水利水電工程的圖形信息模型研究

趙繼偉，魏 群，張國新

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

水利水電工程的圖形信息模型研究

趙繼偉1，2，魏 群2，張國新1

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

在水利水電工程領(lǐng)域，應(yīng)用信息技術(shù)較普及的是計算機輔助設(shè)計技術(shù)，然而這些研究和應(yīng)用僅僅表現(xiàn)的是圖形本身的幾何屬性，并沒有將一些關(guān)鍵的物理屬性、拓撲等信息融入到圖形之中，忽略了圖形和信息的融合。本文基于BIM理論，提出水利水電工程的圖形信息模型（HPIM，Hydropwer Project Information Modeling）的總體框架，通過CAD中的三維幾何造型引擎（ACIS）和拓撲運算用基本圖元構(gòu)造出工程幾何形態(tài)，并將圖形運算與圖元擴展數(shù)據(jù)貯存相結(jié)合，實現(xiàn)圖形與信息的融合。構(gòu)造出的圖形信息模型為水利水電工程不同階段的應(yīng)用提供簡潔的共享的方法。

BIM；圖形信息模型；圖形建造；擴展數(shù)據(jù)；信息融合

1 研究背景

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和計算機軟硬件的飛速發(fā)展，我國水利信息化水平得到大幅提高［1］。在水利水電工程領(lǐng)域，應(yīng)用信息技術(shù)較普及的是計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)［2］，它使工程師擺脫了繁瑣且精度低的傳統(tǒng)手工繪圖，三維制圖和一些特定的水工建筑物CAD設(shè)計分析系統(tǒng)也加強了其實用性［3］。但這些研究僅僅是通過圖形來表示工程實體的幾何尺寸，或?qū)D形作為計算結(jié)果的顯示形式，表現(xiàn)的僅僅是圖形本身的幾何屬性，并沒有將除幾何屬性之外的工程應(yīng)用中一些關(guān)鍵的物理屬性、拓撲等信息融入到圖形之中，忽略或沒有挖掘出圖形和信息的融合。

魏群等［4-5］將圖形信息技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程，在圖形信息集成方面取得了一系列成果，如數(shù)字圖形介質(zhì)的理論方法、鋼閘門數(shù)字圖形信息一體化智能系統(tǒng)等，在國內(nèi)十個重大工程中都有成功的應(yīng)用［6］。文獻［7］針對拱壩的特點進行了拱壩三維可視化設(shè)計軟件的開發(fā)，實現(xiàn)了拱壩三維實體模型的快速、精確建立。魏群等［8］通過3DSMAX內(nèi)置編程語言實現(xiàn)了重力壩的精確實體模型建模、壩體生長動畫制作，形象表現(xiàn)出壩體施工過程中各階段的壩體形狀和澆筑強度。魏群等［9］借助CAD圖形平臺和GOCAD地質(zhì)三維可視化建模軟件，實現(xiàn)了包含屬性信息的地質(zhì)體三維可視化顯示。付翔等［10］應(yīng)用NURBS軟件平臺建立具有裂縫的復(fù)雜混凝土大壩和廊道群的三維模型拓撲關(guān)系，并應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)大壩三維裂縫的可視化。

本文基于BIM理論，提出水利水電工程的圖形信息模型（HPIM，Hydropower Project Information Modeling）的總體框架，通過CAD中的三維幾何造型引擎（ACIS）和拓撲運算用基本圖元構(gòu)造出工程幾何形態(tài)，并將圖形運算與圖元擴展數(shù)據(jù)貯存相結(jié)合，實現(xiàn)圖形與信息的融合。構(gòu)造出的圖形信息模型為水利水電工程不同階段的應(yīng)用提供簡潔的共享的方法。

2 水利水電工程的圖形信息模型（HPIM）的實質(zhì)和總體框架

基于BIM的基本思想和核心特性，水利水電工程圖形信息模型（HPIM）是水電工程建設(shè)項目幾何、物理、功能信息的完整數(shù)字表達；是一個共享的信息集成體，并通過分享有關(guān)信息為該項目從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程，其實質(zhì)為圖形和信息的集成和共享。

