長距離引調(diào)水工程智能輔助設(shè)計平臺關(guān)鍵技術(shù)

朱國金，胡靈芝，潘 飛，屈玉竹，聞 平，司建強(qiáng)，王 超(.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司， 云南 昆明 65005； .天津大學(xué)， 天津 30007)

長距離引調(diào)水工程智能輔助設(shè)計平臺關(guān)鍵技術(shù)

朱國金1，胡靈芝1，潘 飛2，屈玉竹1，聞 平1，司建強(qiáng)1，王 超1
(1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司， 云南 昆明 650051； 2.天津大學(xué)， 天津 300072)

長距離引調(diào)水工程選線具有多源海量信息，建筑數(shù)量眾多，可提取參數(shù)化特性強(qiáng)等特點(diǎn)，采用參數(shù)化設(shè)計方法可以調(diào)高設(shè)計的效率和質(zhì)量。研究了涵蓋三維GIS選線輔助平臺及參數(shù)化智能設(shè)計系統(tǒng)兩大核心模塊的長距離引調(diào)水工程智能輔助設(shè)計平臺關(guān)鍵技術(shù)，并運(yùn)用于滇中引水工程，充分發(fā)揮智能信息化設(shè)計“高效、精準(zhǔn)、豐富、直觀”等優(yōu)勢，不僅有效提升產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量及效率，高效輸出工程圖、工程信息，而且協(xié)調(diào)了工程不同階段的設(shè)計問題及多專業(yè)設(shè)計問題，從而優(yōu)化工程整體設(shè)計方案，促進(jìn)多專業(yè)間的設(shè)計協(xié)作。

引調(diào)水工程；智能平臺；三維GIS選線；參數(shù)化設(shè)計

選線設(shè)計是長距離引調(diào)水工程中的總體性工作，是集創(chuàng)造性、知識性與實(shí)踐性于一體的多目標(biāo)決策過程。該過程受地形、水文、地質(zhì)、土地利用、環(huán)境保護(hù)、施工條件等眾多因素約束，同時需要滿足各種技術(shù)規(guī)范和相關(guān)要求。受限于傳統(tǒng)的設(shè)計手段和選線方式，現(xiàn)階段的選線方法依然是從有限個候選方案中篩選出一個基本符合各項(xiàng)指標(biāo)的方案，從科學(xué)和定量角度來說，距離最優(yōu)方案仍有一定差距。

引調(diào)水工程一般都規(guī)模龐大，區(qū)域地形地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，輸水線路長，涉及范圍廣，輸水建筑物種類繁多。線路通常包含渡槽、隧洞、倒虹吸、明渠和暗涵等眾多建筑物。對于同一引水工程線路而言，從屬于同一種建筑物類別的建筑物實(shí)例數(shù)量繁多，采用傳統(tǒng)的建模方式勢必會出現(xiàn)大量毫無技術(shù)水平的重復(fù)性工作。而參數(shù)化設(shè)計技術(shù)采用參數(shù)驅(qū)動的思想，變量化、聯(lián)動化建立構(gòu)件模型，大大提高了模型的復(fù)用性、關(guān)聯(lián)性和協(xié)同性，使得設(shè)計人員在不改變原有設(shè)計意圖的情況下快速地修改模型，生成系列或相似設(shè)計成果。一個交互友好的三維參數(shù)化設(shè)計環(huán)境可以大大提高模型的生成和修改速度，在提高設(shè)計效率、減少設(shè)計錯誤和縮短設(shè)計周期等方面優(yōu)勢明顯，從而顯著提升工程的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計品質(zhì)。

目前國內(nèi)三維路線設(shè)計在工程建設(shè)方面的運(yùn)用仍處于起步，運(yùn)用較多的為鐵路及軌道交通工程方面[1-7]，在引調(diào)水工程等方面的運(yùn)用仍處于摸索階段。郭永鑫等[8]利用三維GIS完成引渤濟(jì)錫海水輸送工程的選線工作。何玲等[9]利用三維GIS系統(tǒng)，對南水北調(diào)工程河北省段的需求進(jìn)行了分析，建立了三維地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。余國等[10]通過層次分析法建立了引調(diào)水線路中各個選線因子對線路影響程度的分級，并建立了綜合評判優(yōu)選柵格模型。鮑新華等[11]采用比選法和層次分析法，從施工條件復(fù)雜性、運(yùn)行管理便捷性、供水安全性和投資費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性等方面對農(nóng)安支線供水線路進(jìn)行了比選。徐學(xué)軍等[12]基于模糊數(shù)學(xué)理論，采用模糊綜合評價法對引江濟(jì)巢各引調(diào)水線路進(jìn)行了優(yōu)選評價。

