基于BIM技術(shù)的數(shù)字化能源設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

劉曉宇

（天津市燃?xì)鉄崃σ?guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300199）

建立一個(gè)數(shù)字化、智慧化、管理科學(xué)化的能源管控系統(tǒng)，已成為眾多能源企業(yè)亟需解決的任務(wù)，同時(shí)也是貫徹落實(shí)國家“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全戰(zhàn)略，堅(jiān)持“打造綠色低碳、安全高效、智慧友好、引領(lǐng)未來的現(xiàn)代能源系統(tǒng)”的必然要求。能源類工程建設(shè)，在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生大量的潔凈數(shù)據(jù)，潔凈數(shù)據(jù)是信息建模這艘巨型艦船的載體，只有將海量的數(shù)據(jù)信息，注入三維模型這艘航空母艦的棲息水域，才能讓這艘航空母艦鳴笛出征。

數(shù)字能源設(shè)計(jì)平臺是基于CAD 環(huán)境及相關(guān)擴(kuò)展，以工程數(shù)據(jù)為核心、以三維技術(shù)為手段，實(shí)現(xiàn)全專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺。平臺通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與共享實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程的自動(dòng)化，借助三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果的精細(xì)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全專業(yè)模型級的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)及三維校驗(yàn)，設(shè)計(jì)成果可直接用于數(shù)字化移交。因此，打造一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)字能源設(shè)計(jì)平臺，并將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)科學(xué)管理及運(yùn)用起來非常有必要，可加快設(shè)計(jì)企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

1 研究的可行性分析及效果

隨著能源設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模式及理念已經(jīng)不能滿足要求，在建筑行業(yè)BIM 數(shù)字化正向設(shè)計(jì)成為主流的當(dāng)今，能源行業(yè)的專業(yè)設(shè)計(jì)已大幅落后時(shí)代發(fā)展?；跀?shù)字化三維技術(shù)平臺的最新成果將大幅提高設(shè)計(jì)效率、提升設(shè)計(jì)質(zhì)量、優(yōu)化設(shè)計(jì)流程、改善經(jīng)營績效[1]。研發(fā)軟件應(yīng)用平臺采用標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化與設(shè)計(jì)結(jié)果的精細(xì)化。

1.1 技術(shù)可行性分析及解決問題

1.1.1 建立符合能源工程設(shè)計(jì)、管理的工程設(shè)計(jì)平臺框架

1.1.2 建立能源設(shè)計(jì)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、統(tǒng)一化的工程數(shù)據(jù)管理體系與平臺

在能源BIM 設(shè)計(jì)平臺建設(shè)框架體系內(nèi)，項(xiàng)目研究收集設(shè)計(jì)企業(yè)各專業(yè)的工程設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括燃?xì)鉄崃こ淘O(shè)計(jì)中涉及的設(shè)備數(shù)據(jù)、族庫模型、二維圖形、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)四大類型數(shù)據(jù)。根據(jù)燃?xì)鉄崃こ填I(lǐng)域相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)范、設(shè)計(jì)企業(yè)各專業(yè)深度要求、工程設(shè)計(jì)差異化實(shí)際現(xiàn)狀，啟動(dòng)能源設(shè)計(jì)企業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，為平臺整體建設(shè)奠定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與設(shè)計(jì)，建立符合能源設(shè)計(jì)企業(yè)管理水平要求的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，開發(fā)專業(yè)化的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理平臺，滿足數(shù)據(jù)錄入、維護(hù)、管理海量公共數(shù)據(jù)庫及接口訪問的應(yīng)用需求。

1.1.3 建立能源設(shè)計(jì)企業(yè)一體化的協(xié)同工程設(shè)計(jì)平臺

項(xiàng)目研究著重從能源設(shè)計(jì)企業(yè)各專業(yè)設(shè)計(jì)入手，針對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行重點(diǎn)分析，建立一體化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，規(guī)范設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。以“工程全要素”為核心，精細(xì)化管理工程的完整數(shù)據(jù)（工程信息、設(shè)備信息、廠家資料），建立工程設(shè)備編碼體系，貫通數(shù)據(jù)全過程[2]。優(yōu)化專業(yè)間配合流程和方式，使各專業(yè)配合提資均在協(xié)同工作平臺下按標(biāo)準(zhǔn)流程和格式完成。建立符合燃?xì)鉄崃こ淘O(shè)計(jì)成果組織與管理的圖檔目錄，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)成果的集中化、版本化管理。通過計(jì)劃管理與圖檔管理集成，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程與成果存儲的自動(dòng)與手動(dòng)聯(lián)動(dòng)模式，滿足設(shè)計(jì)進(jìn)度的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)與更新。在集中化的工程數(shù)據(jù)管理與圖檔管理模式下，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)成果在不同階段的快捷復(fù)用以滿足工程階段升版要求，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)成果的快速移交與發(fā)布，滿足工程施工單位、業(yè)主單位的可視化應(yīng)用需求。

