BIM技術(shù)在水利工程可視化仿真中的應(yīng)用分析

陳接永

(梅州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣東 梅州，514000)

1 BIM仿真可視化組織的原理分析

針對(duì)水利工程的施工過(guò)程進(jìn)行可視化的仿真，不僅牽扯到施工現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌和水工樞紐等空間位置的靜態(tài)數(shù)據(jù)，還應(yīng)當(dāng)將地形動(dòng)態(tài)的填挖和施工等方面的動(dòng)態(tài)邏輯關(guān)系予以表現(xiàn)出來(lái)。而運(yùn)用Autodesk Navisworks軟件則可能將上述需要的相關(guān)數(shù)據(jù)予以表現(xiàn)出來(lái)，并且具有較高的優(yōu)越性：

(1)Autodesk Navisworks能夠完全支持市面上主流的三維設(shè)計(jì)軟件格式，并且其具備的三維模型整合作用十分強(qiáng)大，可以把所有涉及的模型完全合并成一個(gè)模型，當(dāng)渲染后即顯示出十分逼真的施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景。

(2)Autodesk Navisworks能夠進(jìn)行四維模擬，通過(guò)將時(shí)間的進(jìn)度數(shù)據(jù)予以導(dǎo)入，并根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則和場(chǎng)景內(nèi)的模型相對(duì)應(yīng)，進(jìn)而促使圖形單元各自具備不同的相對(duì)應(yīng)的屬性，最終把施工的過(guò)程動(dòng)態(tài)化呈現(xiàn)演示。

(3)Autodesk Navisworks能夠和外部數(shù)據(jù)庫(kù)相連，并且能夠支持ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)，利用SQL語(yǔ)言將模型和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，由此把空間實(shí)體的模型和其相應(yīng)的屬性予以對(duì)應(yīng)。此軟件數(shù)據(jù)組織的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Autodesk Navisworks數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

運(yùn)用Autodesk Navisworks可視化仿真系統(tǒng)方案的具體內(nèi)容為：①依據(jù)水利工程的樞紐布置和建筑物的特點(diǎn)來(lái)構(gòu)建該工程需要使用的三維可視模型，然后附加至Autodesk Navisworks軟件內(nèi)進(jìn)行貼圖渲染；②收集并整理全部相關(guān)的模型動(dòng)態(tài)仿真的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)變?yōu)锳utodesk Navisworks能夠使用的文件格式，運(yùn)用Autodesk Navisworks軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織模型時(shí)間參數(shù)和屬性；③使用Autodesk Navisworks軟件的四維模擬和二次開(kāi)發(fā)的相應(yīng)功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程仿真信息可視化。仿真系統(tǒng)方案見(jiàn)圖2。

圖2 可視化仿真系統(tǒng)方案

2 可視化仿真三維模型構(gòu)造

真實(shí)有效的水利工程布置三維模型是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬和仿真可視化的基礎(chǔ)。

2.1 數(shù)字地形模型

DTM(數(shù)字地形模型)在三維模型中是非常重要的部分之一，是水利工程建筑的布置和施工場(chǎng)所，使用Civil 3D進(jìn)行構(gòu)建。針對(duì)地形的表面主要運(yùn)用不規(guī)則三角網(wǎng)格予以相應(yīng)的描述。三角網(wǎng)格模型則主要是經(jīng)分散地形點(diǎn)按規(guī)則建立不相交三角形網(wǎng)，并以平面逼近曲面，以此來(lái)體現(xiàn)高低的起伏變化。

2.2 地形動(dòng)態(tài)填挖

具體的填挖步驟如下：

(1)首先明確開(kāi)挖和填筑的設(shè)計(jì)曲面，通常情況下由開(kāi)挖邊坡與大壩組成；

(2)利用放坡把原設(shè)計(jì)圖紙的曲面放樣至原地形曲面，由此得出設(shè)計(jì)與原始地形的曲面交線位置；

(3)從原始地形的曲面上，按照相交線的方向開(kāi)始挖填設(shè)計(jì)曲面包含的位置，與此同時(shí)，在挖填曲面挖除沿相交線的多余邊坡，由此得到設(shè)計(jì)曲面和原始地形的結(jié)合，最終形成填筑開(kāi)挖后的地形曲面。

2.3 混凝土壩動(dòng)態(tài)模型

大壩在施工時(shí)會(huì)跟隨施工進(jìn)度的變化而致使外形不斷變化。所以，大壩的模型也具有動(dòng)態(tài)性，因此建立動(dòng)態(tài)模型，把混凝土壩模型有效劃分成若干個(gè)澆筑塊，并且每一個(gè)澆筑塊均對(duì)應(yīng)相應(yīng)的屬性，比如，施工的時(shí)間和方量，還有澆筑使用的設(shè)備等等。

