水電站工程BIM引擎系統(tǒng)研究及應(yīng)用

趙賀來，付 杰

(中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

隨著全國水利水電工程信息化工作的推進(jìn)，BIM技術(shù)在水利水電行業(yè)應(yīng)用愈加廣泛，引擎系統(tǒng)作為BIM技術(shù)的核心內(nèi)容，能夠展示、操作BIM模型和數(shù)據(jù)，并提供全部功能的API接口，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域的空間信息和模型信息的集成，進(jìn)而宏觀上把控整個(gè)工程的狀態(tài)指標(biāo)。引擎系統(tǒng)與BIM模型相結(jié)合，能夠?qū)⒐こ虒?shí)體轉(zhuǎn)換為可操作、多維度、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫的工程可視化模型。在工程項(xiàng)目的全生命周期內(nèi)，不同工程協(xié)作方可以在引擎系統(tǒng)的宏觀基礎(chǔ)上聚焦到各個(gè)領(lǐng)域，錄入、修改和共享不同協(xié)作方信息，深化多專業(yè)協(xié)同應(yīng)用，最終形成承載項(xiàng)目工程數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)。利用數(shù)據(jù)大平臺(tái)進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行歸類分析與挖掘，將原始業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為知識(shí)和洞察力，為項(xiàng)目全生命周期各階段提供業(yè)務(wù)決策支持和智慧管理服務(wù)。

目前，水利水電工程BIM技術(shù)創(chuàng)新更多注重在多方協(xié)同設(shè)計(jì)、可視化動(dòng)態(tài)施工模擬、多維度信息集成等方面。鐘登華等[1]重點(diǎn)關(guān)注施工安全方面，從水利水電項(xiàng)目施工階段進(jìn)行仿真體系研究，構(gòu)建工程施工建模體系與動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)；李景茹等[2]針對(duì)施工系統(tǒng)管理，運(yùn)用地理信息技術(shù)，從宏觀上提出水利水電工程項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)可視化仿真技術(shù)；苗倩[3]利用仿真軟件構(gòu)建工程項(xiàng)目具體建筑物的三維數(shù)字模型，并對(duì)BIM進(jìn)行開發(fā)，提出可視化仿真的方法，對(duì)水利水電工程的可視化信息查詢與動(dòng)態(tài)演示提供技術(shù)支持；滕佳穎等[4]針對(duì)水利水電工程綜合項(xiàng)目交付相關(guān)問題，基于BIM技術(shù)構(gòu)建了綜合項(xiàng)目交付信息策略及基礎(chǔ)模型；孫少楠等[5]針對(duì)水利工程樞紐布置與工程量概算相關(guān)問題，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，與水工建筑物BIM模型相結(jié)合，提出水利工程信息模型的優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)樞紐優(yōu)化布置和土石方量?jī)?yōu)化計(jì)算。本文針對(duì)現(xiàn)階段水利水電行業(yè)缺乏專業(yè)的引擎系統(tǒng)，獨(dú)立設(shè)計(jì)了直接基于底層硬件的引擎系統(tǒng)框架，利用C++語言和DirectX技術(shù)體系開發(fā)，基于多分辨率理論進(jìn)行地形系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，自主研發(fā)了規(guī)范化、高效化的水利水電工程三維引擎系統(tǒng)，解決了商業(yè)三維引擎系統(tǒng)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳輸方面不夠規(guī)范化與高效化，且存在平臺(tái)刷新慢、服務(wù)器負(fù)載嚴(yán)重以及平臺(tái)流暢程度等問題，為數(shù)字電站項(xiàng)目的可視化提供技術(shù)支持。

1 引擎設(shè)計(jì)架構(gòu)

1.1 引擎開發(fā)技術(shù)路線

本引擎系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，基于C++語言和DirectX技術(shù)體系開發(fā)，為滿足工程數(shù)字化的具體要求而自主研發(fā)設(shè)計(jì)完成的三維底層接口，并在豐寧抽水蓄能電站項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)踐。引擎以Microsoft的3D圖形API-Direct3D為三維圖形可視化底層接口，結(jié)合directX渲染管線技術(shù)、Tessellation鑲嵌技術(shù)、CPU-GPU混合編程技術(shù)和Computer Shader技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。引擎系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維引擎系統(tǒng)架構(gòu)示意

