基于BIM的長(zhǎng)距離引調(diào)水工程三維參數(shù)化智能設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用

楊 云

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510640)

在長(zhǎng)距離引調(diào)水過(guò)程中，由于工程管線較長(zhǎng)，所涉及的建筑物形式復(fù)雜多樣，涉及的沿線工程地質(zhì)條件也尤為復(fù)雜。這對(duì)于引調(diào)水的工程管理來(lái)講，無(wú)疑是為日常的管理增加了一定難度。然而，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的崛起重塑了引調(diào)水工程的管理理念，在調(diào)水工程中廣泛應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)下的高端技術(shù)，使其在引調(diào)水的工程中發(fā)揮著高效的管理作用[1]。BIM是建筑信息模型的英文縮寫(xiě)。主要用于各種建設(shè)項(xiàng)目，在實(shí)用性方面有著好的成效。其核心是利用三維技術(shù)建立基于信息的數(shù)字模型，針對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行整合，對(duì)工程信息進(jìn)行系統(tǒng)分析。在具體用途上，通過(guò)建筑信息模型與水利工程三維設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)工程信息在收集、整理、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和綜合應(yīng)用過(guò)程中的各個(gè)階段和程度的管理，并對(duì)所有細(xì)節(jié)進(jìn)行控制[2]。同時(shí)，使三維設(shè)計(jì)模型更加直觀、清晰，擺脫了以往設(shè)計(jì)參數(shù)的缺陷。

1 長(zhǎng)距離引調(diào)水工程運(yùn)營(yíng)管理模式

引調(diào)水的相關(guān)設(shè)備及所涉及的建筑物能夠在常規(guī)條件下進(jìn)行良性運(yùn)轉(zhuǎn)是長(zhǎng)距離引調(diào)水工程運(yùn)行終極目標(biāo)。然而，在早期的管理之中，主要存在以下4個(gè)方面的不足：

1)超繁瑣的運(yùn)行維護(hù)工作量，由于長(zhǎng)距離引調(diào)水管線較長(zhǎng)，需要進(jìn)行維護(hù)管理的對(duì)象較多，這就在一定的程度造成了較為繁瑣的工作量。

2)信息分散異構(gòu)，在對(duì)長(zhǎng)距離引調(diào)水管線的治理期間，需要依靠多個(gè)信息系統(tǒng)來(lái)完成日常的管理工作，各系統(tǒng)之間需要呈現(xiàn)出相互協(xié)調(diào)、相互配合的態(tài)勢(shì)。同時(shí)，在這過(guò)程中還要穿插一些由人工完成的紙質(zhì)文件用于檢測(cè)巡查，信息異構(gòu)分散的特性也將因此而生。

3)時(shí)空特性復(fù)雜，這是引調(diào)水工程建筑物中一個(gè)顯著的特性，工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量在運(yùn)行和施工等環(huán)節(jié)均能夠直觀的體現(xiàn)。然而，在早期的管理方式上，因時(shí)空的特性，各地的信息難以同步，更難以結(jié)合，這在管理決策上就存在相當(dāng)大的難度。

4)落后的決策方式。目前，以管理者根據(jù)自身的管理經(jīng)驗(yàn)對(duì)當(dāng)?shù)氐臄?shù)據(jù)進(jìn)行決策為主要管理方式。在這種憑經(jīng)驗(yàn)辦事的管理手段之下，針對(duì)數(shù)據(jù)的分析和結(jié)合將無(wú)法發(fā)揮出真正的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，難以做出科學(xué)的決策。

在建筑信息模型(BIM)技術(shù)的大力發(fā)展之下，參數(shù)化設(shè)計(jì)將BIM技術(shù)的三個(gè)特性進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，即可視性、模擬性和特殊性。此舉滿足了高精度、高效率的設(shè)計(jì)需求。基于BIM的流程管理模式圖，見(jiàn)圖1。在參數(shù)化數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的相關(guān)程序中，楊開(kāi)靜等人改進(jìn)了接觸網(wǎng)部件的管理功能，實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)、使接觸網(wǎng)快速映射等可視化功能；孫仲秋等人通過(guò)二次開(kāi)發(fā)的Revit，重點(diǎn)研究了對(duì)模型生成的效率和精度有重要影響的連續(xù)鋼橋邊界模型的參數(shù)化繪制方法；林金華等人以屏蔽BIM模型為典型代表，在可視化編程和參數(shù)化建模中應(yīng)用dynamo，這一行為證明了在BIM模型參數(shù)化建模中編程技術(shù)有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[3]。