國內(nèi)參數(shù)化設(shè)計技術(shù)多應(yīng)用于機(jī)械制造及建筑領(lǐng)域，孟祥旭等[13]較系統(tǒng)明確地歸納總結(jié)了CAD領(lǐng)域二維圖紙及三維造型等參數(shù)化設(shè)計的相關(guān)現(xiàn)狀和問題，并對參數(shù)化理念進(jìn)行了拓展。張冶等[14]提出了一種基于裝配關(guān)系的三維參數(shù)化造型設(shè)計方法，并在UG平臺上進(jìn)行了測試。陳德人等[15]基于參數(shù)化設(shè)計的成果與現(xiàn)狀，綜述了參數(shù)化研究中常用的類型及其相應(yīng)方法，并進(jìn)行了分析比較。尹志偉[16]通過建筑實(shí)例，從參數(shù)化視角研究了非線性建筑設(shè)計與建造以及它們之間的整體關(guān)系。曾旭東等[17]對比建筑信息模型參數(shù)化技術(shù)與傳統(tǒng)CAD技術(shù)，分析了參數(shù)化模型技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。王帥[18]提出皮帶運(yùn)輸機(jī)三維參數(shù)化建模系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，提出了輔助性圖形庫的思想。蘇夢香等[19]以板簧為例，詳細(xì)介紹了零件建模、模型裝配、干涉檢查和模型調(diào)整整套設(shè)計流程。陳艷等[20]用Autodesk Revit和Inventor軟件對岔管進(jìn)行三維參數(shù)化建模,將建立好的實(shí)體模型導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行受力分析,確定出合理體型。參數(shù)化設(shè)計在水利水電行業(yè)還缺乏系統(tǒng)性的研究和應(yīng)用，設(shè)計人員只是單純的建立模型，并未突出參數(shù)化驅(qū)動的重點(diǎn)。

本文以滇中引水工程為依托，研究長距離引調(diào)水工程智能輔助設(shè)計平臺關(guān)鍵技術(shù)，充分利用現(xiàn)有的信息技術(shù)，達(dá)到智能選線、智慧設(shè)計、協(xié)同設(shè)計的目標(biāo)，主要包括三維GIS選線輔助平臺、參數(shù)化智能設(shè)計系統(tǒng)兩大部分。

1 長距離引調(diào)水工程智能輔助設(shè)計平臺總體架構(gòu)

如圖1所示為智能輔助設(shè)計平臺總體框架。長距離引調(diào)水工程智能輔助設(shè)計平臺基于海量信息搜集的基礎(chǔ)上，利用BIM與GIS技術(shù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)設(shè)計前期的引調(diào)水工程智能選線，設(shè)計階段利用參數(shù)化智能設(shè)計系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化協(xié)同設(shè)計及CAD/CAE集成，構(gòu)建引調(diào)水線路BIM設(shè)計模型，并建立BIM數(shù)據(jù)庫對海量設(shè)計信息進(jìn)行管理。

圖1 長距離引調(diào)水工程智能綜合設(shè)計平臺總體框架圖

2 長距離引調(diào)水工程三維GIS選線輔助平臺

傳統(tǒng)選線方法存在不能夠直接對地理信息進(jìn)行識別、分析和利用等缺點(diǎn)，而GIS擁有的對地理信息快速的獲取方法、科學(xué)的表達(dá)模式以及強(qiáng)大的空間檢索分析能力，為智能選線投入使用提供了技術(shù)支持。因此，利用GIS技術(shù)手段進(jìn)行智能選線是實(shí)現(xiàn)快速化、流程化、智能化選線的必要條件，可極大地豐富目前選線設(shè)計的理論與方法，對長距離引調(diào)水工程線路的選擇具有重要意義。

三維GIS選線輔助平臺的建立主要涉及多源數(shù)據(jù)融合，線路評價模型以及智能選線綜合集成應(yīng)用三方面主要內(nèi)容。

2.1 長距離引調(diào)水工程線位海量多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

與傳統(tǒng)圖紙選線方法相比，智能選線系統(tǒng)中所有的海源信息須通過衛(wèi)星遙感影像解譯、低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)、三維激光掃描技術(shù)、數(shù)字三維全景、綜合物探集成技術(shù)及三維地質(zhì)建模技術(shù)獲得。收集到的多源數(shù)據(jù)在三維地形、地質(zhì)場景中展示并進(jìn)行融合與預(yù)處理，整合到三維GIS系統(tǒng)中。