1.2 開發(fā)架構(gòu)

(1)引擎服務(wù)器。采用IIS(Internet Information Server，互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù))作為引擎服務(wù)器。IIS是一種Web服務(wù)組件，包括Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器、NNTP服務(wù)器和SMTP服務(wù)器，能夠發(fā)布網(wǎng)頁或服務(wù)，支持ASP、JAVA、VBscript產(chǎn)生的頁面，且具備擴(kuò)展功能，滿足開發(fā)要求。

(2)集成開發(fā)環(huán)境。Visual Studio是一個(gè)基本完整的開發(fā)工具集，包括開發(fā)引擎系統(tǒng)所需的所有工具，如代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境等，且所寫的目標(biāo)代碼適用于微軟支持的所有平臺(tái)，便于引擎在不同電腦的兼容，且開發(fā)人員能夠迅速創(chuàng)建更高效、交互式更強(qiáng)和更個(gè)性化的新一代互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)。

(3)三維硬件接口。DireetX SDK是一種圖形應(yīng)用程序接口，其中的函數(shù)集被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)三維應(yīng)用程序的開發(fā)，支持高性能的2D和3D圖形、聲音、輸入。根據(jù)本引擎要求，所使用到的DirectX組件有DirectX Graphics、DirectX InPut、DirectX Audio。

(4)主程序框架。主程序框架提供給用戶一個(gè)使用引擎的邏輯和空間，通常使用三段論框架，即初始化函數(shù)、渲染循環(huán)函數(shù)和銷毀函數(shù)。所有的關(guān)于接口和對(duì)象的創(chuàng)建，數(shù)據(jù)的初始化以及一切前期的準(zhǔn)備工作都要在初始化函數(shù)中進(jìn)行，渲染函數(shù)則是用于進(jìn)行渲染處理，銷毀函數(shù)用于釋放一切程序中使用的系統(tǒng)資源。本引擎設(shè)計(jì)階段為用戶留出函數(shù)的接口，提供給用戶的只有可見的主程序框架，用戶只需添加所需要功能的代碼即可。

(5)BIM+GIS融合架構(gòu)。引擎系統(tǒng)的GIS組成部分，采用了基于WebGIS同時(shí)兼顧三維數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，將BIM模型融入到WebGIS大場(chǎng)景中。WebGIS作為開放平臺(tái)，注重?cái)?shù)據(jù)共享、軟件重用、跨平臺(tái)運(yùn)行，具有易于集成的特點(diǎn)，符合現(xiàn)代化集成管理與精益制造的要求。引擎系統(tǒng)支持運(yùn)用多種來源、多級(jí)尺度、存放在不同地點(diǎn)的地理數(shù)據(jù)；同時(shí)通過對(duì)象管理、插件運(yùn)用等技術(shù)手段與非GIS系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與功能的多源融合。

2 地形模擬系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)難點(diǎn)和總體框架

2.1 地形渲染的技術(shù)難點(diǎn)

目前水電站項(xiàng)目大多位于復(fù)雜地形環(huán)境內(nèi)，對(duì)三維場(chǎng)景的仿真精度與效率具有很高的要求，單純依靠CPU(中央處理器)已無法滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景的即時(shí)渲染需求，且CPU支持并行處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行命令，導(dǎo)致在CPU內(nèi)部設(shè)計(jì)時(shí)需要有大量的邏輯控制和存儲(chǔ)部件，這對(duì)計(jì)算機(jī)部件的數(shù)量需求較大，而GPU(圖形處理器)可以很好的解決這一問題，GPU能夠進(jìn)行超復(fù)雜矩陣或負(fù)載向量等運(yùn)算。因此，在地形三維處理中，GPU的地位已無可替代。CPU與GPU的區(qū)別如圖2所示。