圖1 基于BIM的流程管理模式圖

2 基于BIM的長(zhǎng)距離引調(diào)水工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

關(guān)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，大多采用以客戶機(jī)/服務(wù)器(c/s)為主要開(kāi)發(fā)模式，基于SQL server(數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件)，對(duì)模型信息進(jìn)行管理和存儲(chǔ)。為了便于調(diào)用，還應(yīng)為NavisWorks、inventor等軟件預(yù)留連接接口?；贐IM的三維參數(shù)智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖2。

圖2 基于BIM的三維參數(shù)智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，系統(tǒng)確定了長(zhǎng)距離調(diào)水工程中典型建筑中的常見(jiàn)類型，主要以結(jié)構(gòu)類型和截面類型為主，并著重分析各類建筑的組成和結(jié)構(gòu)，并將其劃分為建筑構(gòu)件。其次，根據(jù)每個(gè)逐漸的總體約束確定確定各構(gòu)件的基本特征和建模順序。也就是同時(shí)就尺寸和形狀所攜帶的影響進(jìn)行考慮，尺寸將對(duì)集合圖形實(shí)施約束控制，隨后借助三維參數(shù)化 cad 軟件 inventor 建立零件模型，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在零件庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)零件模型，在幾何數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)幾何參數(shù)信息，在模型信息庫(kù)中存儲(chǔ)擴(kuò)展屬性信息[4]。最后，在建立參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)的基礎(chǔ)上，不僅可以實(shí)現(xiàn)典型的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于裝配關(guān)系的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，而且可以保證整體模型是構(gòu)件在正確的裝配關(guān)系下所形成，這種模型下的工程圖紙，較有較高的標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性。此舉將確保長(zhǎng)距離引調(diào)水工程中針對(duì)參數(shù)進(jìn)行的智能設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)五種功能模塊。其中包含：①三維參數(shù)化設(shè)計(jì)；②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；③干涉檢查；④BIM管理與應(yīng)用；⑤工程圖紙輸出。

2.2 系統(tǒng)整體運(yùn)行環(huán)境

2.2.1 服務(wù)器端運(yùn)行環(huán)境

該操作系統(tǒng)安裝在 windows xp 專業(yè)版或 windows 7上。軟件配置了 sql server 2008用于數(shù)據(jù)庫(kù)管理，硬件配置了一個(gè) itanium 或更快的處理器。最小內(nèi)存為512mb，硬盤(pán)空間超過(guò)30gb。

2.2.2 客戶端使用環(huán)境

該操作系統(tǒng)應(yīng)安裝在Windows 7上的客戶端之中，系統(tǒng)使用Autodesk Inventor 2014、Autodesk Design Review 2013和Autodesk NavisWorks 2014等軟件配置來(lái)處理圖形信息，并使用奔騰或更快的處理器來(lái)配置硬件。最小內(nèi)存大小為2GB，硬盤(pán)空間>60GB，顯示分辨率至少為1024 x 768像素。

3 基于BIM的長(zhǎng)距離引調(diào)水工程系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 BIM可視化管理

實(shí)現(xiàn)BIM模型在GIS場(chǎng)景中的顯示、控制和管理，以及其他業(yè)務(wù)模塊數(shù)據(jù)的交互和可視化顯示是BIM 可視化管理的主要功能。其中涵蓋數(shù)據(jù)查詢、視圖管理、模型管理等相關(guān)功效。

3.2 關(guān)于工程信息的管理

該模塊主要用于各階段中圖紙和信息集成管理，其中涉及到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)等方面。在模型組件的唯一標(biāo)識(shí)符向兩個(gè)方向連接之后，它們被集成到 bim 模型中，以便管理員快速搜索。

3.3 關(guān)于運(yùn)行維護(hù)的管理

實(shí)時(shí)監(jiān)控、維護(hù)管理、應(yīng)急效應(yīng)等相關(guān)功效是本模塊的主要工作功能。前臺(tái)和后臺(tái)通過(guò)Ajax return進(jìn)行交互，業(yè)務(wù)信息與BIM模型綁定，促使可視化得以實(shí)現(xiàn)。將processmaker軟件用作工作流驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)化流程控制的同時(shí)提升業(yè)務(wù)質(zhì)量。

3.4 關(guān)于運(yùn)行的調(diào)度管理

所謂調(diào)度管理就是在實(shí)時(shí)的條件下，對(duì)監(jiān)控和導(dǎo)流計(jì)劃所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量計(jì)算和分析，在此基礎(chǔ)上生成調(diào)度命令，以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)度過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中包括調(diào)度指令生成、供水計(jì)劃管理、可視化數(shù)據(jù)管理。其具體功效涵蓋：① 對(duì)供水計(jì)劃實(shí)施管理；② 生成調(diào)度指令；③ GIS中的可視化數(shù)據(jù)管理。