1.2 初步實(shí)現(xiàn)效果

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程，效率提高30%以上； 運(yùn)算正確百分比為及相關(guān)資料核對正確率均為100%；相關(guān)智能化程序的投入使用，可以節(jié)省工程整體預(yù)算和實(shí)施費(fèi)用的5 個(gè)百分點(diǎn)以上；標(biāo)準(zhǔn)化知識管理系統(tǒng)，使得設(shè)計(jì)的成果滿足建設(shè)要求和集約化的管理要求；BIM 平臺不僅在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化，同時(shí)具備將成果交付使用的能力，可保證工程在整個(gè)生命周期的數(shù)字化應(yīng)用。

2 研究方法及技術(shù)路線

研究運(yùn)用專業(yè)軟件流程全面整合工程設(shè)計(jì)流程，采用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息共享，達(dá)到設(shè)計(jì)自動(dòng)化，借助三維手段提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，做到設(shè)計(jì)過程與結(jié)果的可視可控。

研究采用C/S 架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，服務(wù)器端使用MS SQL Server 企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，通過建立統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)庫及編碼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息在多個(gè)平臺間的傳遞。

系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)在AutoCAD 平臺下完成功能應(yīng)用，依托ObjectARX 類庫，采用C++語言進(jìn)行開發(fā)。布置圖設(shè)計(jì)在Revit 平臺完成功能應(yīng)用，依托Revit API 庫，采用C#語言進(jìn)行開發(fā)。平臺類相關(guān)性能模塊的開發(fā)采用C#與C++語言嵌套的模式。

②車廣吉等.論構(gòu)建學(xué)校、家庭、社會教育一體化的德育體系[J].東北師范大學(xué)學(xué)報(bào)( 哲學(xué)社會科學(xué)版),2007 (4):155-156.

平臺框架采用層次化架構(gòu)，建立清晰邏輯層次，并提供統(tǒng)一化訪問接口，以便日后業(yè)務(wù)擴(kuò)展，同時(shí)支持業(yè)務(wù)擴(kuò)展后的硬件設(shè)備的擴(kuò)容，解決軟件升級復(fù)雜、與其他系統(tǒng)的接口問題。

3 典型案例分析——以三維管線系統(tǒng)為例

三維管線系統(tǒng)主要包括規(guī)劃數(shù)據(jù)管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)審核、模擬規(guī)劃設(shè)計(jì)、管線空間分析、規(guī)劃分析專題圖和規(guī)劃文檔管理六大主要功能。利用該系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)管線設(shè)計(jì)中的缺陷和各種不符合項(xiàng)，從而為設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)企業(yè)更改建議，使設(shè)計(jì)企業(yè)能夠及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，解決實(shí)現(xiàn)情況中管線設(shè)計(jì)方案反復(fù)修改問題。該系統(tǒng)還可對城市綜合管線進(jìn)行相應(yīng)的空間分析和統(tǒng)計(jì)，為管線各項(xiàng)日常管理，包括管線精確定位、管線運(yùn)行監(jiān)管、管線應(yīng)急處置等提供可靠科學(xué)空間分析依據(jù)[3]。三維管線是智慧管網(wǎng)的靈魂，可以清晰地將城市中的所有管線直接顯示在顯示屏上，可以展現(xiàn)一個(gè)虛擬仿真的三維環(huán)境，基于三維管線系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、管線追蹤、設(shè)備控制、狀態(tài)報(bào)警，如圖1 所示。未來的三維管線技術(shù)不僅僅為智慧管網(wǎng)服務(wù)，甚至為整個(gè)智慧城市的其它系統(tǒng)提供服務(wù)。

圖1 三維管線圖Fig.1 3D view of pipeline map

3.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)是任何系統(tǒng)展示的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)管理功能提供各類數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和展示，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，通過信息積累和信息復(fù)用，為管線管理和決策提供依據(jù)，如圖2、圖3 所示。

圖2 三維管線數(shù)據(jù)Fig.2 3D view of pipeline specifics

圖3 管線數(shù)據(jù)明細(xì)Fig.3 Details of pipeline specifics

3.2 規(guī)劃設(shè)計(jì)審核

規(guī)劃設(shè)計(jì)審核模塊的作用是在規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段輔助審定，為運(yùn)行單位在線路規(guī)劃的審核時(shí)提供重要幫助。管理部門可將上報(bào)的規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)將自動(dòng)識別出規(guī)劃設(shè)計(jì)與各級管線建設(shè)規(guī)范的要求不符的情況，以輔助管理部門完成審核，如圖4 所示。

圖4 三維系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.4 3D system design

3.3 模擬管線設(shè)計(jì)