(1)針對(duì)混凝土壩的三維建模運(yùn)用Auto CAD軟件中的實(shí)體建模。根據(jù)原有二維設(shè)計(jì)的圖紙把混凝土壩的壩體劃分成若干獨(dú)立且關(guān)聯(lián)的壩段，例如分為廠房和導(dǎo)流孔的壩段，并對(duì)不同的混凝土壩壩體的部分空間信息予以明確。通過(guò)Auto CAD直接將三維的實(shí)體混凝土壩繪制，并采用布爾運(yùn)算進(jìn)行剖切和縮放等一系列的相應(yīng)操作，然后將各個(gè)不同的壩段模型進(jìn)行生成并組合，最終得出混凝土壩的三維模型。

(2)壩體分塊，以Auto CAD軟件為基礎(chǔ)的仿真計(jì)算。首先在仿真軟件中把Auto CAD當(dāng)作子窗體加以嵌入其中，然后再運(yùn)用Auto CAD軟件中二次開(kāi)發(fā)的功能，進(jìn)而促使混凝土壩澆筑時(shí)的仿真計(jì)算和澆筑塊的自動(dòng)剖分進(jìn)行同步。伴隨仿真計(jì)算澆筑的信息，仿真軟件對(duì)大壩模型自動(dòng)地剖分并生成相應(yīng)的澆筑塊，然后將澆筑的信息關(guān)聯(lián)至對(duì)應(yīng)的澆筑塊。最終通過(guò)仿真計(jì)算得出混凝土壩的所有澆筑信息和Access數(shù)據(jù)庫(kù)的輸出，分塊的模型則保存成為Auto CAD的文件格式，另外，每一個(gè)澆筑塊均具備單獨(dú)的標(biāo)識(shí)符“實(shí)體句柄”。

2.4 土石壩建模

由于在土石壩的底面所表現(xiàn)出的形狀為不規(guī)則曲面，所以對(duì)其三維建模則使用Rhino軟件進(jìn)行構(gòu)建。依據(jù)土石壩填筑使用的材料和結(jié)構(gòu)形式以及功能對(duì)壩體劃分相應(yīng)的區(qū)域。使用Rhino軟件的各個(gè)功能來(lái)操作并建立土石壩分區(qū)模型。為了能夠有效的在可視化仿真中對(duì)土石壩的施工進(jìn)行動(dòng)態(tài)性的演示呈現(xiàn)，對(duì)不同的分區(qū)均要求進(jìn)行劃分填筑層，劃分則依據(jù)填筑料的供給和施工進(jìn)度為基礎(chǔ)，由此得出可視化仿真使用的土石壩三維模型。

2.5 其它地物建模

針對(duì)圍堰和溢洪道以及隧洞等方面的模型建立，可以根據(jù)其具體的特征合理地選擇相應(yīng)的軟件進(jìn)行建模，比如使用Auto CAD建模、參數(shù)化建模、特征建模等相關(guān)的軟件。如果需要在仿真中對(duì)施工的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)性的演示，可以依據(jù)實(shí)際的需求把模型劃分為若干單元。

2.6 施工機(jī)械設(shè)備建模

在水利工程建設(shè)中，往往需要大量輔助施工的相關(guān)設(shè)施和設(shè)備，比如機(jī)械、營(yíng)地、生產(chǎn)區(qū)，并且整體的構(gòu)造十分復(fù)雜，因此可以運(yùn)用3D Max軟件對(duì)其進(jìn)行建模，然后再將制作完成的文件導(dǎo)入至Autodesk Navisworks中予以渲染處理。

3 BIM三維動(dòng)態(tài)可視化仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 BIM三維動(dòng)態(tài)的演示

使用Autodesk Navisworks軟件中的TimeLiner功能對(duì)水利工程施工的全部過(guò)程進(jìn)行三維形式的動(dòng)態(tài)性演示。運(yùn)用經(jīng)仿真軟件而得出的工程施工相關(guān)的動(dòng)態(tài)信息，主要是建筑物的三維模型的組成單元和圖形單元的施工時(shí)間、形體參數(shù)等等，將這些動(dòng)態(tài)信息按以下步驟進(jìn)行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)演示：