2.2 長距離引調(diào)水工程線位選擇綜合指標(biāo)體系及綜合評價模型

引調(diào)水工程線路一般線路長、地形地質(zhì)及外部條件極為復(fù)雜，智能選線中需要考慮的因素眾多，各種因素對選線的影響程度大小不同，如何衡量不同因素對引調(diào)水選線的重要性及影響量，對于合理的選擇線路是至關(guān)重要的，平臺擬應(yīng)用相關(guān)的評價體系，對各類因子建立層次關(guān)系進(jìn)行分析，綜合各類因素的相關(guān)重要程度構(gòu)建評價指標(biāo)體系，再依據(jù)指標(biāo)體系，圍繞引調(diào)水線路選線評價總目標(biāo)，構(gòu)造引調(diào)水工程智能選線評價模型。

2.3 基于三維大場景的長距離引調(diào)水工程智能選線綜合集成應(yīng)用

引調(diào)水工程智能選線評價模型以可能布線范圍作為研究對象，利用模型進(jìn)行相應(yīng)的分析成圖，得到引調(diào)水線路適宜性分布成果，最終將成果線化，形成引調(diào)水線路的推薦路線。

在完成智能選線方案后，將相應(yīng)的引調(diào)水建筑物模型放置于GIS場景中進(jìn)行展示，再次利用三維GIS的展示功能，完成線路剖面圖、相關(guān)設(shè)計圖的繪制等功能，統(tǒng)計引調(diào)水線路建筑物特性、施工方式及相應(yīng)的工程量等信息，并在三維GIS場景中進(jìn)行查詢、統(tǒng)計、分析與展示，以便于對設(shè)計產(chǎn)品進(jìn)行評估及匯報。

圖2所示為三維GIS選線平臺的技術(shù)路線，在滿足技術(shù)規(guī)范、輸水要求等因素約束的條件下，明確引調(diào)水線路選線中需要考慮的選線原則及制約因素，從選線區(qū)域著手，由面到帶，由帶到線，由線到段，由段到點(diǎn)，逐步細(xì)化、逐步深化和逐步接近目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的過程。首先對引調(diào)水工程中引調(diào)水線路的選擇進(jìn)行分析，并引入層析分析法，采用定性、定量的指標(biāo)對各個制約因子及原則進(jìn)行評定，對各個因子之間的相對重要程度進(jìn)行量化。其次，利用GIS地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)分析功能，對指標(biāo)相關(guān)的各類基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取出與選線相關(guān)的空間信息，并結(jié)合相應(yīng)的量化指標(biāo)，構(gòu)建長距離引調(diào)水線路。

圖2 三維GIS選線平臺的技術(shù)路線

3 長距離引調(diào)水工程參數(shù)化智能設(shè)計系統(tǒng)技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計可以依據(jù)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)件、構(gòu)件庫，為模型的復(fù)用性、關(guān)聯(lián)性和協(xié)同設(shè)計等提供標(biāo)準(zhǔn)化模型，使用戶可以在不改變原設(shè)計意圖的情況下利用已有模型或構(gòu)件庫中構(gòu)件方便地重構(gòu)模型，生成系列或相似設(shè)計成果。在提高設(shè)計效率、減少設(shè)計錯誤和縮短設(shè)計周期方面效果顯著，從而顯著提升工程的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計品質(zhì)，也為模型數(shù)據(jù)的后續(xù)管理、優(yōu)化和升級提供了較大的便利。

長距離引調(diào)水工程參數(shù)化智能設(shè)計系統(tǒng)的建立主要涉及基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化構(gòu)件族庫構(gòu)建技術(shù)和基于云技術(shù)的異地協(xié)同設(shè)計研究等兩方面的內(nèi)容。

3.1 基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化構(gòu)件族庫構(gòu)建技術(shù)研究

根據(jù)引調(diào)水工程建筑物BIM數(shù)據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建各類引調(diào)水建筑物的參數(shù)化構(gòu)件庫?；跇?gòu)件庫，用戶能夠通過參數(shù)驅(qū)動生成新的構(gòu)件三維模型實(shí)例，并添加存儲在構(gòu)件庫中，進(jìn)而能夠?qū)?gòu)件庫中的構(gòu)件及其對應(yīng)參數(shù)表進(jìn)行添加、刪除、修改和檢索等管理操作。構(gòu)件庫按照各種典型引調(diào)水建筑物的不同型式進(jìn)行劃分，整體模型可根據(jù)需要對構(gòu)件庫進(jìn)行調(diào)用。