首先用數(shù)字化、參數(shù)化方式對圖形進行語言描述，形成數(shù)字化圖形，該圖形具有可視的外形、相應(yīng)的角、點、邊、面和體的構(gòu)造和拓撲關(guān)系，來模擬水利水電工程的幾何形態(tài)；然后將數(shù)字化圖形作為一種具有幾何屬性和物理屬性的載體，使數(shù)據(jù)附著于數(shù)字化圖形，圖形中又隱含著數(shù)據(jù)，形成圖形體系和信息體系的集成融合，并通過統(tǒng)一的工程信息編碼和數(shù)據(jù)標準，實現(xiàn)工程的各階段、各種應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)交換。水利水電工程圖形信息模型系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 水利水電工程的圖形信息模型系統(tǒng)的總體框架

3 圖形實體的數(shù)字建造和拓撲運算

計算機內(nèi)建立起來的實體模型包括的信息可以分為兩類：幾何信息和拓撲信息。多塊體之間的拓撲關(guān)系是水電工程模型的核心，它包括塊體之間局部的約束關(guān)系和整體的約束關(guān)系兩方面的內(nèi)容。把水電工程結(jié)構(gòu)中的各塊體用封閉的多邊形平面圍繞而成的多面體表示，從抽象意義上來說水電工程模型就是一個空間多面體的結(jié)合，這些多面體的面、角、點的關(guān)系形成了這個結(jié)構(gòu)模型的拓撲結(jié)構(gòu)。

模型在計算機內(nèi)通常采用六層拓撲結(jié)構(gòu)定義，涉及的幾何元素有體、面、環(huán)、邊、頂點和外殼。體是有封閉表面圍成的維數(shù)一致的有效空間；面是形體表面的一部分，由平面方程或參數(shù)方程定義，具有方向性；環(huán)是有序、有向邊組成的面上的封閉邊界；邊是形體兩個相鄰面的交界；頂點是邊的端點或兩條不共線線段的交點；外殼是指在觀察方向上所能看到的形體的最大外輪廓線。任何形體都是由這些元素及其幾何、拓撲信息來定義的。

3.1 圖形實體的三維幾何造型 采用美國STI公司（Spatial Technology Inc.）推出的CAD的核心技術(shù)——三維造型引擎，它集線框、曲面和實體造型于一體，并且三類數(shù)據(jù)共存于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)之中，為3D造型建模提供了工作平臺，ACIS是采用軟件組建技術(shù)設(shè)計的，是一個開放式體系結(jié)構(gòu)，它的核心功能為3D造型功能、3D模型管理功能和3D模型顯示功能，整個ACIS引擎核心如圖2所示。

3.2 CAD中改變拓撲關(guān)系的布爾運算命令及操作

（1）布爾加法應(yīng)用union命令進行，得到的組合實體包括所有選定實體所封閉的空間（圖3）。得到的組合面域包括子集中所有面域所封閉的面積。

（2）布爾減法應(yīng)用subtract命令進行，AutoCAD從選擇集的每個子集內(nèi)減去選定的對象（圖4）。為每個子集創(chuàng)建一個新的組合面域或?qū)嶓w。

（3）布爾交集應(yīng)用intersect命令求解，計算兩個或多個現(xiàn)有面域的重疊面積和兩個或多個現(xiàn)有實體的公用部分的體積（圖5）。

圖2 ACIS引擎核心

圖3 布爾加法

圖4 布爾減法

圖5 布爾交集

（4）應(yīng)用slide命令將一個實體沿著給定平面進行切割，形成兩個新的實體。

（5）應(yīng)用section命令根據(jù)選定的一個或一組實體中沿給定平面產(chǎn)生一個或一組截面圖形。這些命令執(zhí)行容易，但是要掌握這些命令執(zhí)行之后，CAD實體圖形的數(shù)據(jù)格式的變化及提取數(shù)據(jù)的方法。

