)建

該項(xiàng)目中的金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)模型均通過Autodesk Inventor 軟件完成，再通過中間格式輸出到Bentley Microstation 軟件中，同其他專業(yè)（水工、水機(jī)、電氣等模型在Microstation 中完成）復(fù)合組成工程三維數(shù)字化模型。

在項(xiàng)目進(jìn)行前，設(shè)備專業(yè)基礎(chǔ)資料的收集中會(huì)遇到的問題主要有圖紙資料收集不全、圖紙中出現(xiàn)錯(cuò)誤等。已收集到的圖紙還分為有電子版（CAD 文件）的和只有紙質(zhì)/ 掃描版的（受制于文件大小限制，紙質(zhì)掃描版可能存在不清晰的情況），即使是紙質(zhì)版竣工圖紙中還存在著一些零件和裝配尺寸錯(cuò)誤的情況（相關(guān)錯(cuò)誤在設(shè)備制造、安裝過程中應(yīng)已改正，只是沒有反映到竣工圖紙上，錯(cuò)誤包括前后圖紙不一致、缺少必要尺寸無法完全約束零件草圖等），甚至還存在部分構(gòu)件既無圖紙也無必要技術(shù)資料，且位于水下，現(xiàn)場測量的條件難以具備。如無管理需要，同有關(guān)部門商討后可暫不建模。

金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)備建模同土建結(jié)構(gòu)的模型有著不小的區(qū)別，模型可分為非標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備模型。對于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（主要是啟閉、清污）模型的構(gòu)建，考慮到平臺(tái)的需求以及資料限制，可根據(jù)廠家資料以及現(xiàn)場實(shí)際情況，對設(shè)備進(jìn)行主要外形建模。由于對于非標(biāo)設(shè)備來說，其施工階段圖紙深度應(yīng)要達(dá)到可用于設(shè)備招標(biāo)的程度，也就是說要達(dá)到可用于制造的級別，竣工圖紙中還添加了工程建設(shè)和設(shè)備制造中的變更信息等。圖紙主要分為零件圖、裝配圖、布置圖，對于零件圖紙，專業(yè)人員需要通過機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件完成草圖繪制、實(shí)體模型構(gòu)建、模型修改等操作，不考慮包括非幾何信息（公差配合等）的添加，僅在建模部分，復(fù)雜的零件模型就可能要經(jīng)歷上百個(gè)子操作才能完成（體現(xiàn)在建模歷史樹上）。 裝配部分的操作耗時(shí)更久，在某種程度上相當(dāng)于在虛擬環(huán)境中將每個(gè)零件組裝在一起構(gòu)成設(shè)備部件，其難點(diǎn)在于出現(xiàn)錯(cuò)誤難以判定源頭，需要專業(yè)人員熟悉整套圖紙，對整個(gè)裝配結(jié)構(gòu)有清晰的認(rèn)識，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)調(diào)取相關(guān)圖紙結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和修正。金屬結(jié)構(gòu)的專業(yè)人員完成建模后（見圖1），還要適當(dāng)簡化模型，將文件輸出成中間格式，在土建三維設(shè)計(jì)軟件中打開，對模型進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、平移等操作，將其自身的坐標(biāo)系和土建結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)系對齊，最終效果如圖2所示（按順序依次為淀東船閘、木瀆港泵閘和桃浦河泵閘）。

圖1 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備——閘門模型展示圖

圖2 工程整體三維模型展示圖

3 模型編碼和發(fā)布

幾何模型創(chuàng)建完成后，還要對模型添加額外的非幾何信息，如構(gòu)件編碼、工程信息、技術(shù)參數(shù)等組成完整的信息模型。對信息模型的構(gòu)建，尤其是針對在運(yùn)維管理平臺(tái)中的應(yīng)用，需要建立一套規(guī)范、統(tǒng)一的分類和編碼體系。編碼規(guī)則的制定和信息化應(yīng)用息息相關(guān)，在現(xiàn)階段，想用一套編碼解決所有的應(yīng)用問題既不科學(xué)也不現(xiàn)實(shí)，編碼需要和應(yīng)用點(diǎn)、工程規(guī)模大小、銜接對象等相適應(yīng)，且應(yīng)符合對應(yīng)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]，編碼的體系建立基本要遵循如下原則：唯一性、科學(xué)性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、兼容性、可映射的轉(zhuǎn)換性等[6，7]。

確定編碼前，需按照模型劃分和應(yīng)用需求對實(shí)體構(gòu)件進(jìn)行拆分和組合，同時(shí)建立模型分類表。建立分類關(guān)系表后，再對模型構(gòu)件進(jìn)行編碼，編碼通過BIM 軟件進(jìn)行（見圖3），將編碼作為模型構(gòu)件的屬性參數(shù)，使構(gòu)件唯一編碼（globally unique identifier，GUID）和應(yīng)用編碼相對應(yīng)，從而符合模型和編碼調(diào)用相一致的要求。

圖3 桃浦河泵閘工程中工作閘門編碼示意圖

提交的模型要進(jìn)行輕量化處理，對重要部位和關(guān)鍵位置等模型構(gòu)件應(yīng)設(shè)置源格式模型的截圖或渲染圖片，達(dá)到補(bǔ)充輕量化模型帶來的部分?jǐn)?shù)據(jù)損失，這樣可以避免源格式模型整體加載至平臺(tái)引起的卡頓、遲延等現(xiàn)象。最后要對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，以保證入庫數(shù)據(jù)符合規(guī)范性、唯一性等條件[8，9]。

4 結(jié) 語

隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進(jìn)步，管理平臺(tái)也會(huì)進(jìn)行改造和更新，其功能將逐步完善。而專業(yè)人員構(gòu)建的三維模型是多種擴(kuò)展應(yīng)用的基礎(chǔ)，將作為平臺(tái)的基石長久存在。本文僅從金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)角度介紹了將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維模型的過程，如何綜合利用便攜型三維掃描、創(chuàng)成式模型修改等新興模型數(shù)字化技術(shù)都值得相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)一步研究和實(shí)踐。