圖3所示為典型輸水建筑物三維參數(shù)化設(shè)計平臺總體結(jié)構(gòu)，共由結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維參數(shù)化設(shè)計、BIM管理及應(yīng)用、干涉檢查、工程圖輸出、數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)管理等7大模塊組成。

圖3 典型輸水建筑物三維參數(shù)化設(shè)計平臺總體結(jié)構(gòu)

3.2 基于云技術(shù)的異地協(xié)同設(shè)計研究

在既定的協(xié)同設(shè)計規(guī)則下，將不同專業(yè)間的三維模型進(jìn)行裝配并提供可視化的功能，可以實(shí)時查看不同專業(yè)間的設(shè)計關(guān)系，并進(jìn)行碰撞檢查，迅速查找干涉部位并進(jìn)行調(diào)整。借助云計算技術(shù)整合CPU的能力，研究解決基于BIM的設(shè)計和分析對硬件計算能力和圖形處理能力要求高的問題；借助云技術(shù)，研究解決多團(tuán)隊(duì)協(xié)同工作中跨地域、跨系統(tǒng)的協(xié)作問題，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的桌面工作模式到云工作模式的過渡。

4 工程運(yùn)用實(shí)例

長距離引調(diào)水工程智能輔助設(shè)計平臺以滇中引水工程為依托，針對復(fù)雜條件長距離引調(diào)水工程選線影響因素復(fù)雜、協(xié)同專業(yè)多、引調(diào)水建筑數(shù)量眾多、建設(shè)管理工作繁重等特點(diǎn)，開發(fā)了集選線和建筑物設(shè)計為一體的智能綜合設(shè)計平臺。以下以滇中引水工程為例，介紹長距離引調(diào)水工程智能輔助設(shè)計平臺的運(yùn)用。

4.1 三維GIS智能選線平臺的運(yùn)用

智能選線輔助平臺通過對各類選線因子進(jìn)行分析，利用層次分析法[21-22]及三維GIS系統(tǒng)構(gòu)建了選線模型，解決了以往靠人工經(jīng)驗(yàn)為主的選線方式；根據(jù)擬選路線，建立建筑物BIM模型，并將BIM模型展示在三維場景中，快速計算相關(guān)的工程量，對工程建設(shè)投資控制具有重要意義。三維GIS智能選線平臺包含線路比選，工程量統(tǒng)計，交叉建筑物統(tǒng)計，線路三維展示等功能。

圖4為擬選線路圖，滇中引水昆明段三維GIS智能選線平臺基于數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、三維建筑信息模型數(shù)據(jù)及其他矢量柵格數(shù)據(jù)，結(jié)合計算機(jī)圖形與圖像處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、三維可視化技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，展現(xiàn)選線結(jié)果路線及相應(yīng)的引調(diào)水構(gòu)筑物在實(shí)際環(huán)境下的真實(shí)情況，把所有工程對象都置于一個虛擬的三維世界中，實(shí)現(xiàn)海量模型數(shù)據(jù)在三維場景下的實(shí)時漫游?？紤]選線適宜性，在眾多成果方案的基礎(chǔ)上，得到不同的擬選線路。

圖5為三維線路瀏覽圖，根據(jù)滇中引水昆明段選線結(jié)果，可以在三維場景中對擬選線路進(jìn)行優(yōu)化、對比在三維地形上模擬線路走向與構(gòu)筑物布置，進(jìn)行全景化的三維漫游與測量操作，方便選線工程師進(jìn)行局部線路優(yōu)化調(diào)整，從而提高了選線精度和效率。選線平臺以高集成度、高可靠性和高易用性為設(shè)計原則，為用戶提供智能選線工具箱。用戶在進(jìn)行新線路規(guī)劃時，能夠?qū)崟r顯示樁號、樁累距、路線縱斷面高程、轉(zhuǎn)角角度等信息，能對現(xiàn)有線路進(jìn)行拓展延伸，并進(jìn)行其他如添加、刪除、修改、連接、查詢等操作。

