大型供水工程BIM建模及應(yīng)用研究

楊焱喆，趙喜萍，李劍平，李 智，謝 洪

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西省旅游投資控股集團有限公司，山西 太原 030000；3.山西東山供水工程建設(shè)公司，山西 太原 030000）

1 項目概況

山西東山供水工程作為山西跨流域引調(diào)水項目，實現(xiàn)了省內(nèi)汾河流域上游、漳河流域上游接續(xù)工程，是“山西大水網(wǎng)”第五橫晉中～長治線規(guī)劃工程和“十二五”期間最重大的互通工程之一，是山西大水網(wǎng)設(shè)計框架中的主體部分，其中主要從調(diào)派區(qū)內(nèi)三個縣市的四大水源地調(diào)水，同時也與調(diào)入?yún)^(qū)內(nèi)五縣（市）的7 個已建水庫、水源聯(lián)系，為調(diào)出區(qū)補充工農(nóng)業(yè)用水。工程輸水管（洞）線路總長253.98 km，其中包含壓力管線、隧洞、洞穿管及箱涵段。

2 BIM 技術(shù)

2.1 BIM 技術(shù)核心理念

建筑信息模型（Building Information Model，簡稱BIM[1]）。該模型有效集成了工程項目的幾何、物理及功能信息，能顯著提高工程全過程管理效率。

每個水利工程都包含著不同部門、不同科技領(lǐng)域、不同時間和空間等數(shù)據(jù)，每個項目參與方都需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的了解、分析和建設(shè)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析情況配置資源和控制項目建設(shè)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和分析技術(shù)需要分門別類逐項調(diào)查記錄，每個部門都有重復(fù)數(shù)據(jù)，關(guān)系高度交叉。BIM 數(shù)字模型與現(xiàn)場實際情況一一對應(yīng)，小到材質(zhì)形狀，大到縱坡、平面轉(zhuǎn)角等，各參與方都能夠高效率地共享信息和進(jìn)行信息交流。BIM 同步數(shù)字模型在水利工程前期設(shè)計、中期施工、后期運維等環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，大大提高了水利工程建設(shè)的效率。

2.2 BIM 技術(shù)特性

2.2.1 可視化建模

BIM 技術(shù)與傳統(tǒng)的模型區(qū)別在于BIM 模型可以更加直觀、形象、具體地展現(xiàn)工程項目的材質(zhì)、規(guī)格及其他屬性，更方便地展示工程各方面細(xì)節(jié)[2]，例如水工建筑物的內(nèi)部情況或廠房構(gòu)造等。

2.2.2 豐富的動態(tài)化信息

BIM 模型中除包含當(dāng)前搜集到的信息以外，在工程出現(xiàn)變更或施工方由于不可抗因素并未按照圖紙施工時，無需再次進(jìn)行建模，只需及時修改BIM 模型中的數(shù)據(jù)，模型信息也隨即改變，信息更新的便捷性提高了設(shè)計者的工作效率。

2.2.3 仿真模擬演示

由于BIM 技術(shù)模型數(shù)據(jù)的完整性及可靠性，不僅可以將真實情景以畫面的形式表現(xiàn)出來，還可以通過與外部計算軟件聯(lián)合，進(jìn)行不同算法的計算處理。例如，在不同降雨量的情況下，該水工建筑物是否可以正常運行。通過不同情況的演算，仿真模擬出不同情況下的不同狀態(tài)，并將計算結(jié)果以可視的形式展現(xiàn)出來[3]。

2.3 建模軟件

BIM 建模工具采用Autodesk 公司的Revit2018 軟件，軟件界面簡單明了，擁有強大的族功能。在建模過程中，Revit 提供從2D 到3D 的設(shè)計形式，可以通過轉(zhuǎn)動任意視角進(jìn)行族組件設(shè)計，編輯圖形數(shù)據(jù)，直至滿足個人及工程所需[4]。同時Revit 也可以在不同階段對模型中的任意參數(shù)進(jìn)行修改或添加，只需將參數(shù)進(jìn)行修改，便可得到變化后的模型。另外，Revit 自帶可視化編程Dynamo，不僅可以調(diào)用外部工具，還可以令復(fù)雜的編程語言變成可視化的氣泡，一目了然地完成復(fù)雜重復(fù)的工作指令，大大提高開發(fā)效率。

3 東山供水工程BIM 模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)采集

BIM 要動態(tài)呈現(xiàn)供水管道線路的三維實時模型，還要將埋藏于地下布設(shè)線路上方的三維地形一對一地構(gòu)建出來。本次三維外業(yè)地形數(shù)據(jù)由無人機傾斜攝影、RTK 獲取。