4 非幾何屬性在圖形中的附著

4.1 CAD CASS下實體的擴展屬性XDATA CAD系統(tǒng)提供了幾個用于處理擴展數(shù)據(jù)（XDATA）的AutoLISP函數(shù)，它們是由用ObjectARX或AutoLISP編寫的應(yīng)用程序創(chuàng)建的。如果一個圖元包含擴展數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)會緊跟在圖元的正常定義數(shù)據(jù)之后。

擴展數(shù)據(jù)由一個或多個1001組碼組成，其中每個組碼都以唯一的應(yīng)用名稱開始。由entget返回的擴展數(shù)據(jù)組碼跟隨在定義數(shù)據(jù)之后，按照保存在數(shù)據(jù)庫中的次序排列。在每個應(yīng)用的組碼中，擴展數(shù)據(jù)的內(nèi)容、含義及其數(shù)據(jù)的組織都是由應(yīng)用自身定義的。AutoCAD維護這些信息，但不使用它們。表中還顯示1000到1071之間擴展數(shù)據(jù)的組碼。

應(yīng)用程序可以調(diào)用entget來獲得已經(jīng)注冊的擴展數(shù)據(jù)。entget函數(shù)既能返回定義數(shù)據(jù)，也能返回應(yīng)用程序所需的擴展數(shù)據(jù)。這需要一個額外的參數(shù)application，它用于指定應(yīng)用名稱。傳給entget的名稱必須與上一次調(diào)用regapp注冊的應(yīng)用一致，它們也可以包含通配符。

4.2 創(chuàng)建水利水電工程圖形信息模型（HPIM）的塊體切割方法 任何實體的幾何形狀，角點位置、邊數(shù)、凸形體、凹形體以及帶孔狀的多面體，都可用CAD的三維實體塊幾何屬性中顯現(xiàn)出來，其物理屬性、力學(xué)參數(shù)可以作為附加屬性利用“XDATA”添加于CAD圖形之中，使每個圖形塊不但是真實的幾何實體，而且是帶有物理屬性參數(shù)的圖形體。

將CAD三維圖形的切割布爾運算問題及切割的排列與包含擴展屬性的數(shù)據(jù)貯存方法問題相結(jié)合，開發(fā)基于塊體圖形的切割順序及處理技術(shù)，并應(yīng)用于水利水電工程的實體建模中，建立的模型將是含有巨大數(shù)目塊體的既有幾何屬性又有物理特性附著于圖形的真正意義上的圖形信息模型。這個集成了幾何信息、物理信息、材料、施工等信息模型將為有限元計算、施工模擬等項目不同階段的應(yīng)用提供簡潔的共享的方法?；趫D形信息模型的三維空間結(jié)構(gòu)圖形切割方法如圖6所示。

圖6 基于圖形信息模型的三維空間結(jié)構(gòu)圖形切割方法流程

5 水利水電工程圖形信息模型（HPIM）發(fā)展和需要

（1）水利水電工程圖形信息模型（HPIM）是解決水利水電工程建設(shè)過程中各階段、各參與方由于缺乏對信息的結(jié)構(gòu)化組織和有效的信息交換致使“信息孤島”現(xiàn)象的有效途徑。在工程領(lǐng)域，如果將CAD技術(shù)的應(yīng)用視為工程設(shè)計的第一次變革，圖形信息模型將引發(fā)整個E/C（Engineering/Construction）領(lǐng)域的第二次革命，其研究的目的是從根本上解決項目規(guī)劃、設(shè)計、施工、維護管理各階段及應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息斷層，實現(xiàn)全過程的工程信息管理乃至全生命期管理。

（2）水利水電工程圖形信息模型（HPIM）是水利工程信息化快速發(fā)展的有效途徑，而數(shù)據(jù)標準的建立是HPIM有效實施的關(guān)鍵。在我國的水電工程領(lǐng)域，建設(shè)管理軟件種類繁多，包括工程設(shè)計、計算分析、造價計量、進度管理等，但是每種專業(yè)的軟件都有各自對外保密的數(shù)據(jù)模型格式，如果一個信息模型建立在多個不同數(shù)據(jù)模型格式的軟件之上，那么模型的數(shù)據(jù)就無法通過相同的接口輸入和輸出，就不可能實現(xiàn)建筑信息軟件的集成管理。因此，開發(fā)通用的、具有強有力的數(shù)據(jù)存儲和分析能力的標準數(shù)據(jù)格式是緊迫的任務(wù)（將另文介紹）。