圖2 CPU與GPU結(jié)構(gòu)的比較

針對(duì)水電站項(xiàng)目大規(guī)模復(fù)雜地形，應(yīng)用一般的可視化系統(tǒng)進(jìn)行渲染時(shí)，地形的紋理數(shù)據(jù)所占內(nèi)存非常大，比如基于遙感數(shù)據(jù)的大規(guī)模地形場(chǎng)景中紋理數(shù)據(jù)一般是GB級(jí)別。因此，使用以往的顯存存儲(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，如果地形紋理太精細(xì)，會(huì)對(duì)顯卡性能要求很高，此時(shí)顯卡無法存儲(chǔ)所有的地形紋理數(shù)據(jù)，導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目場(chǎng)景的仿真系統(tǒng)崩潰。

在設(shè)計(jì)水電站工程BIM引擎系統(tǒng)時(shí)，考慮到計(jì)算機(jī)內(nèi)存技術(shù)的不足，對(duì)大規(guī)模復(fù)雜地形運(yùn)用外存技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)景仿真，突破了內(nèi)存容量的限制。有了GPU，CPU就從圖形處理的任務(wù)中解放出來，CPU可以執(zhí)行其他更多的系統(tǒng)任務(wù)，這樣大大提高了計(jì)算機(jī)的整體性能，有效避免了大規(guī)模復(fù)雜地形的場(chǎng)景仿真數(shù)據(jù)量占用系統(tǒng)內(nèi)存，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的問題。但基于外存實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景仿真會(huì)在內(nèi)外存之間出現(xiàn)頻繁地?cái)?shù)據(jù)傳輸，因此提高地形仿真效率的關(guān)鍵是探尋一個(gè)高效的繪制算法。

2.2 基于多分辨率理論的地形模擬系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本引擎系統(tǒng)基于 LOD 的多分辨率繪制算法，運(yùn)用基于四叉樹的大規(guī)模地形多級(jí)渲染架構(gòu)處理地形模擬系統(tǒng)。這種渲染架構(gòu)對(duì)不同LOD分別繪制算法，將一般水電站項(xiàng)目所在的復(fù)雜場(chǎng)地地形劃分為不同精度的紋理和模型數(shù)據(jù)，即同一個(gè)地形塊會(huì)存在多種分辨率的數(shù)據(jù)劃分模型，當(dāng)用戶在本引擎系統(tǒng)體驗(yàn)和操作模型時(shí)，由其視點(diǎn)的遠(yuǎn)近會(huì)看到不同分辨率的場(chǎng)景地形。當(dāng)在高空視點(diǎn)俯瞰整個(gè)項(xiàng)目場(chǎng)景時(shí)，系統(tǒng)會(huì)選取分辨率相對(duì)較低的模型和紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制并顯示；當(dāng)關(guān)注某一關(guān)鍵項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)或某單一建筑物時(shí)，系統(tǒng)會(huì)選取分辨率較高的模型和紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制并顯示。具體的地形模擬系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

圖3 地形模擬系統(tǒng)框架示意

3 引擎系統(tǒng)的工程應(yīng)用

3.1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，是國家電網(wǎng)公司推進(jìn)特高壓電網(wǎng)建設(shè)、服務(wù)清潔能源發(fā)展的重大工程。電站分2期開發(fā)，工程總裝機(jī)容量3 600 MW，樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、一二期工程輸水系統(tǒng)和發(fā)電廠房及開關(guān)站組成。上水庫正常蓄水位1 505.00 m，死水位1 460.00 m，上游擋水大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高120.3 m，壩頂高程1510.3 m，軸線長(zhǎng)556.0 m。下游攔河大壩為混合型，左岸為混凝土面板堆石壩，右岸為混凝土重力壩，壩軸線長(zhǎng)377.7 m，其中堆石壩壩段長(zhǎng)261.3 m，最大壩高51.3 m，混凝土壩段長(zhǎng)116.4 m，最大壩高28 m。

