基于犬木塘水庫工程BIM 三維可視化平臺的圖模中心系統開發與應用

劉德謙，曹思宇，謝冰清，熊浩然，孫 怡

（1 湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司 湖南 長沙 410007）

（2 湖南省水利發展投資有限公司犬木塘水庫建設分公司 湖南 長沙 410007）

0 引言

犬木塘水庫是國務院確定的172 項重大水利工程之一，工程位于衡邵干旱走廊湘資分水嶺區域，包含樞紐和灌區兩部分，總投資約為103 億元，涉及四市8 縣（市、區），屬于跨地域的大（2）型Ⅱ等水利工程。

作為結構復雜、規模龐大、功能多樣的大型水利項目，隨著工程建設的全面展開，有20 個以上的作業面在同時施工，“點多、線長、面廣”的總體施工布局，使得設計圖紙和三維模型的產出和匹配進度不一；同時，在工程進度、質量、安全、費用和變更等方面產生大量信息及文本資料［1］，如果采用傳統的溝通、施工和管理方式，不但會影響工程建設信息的統一合規和歸檔管理，導致查詢、調取和溯源非常不方便，且信息流轉的低效和手段的落后必將影響現場問題的及時察覺和處置。

由湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院自主開發的犬木塘水庫工程BIM 三維可視化平臺，是各參建單位數字化平臺的展示窗口，也是各專業應用的集成平臺。參與各方已有業務系統負責提供數據接口，向項目平臺提供所需數據，平臺負責從企業數據中心及其他數據源調用所需數據，進行分析和展示。平臺融合應用建筑信息模型（building information modeling，BIM）、三維地理信息系統（3D geographic information system， 3D-GIS） 和物聯網（internet of things，IOT）等數字孿生技術，對項目管理涉及的主要空間對象進行建模標識和展示，提供空間對象集成的相關信息查詢與分析利用，以及由參數驅動的樞紐、灌區建模動態演示等功能，創建沉浸式的決策支持虛擬現實環境，供參建各方管理人員決策、會商及日常輔助管理使用。

而圖紙、模型和相關工程文件的三位一體展示與應用，對于提高信息利用效率，加強圖紙和模型的供應速度，減少因現場施工資料不匹配帶來的返工等問題具有實際效力；同時，對可視化平臺的精確性、直觀性以及與不同類型資料之間的交互性具有非常積極的作用。因此，需要搭建開發圖模中心這一系統促使三類工程信息資料進一步融合，保障工程建設順利運行。

1 圖模中心系統設計與開發

1.1 系統設計需求與開發思路

該系統旨在提供一個實用性強、高效穩定的圖模管理和協作系統，以支持CAD 設計圖紙、相關文檔和三維模型的解析、展示和協作功能。使用通用計算機編程語言和模型框架，結合現代化的開發工具和技術，本文開發出滿足用戶需求的圖模中心系統。其開發思路如下。

首先，建立系統數據庫，用于存儲設計圖紙、文檔和對應的三維模型的數據。每個設計圖紙和三維模型在收錄時都會被賦予一個唯一的標識符，以便于系統進行關聯和查找。

其次，通過使用計算機輔助設計軟件CAD 的應用程序接口（application programming interface，API）或者開源的CAD 庫來實現收錄讀取CAD 設計圖紙和三維模型的文件格式，并提取出其中的幾何信息和非幾何信息等。在關聯過程中，系統可通過比較CAD 設計圖紙中的尺寸參數與三維模型的尺寸參數來進行匹配，從而確定它們之間的關系。系統還可通過基于幾何形狀的特征匹配算法，比如最小二乘法、逐點匹配等方法，來實現更精確的關聯。

最后，開發用戶界面，使用戶可進行CAD 設計圖紙和三維模型的關聯操作。用戶可選擇需要關聯的CAD 設計圖紙和對應的三維模型，并進行匹配和驗證。開發關聯輔助功能，如自動識別CAD 設計圖紙中的特征點、自動調整三維模型的位置等，以進一步提高關聯的準確性和便捷性。

