基于BIM的水電工程科技成果可視化與應(yīng)用示范

林　偉

(1.中國葛洲壩集團(tuán) 三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌　443002；2.中國能建工程研究院 水電工程設(shè)計(jì)研究所，湖北 宜昌　443002)

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基于BIM的水電工程科技成果可視化與應(yīng)用示范

林偉1，2

(1.中國葛洲壩集團(tuán) 三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌443002；2.中國能建工程研究院 水電工程設(shè)計(jì)研究所，湖北 宜昌443002)

為解決水電工程科技成果傳統(tǒng)二維表達(dá)模式存在的學(xué)習(xí)難、解讀難、查閱難等問題，分析了水電工程科技成果傳統(tǒng)的紙質(zhì)承載形式在信息傳遞與表達(dá)上的局限性，提出基于BIM(Building Information Modeling)的水電工程科技成果可視化概念。應(yīng)用場景還原技術(shù)、三維模擬技術(shù)與三維互動(dòng)技術(shù)，對(duì)水電工程施工對(duì)象建立數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)了科技成果施工工藝、施工過程的可視化仿真，以及虛擬施工對(duì)象的全方位、多角度瀏覽互動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)大量、精確傳遞科技成果信息，賦予科技成果全新的、高效的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，同時(shí)也有利于科技成果的評(píng)審鑒定和轉(zhuǎn)化推廣。

水電工程；建筑信息模型(BIM)；三維模擬技術(shù)；三維互動(dòng)技術(shù)；可視化

1　研究背景

科技成果是自然科學(xué)技術(shù)研究成果的簡稱[1]。水電工程科技成果是由法定機(jī)關(guān)認(rèn)可，在水電行業(yè)內(nèi)經(jīng)實(shí)踐證明先進(jìn)、成熟、適用，能取得良好社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益的科學(xué)技術(shù)成果，包含科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、工法、標(biāo)準(zhǔn)、專利等，一般采用紙質(zhì)文件匯編成冊(cè)，或電子文檔形式儲(chǔ)存?？萍汲晒哂幸欢ǖ膶W(xué)術(shù)意義和實(shí)用意義[1]，但美中不足的是其二維表達(dá)模式容易給學(xué)習(xí)者帶來困擾，對(duì)成果的推廣應(yīng)用存在負(fù)面影響。究其原因至少有3點(diǎn)：①學(xué)習(xí)難?？萍汲晒话悴捎枚S平面表達(dá)模式，表意抽象，篇幅冗長，閱讀、學(xué)習(xí)效率偏低，極大地限制了學(xué)習(xí)人員數(shù)量。②解讀難?？萍汲晒ǔＩ婕岸鄠€(gè)專業(yè)，專業(yè)性強(qiáng)，關(guān)鍵內(nèi)容采用文字、圖紙難以闡述到位，不易解讀，學(xué)習(xí)者一般需具備一定的工程經(jīng)驗(yàn)及想象能力。③查閱難。研讀科技成果通常要耗費(fèi)大量時(shí)間、精力，且資料厚重，不易攜帶和查閱，許多成果書冊(cè)往往束之高閣，積灰蒙塵，無人問津。針對(duì)上述問題，本文提出基于BIM的三維數(shù)字化仿真技術(shù)，借助三維可視化工具對(duì)科技成果傳統(tǒng)的二維信息傳遞及表達(dá)模式進(jìn)行了升級(jí)。

2　技術(shù)特點(diǎn)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的定義為：創(chuàng)建并利用數(shù)字模型對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營管理的過程[2]。基于BIM的水電工程科技成果可視化，是將工程技術(shù)與基于BIM的三維數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，通過計(jì)算機(jī)及一系列BIM軟件(及其它軟件)將復(fù)雜的科技成果內(nèi)容轉(zhuǎn)化為數(shù)字和數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化模型，并以三維可視化的方式進(jìn)行表達(dá)。與傳統(tǒng)的施工動(dòng)畫相比，由于引入了BIM元素和概念，更為注重模型(Modeling)和信息(Information)的關(guān)聯(lián)，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

