水閘及輸水管道維護CIM模型細化研究

楊 珉

（貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550008）

1 引言

在建設項目中，由于基礎(chǔ)設施存量老化、工程師老齡化、技術(shù)工人短缺等原因，勞動生產(chǎn)率較其他行業(yè)低，維修成本增加等問題浮出水面。隨著建設項目的人員和預算越來越難以掌握，為了保證建設產(chǎn)品的質(zhì)量，妥善管理老化的基礎(chǔ)設施，需要利用信息通信技術(shù)，通過建設生產(chǎn)過程，提高工作效率，推進整個工作[1]。CIM（建筑信息建模）的推出，旨在利用ICT技術(shù)推進建筑生產(chǎn)系統(tǒng)，提高生產(chǎn)率。CIM是將一個物理對象的形式和結(jié)構(gòu)表示為一個3D模型，并將設計、執(zhí)行和維護的各種信息作為其屬性添加到該模型中，使它們能夠統(tǒng)一管理，提高整個施工生產(chǎn)過程的效率。在設計或施工過程中創(chuàng)建的三維模型也將用于維護階段。如果沒有提前確定維護階段所需的詳細程度和所需功能，則問題可能是在三維建模中花費太多時間來闡述不必要的細節(jié)，或者相反，缺少維護階段所必需的功能[2]。

作為CIM引入和推廣的一部分，假定閘門和輸水管中不含板樁等少數(shù)不可見區(qū)域，每一個都是由工程結(jié)構(gòu)和機械設備系統(tǒng)組成的復雜結(jié)構(gòu)，通過三維表示和信息集成管理實現(xiàn)可視化，具有很好的效果，因此，維修人員分布廣泛，涉及水利工程、機械和電信等不同領(lǐng)域。具體研究程序如下，假設在維護階段應用三維模型的情況下，闡明了三維模型所需的功能，以及使用這些功能的三維模型應達到的精化程度。在此基礎(chǔ)上，將維護所需的各種信息集成到對象結(jié)構(gòu)的三維模型中，建立了CIM原型[3]。

2 在維護階段應用三維模型

三維模型可以建立無限的創(chuàng)建精度，但是，除非根據(jù)用途、要建模的部件和創(chuàng)建的范圍設置精化級別，否則很難獲得足夠的成本效益。關(guān)于建筑物的BIM（建筑信息建模），有一些指南等規(guī)定了3D模型的詳細程度。因此，在明確閘門和管道維護階段的三維模型應用情況后，決定根據(jù)應用情況設置詳細程度。

在維護階段使用三維模型的優(yōu)點可以說是“設施相關(guān)對象的可視化”和“方便的信息管理”。文章以某河道引水工程為例，將CIM的機制應用到水閘及輸水管道中，研究其對維護工作效率的影響。

2.1 設施相關(guān)對象的可視化

通常，多個圖紙用于確定目標設施的結(jié)構(gòu)、周圍條件、設備布局和地下設施。這需要很長的時間來掌握結(jié)構(gòu)及其周圍的條件。在三維模型上對它們進行可視化，不僅可以及時掌握結(jié)構(gòu)和周圍條件，而且還可以方便相關(guān)方共享理解（見圖1）。

圖1 物體設施結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的可視化

此外，在模型上可視化結(jié)構(gòu)的損壞或變化，可以立即掌握構(gòu)件或設施與周圍條件之間的關(guān)系。這將導致對損壞原因的澄清、是否需要修理的決定，或更快地決定施工方法的選擇（見圖2）。

圖2 結(jié)構(gòu)損傷可視化

2.2 方便的信息管理

維修階段需要參考的資料很多，如竣工圖、檢驗記錄、維修記錄等，都是以紙質(zhì)版本和電子數(shù)據(jù)混在一起的形式。此外，由于這些材料有多個負責人或存放在倉庫中，因此存在著存儲重復數(shù)據(jù)和信息不一致或過時的風險。因此，收集必要的信息需要很長時間。此外，由于多個人員或承包商長期執(zhí)行維護工作，更新歷史記錄的管理是一個沉重的負擔。

在目前的情況下，如果將大量復雜的材料作為屬性信息集成到一個三維模型中，可以實現(xiàn)對不同類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，防止重復存儲或不一致，便于歷史管理。此外，將構(gòu)成結(jié)構(gòu)的各個元素（如構(gòu)件和設施）的三維位置與每一條信息聯(lián)系起來，可以直觀地搜索和參考必要的信息（見圖3）。

圖3 三維建模統(tǒng)一信息管理提高檢索能力

2.3 在維護階段提取應用CIM模型

考慮到三維模型的優(yōu)點，總結(jié)了應用三維模型在某些情況下的預期效果。水利工程結(jié)構(gòu)和機械設備系統(tǒng)都非常需要“方便的信息管理”，確認了建立統(tǒng)一管理各類信息的機制必要性。一方面，關(guān)于機械設備系統(tǒng)的維護，對具有詳細尺寸和形式的三維模型的需求并不強烈。另一方面，對于水利工程結(jié)構(gòu)，在三維模型上表示損傷狀態(tài)的要求更高，需要一目了然地加以確認，需要對三維模型進行一定程度的細化。