1.2 開發工具

MicroStation 是集二維繪圖、三維建模和工程可視化（靜態渲染＋各種工程動畫設計）于一體的完整的解決方案。專為公用事業系統、公路和鐵路、橋梁、建筑和水利工程等所有類型的基礎設施的建筑、工程、施工和運營而設計［2］。犬木塘水庫工程項目的三維模型是使用MicroStation 軟件所創建，模型原始格式是.dgn。

BIM-WIN 是創智艾泰克公司于2020 年發布的三維轉換引擎，能夠支持Bently、Revit、CATIA 等主流三維建模軟件輸出的文件格式。

AutoCAD .NET API：AutoCAD 提供了專門為.NET 開發者設計的API，即AutoCAD .NET API。它允許在C＃中編寫代碼來訪問和操作AutoCAD 的DWG 或DXF 格式文件。該API 提供了豐富的功能，包括讀取和解析CAD 文件，訪問實體、圖層、塊等元素，以及執行各種編輯操作。

uni-app 是一個基于Vue.js 的跨平臺開發框架，可以同時開發運行在多個平臺（如Android、iOS、Web 等）上的應用程序。

C＃是由微軟開發的一種通用、面向對象的編程語言。C＃與. NET 框架緊密集成。通過使用C＃，開發者能夠利用.NET 的豐富功能和類庫來構建各種應用程序，包括桌面應用、Web 應用、移動應用以及游戲等。

圖模中心系統以BIM 可視化三維展示平臺為基礎，集成BIM-WIN 輕量化引擎，使用C＋＋語言進行二次開發。在手機端采用uni-app 開發框架，APP 發布到安卓和iOS 端。利用在MicroStation 中建立的.dgn 格式模型為數據樣板，整合CAD 圖紙和Word 或PDF 格式文檔，實現三維信息的綜合展示。

1.3 系統架構設計及功能開發

圖模中心基礎架構分為云平臺、數據層、服務支撐層、應用業務層、用戶交互層等5 層［3］，見圖1。系統采用面向服務架構的架構模式，通過中間服務進行數據訪問和功能調用，各項功能利用成熟的跨平臺敏捷開發工具進行軟件定制化開發。將設計圖紙、工程模型和變更等表單文件進行整合，完成多源異構模型的集成。

圖1 圖模中心基礎架構

系統功能由以下幾個模塊組合開發來實現：

（1）用戶界面。該組件包括與用戶交互的界面，用于展示設計圖紙、相關文檔資料和三維模型，并提供關聯和管理功能。它可以是一個Web 應用程序或桌面應用程序，使用C＃語言和相應的前端技術。

（2）第三方庫和API。根據項目需求，使用第三方庫和API 來實現特定的功能，例如CAD 文件解析庫、文檔管理庫等。

（3）設計文件解析模塊。該模塊負責讀取設計圖紙的文件格式，提取出幾何信息、屬性和其他必要的數據。使用AutoCAD .NET API 來解析不同的CAD 文件格式（如DWG、DXF 等）并提取數據。

（4）關聯算法模塊。該模塊根據設計圖紙和三維模型的幾何特征和屬性，使用幾何形狀匹配算法、尺寸比較算法實現它們之間的關聯。

（5）數據庫管理模塊。該模塊負責存儲和管理設計圖紙、相關文檔資料和三維模型的數據。使用SQL Server數據庫管理系統，通過設計相應的表結構和關系，以支持數據的存儲、檢索和更新。

（6）文檔資料管理模塊。該模塊用于上傳、關聯和管理與設計圖紙、三維模型相關的文檔資料。提供文檔上傳、檢索和下載功能，建立文檔與模型數據之間的關聯，并支持文檔的檢索和瀏覽。

