水閘及輸水管道維護CIM模型細化研究

楊 珉

（貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550008）

1 引言

在建設項目中，由于基礎設施存量老化、工程師老齡化、技術工人短缺等原因，勞動生產率較其他行業低，維修成本增加等問題浮出水面。隨著建設項目的人員和預算越來越難以掌握，為了保證建設產品的質量，妥善管理老化的基礎設施，需要利用信息通信技術，通過建設生產過程，提高工作效率，推進整個工作[1]。CIM（建筑信息建模）的推出，旨在利用ICT技術推進建筑生產系統，提高生產率。CIM是將一個物理對象的形式和結構表示為一個3D模型，并將設計、執行和維護的各種信息作為其屬性添加到該模型中，使它們能夠統一管理，提高整個施工生產過程的效率。在設計或施工過程中創建的三維模型也將用于維護階段。如果沒有提前確定維護階段所需的詳細程度和所需功能，則問題可能是在三維建模中花費太多時間來闡述不必要的細節，或者相反，缺少維護階段所必需的功能[2]。

作為CIM引入和推廣的一部分，假定閘門和輸水管中不含板樁等少數不可見區域，每一個都是由工程結構和機械設備系統組成的復雜結構，通過三維表示和信息集成管理實現可視化，具有很好的效果，因此，維修人員分布廣泛，涉及水利工程、機械和電信等不同領域。具體研究程序如下，假設在維護階段應用三維模型的情況下，闡明了三維模型所需的功能，以及使用這些功能的三維模型應達到的精化程度。在此基礎上，將維護所需的各種信息集成到對象結構的三維模型中，建立了CIM原型[3]。

2 在維護階段應用三維模型

三維模型可以建立無限的創建精度，但是，除非根據用途、要建模的部件和創建的范圍設置精化級別，否則很難獲得足夠的成本效益。關于建筑物的BIM（建筑信息建模），有一些指南等規定了3D模型的詳細程度。因此，在明確閘門和管道維護階段的三維模型應用情況后，決定根據應用情況設置詳細程度。

在維護階段使用三維模型的優點可以說是“設施相關對象的可視化”和“方便的信息管理”。文章以某河道引水工程為例，將CIM的機制應用到水閘及輸水管道中，研究其對維護工作效率的影響。

2.1 設施相關對象的可視化

通常，多個圖紙用于確定目標設施的結構、周圍條件、設備布局和地下設施。這需要很長的時間來掌握結構及其周圍的條件。在三維模型上對它們進行可視化，不僅可以及時掌握結構和周圍條件，而且還可以方便相關方共享理解（見圖1）。

圖1 物體設施結構及周圍環境的可視化

此外，在模型上可視化結構的損壞或變化，可以立即掌握構件或設施與周圍條件之間的關系。這將導致對損壞原因的澄清、是否需要修理的決定，或更快地決定施工方法的選擇（見圖2）。

圖2 結構損傷可視化

2.2 方便的信息管理

維修階段需要參考的資料很多，如竣工圖、檢驗記錄、維修記錄等，都是以紙質版本和電子數據混在一起的形式。此外，由于這些材料有多個負責人或存放在倉庫中，因此存在著存儲重復數據和信息不一致或過時的風險。因此，收集必要的信息需要很長時間。此外，由于多個人員或承包商長期執行維護工作，更新歷史記錄的管理是一個沉重的負擔。

在目前的情況下，如果將大量復雜的材料作為屬性信息集成到一個三維模型中，可以實現對不同類型數據的統一管理，防止重復存儲或不一致，便于歷史管理。此外，將構成結構的各個元素（如構件和設施）的三維位置與每一條信息聯系起來，可以直觀地搜索和參考必要的信息（見圖3）。

圖3 三維建模統一信息管理提高檢索能力

2.3 在維護階段提取應用CIM模型

考慮到三維模型的優點，總結了應用三維模型在某些情況下的預期效果。水利工程結構和機械設備系統都非常需要“方便的信息管理”，確認了建立統一管理各類信息的機制必要性。一方面，關于機械設備系統的維護，對具有詳細尺寸和形式的三維模型的需求并不強烈。另一方面，對于水利工程結構，在三維模型上表示損傷狀態的要求更高，需要一目了然地加以確認，需要對三維模型進行一定程度的細化。