模擬管線設(shè)計(jì)功能主要應(yīng)用于地下管線模擬設(shè)計(jì)，如圖5 所示，應(yīng)用該功能可以在三維場景中模擬建設(shè)地下管線，為設(shè)計(jì)單位提供合理的更改建議，方便設(shè)計(jì)部門對設(shè)計(jì)進(jìn)行更改。

圖5 模擬管線設(shè)計(jì)Fig.5 Simulated pipeline design

3.4 管線空間分析

管線空間分析模塊的作用，如圖6 所示，在采集和整理埋地敷設(shè)的管線相關(guān)數(shù)據(jù)的同時(shí)，對其臨近周圍空間及環(huán)境進(jìn)行分析和參數(shù)統(tǒng)計(jì)。方便管理部門進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)分析，從而掌控管線空間分布和統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖6 管線空間分析圖Fig.6 Spatial analysis of pipeline distribution

3.5 管線窺測

管線窺測與管道腔內(nèi)探查模塊，可打開巷道三維實(shí)體圖的外表，查看巷道內(nèi)部?？裳叵锏缆窂揭苿?dòng)，視察管道內(nèi)部形狀、管道支護(hù)方式、設(shè)備和管線布置情況等，如圖7 所示。對一些大型的地下管道非常適用。

圖7 管道透視圖Fig.7 Perspective view of pipeline

3.6 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制

有權(quán)限的用戶可通過本系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制單個(gè)設(shè)備或一組設(shè)備的開停等操作，如遠(yuǎn)程開停水泵、閥門等，如圖8 所示。

圖8 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能圖Fig.8 Remote auto-control interface

3.7 視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成

三維建模系統(tǒng)可將監(jiān)控?cái)z像頭模型布置在場景中，如圖9 所示，這些攝像頭與視頻監(jiān)控系統(tǒng)相連接，當(dāng)用戶右鍵選擇一個(gè)攝像頭時(shí)，可以顯示該攝像頭的實(shí)時(shí)視頻。這樣子就可以在有需要的地方、場所增加監(jiān)控用攝像機(jī)，和智慧安防能夠更好的配合獲取真實(shí)的圖像畫面。

圖9 視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖Fig.9 Diagram of camera surveillance system

3.8 設(shè)備管理與可視化

三維系統(tǒng)可根據(jù)模型庫自動(dòng)構(gòu)建各種設(shè)備的三維模型，如風(fēng)機(jī)、閥門、執(zhí)行器、照明設(shè)施、液壓支架和安全監(jiān)測分站等。對設(shè)備任意綁定監(jiān)測點(diǎn)，還可設(shè)置設(shè)備開停控制監(jiān)控變量，配置設(shè)備浮動(dòng)標(biāo)簽的顯示信息及任意多的屬性，如型號、廠家、功率等，如圖10 所示。

圖10 設(shè)備三維系統(tǒng)圖Fig.10 3D system of equipment

3.9 災(zāi)害模擬

三維系統(tǒng)可模擬管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏氣體噴射狀態(tài)，如圖11 所示。管理者可以巡視任何位置信息，為搶險(xiǎn)抗災(zāi)措施和方案的制定，提供敏捷、便利的決策支持。這個(gè)功能在一些大型的地下管道中適用。還可以模擬燃?xì)庑孤┌l(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)產(chǎn)生的有毒煙霧及氣體在管道中的蔓延擴(kuò)散過程。管理者通過查詢管線存在有害煙霧的位置，為搶險(xiǎn)抗災(zāi)方案的實(shí)施提供敏捷便利的判定支持。

圖11 爆管位置模擬圖Fig.11 Simulation of the burst location in pipeline

3.10 地表地形建模及管線文檔管理

三維管線系統(tǒng)經(jīng)擴(kuò)展之后可根據(jù)地表、地形、等高線數(shù)據(jù)或者衛(wèi)星數(shù)字高程數(shù)據(jù)，生成地表地形三維模型。方便明確的觀察地下管線狀態(tài)和地面灌木、植被等綠化的實(shí)時(shí)回饋。對管線文檔進(jìn)行有效管理，通過入庫檢索等操作，將與管線設(shè)計(jì)相關(guān)的文檔進(jìn)行有效管理，相關(guān)文檔包括了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃規(guī)范、管線設(shè)計(jì)審批文檔和管線設(shè)計(jì)圖。從而使文檔信息的瀏覽查詢更方便，信息管理更合理。

4 結(jié)語

基于BIM 技術(shù)的數(shù)字化能源設(shè)計(jì)與應(yīng)用平臺構(gòu)建了統(tǒng)一、規(guī)范的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理體系，在此基礎(chǔ)上打了造專屬的數(shù)據(jù)傳遞渠道和數(shù)據(jù)瀏覽工具，為能源工程信息展示服務(wù)和數(shù)字化移交提供完整的、安全的數(shù)據(jù)支撐。