(1)數(shù)字地形模型由高程坐標(biāo)等數(shù)據(jù)自動(dòng)生成，建模速度快、精度高、易修改，貼合實(shí)際情況。

(2)關(guān)鍵模型對(duì)象可攜帶幾何構(gòu)成要素、空間約束關(guān)系、重點(diǎn)施工過程信息等，常用參數(shù)化模型還可由參數(shù)驅(qū)動(dòng)更新，避免重復(fù)建模。

(3)可滿足三維互動(dòng)等拓展研究和應(yīng)用需要。

3　關(guān)鍵技術(shù)簡介

3.1場景還原技術(shù)

水電工程多位于深山峽谷之中，地形條件復(fù)雜多變，樞紐建筑、施工布置、施工手段受環(huán)境影響程度大，科技成果中的施工場景包括某一時(shí)段內(nèi)施工區(qū)地形地貌、建筑物、設(shè)備機(jī)具、水文情況甚至氣候條件等信息，場景還原技術(shù)就是建立相應(yīng)的數(shù)字化仿真模型，使上述項(xiàng)目在三維虛擬施工場景中還原和再現(xiàn)。

3.2三維模擬技術(shù)

三維模擬分為前期文案策劃、中期仿真制作、后期修改處理3個(gè)階段。重點(diǎn)是對(duì)三維模型對(duì)象進(jìn)行高品質(zhì)渲染，制作漫游和施工仿真，表現(xiàn)項(xiàng)目關(guān)鍵施工工藝。三維模擬包含建模、布景、布局、關(guān)鍵幀、動(dòng)作制作、模擬、材質(zhì)貼圖、特效、燈光、渲染等環(huán)節(jié)，后期處理還有配音、錄音、剪接、特效、字幕、合成等環(huán)節(jié)，一項(xiàng)5～10 min的數(shù)字化成果，其過程文件就要占用10～20 G容量，各環(huán)節(jié)涉及多種數(shù)字技術(shù)，對(duì)制作人員工程素養(yǎng)、美學(xué)素養(yǎng)、想象和創(chuàng)造能力要求較高。

3.3三維互動(dòng)技術(shù)

將科技成果施工場景和施工對(duì)象三維數(shù)字模型上傳至BIM云端，仍能完整保留其原有的幾何屬性。擁有相應(yīng)權(quán)限的學(xué)習(xí)者可以隨時(shí)隨地通過手機(jī)或平板電腦連網(wǎng)進(jìn)入BIM 360云服務(wù)中心，訪問相關(guān)信息并進(jìn)行三維互動(dòng)，觀看已上傳的施工模型，并自主控制施工對(duì)象的遠(yuǎn)近、大小、方位，進(jìn)行720°自由旋轉(zhuǎn)觀看，以自己最為熟悉的方式理解工程對(duì)象、獲得建筑信息。

4　主要實(shí)施步驟

首先提煉科技成果的產(chǎn)生背景、實(shí)施難點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、主要?jiǎng)?chuàng)新及應(yīng)用情況等信息，編寫文案及解說；其次將科技成果的文字、照片、圖紙等相關(guān)資料數(shù)字化，對(duì)成果內(nèi)容涉及的地形地貌、工程對(duì)象、材料設(shè)備等進(jìn)行三維仿真建模；最后在三維場景下對(duì)科技成果的施工技術(shù)和施工過程進(jìn)行還原，并以可視化的方式表達(dá)。具體實(shí)施步驟如下。

4.1施工場景還原

4.1.1數(shù)字地形仿真建模

根據(jù)實(shí)際需要選擇采集法或?qū)崪y法獲取地形數(shù)據(jù)。采集法是利用地形處理軟件(如Civil 3D軟件)采集Google Earth上工程施工區(qū)域內(nèi)的地形標(biāo)高數(shù)據(jù)，并將Google Earth中的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)或者等高線[3]；實(shí)測法是通過現(xiàn)場實(shí)測得到原始地形數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是一系列擁有空間三維坐標(biāo)的離散高程點(diǎn)或等高線。顯然，在現(xiàn)階段實(shí)測法獲得的地形精度更高。利用地形處理軟件組合上述地形數(shù)據(jù)，創(chuàng)建施工區(qū)數(shù)字地形模型，地形表面采用具有三維空間屬性的不規(guī)則三角網(wǎng)曲面來描述，通過修改三角網(wǎng)曲面來實(shí)現(xiàn)數(shù)字地形模型的挖填處理[4]，描述地形的高低起伏狀態(tài)。

