基于BIM的長距離引調水工程三維參數化智能設計研究及應用

楊 云

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510640)

在長距離引調水過程中，由于工程管線較長，所涉及的建筑物形式復雜多樣，涉及的沿線工程地質條件也尤為復雜。這對于引調水的工程管理來講，無疑是為日常的管理增加了一定難度。然而，互聯網技術的崛起重塑了引調水工程的管理理念，在調水工程中廣泛應用互聯網下的高端技術，使其在引調水的工程中發揮著高效的管理作用[1]。BIM是建筑信息模型的英文縮寫。主要用于各種建設項目，在實用性方面有著好的成效。其核心是利用三維技術建立基于信息的數字模型，針對相關內容進行整合，對工程信息進行系統分析。在具體用途上，通過建筑信息模型與水利工程三維設計相結合的方式，實現對建設工程信息在收集、整理、規劃、設計、施工和綜合應用過程中的各個階段和程度的管理，并對所有細節進行控制[2]。同時，使三維設計模型更加直觀、清晰，擺脫了以往設計參數的缺陷。

1 長距離引調水工程運營管理模式

引調水的相關設備及所涉及的建筑物能夠在常規條件下進行良性運轉是長距離引調水工程運行終極目標。然而，在早期的管理之中，主要存在以下4個方面的不足：

1)超繁瑣的運行維護工作量，由于長距離引調水管線較長，需要進行維護管理的對象較多，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，在對長距離引調水管線的治理期間，需要依靠多個信息系統來完成日常的管理工作，各系統之間需要呈現出相互協調、相互配合的態勢。同時，在這過程中還要穿插一些由人工完成的紙質文件用于檢測巡查，信息異構分散的特性也將因此而生。

3)時空特性復雜，這是引調水工程建筑物中一個顯著的特性，工程結構的質量在運行和施工等環節均能夠直觀的體現。然而，在早期的管理方式上，因時空的特性，各地的信息難以同步，更難以結合，這在管理決策上就存在相當大的難度。

4)落后的決策方式。目前，以管理者根據自身的管理經驗對當地的數據進行決策為主要管理方式。在這種憑經驗辦事的管理手段之下，針對數據的分析和結合將無法發揮出真正的優勢。對于潛在的風險隱患，難以做出科學的決策。

在建筑信息模型(BIM)技術的大力發展之下，參數化設計將BIM技術的三個特性進行有機結合，即可視性、模擬性和特殊性。此舉滿足了高精度、高效率的設計需求。基于BIM的流程管理模式圖，見圖1。在參數化數據庫系統的相關程序中，楊開靜等人改進了接觸網部件的管理功能，實現了接觸網部件的參數化設計、使接觸網快速映射等可視化功能；孫仲秋等人通過二次開發的Revit，重點研究了對模型生成的效率和精度有重要影響的連續鋼橋邊界模型的參數化繪制方法；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化建模中應用dynamo，這一行為證明了在BIM模型參數化建模中編程技術有著無可比擬的優勢[3]。

圖1 基于BIM的流程管理模式圖

2 基于BIM的長距離引調水工程系統設計

2.1 關于系統的設計

關于系統的設計，大多采用以客戶機/服務器(c/s)為主要開發模式，基于SQL server(數據庫管理軟件)，對模型信息進行管理和存儲。為了便于調用，還應為NavisWorks、inventor等軟件預留連接接口。基于BIM的三維參數智能化系統設計，見圖2。

圖2 基于BIM的三維參數智能化系統設計

首先，系統確定了長距離調水工程中典型建筑中的常見類型，主要以結構類型和截面類型為主，并著重分析各類建筑的組成和結構，并將其劃分為建筑構件。其次，根據每個逐漸的總體約束確定確定各構件的基本特征和建模順序。也就是同時就尺寸和形狀所攜帶的影響進行考慮，尺寸將對集合圖形實施約束控制，隨后借助三維參數化 cad 軟件 inventor 建立零件模型，利用數據庫技術在零件庫內存儲零件模型，在幾何數據庫內存儲幾何參數信息，在模型信息庫中存儲擴展屬性信息[4]。最后，在建立參數化構件庫的基礎上，不僅可以實現典型的建筑結構設計和基于裝配關系的三維參數化設計，而且可以保證整體模型是構件在正確的裝配關系下所形成，這種模型下的工程圖紙，較有較高的標準性和規范性。此舉將確保長距離引調水工程中針對參數進行的智能設計，可以實現五種功能模塊。其中包含：①三維參數化設計；②結構設計；③干涉檢查；④BIM管理與應用；⑤工程圖紙輸出。

