基于BIM的長距離引調水工程三維參數化智能設計研究及應用

張社榮， 劉 婷， 朱國金， 王 超

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300350； 2.中國電建集團 昆明勘測設計研究院有限公司， 云南 昆明 650000)

1 研究背景

長距離引調水工程規(guī)模大、地形多樣、地質復雜、輸水線路長、影響范圍廣、輸水建筑物種類龐雜[1]，傳統(tǒng)的三維設計已經無法滿足提高工程建設效率的需求，而參數化設計可以大大提高模型的生成和修改速度。國外大量研究人員均開展了參數化建模設計的研究，Yu Yanyun等[2]通過在平臺搭建過程中融入參數化設計技術，開發(fā)出了具有高效進行有限元的預處理、結構設計等功能的模塊，有效地縮短了設計時間； Liu Qiaosheng等[3]利用數據庫技術存儲設計的規(guī)范和設計參數，設計出了一套針對轉動臺的參數化設計系統(tǒng)，可實現自動匹配預先構建的案例庫精準完成相似任務的功能；Hernandez[4]提出了一種參數化建模的思想，即把組件作為變量，并通過實例對其進行了驗證，證明該建模方法的高效性和可行性。

國內目前的參數化設計技術在機械建筑等領域均應用廣泛，王帥[5]基于Inventor 環(huán)境將參數化設計思想運用在皮帶運輸機系統(tǒng)的開發(fā)中，使皮帶運輸機的運行效率顯著提高；趙一帆等[6]開發(fā)了一套基于 SolidWorks平臺的起重機參數化設計與管理系統(tǒng)，對縮短各種機械產品的開發(fā)周期具有重要的現實意義；于彥偉[7]基于CATIA平臺采用CATIA二次開發(fā)技術開發(fā)了一套參數化設計系統(tǒng)，可實現重力壩的參數化設計和參數化模型創(chuàng)建等功能，提高了重力壩的設計效率和設計水平；王寬[8]提出了一種預應力渡槽的參數化聯動設計思想與數值優(yōu)化方法，實現了渡槽的參數化設計和配筋設計；蘇夢香等[9]通過采用Autodesk Inventor軟件進行了零件的組裝建模和干涉檢查等操作，論述了Inventor軟件在參數化建模中的強大優(yōu)勢；于智光[10]在橋梁設計中通過在Rhino環(huán)境下運行Grasshopper插件并與AutoCAD二次開發(fā)技術證明了參數化設計使得景觀橋梁的建模過程更加高效，并解決了批量生成施工圖的技術難點，但該參數化設計方法在與BIM平臺信息交互功能方面不夠完善。

隨著BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術的深入發(fā)展，將參數化設計與BIM技術的可視化、模擬性、可出圖性等特性相結合可滿足高效率高精度[11]的設計要求。楊凱鏡等[12]通過構建接觸網的參數化族庫系統(tǒng)以及其零部件的參數化設計過程，提高了設計人員對接觸網零部件的管理功能，同時實現了接觸網的快速成圖等可視化功能；孫中秋等[13]通過對Revit進行二次開發(fā)，研究了連續(xù)鋼構橋梁BIM模型的參數化成圖方法，對模型創(chuàng)建的效率和精確度影響顯著；林金華等[14]以盾構的BIM模型為實例，采用Dynamo進行可視化編程對其進行參數化建模，證明了編程技術在BIM模型參數化建模中無可比擬的優(yōu)越性。

整體上來看，參數化設計在水利行業(yè)應用尚未普及，結合BIM技術與參數化驅動設計思想[15]的設計平臺更是缺乏系統(tǒng)性的研究及實際應用。本系統(tǒng)依托于滇中引水工程，在該長距離跨流域引調水工程的設計過程中引入三維參數化設計環(huán)境，融合BIM技術將參數化設計概念貫穿到設計的整個周期之中，從而達到關聯設計過程中所有關鍵信息的目的[16]，有效地降低了建筑物設計過程中工程信息缺失的問題，提高了模型創(chuàng)建和設計出圖的效率和精確度。

2 長距離引調水工程BIM標準化

2.1 數據庫設計

數據庫是支撐整個系統(tǒng)安全、高效運行的核心模塊，長距離引調水工程BIM模型的數據庫主要由包含幾何參數、構件、模型信息、裝配關系、整體模型和工程圖等數據庫組成。