4.1.2建筑物仿真建模

建筑物分為外觀展示型和細(xì)節(jié)展示型。外觀展示型不作統(tǒng)計(jì)和分析，主要強(qiáng)調(diào)表現(xiàn)力和外觀效果，可采用3ds Max網(wǎng)格建模方法或直接裝配InfraWorks等軟件內(nèi)置的三維素材；細(xì)節(jié)展示型是科技成果依托的具體結(jié)構(gòu)物，在施工工藝、流程上重點(diǎn)分析、解剖和展示，強(qiáng)調(diào)內(nèi)涵和建模精細(xì)度，采用Revit、Inventor等軟件實(shí)體建?；騾?shù)化建模方法，必要時(shí)裝配鋼筋、金結(jié)埋件、管道、模板等結(jié)構(gòu)。

4.1.3設(shè)備機(jī)具仿真建模

施工設(shè)備、機(jī)具一般只作為施工手段的一部分，重點(diǎn)在于方案表現(xiàn)，同時(shí)表達(dá)一定的視覺效果，對(duì)施工設(shè)備、機(jī)具的運(yùn)行效率和產(chǎn)量等性能指標(biāo)不作分析，因此也可采用3ds Max網(wǎng)格建模，或由Revit軟件設(shè)備模型庫導(dǎo)出，按一定比例縮放后直接使用。

4.2施工過程三維模擬

4.2.1文案策劃

文案策劃俗稱腳本制作。水電工程科技成果往往涉及多個(gè)部位甚至多個(gè)施工項(xiàng)目，混凝土、土石方、金結(jié)機(jī)電、基礎(chǔ)處理等專業(yè)交叉配合，要將上述這些復(fù)雜的系統(tǒng)工程進(jìn)行再次提煉，理清各專業(yè)間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系和工序銜接問題，必須進(jìn)行文案策劃，文案內(nèi)容要求詳略得當(dāng)又能突出重點(diǎn)。比如工法文案一般由前言、關(guān)鍵技術(shù)原理、主要工藝流程及操作要點(diǎn)、應(yīng)用效果及評(píng)價(jià)等部分組成；專利文案一般由背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容、實(shí)施方式、使用效果等部分組成；科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)文案一般由工程概況、施工特點(diǎn)、施工方法、施工效果等部分組成。文案策劃階段需要深入了解科技成果所依托的具體項(xiàng)目，學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識(shí)，在此基礎(chǔ)上制定可行的數(shù)字化策劃方案，與制作團(tuán)隊(duì)進(jìn)行切磋、修改，商定最終方案及解說文稿。

4.2.2施工仿真

施工仿真是重點(diǎn)階段，直接決定作品質(zhì)量和修改工作量?？稍贗nfraWorks或3ds Max軟件中將施工場景信息一一處理完畢并搭建還原，在三維場景中導(dǎo)入三維地形曲面并按照空間坐標(biāo)系進(jìn)行定位，布置建筑物、施工機(jī)械設(shè)備、道路、水域、樹木等[5]，對(duì)缺少現(xiàn)場視頻記錄的關(guān)鍵工序可利用Navisworks或3ds Max軟件制作施工仿真，為所有模型對(duì)象賦予相應(yīng)的材質(zhì)和光影效果，最后可在3ds Max軟件中進(jìn)行渲染。

4.2.3后期處理

后期修改處理可使用Adobe Audition音頻編輯軟件及Adobe Illustrator、Adobe Photoshop圖形后期處理軟件添加解說配音、背景音樂、字幕(含注解及旁白)等以及美工，關(guān)鍵在于與制作團(tuán)隊(duì)的交流，對(duì)數(shù)字化內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)修改和完善。