3.2 引擎系統(tǒng)構(gòu)建

BIM模型包含豐寧場(chǎng)區(qū)70 km2范圍，包括地上、地下、機(jī)電三部分。模型總量包括4 294 967 295個(gè)三維面元，共計(jì)1 519 480個(gè)三維模型實(shí)體，總大小約為50 GB。地形總量包括1 970 MB的5 m精度DEM數(shù)據(jù)，約8 GB的70 km2高清衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。場(chǎng)景數(shù)據(jù)包括9.8 km2的動(dòng)態(tài)水體數(shù)據(jù)和長(zhǎng)4 km、間隔3 m 的動(dòng)態(tài)行樹模型。將該模型加載至引擎系統(tǒng)，顯示效果圖4所示。

圖4 豐寧抽水蓄能電站地上場(chǎng)景顯示示意

圖5 三維場(chǎng)景顯示示意

3.3 引擎系統(tǒng)的應(yīng)用

將工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)傳遞到該引擎系統(tǒng)，用戶可以通過三維場(chǎng)景直觀的看到相關(guān)的工程進(jìn)度，進(jìn)行施工全過程管理。

在三維場(chǎng)景顯示中，用戶可以根據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)的施工總進(jìn)度計(jì)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行施工進(jìn)度模擬(如圖5a所示)，直觀的對(duì)工程建設(shè)的順序進(jìn)行全面的了解。通過三維場(chǎng)景顯示，用戶還可以根據(jù)施工進(jìn)度的時(shí)間軸，隨意查看任意時(shí)間點(diǎn)的工程建設(shè)狀態(tài)。在進(jìn)度模擬中，模型以不同的顏色對(duì)工程的建設(shè)狀態(tài)(已建、在建、待建)進(jìn)行顯示，比如灰色標(biāo)示已建工程、綠色標(biāo)示在建工程、藍(lán)色標(biāo)示未建工程。系統(tǒng)根據(jù)已經(jīng)填報(bào)的進(jìn)度執(zhí)行情況，對(duì)于狀態(tài)由“未建”改變?yōu)椤霸诮ā被颉耙呀ā?、由“在建”改成為“已建”的，通過改變?nèi)S場(chǎng)景模型的顏色和透明度來區(qū)分(如圖5b所示)；對(duì)于狀態(tài)為“未建”的，操作人員在點(diǎn)擊選中模型之后，能夠在彈出的模型屬性對(duì)話框中看出當(dāng)前的一個(gè)進(jìn)度完成百分比以及計(jì)劃開始時(shí)間、計(jì)劃結(jié)束時(shí)間與實(shí)際開始時(shí)間等內(nèi)容。

用戶還可以將施工現(xiàn)場(chǎng)的圖片或視頻與三維模型場(chǎng)景顯示進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像連接，查看采集到的施工圖像數(shù)據(jù)(如圖6所示)。

圖6 實(shí)時(shí)圖像連接

工程項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度數(shù)據(jù)填報(bào)該引擎系統(tǒng)后，將對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行分析，對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生進(jìn)度滯后的項(xiàng)目，在三維場(chǎng)景模型上將會(huì)顯示進(jìn)度預(yù)警提示，用戶可以選擇具體的模型查看詳細(xì)的預(yù)警信息(如圖7所示)。

圖7 預(yù)警提示

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了水電站工程BIM引擎系統(tǒng)框架，自主研發(fā)基于底層硬件的三維可視化引擎系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用C++語言和DirectX技術(shù)體系進(jìn)行開發(fā)，具備標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口，系統(tǒng)在豐寧抽水蓄能電站中得以良好的應(yīng)用。利用該引擎系統(tǒng)可以直觀查看相關(guān)的施工進(jìn)度數(shù)據(jù)，進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，并對(duì)過程中的進(jìn)度預(yù)警提示，實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)全過程管控，該引擎系統(tǒng)為數(shù)字電站建設(shè)提供了技術(shù)支撐，為后續(xù)其他工程BIM引擎系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考借鑒。