（3）本文提出的圖形運算與圖元擴展數(shù)據(jù)貯存相結(jié)合的圖形信息模型建模方法是基于AutoCAD平臺，如何用現(xiàn)有的BIM軟件（Revit、Civil3D、Bentley、Tekla、Catia等）進行二次開發(fā)使其在水利水電工程中發(fā)揮更大作用也是后續(xù)研究的內(nèi)容之一。

（4）由于全生命周期的水利水電工程圖形信息模型（HPIM）信息量太過龐大，一個包含所有地質(zhì)、水工、建筑、機電等統(tǒng)一的信息模型暫時還無法實現(xiàn)，但是工程信息中的核心部分三維幾何信息、分析信息、施工信息的集成和交換的需求更為迫切，它的實現(xiàn)將大大提高工程設(shè)計、計算分析、施工管理的效率和水平。

［1］ 劉志強，潘志德，蔡陽，等.水利信息化［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2007.

［2］ 張建平，馬智亮，任愛珠，等.信息化土木工程設(shè)計——Autodesk Civil 3D［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］ 唐榮.CAD/CAM技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.

［4］ 魏群.結(jié)構(gòu)工程虛擬現(xiàn)實可視化仿真方法及其應(yīng)用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［5］ 魏群.數(shù)字城市可視化仿真三維實體建模及虛擬現(xiàn)實軟件系統(tǒng)的自主研發(fā)［C］//第二屆中國國際數(shù)字城市建設(shè)技術(shù)研討會論文集.北京：中國城市出版社，2006.

［6］ 魏群，魏魯雙，孫凱.虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展與十大工程應(yīng)用［C］//大數(shù)據(jù)時代的信息化建設(shè)——2015（第三屆）中國水利信息化與數(shù)字水利技術(shù)論壇論文集.南京：河海大學(xué)出版社，2015.

［7］ 魏群，張國新，尉軍耀，等 .拱壩三維可視化設(shè)計軟件的開發(fā)與應(yīng)用［J］.天津大學(xué)學(xué)報，2008，41（9）：1087-1090.

［8］ 魏群，王寧波，王詩玉.3DSMAXScript在水工結(jié)構(gòu)虛擬現(xiàn)實模型中的應(yīng)用［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2011，32（1）：1-3.

［9］ 魏群，黨麗娟，張俊紅，等.GOCAD在巖體三維可視化模擬中的應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2008，36（5）：15-19.

［10］ 付翔，劉尚蔚，魏群.混凝土壩體結(jié)構(gòu)裂縫三維建模及虛擬現(xiàn)實應(yīng)用［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2013，34（2）：39-42.

Research of hydropower project information modeling

ZHAO Jiwei1，2，WEI Qun2，ZHANG Guoxin1

（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China）

The application of existing graphics technology in the field of water and hydropower projects does not have the integration of graphics and related attribute information，which is not conducive to the preservation and transmission of information.Based on BIM theory，this paper puts forward the essence and the overall framework of the hydropower project information modeling(HPIM)，constructs the geometrical form of the project through the 3D geometry modeling engine and topology operation，and combines the graph cut operation with the data storage of the extended attribute，using the“XDATA”extended data to add the physical parameters and construction information as the additional attributes to the CAD graphics. The hydropower project information model is constructed，which lays the foundation for the application and data transfer in different stages of water and hydropower projects，and its development and needs are discussed.

BIM；information fusion；graphics construction；extended data；graphics information model

TV39

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.02.012

1672-3031（2016）02-0155-05

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2015-08-13

趙繼偉（1983-），男，河南襄城人，博士生，講師，主要從事水利水電工程虛擬仿真和信息化研究。E-mail：279539515@qq.com