（7）業務邏輯層。該層包含系統的核心邏輯和處理過程，負責協調不同模塊之間的交互，處理用戶請求，執行關聯算法，訪問數據庫等。

（8）數據訪問層。該層用于與數據庫進行交互，執行數據的讀取和寫入操作。提供對數據庫操作的抽象接口，使業務邏輯層可以方便地訪問和操作數據。

同時系統基于統一的BIM＋GIS 基礎平臺、工程數據庫，實現工程BIM 模型和設計、建設信息的數據共享和可視化展示；利用統一的應用門戶和安全審計策略，進行用戶登錄和權限管理，滿足多終端業務場景應用需求。此外，在BIM 應用服務中內置了湖南水電院發布的《犬木塘水庫工程BIM 模型分類和編碼標準》，使用戶能夠按照標準編制所需模型編碼，完成模型與圖紙和文件批量掛接。

1.4 系統特色功能介紹

1.4.1 在手機端app 可多層次多角度查看使用模型及關聯的文件

除在手機端可通過手勢操控對模型進行全方位的觀察和調整，使用軸向剖切工具還可進行模型的剖切，同時由于基于云端加載，模型速度并不會減慢太多。此外，可將當前視圖設置為主視圖，同時打開圖紙文件或相關聯的變更文件與現場施工情況進行比對，易于發現其中的問題。

1.4.2 對重點單位工程進行獨立統計分析

在現場施工過程中，建設方需要查看所建單位工程的各項基礎信息，可通過圖模中心的屬性設置功能自行添加與模型相關的各類信息，如所點選面的面積和點選模型的體積等，便于實時統計核實工程量；此外還可通過測量工具測量模型大小尺寸與實際建筑物進行比對，完成對重要單位工程的全方位獨立統計分析［4］。

2 圖模中心系統應用實例

本圖模中心系統已在湖南省犬木塘水庫工程BIM 應用項目中成功應用。

以該項目泄水閘－消力池段模型為例，模型共有構件502 個，所涉及圖紙3 張，涉及變更文件1 份。在可視化平臺的圖模中心，在該dgn 模型條目中，可通過圖紙關聯功能和工程關聯功能對相關圖紙和涉及到該模型的所有文檔進行選擇關聯。

在模型在線查看過程中，可在目錄樹搜索欄中輸入模型編碼對模型所包含單一構件進行精準搜索和查看，點擊該構件使其透明度提高即可查看其與周圍構件的連接方式及內部結構。同時，可通過模型漫游功能檢查各部位模型的位置，利用360°環視功能即可查看該專業模型的整體布局。而模型的批注功能可使工程人員在對照圖紙和變更文件后對模型相應部位進行批注，保存在模型庫中進行導出和打印。工程人員可對施工現場的結構進行比對分析，找到不合理處進行圖紙分享，達到輔助施工的效果。使用情況如圖2～圖7 所示。

圖2 模型與圖紙和工程文件關聯界面

圖3 圖紙與模型關聯

圖4 圖紙與文檔關聯

圖5 手機端模型查看

圖6 構件屬性查看

圖7 模型測量工具

圖8 分享所現場校核圖紙

3 結語

本文在湖南水電院研發的BIM 三維可視化平臺基礎上對圖紙、模型和文件三位一體化展示方式進行研究。將從MicroStation 中導出的三維設計模型上傳至可視化平臺的圖模中心，導出格式為.dgn；同時按照湖南水電院發布的《犬木塘水庫工程BIM 模型分類和編碼標準》編制模型編碼，實現圖紙和文件與模型的掛接。基于BIM-WIN 引擎高性能的模型展示能力，開發出能夠完成平臺間交互的與可視化平臺之間的接口，并通過Web 端的掛接和工程現場手機端的可視化展示解決實際工程建設過程中圖紙模型無法對應查看、變更文件和工程進度無法實時體現的問題，最終完成基于BIM 三維可視化平臺的工程檔案一體化管理應用的目的。

本文通過對模型各項屬性的掛接及.dgn 文件的直接上傳，保證了模型文件信息的完整性；同時在手機端開發APP 實現圖紙模型和文件的實時查看，提高了模型圖紙的讀取和使用效率，為在現場的工程人員指導檢查施工情況、快速發現工程問題提供了幫助，能夠及時發現安全隱患，減少返工所耗費的人力、物力。