基于BIM技術(shù)的泵站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究

朱松松

（河海大學(xué)水利水電學(xué)院， 江蘇　南京　210098）

引言

目前水利工程中對于安全監(jiān)測資料分析主要是依靠傳統(tǒng)的辦公軟件以及計算軟件來實現(xiàn)，工程的結(jié)構(gòu)信息主要還是以二維圖為主，決策判斷的質(zhì)量受到二維圖關(guān)聯(lián)性分析的影響。而BIM技術(shù)能夠很好地解決上述問題。建筑信息模型（簡稱BIM）是以工程項目的各項信息為基礎(chǔ)，進(jìn)行工程三維模型的建立，模擬工程的真實信息，用來展示工程的整個生命周期[1-3]。趙繼偉等基于參數(shù)化設(shè)計軟件，以子模型裝配為主要過程建立水利工程信息模型[4]。BIM技術(shù)越來越多地運(yùn)用到工程管理[1]。

本文搭建了一個基于BIM技術(shù)的泵站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)。為泵站管理者提供了一個直觀高效的泵站運(yùn)行管理平臺，可以在三維模型上了解各個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)、變化趨勢以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)計算分析后的結(jié)果，便于工程管理人員快速掌握泵站的運(yùn)行狀態(tài)，提高了安全管理的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)在南水北調(diào)工程的某泵站運(yùn)行管理中獲得了成功應(yīng)用，建立了泵站主體的三維模型，并將各個模型信息和監(jiān)測信息與模型相關(guān)聯(lián)，可在三維模型上實時查詢監(jiān)測信息和模型信息，并經(jīng)過計算，泵站各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均處于安全區(qū)域內(nèi)[2]。

1　基于BIM技術(shù)的泵站安全監(jiān)測系統(tǒng)

1.1　BIM技術(shù)簡介

BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計建造管理的數(shù)據(jù)化工具，在項目設(shè)計、施工和運(yùn)行的全生命周期過程中將參數(shù)模型整合各種項目的相關(guān)信息進(jìn)行共享和傳遞，提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)。

BIM技術(shù)通過制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，將不同專業(yè)的三維設(shè)計和協(xié)同設(shè)計進(jìn)行整合，形成了完整的信息管理平臺，減少了因溝通和實施環(huán)節(jié)信息流失而造成的損失。

1.2　Navisworks二次開發(fā)方法

Navisworks二次開發(fā)主要用.NET API方式。NET API支持大部分Navisworks軟件等價的功能有操作文檔、漫游模式、視點、選擇集等。

系統(tǒng)的API開發(fā)方式是用.NET API。通過在應(yīng)用程序中調(diào)用控件，將控件嵌入到自己的應(yīng)用程序，可以設(shè)計出自己的項目管理平臺。調(diào)用API里的方法可以進(jìn)行修改模型、切換觀察視角、訪問對象的屬性、查找對象等操作。

1.3　系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

首先利用 Civil 3D、Revit、Inventor進(jìn)行泵站三維建模，并在Navisworks里對各個模型進(jìn)行整合，利用數(shù)據(jù)庫存儲模型、監(jiān)測等各項信息；再通過Navisworks二次開發(fā)，利用Navisworks漫游功能查看整體泵站結(jié)構(gòu)，編寫Sql語句，將模型與數(shù)據(jù)庫表中的字段通過唯一標(biāo)識符建立連接，使模型和模型屬性、監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，建立泵站建筑信息模型，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析等功能。

2　泵站安全監(jiān)測資料分析方法

2.1　統(tǒng)計模型的建立

由于針對泵站安全監(jiān)控的研究成果較少，所以本文基于重力壩的統(tǒng)計模型理論，通過有限元法和逐步回歸法相結(jié)合，建立泵站位移的統(tǒng)計模型[3]。

本文利用有限元計算，計算得到水壓荷載作用下的泵站位移場，然后通過逐步回歸分析，確定水壓分量統(tǒng)計模型的因子形式，再通過有限元和水壓分量統(tǒng)計模型來計算預(yù)測的水位，來驗證水壓分量的正確性。然后初步擬定溫度分量和時效分量的因子形式，根據(jù)泵站實測的位移值，通過逐步回歸分析，確定溫度分量和時效分量的因子形式，從而確定泵站的統(tǒng)計模型。

2.2　監(jiān)控指標(biāo)的建立

利用回歸分析得到的各測點的實測值、估計值及所有測點估計值的剩余標(biāo)準(zhǔn)差確定多個取值范圍，以界定泵站監(jiān)測點是處于安全區(qū)域、異常區(qū)域還是危險區(qū)域，從而分析整個泵站的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控指標(biāo)如表1所示。

表1　監(jiān)控指標(biāo)區(qū)間

3　泵站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

基于上述的開發(fā)方法，本文把BIM技術(shù)與安全監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合。利用Navisworks的可視化和三維模擬功能，通過C號和API對Navisworks軟件進(jìn)行二次開發(fā)，將三維模型運(yùn)用到泵站的安全監(jiān)測系統(tǒng)中，實時快速查詢泵站各項信息（監(jiān)測信息、模型信息等）；并利用逐步回歸和有限元推導(dǎo)得到的統(tǒng)計模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析，判斷監(jiān)測點的安全狀態(tài)。該系統(tǒng)共分為數(shù)據(jù)管理模塊、模型可視化模塊、數(shù)據(jù)分析模塊三個模塊。具體實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸和管理，模型數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，泵站模型的可視化，監(jiān)測信息、泵站模型屬性的可視化查詢，監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸分析和趨勢分析，通過監(jiān)控指標(biāo)分析泵站的運(yùn)行狀態(tài)等功能[4]。