3.1.1 創(chuàng)建小系統(tǒng)

由于工程施工距離長，工程量大，各標(biāo)段施工方和采用的坐標(biāo)系統(tǒng)不統(tǒng)一，所以數(shù)據(jù)采集，需創(chuàng)建各標(biāo)段自己的小系統(tǒng)，并擬合參數(shù)，才能使二百余公里的管線無誤銜接，故采用中海達(dá)RTK 將項目分為四個部分，分別在左權(quán)、榆社、平遙和介休創(chuàng)建大地2000坐標(biāo)小系統(tǒng)，統(tǒng)一原本凌亂的坐標(biāo)系，進(jìn)行參數(shù)校正，為內(nèi)業(yè)銜接工作及建模精度做保證。

3.1.2 無人機仿地飛行

無人機傾斜攝影由于簡單便捷，三維建模精度高故被廣泛使用，本工程地形起伏變化大，山體眾多，故本次飛行使用大疆M300-RTK 進(jìn)行仿地飛行，無人機仿地飛行示意圖見圖1。

圖1 無人機仿地飛行示意圖

在使用參數(shù)校正過的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行控制點采集，控制點的設(shè)置可有效防止無人機因高空拍攝作業(yè)產(chǎn)生相片畸變使數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)偏差，在后期圖片處理將控制點信息刺入二維地形中進(jìn)行糾偏。將處理后的圖片導(dǎo)入DJI Terra 進(jìn)行二維重建創(chuàng)建區(qū)域DSM，使用POS 影像約束，POS 系統(tǒng)是輔助空中三角測量技術(shù)在航空攝影測量的應(yīng)用，也是提高絕對精度從而保證地形圖精度的新方法[5]。

二維重建后的DSM 將擁有任意點云處的高程和地理坐標(biāo)信息，針對工程地貌和地形高低起伏以及無人機仿地飛行的特點，在遙控器中導(dǎo)入重建后的DSM文件，設(shè)置“井”字形飛行航向，設(shè)置航向80%、旁向70%、飛行高度180 m 的高重疊度，以減少地面和空中的干擾，保證地形構(gòu)造的準(zhǔn)確度[6]。

3.1.3 供水線路數(shù)據(jù)

線路數(shù)據(jù)源于榆社縣云竹鎮(zhèn)東山供水工程項目部施工設(shè)計圖紙，將供水線路數(shù)據(jù)（縱斷面及平面圖的坐標(biāo)、高程、轉(zhuǎn)交、材質(zhì)、襯砌形式等）記錄下來。

3.2 構(gòu)建模型

3.2.1 地形的三維構(gòu)建

采用大疆智圖，將無人機外業(yè)拍攝照片導(dǎo)入，輸出坐標(biāo)系選擇CGCS 2000?？臻g三角測量法是以人類視覺的重投影殘差最小化為對象，在特定的所需環(huán)境下計算照相機在成像時的方位和姿勢，其計算流程是先尋找同名像點，并進(jìn)行特征點篩選與匹配，接著再通過區(qū)域網(wǎng)平差解算出照相機方位與姿態(tài)[7]。在進(jìn)行三維重建之前，將外業(yè)所采集像控點坐標(biāo)信息導(dǎo)入，利用像控點坐標(biāo)刺入二維模型中，以此來提高空三精度。在空三解算完成后即可進(jìn)行三維地形重建。本次建模采用的是大疆智圖生成的OSGB 格式文件，該格式是無人機傾斜攝影常采用的三維數(shù)據(jù)格式。

3.2.2 Dynamo 可視化編程

Dynamo 是Revit 自帶的編程工具，由許多節(jié)點根據(jù)編程人員的自主組合完成工作所需，最主要的特點便是可視化，去除了代碼編程原本的冗雜。Dynamo中的節(jié)點互相連接以形成可視化編程流程中的實體，由輸入、輸出、結(jié)果顯示3 部分組成。流程為節(jié)點與節(jié)點間的連線，是面向過程編程的具現(xiàn)，通過流水作業(yè)實現(xiàn)了建模邏輯的層層遞進(jìn)[8]。

3.2.3 參數(shù)化族庫

族是組成BIM 模型的基本單元，是不同參數(shù)值的某一類圖元的組合，一個BIM 模型所需要的是大大小小不同的族。參數(shù)化建模的好處便是在創(chuàng)建族的過程中可以根據(jù)修改尺寸、材料等物理特性而修改模型，不用重新建模只需將參數(shù)進(jìn)行修改便可以得到新的族組件，大量減少了重新建模的時間。