4.3施工對(duì)象三維互動(dòng)

施工對(duì)象三維互動(dòng)的實(shí)施特點(diǎn)及方式如下。

(1)沉浸感：學(xué)習(xí)者仿佛身臨其境，擁有更廣闊的視野來觀察并近距離地感受施工對(duì)象。

(2)交互感：學(xué)習(xí)者不再僅僅作為旁觀者被動(dòng)接受信息，而是能夠參與數(shù)據(jù)交換和實(shí)時(shí)協(xié)同作業(yè)，甚至使用交互手段來改變?nèi)S施工場景和施工過程，并分析改變帶來的結(jié)果。

(3)創(chuàng)造感：學(xué)習(xí)者乃至一切相關(guān)人員都可以在第一時(shí)間通過三維互動(dòng)迅速提高和強(qiáng)化對(duì)工程對(duì)象的認(rèn)知，從而進(jìn)一步思考優(yōu)化施工方案的可能性，集思廣益，萌發(fā)創(chuàng)新思維。

5　應(yīng)用示范

科技成果數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了紙質(zhì)檔案管理模式的變革，即從以面向?qū)嶓w保管為重點(diǎn)，向提供數(shù)字化信息服務(wù)為重心轉(zhuǎn)變[6]。數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與普及的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)科技成果信息資源內(nèi)部快速共享與學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件[7]?？萍汲晒梢暬曨l集錦可以使用移動(dòng)終端設(shè)備隨時(shí)檢索和觀摩，并與施工現(xiàn)場遇到的問題進(jìn)行對(duì)照，下面分享幾項(xiàng)科技成果可視化案例。

示例1?！跋蚣覊嗡娬敬笮统辆菏┕ぁ笨萍汲晒@行業(yè)級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，成果數(shù)字化仿真時(shí)長7 min多，重點(diǎn)介紹了以下內(nèi)容：沉井結(jié)構(gòu)、工程量及施工強(qiáng)度；沉井施工組織及如何解決施工干擾；怎樣克服地下涌水滲水等問題，保持井內(nèi)干地施工環(huán)境；地層地質(zhì)構(gòu)造情況及如何處理沉井偏斜或被地層夾持等問題；井格內(nèi)填芯施工時(shí)如何解決垂直大落差問題等等。圖1為沉井施工局部三維場景。

圖1　向家壩水電站大型沉井群施工Fig.1　Construction of large-scale sink well group of Xiangjiaba hydropower station

示例2?！岸盖蛷澒芏慰臻g曲面鋼模臺(tái)車”科技成果被評(píng)為省部級(jí)工法，成果數(shù)字化仿真時(shí)長7 min多，重點(diǎn)介紹了以下內(nèi)容：空間曲面鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)理念；如何解決三維曲面模板空間干涉及模板精確閉合定位問題；怎樣克服臺(tái)車陡坡運(yùn)行時(shí)的抗傾覆問題；基于力系平衡原理下的2點(diǎn)牽引下滑數(shù)學(xué)模型的建立及相關(guān)力學(xué)參數(shù)的確定；單元模塊式組合式結(jié)構(gòu)在有限空間內(nèi)的拼裝、拆卸；鋼模臺(tái)車牽引就位、混凝土澆筑、脫模、臺(tái)車行走等作業(yè)流程等等。圖2為鋼模臺(tái)車施工局部三維場景。

圖2　陡峭彎管段空間曲面鋼模臺(tái)車Fig.2　Three-dimensional scene of steel form jumbo of spatial-curved surface at steeply curved pipe section

示例3?！耙簤号郎０遢o助調(diào)整裝置及方法”科技成果獲國家發(fā)明專利，成果數(shù)字化仿真時(shí)長3 min多，重點(diǎn)介紹了液壓爬模輔助調(diào)整定位裝置的結(jié)構(gòu)組成及實(shí)施方法。圖3為液壓爬模施工局部三維場景。