其中幾何參數庫存儲設計過程中所使用構件模型的尺寸參數和特征參數；構件庫存儲引調水工程中指定沿線建筑物的構件三維模型；模型信息庫中存儲每個建筑物模型的各類信息，如基本信息和擴展信息等；裝配關系庫用來存儲設計過程中使用的構件模型文件、子模型文件、中心模型文件的相互引用關系以及構件之間的裝配約束參數[17]；整體模型庫存儲裝配完成后的完整構件模型；工程圖庫存儲系統(tǒng)設計的圖紙模板，也可存儲操作者自行設計的二維三維工程圖。

2.2 引調水工程BIM建模技術標準

引調水工程建筑信息模型(BIM)數據規(guī)范和標準主要包含引調水工程BIM信息分類的標準化、信息存儲的標準化、構件劃分的標準化、參數劃分的標準化及工程圖輸出的標準化，實現信息在空間、時間、主體、類型、版本等5個維度的集成。

首先要明確引調水工程沿線BIM模型的信息分類的標準。引調水工程BIM模型的信息分類主要體現在空間維、主體維、時間維等維度的集成，按照信息的內容及分類要求，將引調水工程BIM模型信息劃分為14種類型，詳見圖1。其中材料信息指存儲構件的材料類型、價格、物理性能(如密度、導熱性、熱膨脹性)和力學參數(如彈性模量、泊松比、內摩擦角、抗壓強度、抗拉強度)；物理信息指存儲構件的體積、表面積、重心和偏心距等物理特性；性能信息指存儲構件的功能特性，如擋水、防滲、泄流、導流以及通風等特性。

圖1 引調水工程BIM模型的信息分類

通過對模型信息的詳細分類明確各類信息的存儲路徑及存儲格式，便于后期快速組裝并生成模型，以引調水工程中倒虹吸模型的構件劃分示意圖(見圖2)為例。具體來說，倒虹吸按其結構可劃分成進口段、管道段和出口段，其中進口段可劃分成進水口、漸變段、欄污柵、閘門、擋水墻等構件；管道段可劃分成鎮(zhèn)墩和管身等構件，其中管身形式包括圓形和方形；出口段可劃分為消力池和水井等構件。可以看出構件是組成引調水工程主要建筑物的最基本單元，因此可以認為構件是作為引調水工程BIM模型的最小信息存儲單元。

圖2 倒虹吸構件劃分示意圖

通過各類模型信息的分類存儲，將結構化信息存儲在BIM數據庫中，非結構化信息存儲在電子文檔庫中，同時在BIM數據庫中建立各構件與非結構化信息的關聯關系表，以實現構件信息模型的完整、統(tǒng)一[18]。

該平臺將模型各構件的參數分成3類：使用參數、隨動參數、無效參數。使用參數是指需要在組件裝配中設置的尺寸參數，可用于更改每個組件的形狀。隨動參數是指可隨使用參數的改變而自動改變的參數，即該參數可以表示為使用參數的函數表達式。無效參數是指一些不使用的參數，如拉伸的角度，通常默認是0，將此類固定不變的參數設置為無效參數。

最后通過建立各類工程圖的輸出模板使工程圖輸出標準化，可以在Autodesk Inventor的“樣式和標準編輯器”中創(chuàng)建自定義繪圖樣式[19]，并將所有繪圖信息(如這些樣式和標準)保存到模板文件中，以便操作人員可以共享所有已建立的模板，實現高效快速出圖功能。

2.3 基于云平臺的引調水工程BIM協(xié)同設計組織結構

基于云服務器的BIM協(xié)同設計可在各專業(yè)的同一部門內部和不同部門之間進行，在同一部門內部，設計人員基于局域網內部的信息管理系統(tǒng)實現各專業(yè)部門的信息共享，通過分工與合作，完成模型的建立，實現協(xié)同工作。在不同部門間進行BIM協(xié)同設計的目的是通過專業(yè)設計人員的相互配合共同完成工程樞紐布置以及信息模型的建立；在同一部門內部進行的BIM協(xié)同設計可以看作是不同部門間BIM協(xié)同設計的子流程，各單位的項目參與人員通過互聯網登錄協(xié)同工作云平臺，通過云平臺進行跨地區(qū)的協(xié)同工作和信息共享。

在云平臺上進行引調水工程BIM協(xié)同設計需將不同專業(yè)各部門間協(xié)同創(chuàng)建的核心模型文件存儲在核心服務器上，并按照工作集子模型文件進行劃分，各設計人員不僅能夠將自己工作集下的子模型文件通過簽出、簽入的方式進行修改，也可協(xié)同更新核心服務器下的各模型文件，以水工專業(yè)模型與地質專業(yè)模型的協(xié)同設計過程為例，展示有關不同專業(yè)之間協(xié)作設計的流程，詳見圖3。