3.1　數(shù)據(jù)管理模塊

系統(tǒng)將Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)管理平臺，將各項監(jiān)測信息按照一定的格式傳入到數(shù)據(jù)庫中，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)和模型信息相關(guān)聯(lián)，從而建立泵站工程信息模型。

同時系統(tǒng)提供功能允許操作者根據(jù)模型屬性來對模型信息、監(jiān)測信息、設(shè)備信息進(jìn)行查詢和修改，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的管理和維護(hù)。

3.2　模型可視化模塊

按照實際工程的材質(zhì)，為泵站模型進(jìn)行渲染，并添加適當(dāng)?shù)墓庠矗瑥亩黾尤S模型的現(xiàn)實感。通過Navisworks提供的控件以及Api里提供的方法，可以通過導(dǎo)航面板對模型進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、漫游、動態(tài)觀察等漫游操作，使操作者能夠較好地了解整個模型的結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)將模型數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，在點擊模型里的某監(jiān)測點時，將顯示該監(jiān)測點的測點位置、監(jiān)測點最近一次的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并畫出該監(jiān)測點近一年的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖，可以查看該監(jiān)測點的變化規(guī)律。也可以根據(jù)監(jiān)測項目的目錄樹，查看多個監(jiān)測點的變化情況。將監(jiān)測數(shù)據(jù)與泵站模型相結(jié)合，可以快速掌握泵站整體的監(jiān)測情況，為泵站的安全運(yùn)行管理提供了便捷性和直觀性。

3.3　數(shù)據(jù)分析模塊

系統(tǒng)通過逐步回歸分析和有限元計算得到泵站統(tǒng)計模型，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析和趨勢分析，并根據(jù)監(jiān)控指標(biāo)，分析泵站各個監(jiān)測點的監(jiān)測狀態(tài)，從而得到泵站整體的運(yùn)行狀態(tài)，為管理者在決策分析時提供依據(jù)，大大提高了安全管理的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)通過報表的形式把各個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示出來，這些報表可以輸出成Excel或PDF格式，有助于泵站資料的整編。

4　工程應(yīng)用案例

4.1　工程概況

某泵站是南水北調(diào)工程東線第三梯級泵站之一，主要由泵站、擋洪閘、進(jìn)水閘、洪金地涵、引河等工程設(shè)施組成。主要任務(wù)是通過與下級金湖站聯(lián)合運(yùn)行，由金寶航道、入江水道三河段向洪澤湖調(diào)水，其安全運(yùn)行至關(guān)重要，因此，有必要對其進(jìn)行安全監(jiān)測，并考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、整編、分析以及三維可視化等需求，構(gòu)建了基于BIM的泵站安全監(jiān)測系統(tǒng)。

4.2　工程應(yīng)用

首先建立泵站工程的建筑信息模型，模型包括泵站的結(jié)構(gòu)、地基等三維幾何模型和材料屬性，并在三維模型中繪制各個監(jiān)測點，把監(jiān)測信息與監(jiān)測點的幾何信息相關(guān)聯(lián)。然后在數(shù)據(jù)庫中建立模型信息、監(jiān)測信息、設(shè)備信息等數(shù)據(jù)信息表，并將各個信息表進(jìn)行相關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)建出一個泵站工程信息模型。

系統(tǒng)在實際工程中主要實現(xiàn)了以下功能。

1）顯示了監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢，可以按照垂直位移、水平位移等監(jiān)測項目進(jìn)行查詢，并繪制監(jiān)測數(shù)據(jù)的時程圖，還可以將相鄰監(jiān)測點的趨勢進(jìn)行對比，來對監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行分析；

2）在泵站的三維信息模型上實時查詢當(dāng)天的監(jiān)測信息，以及對監(jiān)測信息進(jìn)行分析，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸模型、相關(guān)系數(shù)和回歸擬合曲線；

3）顯示了各個監(jiān)測數(shù)據(jù)的報表，便于工作人員的資料整編。

圖1　2號底板2-1垂直位移趨勢圖

如圖1所示，顯示了2號底板2-1測點垂直位移最近一次的數(shù)據(jù)分析，實測的監(jiān)測數(shù)據(jù)為1.1 mm，系統(tǒng)計算得到的回歸方程的相關(guān)系數(shù)為0.928，統(tǒng)計模型計算得到的數(shù)據(jù)為1.0 mm，滿足精度要求，并根據(jù)監(jiān)控指標(biāo)，分析得到本次的監(jiān)測值處于安全區(qū)域里，說明監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有發(fā)生較大變化，處于正常變化區(qū)域內(nèi)。

根據(jù)實際應(yīng)用可以看出，基于BIM技術(shù)的泵站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠很好地將各項監(jiān)測數(shù)據(jù)和三維模型有效地整合在一起，便于對泵站快速地了解和信息的共享，及時并有效地判斷泵站的安全狀態(tài)。

5　結(jié)論

本文將BIM技術(shù)運(yùn)用到泵站監(jiān)測管理系統(tǒng)，將泵站模型和監(jiān)測信息相結(jié)合，建立了泵站建筑信息模型，實現(xiàn)了泵站模型漫游可視化，模型信息、監(jiān)測信息實時查詢、分析等功能，有效地對泵站模型、監(jiān)測等各項信息進(jìn)行管理與共享，提高了泵站的管理效率，為泵站的管理提供了有力的支持。

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