2.2 系統整體運行環境

2.2.1 服務器端運行環境

該操作系統安裝在 windows xp 專業版或 windows 7上。軟件配置了 sql server 2008用于數據庫管理，硬件配置了一個 itanium 或更快的處理器。最小內存為512mb，硬盤空間超過30gb。

2.2.2 客戶端使用環境

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

3 基于BIM的長距離引調水工程系統的實現

3.1 BIM可視化管理

實現BIM模型在GIS場景中的顯示、控制和管理，以及其他業務模塊數據的交互和可視化顯示是BIM 可視化管理的主要功能。其中涵蓋數據查詢、視圖管理、模型管理等相關功效。

3.2 關于工程信息的管理

該模塊主要用于各階段中圖紙和信息集成管理，其中涉及到設計、施工、運行和維護等方面。在模型組件的唯一標識符向兩個方向連接之后，它們被集成到 bim 模型中，以便管理員快速搜索。

3.3 關于運行維護的管理

實時監控、維護管理、應急效應等相關功效是本模塊的主要工作功能。前臺和后臺通過Ajax return進行交互，業務信息與BIM模型綁定，促使可視化得以實現。將processmaker軟件用作工作流驅動，強化流程控制的同時提升業務質量。

3.4 關于運行的調度管理

所謂調度管理就是在實時的條件下，對監控和導流計劃所產生的數據進行批量計算和分析，在此基礎上生成調度命令，以此實現整個調度過程的實時監控。其中包括調度指令生成、供水計劃管理、可視化數據管理。其具體功效涵蓋：① 對供水計劃實施管理；② 生成調度指令；③ GIS中的可視化數據管理。

3.5 關于數據分析及預警管理

本模塊下，主要功效為數據管理、實時監測和預警等功能。系統基于c#編寫監控程序，實時接收相關監控數據，并基于python socket模塊促使websocket服務器的構建，使websocket和服務器兩者相關聯，此時不同儀器的數據將分別、分類顯示，并根據監測對的模型和指標，實現實時分析和預警功能。而基于echart實現，儀器數據的圖形也將隨之形象化和具體化。

4 基于BIM的長距離引調水工程系統的應用

4.1 三維參數化建模

以建立的零件模型庫的形式進行三維參數化建模是該模塊的主要功效，基于本系統，創建參數化組件模型，隨后以自動和交互的形式進行組裝下相關組件，創建每個零部件模型。該模塊還可以通過項目參與者的協同工作，為不同部門內部和部門之間的設計師提供協同設計環境。

4.2 倒虹吸結構分析

水力學計算和結構設計是倒虹吸管結構設計中的關鍵環節。水力設計的核心要素是輸入相關斷面的設計參數，以此作為導入和導出水力計算的參數的依據[5]。這相對于系統而言，能夠實現查看相關設計說明的功能。此外，基于此結構設計之上，還能夠實現對跨中截面管壁應力的高效分析、加勁環和側管壁應力的細致校核、支撐環和側管壁應力的嚴謹校對、管壁抗外壓和加勁環抗外壓穩定性核對等具體功能。

4.3 工程圖輸出

就倒虹吸管的三維參數化模型為例，通過干涉檢查，可自動批量輸出各部件模型或整體模型的三維或二維工程圖，并可對整體模型的參數進行更改，使工程圖能夠實現動態更新輸出。對于三維模型中一些需要更改的圖形或者信息，可通過幾何參數表和模型信息表進行修改，此舉便于工程圖形信息的鏈接更新。

4.4 系統數據分析與預警

針對與系統的數據分析，其常規的數據監測主要用于五個方面的功能實現。即實現管理分類、實現趨勢預測、實現特征分析、實現異常評估和預警，以及實現神經網絡預測。可在運行的過程中設置差異明顯的預警分析法，其預警級別可劃為紅色、橙色、黃色、綠色、四個級別。警戒級別以紅色最高。當報警發生時，可通過某種警示音或特定信息的形式通知管理人員進行處理和查看。這種預警也與BIM模型有一定的關聯。管理人員可以通過相關界面及時查看和處理實際信息，實現信息的及時傳輸和共享，方便管理人員快速發現和處理問題，提高運營管理水平。

5 結 語

綜上所述，在三維建筑模型的設計與建模期間，理論上本系統較為適用。然而，在實際建模的過程中，還應結合實際考慮一些客觀因素，如地形、地質、環境等相關因素的影響。因此，在后期規劃中，參數化建模可以進一步與GIS大場景相結合，從而將BIM技術的精細建模與GIS技術的宏觀場景高度融合，從而展現更全方位的工程場景。