圖4 滇中引水工程擬選線路

圖5 滇中引水工程線路三維瀏覽及修改

除此之外，選線平臺還能根據(jù)線路調(diào)整結(jié)果，基于選線場景中數(shù)字高程模型，計算線路的剖面，根據(jù)線路剖面及相關(guān)設(shè)計參數(shù)，計算相應(yīng)的工程量信息；根據(jù)擬選線路及相關(guān)的道路、水系、鐵路等分布，可計算線路與地物點(diǎn)的交叉位置，為交叉點(diǎn)的處理提供相關(guān)的依據(jù)；在選線成果完成后，可將設(shè)計模型放置于三維場景中，進(jìn)行展示、開挖等，并可點(diǎn)擊模型查詢相應(yīng)的信息。

4.2 參數(shù)化智能設(shè)計系統(tǒng)的運(yùn)用

長距離引調(diào)水工程三維參數(shù)設(shè)計平臺在Inventor、Civil 3D、Navisworks平臺進(jìn)行深度定制，開發(fā)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計、構(gòu)件信息交互式查詢、干涉檢查、工程圖輸出、協(xié)同設(shè)計等豐富的功能，完整實(shí)現(xiàn)引調(diào)水工程設(shè)計過程中快速創(chuàng)建建筑物及工程圖輸出的應(yīng)用需求。

圖6為參數(shù)化建模模塊中渡槽模型展示。三維參數(shù)化設(shè)計模塊的功能一方面是能夠進(jìn)行構(gòu)件信息模型的三維參數(shù)化設(shè)計，創(chuàng)建基于特征的參數(shù)化構(gòu)件模型，進(jìn)而經(jīng)過基于存儲知識的自動裝配和交互式裝配創(chuàng)建子模型，實(shí)現(xiàn)自底而上的設(shè)計過程，同時可將建立的參數(shù)化構(gòu)件模型用于構(gòu)件庫的擴(kuò)充；另一方面可根據(jù)事先創(chuàng)建的子模型模版庫，通過設(shè)計子模型中各構(gòu)件裝配關(guān)系參數(shù)和構(gòu)件尺寸參數(shù)，自動生成新的子模型，并用于更新中心模型文件，實(shí)現(xiàn)自頂而下的設(shè)計過程。

圖7為工程圖輸出模塊示意圖，該模塊的功能是能夠根據(jù)渡槽、倒虹吸、隧洞三維參數(shù)化模型，自動批量輸出零件模型和裝配模型的二維或三維工程圖，同時由參數(shù)變化引起的構(gòu)件移動、刪除和尺寸變動能夠在工程圖中聯(lián)動更新，從而保證了模型與圖紙的一致性。

圖6 參數(shù)化設(shè)計模塊功能展示

圖7 工程圖輸出示例

5 結(jié) 語

綜合以上兩個智能設(shè)計系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，長距離引調(diào)水工程智能輔助設(shè)計平臺充分利用三維GIS系統(tǒng)的地理分析功能，根據(jù)指標(biāo)因子分析及選線目標(biāo)進(jìn)行智能選線，通過建立建筑物參數(shù)驅(qū)動的BIM模型，可以實(shí)現(xiàn)BIM模型和GIS技術(shù)無縫融合，將傳統(tǒng)工程實(shí)施過程中的孤立單元進(jìn)行聚合，建立完善的多維參數(shù)化設(shè)計信息數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計過程中各階段和專業(yè)的數(shù)據(jù)管理提供了有力保障，此平臺不僅適用于水利水電工程，同樣適用于其他土木建筑工程，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Review of ICAD Platform for Long Distance Water Diversion Project

ZHU Guojin1, HU Lingzhi1, PAN Fei2, QU Yuzhu1, WEN Ping1,SI Jianqiang1, WANG Chao1

(1.KunmingEngineeringCorporationLimited,Kunming,Yunnan650051,China; 2.TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

With the property of multisource and massive information, constructions in long distance water diversion project always have significant analogous characteristics. Therefore, the 3D models parameterized design can be applied to such systems. The 3D GIS based route selection method and the parameterization design platform for long distance water diversion project were reviewed in this paper. The two core modules compose the intelligent computer aid design (ICAD) platform were applied to the water diversion project in central Yunnan. The platform can improve the quality of product design increase the efficiency, and promote the coordination of multidiscipline during different design phases.

water diversion project; ICAD platform; 3D GIS routing selection; parameterization design

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.037

2016-11-01

朱國金(1978—)，男，江蘇鹽城人，碩士，高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計科研和技術(shù)管理以及信息化研究工作。 E-mail:278497571@qq.com

TV67

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1672—1144(2016)06—0190—05