建立族的方式有兩種，一種是建立公制常規(guī)模型，變化各視角繪制不同立面的圖形，然后進(jìn)行手動三維拉伸，見圖2、圖3；另一種便是通過Dynamo 中的Solid.ByLoft 節(jié)點進(jìn)行放樣創(chuàng)建實體，該方法對三維曲線建模更加適用，并且也可通過改變節(jié)點等信息來組建不同的族組件。

圖2 公制常規(guī)模型

圖3 DN1800PCCP 管道

3.2.4 利用Dynamo 進(jìn)行模型構(gòu)建

在創(chuàng)建線路模型前，需要對不同管道材質(zhì)、尺寸進(jìn)行定位，由于定位點位置相對固定，在Civil 3D 中生成線路信息，并以Excel 的形式輸出，而后使用Dynamo節(jié)點庫中的OFFICE 庫提供Excel 讀寫功能，可通過File Path 節(jié)點→File.FromPath 節(jié)點→Excel.ReadFromFile節(jié)點獲取數(shù)據(jù)，節(jié)點詳見圖4。

圖4 Dynamo 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

數(shù)據(jù)導(dǎo)入之后，通過節(jié)點NurbsCurve.ByPoints 與Curve.PointAtSegmentLength 使Dynamo 調(diào)用Revit 生成三維軌跡，如圖5。

圖5 生成三維軌跡

在確定各構(gòu)件相對位置后，需要識別Revit 族庫中的族，Dynamo 節(jié)點庫中的FamilyTypes 節(jié)點存儲了Revit 族庫中的所有族并按名稱排序，隨后調(diào)用Family Instance.ByPoint 節(jié)點放置模型，模型放置完成后，使用Element.SetParameterByName 節(jié)點可以設(shè)置模型參數(shù)。設(shè)置1 次參數(shù)的節(jié)點僅能修改1 個參數(shù)，對于參數(shù)較多的模型實例化較困難，所以引入Code Block 至關(guān)重要。Code Block 節(jié)點提供了新建、執(zhí)行、查詢3 種操作模式，可以用于建模全過程，見圖6、圖7。

圖6 生成實體1

圖7 生成實體2

至此，建模工作已完成，見圖8。

圖8 管道-出氣閥-管道建模圖

3.2.5 地形與管線模型的銜接

利用VR 技術(shù)可以相當(dāng)直觀地對BIM 模型的準(zhǔn)確性做出判斷，并且可以使多用戶多角度地認(rèn)知信息數(shù)據(jù)，對BIM 技術(shù)的體驗變得更加暢通無阻，這就是“BIM+VR”技術(shù)，突出的便是更加直觀的可視性，豐富多趣以及便捷高效的協(xié)同性[9]。

Fuzor 是一款專門針對BIM 技術(shù)開發(fā)的VR 插件，作為Revit 與VR 系統(tǒng)之間具有高度關(guān)聯(lián)性的橋梁，可以使BIM 模型快速轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)據(jù)項目載體，充分達(dá)到數(shù)據(jù)交互的目的。Fuzor 可以將Revit 與DJI Terra 分別創(chuàng)建的管線三維模型與地形三維模型按照坐標(biāo)系擬合在一個界面之中，并且可以以游戲的方式操作小人在模型之中上天入地，觀察模型中的任何細(xì)節(jié)，同時也可以檢驗?zāi)Ｐ途?，觀察地表建筑物與地下管線是否可以充分連接，形成一個多方位多角度的BIM 模型。

4 結(jié)語

盡管在開工前很多設(shè)計工作都會進(jìn)行一系列的預(yù)算工作，但往往由于各種原因，實際過程中會出現(xiàn)儀器設(shè)備老化、損壞、監(jiān)管不善等問題產(chǎn)生額外支出，導(dǎo)致工程建設(shè)成本增加，因此復(fù)雜的費用構(gòu)成很容易對預(yù)算管理造成影響。

由于水利工程建設(shè)周期較長，情況較為復(fù)雜，采用BIM 技術(shù)能夠使施工單位科學(xué)合理地制定工程預(yù)算、管理制度和工程造價支出等相關(guān)管理措施。如果從工程的設(shè)計開始，將BIM 技術(shù)貫穿工程的全生命周期，從設(shè)計者到施工方再到后期管理者，就可以避免許多不必要的錯誤和損失。BIM 技術(shù)從二維平面向參數(shù)化三維轉(zhuǎn)變，并與VR 技術(shù)、無人機技術(shù)緊密結(jié)合，不斷優(yōu)化設(shè)計與施工方案，必將大大加快水利工程的集約、節(jié)約和智慧化管理進(jìn)程[10]。