圖3　液壓爬升模板輔助調(diào)整裝置及方法Fig.3　Auxilliary adjusting device of hydraulic climbing formwork

筆者建議還可將該技術(shù)推廣應(yīng)用于以下方面：①工程競標(biāo)和方案匯報(bào)；②施工方案優(yōu)化和拓展創(chuàng)新思路；③標(biāo)準(zhǔn)化施工作業(yè)流程培訓(xùn)和企業(yè)推介；④科技成果評(píng)審鑒定和轉(zhuǎn)化推廣。

6　結(jié)　語

基于BIM的水電工程科技成果可視化技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)精彩紛呈的三維虛擬施工世界，能夠?qū)⑹┕鼍昂褪┕み^程進(jìn)行還原和再現(xiàn)，以可視化的方式供人解讀，根據(jù)需要慢放、快進(jìn)或暫停，以顯示施工過程的某些細(xì)節(jié)，一切相關(guān)人員都可以參與進(jìn)來，高效率理解溝通，充分領(lǐng)會(huì)科技成果的精髓，促進(jìn)學(xué)以致用。該技術(shù)將工程施工與BIM、可視化、多維度有機(jī)結(jié)合，尤其善于描述復(fù)雜的施工場景和施工過程，從某種程度上提供了一種施工科研模式，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]郭美云.科技成果的定義分類及其評(píng)價(jià)[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),1988,(1):82-83.

[2]武亮亮.建筑信息模型——設(shè)計(jì)與施工的革新，生產(chǎn)與效率的提升[R].北京：麥格勞-希爾建筑信息公司，2009.

[3]劉冬,王伊鳴.Civil 3D與Google Earth在工程方案中的應(yīng)用[J].中國科技信息,2012,(9):94-95.

[4]程雷梓,林偉,路佳欣.基于Civil 3D的水電工程地形數(shù)字化技術(shù)研究[J].葛洲壩集團(tuán)科技,2014,(4):29-30.

[5]林偉,路佳欣,程雷梓，等.BIM在小南海水電站施工組織設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].水電與新能源,2013,(6):32-35，37.

[6]王芳,宋元,楊玲.加強(qiáng)科技成果數(shù)字化建設(shè)，促進(jìn)成果共享與服務(wù)[J].國土資源情報(bào),2011,(10):22-23，7.

[7]高利華.對(duì)水電工程設(shè)計(jì)數(shù)字化檔案管理的認(rèn)識(shí)和思考[J].水利發(fā)展研究,2008,8(10):50-51.

(編輯：黃玲)

BIM-based Visualization and Application Demonstration of Sci-TechAchievements in Hydropower Engineering

LIN Wei1，2

(1.Three Gorges Construction Engineering Co.Ltd.of China Gezhouba Group,Yichang443002,China；2.Hydropower Construction Design Department of CEEC Engineering Institute,Yichang443002,China)

It is difficult to learn,understand and refer to the traditional 2-D display of sci-tech achievements in hydropower engineering.In order to solve this problem,we analyzed the limitations in the traditional form of paper carrying in transmission and expression of information,and proposed the concept of BIM(Building Information Modeling)-based visualization.We established a digitized model of hydropower engineering construction objects with scene reconstruction technology,3-D simulation technology and 3-D interactive technology.Through this model,construction methods and construction process of sci-tech achievements are visually simulated,and all-round and multi-angle interactive browsing of the virtual construction objects is realized.The model could exactly transfer a large number of sci-tech information achievements in a short time,and offers a completely new and highly efficient learning experience to the sci-tech achievements.It is also beneficial for the assessment and promotion of scientific and technological achievements.

hydropower engineering；building information modeling(BIM)；3-D simulation technology；3-D interactive technology; visualization

2015-06-26；

2015-07-31

林偉(1983-)，男，湖北孝感人，工程師，主要從事水電工程施工三維數(shù)字化研究及BIM應(yīng)用，(電話)18007206191(電子信箱)50410647@qq.com。

10.11988/ckyyb.201505382016,33(08):134-137

TP31；TV5

A

1001-5485(2016)08-0134-04