2.4 三維模型所需的功能

由于水利工程結(jié)構(gòu)和機械設備都非常需要具有三維模型的“簡單信息管理”，因此決定三維模型應具有將三維模型中的每個構(gòu)件或位置與外部的屬性信息（如照片或分類賬）相鏈接的功能。

對于“設施相關(guān)對象可視化”，水利工程結(jié)構(gòu)的三維模型應具有詳細的形式，以便能夠正確地反映損傷位置等。另一方面，決定用一種簡單的方法來表示機械設備的三維模型，這種方法足以區(qū)分設備的空間位置關(guān)系、名稱和類型，而不是精確地表示所有的形式和部件，如“在設備維修中不需要精確地表示單個部件的三維形式”或“為了通過可視化提高效率，只要能掌握位置關(guān)系就足夠了，比如設備放在設施內(nèi)的什么地方”。

3 設置三維模型的精化級別

在總結(jié)三維模型所需功能的基礎(chǔ)上，對其精化級別進行了具體設置。對于水利工程結(jié)構(gòu)，被設定為一個保持精確三維形狀的詳細模型。對于機械設備模型，被確定為一個簡單的模型，保留了指示對象設施名稱及其空間位置關(guān)系的功能。根據(jù)設備的維護方法和規(guī)模，設置分為兩種情況。表1顯示了每個模型的精化級別的概述。

對于水利工程結(jié)構(gòu)，決定創(chuàng)建一個精確表示三維幾何尺寸的三維模型（見圖4）。在機械設備中，門體、開閉機構(gòu)、發(fā)電機等需要連續(xù)維護管理的設備規(guī)模較大。因此，決定將每個模型創(chuàng)建為一個塊模型，允許觀看者確認對象設施的外觀和方向，方法是制作一個彼此相對大小大致正確的矩形實體三維模型，在其上粘貼圖形或照片作為紋理（墻紙圖像），并將其放置在對象的位置（見圖5）。

表1 三維模型精化級別概述

圖4 土木工程結(jié)構(gòu)的三維模型

圖5 機械設備模塊（門體）

小規(guī)模儀表、儀表板、水表等需定期更換或發(fā)現(xiàn)異常時，決定創(chuàng)建一個按鈕形狀的模型（按鈕模型），其功能是顯示三維模型中的空間位置，并與外部屬性信息鏈接（見圖6）。

圖6 電表按鈕型號（發(fā)電機表示為塊型號）

4 CIM模型的驗證

該模型通過將用于維護的不同屬性數(shù)據(jù)與3D模型的每個元素鏈接起來，實現(xiàn)了統(tǒng)一的信息管理、出色的搜索能力和可跟蹤性。模型由三維模型和存儲各種信息的信息共享服務器組成。用于維護的屬性信息包括不能直接存儲在三維模型中的數(shù)據(jù)，如圖紙、照片和檢查記錄。這些文件不會直接保存在三維模型中，而是保存在外部信息共享服務器中，并與用于三維建模的整個設施或其單個元素鏈接。維修人員可以通過點擊三維模型上的相應元素，方便直觀地查看目標信息。選擇三維模型的目標元素將打開相關(guān)屬性信息列表，允許從列表中選擇所需信息?？梢蕴崛傩孕畔⑴c信息共享服務器中保存的每個元素的鏈接，并在列表中顯示，實現(xiàn)信息的統(tǒng)一管理。

保存在外部信息共享服務器中的數(shù)據(jù)可以使用與普通Windows資源管理器類似的機制進行操作，但文件夾配置和文件命名規(guī)則是固定的。這允許維修人員添加或更新屬性信息，例如檢查結(jié)果，即使他們沒有操作三維模型的經(jīng)驗。首先我們向維修人員介紹了這次創(chuàng)建的原型模型，后續(xù)通過訪問維修是否提高了效率來加以確認。表2顯示了他們的典型觀點。

表2 原型模型意見

5 結(jié)論

本研究在閘管檢修階段應用標準三維模型的前提下，建立了標準三維模型的細化層次，并建立了CIM原型模型。通過對維修人員的調(diào)查得出，模型的使用提高了損傷的檢索能力以及檢測效率，提供了便捷的信息化管理模式。

但是，這并不是實際維修現(xiàn)場使用的結(jié)果，評估結(jié)果采用原型模型進行論證。今后，計劃利用這些模型進行現(xiàn)場試驗，驗證其效果，并通過增加適用場合和改進模型來檢驗進一步提高維修效率。我們還認為，在順利引進和推廣CIM的過程中，“不要大幅度改變現(xiàn)有維護方法和理念”和“不要通過引進新工具來增加現(xiàn)場人員的勞動”是很重要的?？紤]到這些，我們愿意繼續(xù)深造。