3 系統(tǒng)設計與實現

3.1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)采用C/S(客戶機/服務器)架構的開發(fā)模式，結合數據庫管理軟件SQL Sever進行模型信息的存儲和管理，并對Inventor和Navisworks等軟件預留接口便于調用，系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

系統(tǒng)首先確定長距離引調水工程典型建筑物所采用的常用型式，包括結構型式和斷面型式，分析各種型式建筑物的組成結構，進行建筑物構件的劃分，再確定各部分構件的基本特征和其建模順序，最后確定各構件的全尺寸約束，即同時考慮形狀和尺寸的影響，通過對尺寸的約束控制其幾何形狀。接著借助三維參數化輔助設計軟件Inventor創(chuàng)建構件模型，依托數據庫技術將各構件模型存儲于構件庫中，并將模型的幾何參數存儲到幾何參數庫中，將其擴展屬性信息存儲在模型信息庫中。最后在參數化構件庫建立的基礎上，實現了基于裝配關系的典型建筑結構設計和三維參數化設計，確保組件可以根據正確的裝配關系組合形成整體模型并輸出標準化工程圖紙。通過上述設計步驟完整實現了長距離引水工程參數化智能設計平臺的5大功能模塊，即三維參數化設計、結構設計、干涉檢查、BIM管理和應用以及工程圖紙輸出。

圖3 不同專業(yè)協(xié)同設計方式示例

圖4 三維參數化智能設計系統(tǒng)工作流程

3.2 系統(tǒng)運行環(huán)境

(1)服務器端運行環(huán)境。操作系統(tǒng)布置在Windows XP Professional或Windows 7上，軟件配置采用SQL Server 2008進行數據庫管理，采用Itanium處理器或速度更快的處理器進行硬件配置，內存最小512MB，硬盤空間大于30G。

(2)客戶端運行環(huán)境。操作系統(tǒng)布置在Windows 7上，采用Autodesk Inventor 2014、Autodesk Design Review 2013、Autodesk Navisworks 2014等軟件配置進行圖形信息的處理，采用Pentium處理器或速度更快的處理器進行硬件配置，內存最小2GB，硬盤空間大于60G，顯示器分辨率至少為1024×768像素。

3.3 系統(tǒng)實現

系統(tǒng)基于數據庫管理技術，采用可視化編程語言，基于組件對象技術(COM)與Autodesk Inventor API(應用程序接口)技術，對Inventor進行二次開發(fā)，并進行人機交互界面設計[20]，搭建典型輸水建筑物三維參數化智能設計系統(tǒng)，系統(tǒng)功能模塊架構見圖5，其核心模塊是BIM管理及應用的實現，該模塊不僅可以對各類建筑物模型進行可視化仿真分析從而驗證模型的可靠性，而且提供CAD/CAE接口，方便對構件模型進行修改。

圖5 系統(tǒng)功能模塊架構圖

BIM管理及應用模塊通過對Autodesk Navisworks可視化仿真軟件進行二次開發(fā)，并將其以插件的形式集成到系統(tǒng)運行過程中，可實現計劃施工進度的實時查看和施工過程的仿真分析等功能。該模塊功能實現的首要工作是建立用來存儲各類模型信息的數據庫，并在建筑物運行過程中不斷進行更新和完善，從而實現模型信息的增刪改查等基本功能。再借助于數據庫開發(fā)技術擴充完善整體模型庫，基本原理是把構件模型信息庫中的信息集成到三維參數化模型中，實現通過模型某一部位查詢基本信息、借幾何和擴展屬性信息查找模型特定部位的雙向管理。最后，通過數據文件形式實現CAD與CAE之間的數據交換，實現了基于三維模型信息的數字集成、管理和應用，建立了典型輸水建筑的BIM模型。

該模塊的另一大功能是基于BIM對輸水建筑物進行成本控制和施工進度模擬，即根據模型信息數據庫中關于造價的信息，建立成本的5D(3D實體、時間、造價)關系數據庫，通過將成本數據及時錄入數據庫，實現成本管理、核算與控制。同時借助融合了三維模型和項目的發(fā)展時間而建立的施工進度信息數據庫，采用三維可視化技術進行4D施工模擬，從而直觀的展示出施工進度。

4 系統(tǒng)應用

某長距離引調水工程位于云南省境內，工程的作用是為了從根本上解決該地區(qū)水資源短缺、湖泊水環(huán)境治理難度較大等問題，是實現云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎工程和民生工程，工程意義重大。該工程線路總長846.52 km，含200個建筑物，其中包括明渠、渡槽、隧洞、暗涵和倒虹吸5種類型，采用該三維參數化智能設計平臺，將常規(guī)三維設計所需的周期10 d縮短到2 d，對該工程的設計效率的提高影響顯著，降低了工程實施對當地百姓生活的影響。以該工程中典型建筑物倒虹吸模型的建立過程為例，闡述系統(tǒng)的應用過程。

