基于BIM技術的泵站工程安全監測系統開發與應用研究

朱松松

（河海大學水利水電學院， 江蘇　南京　210098）

引言

目前水利工程中對于安全監測資料分析主要是依靠傳統的辦公軟件以及計算軟件來實現，工程的結構信息主要還是以二維圖為主，決策判斷的質量受到二維圖關聯性分析的影響。而BIM技術能夠很好地解決上述問題。建筑信息模型（簡稱BIM）是以工程項目的各項信息為基礎，進行工程三維模型的建立，模擬工程的真實信息，用來展示工程的整個生命周期[1-3]。趙繼偉等基于參數化設計軟件，以子模型裝配為主要過程建立水利工程信息模型[4]。BIM技術越來越多地運用到工程管理[1]。

本文搭建了一個基于BIM技術的泵站工程安全監測系統。為泵站管理者提供了一個直觀高效的泵站運行管理平臺，可以在三維模型上了解各個監測點的監測數據、變化趨勢以及對監測數據計算分析后的結果，便于工程管理人員快速掌握泵站的運行狀態，提高了安全管理的準確性。該系統在南水北調工程的某泵站運行管理中獲得了成功應用，建立了泵站主體的三維模型，并將各個模型信息和監測信息與模型相關聯，可在三維模型上實時查詢監測信息和模型信息，并經過計算，泵站各項監測數據均處于安全區域內[2]。

1　基于BIM技術的泵站安全監測系統

1.1　BIM技術簡介

BIM技術是一種應用于工程設計建造管理的數據化工具，在項目設計、施工和運行的全生命周期過程中將參數模型整合各種項目的相關信息進行共享和傳遞，提供協同工作的基礎。

BIM技術通過制定統一的數據標準，將不同專業的三維設計和協同設計進行整合，形成了完整的信息管理平臺，減少了因溝通和實施環節信息流失而造成的損失。

1.2　Navisworks二次開發方法

Navisworks二次開發主要用.NET API方式。NET API支持大部分Navisworks軟件等價的功能有操作文檔、漫游模式、視點、選擇集等。

系統的API開發方式是用.NET API。通過在應用程序中調用控件，將控件嵌入到自己的應用程序，可以設計出自己的項目管理平臺。調用API里的方法可以進行修改模型、切換觀察視角、訪問對象的屬性、查找對象等操作。

1.3　系統總體架構設計

首先利用 Civil 3D、Revit、Inventor進行泵站三維建模，并在Navisworks里對各個模型進行整合，利用數據庫存儲模型、監測等各項信息；再通過Navisworks二次開發，利用Navisworks漫游功能查看整體泵站結構，編寫Sql語句，將模型與數據庫表中的字段通過唯一標識符建立連接，使模型和模型屬性、監測數據相關聯，建立泵站建筑信息模型，并實現數據查詢和監測數據分析等功能。

2　泵站安全監測資料分析方法

2.1　統計模型的建立

由于針對泵站安全監控的研究成果較少，所以本文基于重力壩的統計模型理論，通過有限元法和逐步回歸法相結合，建立泵站位移的統計模型[3]。

本文利用有限元計算，計算得到水壓荷載作用下的泵站位移場，然后通過逐步回歸分析，確定水壓分量統計模型的因子形式，再通過有限元和水壓分量統計模型來計算預測的水位，來驗證水壓分量的正確性。然后初步擬定溫度分量和時效分量的因子形式，根據泵站實測的位移值，通過逐步回歸分析，確定溫度分量和時效分量的因子形式，從而確定泵站的統計模型。

2.2　監控指標的建立

利用回歸分析得到的各測點的實測值、估計值及所有測點估計值的剩余標準差確定多個取值范圍，以界定泵站監測點是處于安全區域、異常區域還是危險區域，從而分析整個泵站的運行狀態。監控指標如表1所示。

表1　監控指標區間

3　泵站工程安全監測系統架構

基于上述的開發方法，本文把BIM技術與安全監測技術相結合。利用Navisworks的可視化和三維模擬功能，通過C號和API對Navisworks軟件進行二次開發，將三維模型運用到泵站的安全監測系統中，實時快速查詢泵站各項信息（監測信息、模型信息等）；并利用逐步回歸和有限元推導得到的統計模型對監測數據進行計算和分析，判斷監測點的安全狀態。該系統共分為數據管理模塊、模型可視化模塊、數據分析模塊三個模塊。具體實現了監測數據的傳輸和管理，模型數據和監測數據相關聯，泵站模型的可視化，監測信息、泵站模型屬性的可視化查詢，監測數據的回歸分析和趨勢分析，通過監控指標分析泵站的運行狀態等功能[4]。