3.5 關(guān)于數(shù)據(jù)分析及預(yù)警管理

本模塊下，主要功效為數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警等功能。系統(tǒng)基于c#編寫(xiě)監(jiān)控程序，實(shí)時(shí)接收相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并基于python socket模塊促使websocket服務(wù)器的構(gòu)建，使websocket和服務(wù)器兩者相關(guān)聯(lián)，此時(shí)不同儀器的數(shù)據(jù)將分別、分類顯示，并根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)的模型和指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析和預(yù)警功能。而基于echart實(shí)現(xiàn)，儀器數(shù)據(jù)的圖形也將隨之形象化和具體化。

4 基于BIM的長(zhǎng)距離引調(diào)水工程系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 三維參數(shù)化建模

以建立的零件模型庫(kù)的形式進(jìn)行三維參數(shù)化建模是該模塊的主要功效，基于本系統(tǒng)，創(chuàng)建參數(shù)化組件模型，隨后以自動(dòng)和交互的形式進(jìn)行組裝下相關(guān)組件，創(chuàng)建每個(gè)零部件模型。該模塊還可以通過(guò)項(xiàng)目參與者的協(xié)同工作，為不同部門(mén)內(nèi)部和部門(mén)之間的設(shè)計(jì)師提供協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境。

4.2 倒虹吸結(jié)構(gòu)分析

水力學(xué)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是倒虹吸管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水力設(shè)計(jì)的核心要素是輸入相關(guān)斷面的設(shè)計(jì)參數(shù)，以此作為導(dǎo)入和導(dǎo)出水力計(jì)算的參數(shù)的依據(jù)[5]。這相對(duì)于系統(tǒng)而言，能夠?qū)崿F(xiàn)查看相關(guān)設(shè)計(jì)說(shuō)明的功能。此外，基于此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之上，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)跨中截面管壁應(yīng)力的高效分析、加勁環(huán)和側(cè)管壁應(yīng)力的細(xì)致校核、支撐環(huán)和側(cè)管壁應(yīng)力的嚴(yán)謹(jǐn)校對(duì)、管壁抗外壓和加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定性核對(duì)等具體功能。

4.3 工程圖輸出

就倒虹吸管的三維參數(shù)化模型為例，通過(guò)干涉檢查，可自動(dòng)批量輸出各部件模型或整體模型的三維或二維工程圖，并可對(duì)整體模型的參數(shù)進(jìn)行更改，使工程圖能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)更新輸出。對(duì)于三維模型中一些需要更改的圖形或者信息，可通過(guò)幾何參數(shù)表和模型信息表進(jìn)行修改，此舉便于工程圖形信息的鏈接更新。

4.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析與預(yù)警

針對(duì)與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，其常規(guī)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主要用于五個(gè)方面的功能實(shí)現(xiàn)。即實(shí)現(xiàn)管理分類、實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)預(yù)測(cè)、實(shí)現(xiàn)特征分析、實(shí)現(xiàn)異常評(píng)估和預(yù)警，以及實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)?？稍谶\(yùn)行的過(guò)程中設(shè)置差異明顯的預(yù)警分析法，其預(yù)警級(jí)別可劃為紅色、橙色、黃色、綠色、四個(gè)級(jí)別。警戒級(jí)別以紅色最高。當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，可通過(guò)某種警示音或特定信息的形式通知管理人員進(jìn)行處理和查看。這種預(yù)警也與BIM模型有一定的關(guān)聯(lián)。管理人員可以通過(guò)相關(guān)界面及時(shí)查看和處理實(shí)際信息，實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)傳輸和共享，方便管理人員快速發(fā)現(xiàn)和處理問(wèn)題，提高運(yùn)營(yíng)管理水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在三維建筑模型的設(shè)計(jì)與建模期間，理論上本系統(tǒng)較為適用。然而，在實(shí)際建模的過(guò)程中，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際考慮一些客觀因素，如地形、地質(zhì)、環(huán)境等相關(guān)因素的影響。因此，在后期規(guī)劃中，參數(shù)化建?？梢赃M(jìn)一步與GIS大場(chǎng)景相結(jié)合，從而將BIM技術(shù)的精細(xì)建模與GIS技術(shù)的宏觀場(chǎng)景高度融合，從而展現(xiàn)更全方位的工程場(chǎng)景。