(1)倒虹吸結構設計。倒虹吸結構設計包含水力學計算及結構設計，系統(tǒng)中包含了幾種常見的倒虹吸結構形式：鋼制倒虹吸管、預應力剛筒混凝土管(PCCP)、箱型倒虹吸管的設計。水力學設計主要是輸入相關的斷面設計參數以及進出口參數，即可進行水力學的計算，系統(tǒng)還提供相關設計手冊的查看等功能。鋼制倒虹吸管的結構設計界面見圖6，包含跨中截面管壁應力分析、支承環(huán)及旁管壁應力校核、加勁環(huán)及旁管壁應力校核、加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定校核和管壁抗外壓穩(wěn)定校核等功能。

(2)三維參數化建模。該模塊的主要功能是借助于已經建立的構件信息模型庫進行三維參數化設計，首先在系統(tǒng)中創(chuàng)建參數化構件模型，接著進行各構件的自動裝配和交互式裝配創(chuàng)建出每一個部件模型，如有需要也可將建立的參數化構件模型存儲在構件數據庫中，豐富構件庫中的模型種類；同時也可借助于系統(tǒng)中預先建立的子模型模版庫，自行設計模板中的構件裝配過程中的各種關系參數和各構件的尺寸參數，可實現自動生成預期子模型的功能，如有需要也可實時更新中心模型文件。該模塊還可為各部門內部及不同部門之間的設計人員提供協(xié)同設計環(huán)境，通過各項目參與人員的協(xié)同工作提高工作效率，減少工作過程中的重復率。圖7以倒虹吸模型為例展示其構件加載示意圖。

圖6 鋼制倒虹吸管結構設計界面

圖7 倒虹吸模型構件加載示意圖

(3)BIM管理。通過BIM模塊中的對施工進度和施工過程仿真的分析可實現施工進度信息與模型中單元工程相關聯、場景動畫與單元工程施工進度關聯等功能，精細化更新BIM模型并完成裝配生成整體模型，見圖8。

(4)干涉檢查模塊。模型整體裝配完成后需要進行干涉檢查保證其實用性，以倒虹吸模型為例的干涉檢查示意圖如圖9所示。

(5)工程圖輸出。以倒虹吸三維參數化模型為例，可自動批量輸出各構件模型或經干涉檢查合格后的整體模型的三維或二維工程圖，并且可以通過改變整體模型的參數實現所輸出的工程圖的動態(tài)更新。若想改變三維模型圖紙及其模型信息，需在幾何參數表和模型信息表中進行修改，從而實現工程圖信息的聯動更新，倒虹吸模型三維工程圖輸出見圖10。

圖8 倒虹吸施工過程仿真分析

圖9 倒虹吸模型干涉檢查示意圖

圖10 倒虹吸模型三維工程圖輸出

5 結 論

(1)通過研究長距離引調水工程建筑信息模型(BIM)建模技術標準，建立引調水工程典型建筑物BIM模型和協(xié)同工作云平臺，實現了不同階段之間的信息共享和協(xié)同辦公等功能，使得建立的BIM模型更加靈活可變、重用性高且可進行并行設計。設計者可利用系統(tǒng)數據庫中已經建立好的各種模型模板快速重建模型，由此不僅可通過改變參數來改變模型，也可根據后期需要將其存儲在構件庫中用以擴充。

(2)該三維參數化設計平臺是首次將參數化技術應用于引調水工程設計領域的系統(tǒng)級應用，完整地實現了引調水工程設計過程中各類建筑物快速生成及工程圖輸出的應用需求，在縮短工程周期、提高設計效率方面效果突出。

本系統(tǒng)成果不僅適應于長距離引調水工程項目，對于水利水電行業(yè)中的其他專業(yè)，也具有一定的推廣價值。

(3)該軟件雖然針對倒虹吸結構在CAD與CAE三維集成設計方面進行了初步研究，但其自動化使用程度仍然不夠。針對復雜結構的CAD/CAE/CAM三者的集成，可深入研究基于構件的有限元建模，通過深入集成CAD與CAE從而實現其一體化建模，進而實現在結構多樣、多工況等復雜條件下的聯合分析。

(4)本系統(tǒng)主要用于三維建筑模型的建模設計過程，實際建模中應考慮地形地質等復雜自然條件的影響，因此下一步可進一步結合GIS大場景進行參數化建模，使得BIM技術的精細化建模與GIS技術的宏觀場景進行深度融合，從而展示出更加全面的工程場景[21]。