3.1　數據管理模塊

系統將Microsoft SQL Server數據庫作為數據管理平臺，將各項監測信息按照一定的格式傳入到數據庫中，同時將監測數據和模型信息相關聯，從而建立泵站工程信息模型。

同時系統提供功能允許操作者根據模型屬性來對模型信息、監測信息、設備信息進行查詢和修改，實現了數據信息的管理和維護。

3.2　模型可視化模塊

按照實際工程的材質，為泵站模型進行渲染，并添加適當的光源，從而增加三維模型的現實感。通過Navisworks提供的控件以及Api里提供的方法，可以通過導航面板對模型進行平移、縮放、旋轉、漫游、動態觀察等漫游操作，使操作者能夠較好地了解整個模型的結構。

系統將模型數據和監測數據相關聯，在點擊模型里的某監測點時，將顯示該監測點的測點位置、監測點最近一次的監測數據，并畫出該監測點近一年的監測數據圖，可以查看該監測點的變化規律。也可以根據監測項目的目錄樹，查看多個監測點的變化情況。將監測數據與泵站模型相結合，可以快速掌握泵站整體的監測情況，為泵站的安全運行管理提供了便捷性和直觀性。

3.3　數據分析模塊

系統通過逐步回歸分析和有限元計算得到泵站統計模型，對監測數據進行回歸分析和趨勢分析，并根據監控指標，分析泵站各個監測點的監測狀態，從而得到泵站整體的運行狀態，為管理者在決策分析時提供依據，大大提高了安全管理的準確性。

系統通過報表的形式把各個監測點的監測數據顯示出來，這些報表可以輸出成Excel或PDF格式，有助于泵站資料的整編。

4　工程應用案例

4.1　工程概況

某泵站是南水北調工程東線第三梯級泵站之一，主要由泵站、擋洪閘、進水閘、洪金地涵、引河等工程設施組成。主要任務是通過與下級金湖站聯合運行，由金寶航道、入江水道三河段向洪澤湖調水，其安全運行至關重要，因此，有必要對其進行安全監測，并考慮到監測數據管理、整編、分析以及三維可視化等需求，構建了基于BIM的泵站安全監測系統。

4.2　工程應用

首先建立泵站工程的建筑信息模型，模型包括泵站的結構、地基等三維幾何模型和材料屬性，并在三維模型中繪制各個監測點，把監測信息與監測點的幾何信息相關聯。然后在數據庫中建立模型信息、監測信息、設備信息等數據信息表，并將各個信息表進行相關聯，從而構建出一個泵站工程信息模型。

系統在實際工程中主要實現了以下功能。

1）顯示了監測數據的查詢，可以按照垂直位移、水平位移等監測項目進行查詢，并繪制監測數據的時程圖，還可以將相鄰監測點的趨勢進行對比，來對監測數據的變化進行分析；

2）在泵站的三維信息模型上實時查詢當天的監測信息，以及對監測信息進行分析，包括監測數據的回歸模型、相關系數和回歸擬合曲線；

3）顯示了各個監測數據的報表，便于工作人員的資料整編。

圖1　2號底板2-1垂直位移趨勢圖

如圖1所示，顯示了2號底板2-1測點垂直位移最近一次的數據分析，實測的監測數據為1.1 mm，系統計算得到的回歸方程的相關系數為0.928，統計模型計算得到的數據為1.0 mm，滿足精度要求，并根據監控指標，分析得到本次的監測值處于安全區域里，說明監測數據沒有發生較大變化，處于正常變化區域內。

根據實際應用可以看出，基于BIM技術的泵站工程安全監測系統能夠很好地將各項監測數據和三維模型有效地整合在一起，便于對泵站快速地了解和信息的共享，及時并有效地判斷泵站的安全狀態。

5　結論

本文將BIM技術運用到泵站監測管理系統，將泵站模型和監測信息相結合，建立了泵站建筑信息模型，實現了泵站模型漫游可視化，模型信息、監測信息實時查詢、分析等功能，有效地對泵站模型、監測等各項信息進行管理與共享，提高了泵站的管理效率，為泵站的管理提供了有力的支持。

[1]趙靈敏.基于BIM的建設工程全壽命周期項目管理研究[D].濟南：山東建筑大學，2014.

[2]李勇，管昌生.基于BIM技術的工程項目信息管理模式與策略[J].工程管理學報，2012（4）：17-21.

[3]廖哲男，魏巍，趙亮，等.大體積混凝土BIM智能溫控系統的研究與應用[J].土木建筑與環境工程，2016，38（4）：132-138.

[4]趙繼偉，魏群，張國新.水利工程信息模型的構建及其應用[J].水利水電技術，2016，47（4）：29-33.