2.4 三維模型所需的功能

由于水利工程結構和機械設備都非常需要具有三維模型的“簡單信息管理”，因此決定三維模型應具有將三維模型中的每個構件或位置與外部的屬性信息（如照片或分類賬）相鏈接的功能。

對于“設施相關對象可視化”，水利工程結構的三維模型應具有詳細的形式，以便能夠正確地反映損傷位置等。另一方面，決定用一種簡單的方法來表示機械設備的三維模型，這種方法足以區分設備的空間位置關系、名稱和類型，而不是精確地表示所有的形式和部件，如“在設備維修中不需要精確地表示單個部件的三維形式”或“為了通過可視化提高效率，只要能掌握位置關系就足夠了，比如設備放在設施內的什么地方”。

3 設置三維模型的精化級別

在總結三維模型所需功能的基礎上，對其精化級別進行了具體設置。對于水利工程結構，被設定為一個保持精確三維形狀的詳細模型。對于機械設備模型，被確定為一個簡單的模型，保留了指示對象設施名稱及其空間位置關系的功能。根據設備的維護方法和規模，設置分為兩種情況。表1顯示了每個模型的精化級別的概述。

對于水利工程結構，決定創建一個精確表示三維幾何尺寸的三維模型（見圖4）。在機械設備中，門體、開閉機構、發電機等需要連續維護管理的設備規模較大。因此，決定將每個模型創建為一個塊模型，允許觀看者確認對象設施的外觀和方向，方法是制作一個彼此相對大小大致正確的矩形實體三維模型，在其上粘貼圖形或照片作為紋理（墻紙圖像），并將其放置在對象的位置（見圖5）。

表1 三維模型精化級別概述

圖4 土木工程結構的三維模型

圖5 機械設備模塊（門體）

小規模儀表、儀表板、水表等需定期更換或發現異常時，決定創建一個按鈕形狀的模型（按鈕模型），其功能是顯示三維模型中的空間位置，并與外部屬性信息鏈接（見圖6）。

圖6 電表按鈕型號（發電機表示為塊型號）

4 CIM模型的驗證

該模型通過將用于維護的不同屬性數據與3D模型的每個元素鏈接起來，實現了統一的信息管理、出色的搜索能力和可跟蹤性。模型由三維模型和存儲各種信息的信息共享服務器組成。用于維護的屬性信息包括不能直接存儲在三維模型中的數據，如圖紙、照片和檢查記錄。這些文件不會直接保存在三維模型中，而是保存在外部信息共享服務器中，并與用于三維建模的整個設施或其單個元素鏈接。維修人員可以通過點擊三維模型上的相應元素，方便直觀地查看目標信息。選擇三維模型的目標元素將打開相關屬性信息列表，允許從列表中選擇所需信息。可以提取屬性信息與信息共享服務器中保存的每個元素的鏈接，并在列表中顯示，實現信息的統一管理。

保存在外部信息共享服務器中的數據可以使用與普通Windows資源管理器類似的機制進行操作，但文件夾配置和文件命名規則是固定的。這允許維修人員添加或更新屬性信息，例如檢查結果，即使他們沒有操作三維模型的經驗。首先我們向維修人員介紹了這次創建的原型模型，后續通過訪問維修是否提高了效率來加以確認。表2顯示了他們的典型觀點。

表2 原型模型意見

5 結論

本研究在閘管檢修階段應用標準三維模型的前提下，建立了標準三維模型的細化層次，并建立了CIM原型模型。通過對維修人員的調查得出，模型的使用提高了損傷的檢索能力以及檢測效率，提供了便捷的信息化管理模式。

但是，這并不是實際維修現場使用的結果，評估結果采用原型模型進行論證。今后，計劃利用這些模型進行現場試驗，驗證其效果，并通過增加適用場合和改進模型來檢驗進一步提高維修效率。我們還認為，在順利引進和推廣CIM的過程中，“不要大幅度改變現有維護方法和理念”和“不要通過引進新工具來增加現場人員的勞動”是很重要的?？紤]到這些，我們愿意繼續深造。