(1)在Autodesk Navisworks軟件中導(dǎo)入圖形單元的三維模型，并且每一個(gè)圖形單元的屬性保持不變，以及具備獨(dú)有的標(biāo)識(shí)符“實(shí)體句柄”。

(2)把施工進(jìn)度的相關(guān)數(shù)據(jù)均保存為Autodesk Navisworks軟件可以支持的CSV格式。運(yùn)用TimeLiner功能把CSV文件添加并利用TimeLiner規(guī)則和相應(yīng)的模型一一對(duì)應(yīng)，再對(duì)任務(wù)的類(lèi)型以及外觀狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)定，由此生成工程在施工中的過(guò)程動(dòng)畫(huà)。

(3)運(yùn)用軟件的Animator功能可以把施工的實(shí)際場(chǎng)景制作成為巡航的動(dòng)畫(huà)予以呈現(xiàn)，并把動(dòng)畫(huà)鏈接至TimeLiner進(jìn)行模擬，從而能夠以不同的視角查看施工的動(dòng)態(tài)。由于TimeLiner所相連的進(jìn)度數(shù)據(jù)能夠在設(shè)置里設(shè)定成為是否激活，即是設(shè)定工程的模型是否具有時(shí)間的特性，進(jìn)而能夠?qū)雾?xiàng)工程制作相應(yīng)的動(dòng)態(tài)化演示。

3.2 仿真可視化查詢

對(duì)工程的仿真信息進(jìn)行可視化的查詢主要有下述方法可以實(shí)現(xiàn)：

(1)運(yùn)用Autodesk Navisworks軟件中的查找功能，能夠查詢圖形單元相對(duì)應(yīng)的屬性，又或者是屬性表內(nèi)某一個(gè)屬性相對(duì)應(yīng)的圖形單元。

(2)運(yùn)用Autodesk Navisworks軟件的API(應(yīng)用程序接口)功能，然后以此為基礎(chǔ)開(kāi)展.Net二次開(kāi)發(fā)，由此對(duì)場(chǎng)景內(nèi)的相關(guān)模型和屬性進(jìn)行訪問(wèn)和查看，并利用插件來(lái)展示模型的仿真信息，可查詢施工的所有過(guò)程和各個(gè)分項(xiàng)工程施工的相關(guān)信息。比如，對(duì)施工面貌進(jìn)行查詢即能以年、月、日作為查詢條件來(lái)查看施工至某一時(shí)間的工程施工面貌；對(duì)施工強(qiáng)度進(jìn)行查詢時(shí)可將開(kāi)始時(shí)間和始末時(shí)間設(shè)定，然后再以年、月、日為細(xì)化的查詢，查看某一時(shí)間段內(nèi)的施工強(qiáng)度表現(xiàn)，還可在界面中運(yùn)用不同的顏色來(lái)顯示圖形，由此能夠非常直觀地顯示出施工的強(qiáng)度。

構(gòu)建插件的過(guò)程為：①首先構(gòu)建各動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù).dll文件，然后為文件添加引用；②新建“類(lèi)”用于繼承插件類(lèi)，比如基本插件等，然后設(shè)置類(lèi)屬性；③編寫(xiě)代碼，編譯后把.dll文件存入軟件安裝包，進(jìn)而完成插件的制作，由此實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中的使用功能。

3.3 工程信息查詢

運(yùn)用Autodesk Navisworks軟件中的剖分功能，可以對(duì)工程的高程、壩段模型的形體進(jìn)行查看，并且還可以查看工程模型相對(duì)應(yīng)的二維信息；利用軟件中的審閱功能還能夠往模型中添加相應(yīng)的注釋并記錄分析內(nèi)容。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

以廣東省梅州市大埔縣高陂土石壩為實(shí)際應(yīng)用的案例，運(yùn)用上述研究提出的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)工程施工的動(dòng)態(tài)性演示，以及可視化的查詢。圖3-圖6分別為土石壩可視化分解示意圖、混凝土重力壩分解示意圖、土石壩三維模型圖、施工進(jìn)度模擬示意圖。

圖3 土石壩可視化分解示意

圖4 混凝土重力壩分解示意

圖5 土石壩三維模型

圖6 施工進(jìn)度模擬示意

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出以BIM為基礎(chǔ)對(duì)水利工程的施工進(jìn)行可視化仿真的方案，然后將其應(yīng)用在水利工程中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。實(shí)例的分析表明，文中所提出的可視化仿真應(yīng)用開(kāi)發(fā)十分簡(jiǎn)單便捷，可為后續(xù)類(lèi)似的大型水利工程可視化的仿真提供參考。