基于BIM的水利工程數(shù)字化管理及二次開發(fā)研究

摘" 要：為優(yōu)化水利工程信息數(shù)據(jù)采集、管理、處理過程繁雜、可視程度較低、時間相關性較弱等問題，該文結合頭屯河水庫實際工程，基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術實現(xiàn)該工程水文信息的可視化設計，利用Dynamo可視化編程插件開發(fā)一套嵌入在BIM模型內(nèi)的新型工作接口，通過該接口可對水利工程信息實現(xiàn)模塊化管理與更新。通過附有水文信息時間變量，創(chuàng)建具備4D時間參數(shù)的水文信息模型，實現(xiàn)水文模型在空間與時間上的有機統(tǒng)一，有助于管理人員更加科學、有效地預測來水趨勢。

關鍵詞：水利工程；建筑信息模型；Dynamo二次開發(fā)；運維管理；水文信息

中圖分類號：TV213.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0033-04

Abstract： In order to solve the problems of poor visualization effect of hydrological Information management process， tedious data collection process and weak time correlation in traditional water conservancy projects， the visual design of hydrological Information of Toutun River reservoir is realized by combining Building Information Modeling （BIM） technology. Dynamo visual programming software is used to develop a set of new work interface embedded in the BIM model. Through this interface， water conservancy project information can be rapidly updated in batches， and the updated code can be modularized. By introducing the time parameters of hydrological information， a 4D hydrological information model was established， which realized the correlation between the hydrological information and the 3D model in space and time， help to water conservancy project operation management scientific and effective to predict water development trend.

Keywords： water conservancy; building information model; secondary development of Dynamo; operation and maintenance management; hydrological information

日新月異的計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術為水利工程這一傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展和轉型帶來了深層次的變革。BIM技術的引入將有效提高水利工程管理的信息化水平，加強各生產(chǎn)、運行、管理之間的聯(lián)動，使水利行業(yè)的管理效率和應用價值得到提升，同時還可以促進水利行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。作為一種新興的基于現(xiàn)代計算機圖形展示的工程管理方法[2]，BIM技術的引入對傳統(tǒng)水利工程運行管理有強烈的沖擊和革命性意義。國外已經(jīng)開始對建筑信息模型與數(shù)據(jù)庫結合技術的參數(shù)化聯(lián)動設計進行研究[3]，目前國內(nèi)水利BIM的相關文獻大多還停留在技術應用價值闡述和實施方法的總結、施工過程的仿真模擬、工程量的統(tǒng)計和前期設計階段等層面[4]。后期運行維護階段的應用和研究工作相對還比較少，工程運維管理的記錄方式仍以紙質(zhì)或電子表格為主，這種簡單的組織架構和低效的信息傳遞是導致“信息孤島”現(xiàn)象產(chǎn)生的重要因素之一[5]。因此，BIM技術在水利工程運行管理階段有著廣闊的應用前景和價值[6]。

1" 基于BIM技術的水工建筑物建模

1.1" 工程背景

本文以新疆頭屯河流域內(nèi)的頭屯河水庫為實際工程背景。頭屯河水庫位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市硫磺溝鎮(zhèn)，屬于山區(qū)攔河水庫，水庫壩頂高程為994.5 m，最大壩高51 m，壩頂設有通行路面，寬度為7.5 m，大壩頂部東西長度為423 m。壩型為黏土心墻沙石混合重力壩，大壩高程在980 m以下及東岸臺地的副壩是用均質(zhì)黏土筑成，大壩高程在980 m以上的各部位都是黏土心墻，大壩迎水面由坡度1∶2.75的砂礫石筑成；大壩背水面由坡度1∶2.2的雜料堆積而成，設計庫容為2 023萬m3。

1.2" 水文背景

春季（3—5月）期間山區(qū)降水量約為154 mm；夏季（6—8月）期間山區(qū)降水量一般可達268.3 mm；秋季（9—11月）期間山區(qū)降水量約為89.2 mm；冬季（12—次年2月）期間山區(qū)降水量約為22.8 mm。

1.3" 建模軟件平臺選擇

為了應用BIM技術充分實現(xiàn)既定的業(yè)務功能，首先要做的便是選擇適用且高效的BIM平臺軟件。目前國內(nèi)外有多款針對不同領域開發(fā)的BIM軟件，其中國內(nèi)常用的BIM軟件也有30余種。通過多方比對，本文選擇由Autodesk公司開發(fā)的Revit軟件作為水工建筑物建模及水文信息管理系統(tǒng)二次開發(fā)的基礎平臺。

1.4" 工程構件族庫的建立

族是Revit建模最基本也是最核心的要素，是模型構建的基礎，并在此之上通過“組裝”完成，而族圖元的構成從下至上分別為族例（FamilyInstance）、族類（FamilyType）、族（Family）、族別（Category）[7]。Revit在創(chuàng)建之初就為使用者提供了多種創(chuàng)建族的樣板文件，本文將使用“自適應公制常規(guī)模型”創(chuàng)建水工建筑物模型所需要的族文件[8]。在建模過程中不難發(fā)現(xiàn)，Revit為用戶提供了多種不同的繪圖方式，其中包括有拉伸、融合等繪制方法[9]。

通過使用上述方法，可以很方便快捷地創(chuàng)建水工建筑物構件，通過平移、對齊等功能，拼接完成閘門的整體模型。本文建立的構成閘門整體的各個部件模型如圖1所示。

1.5" 水工建筑物BIM模型組建

通過上述類似的方法，使用者在創(chuàng)建完成需要的族庫后，便可通過“拼接”的方式完成水工建筑物整體的“組裝”。

由于Revit并不是專業(yè)的水工建模軟件，因此可以通過標高、參照平面、軸網(wǎng)等手段對建筑物模型的空間、位置進行有效的約束，從而達到精細化模型的要求。

2" 水文水資源信息的集成化管理

2.1" 水文信息引入和管理機制

頭屯河水庫傳統(tǒng)水文信息的記錄方式為人工手寫記錄成冊的數(shù)據(jù)管理模式，通常因為保存時間久遠容易造成數(shù)據(jù)的不完整和遺失，致使水文信息銜接不順暢。同時，如果管理人員在交接工作時存在信息丟失或交接有遺漏的情況，容易造成“信息孤島”現(xiàn)象。

對此，為了保證水利工程后期運維模型的整體性[10]，本文以頭屯河水庫建筑信息模型為研究對象，構建新的水文信息管理和運行機制，基于BIM技術的水文水資源信息引入及管理機制如下。

1）創(chuàng)建具有準確、可實時更新的頭屯河水庫運維信息模型。

2）通過將紙質(zhì)版內(nèi)的水文資料錄入計算機，建立健全水文信息庫。

3）將整理好的水文信息數(shù)據(jù)導入至建筑信息模型內(nèi)并在模型內(nèi)增加水文參數(shù)等信息。

4）將創(chuàng)建好的水文信息“附著”在頭屯河水庫運維信息模型上。

2.2" 水文信息庫的創(chuàng)建

本文以頭屯河水庫哈地坡測站水文數(shù)據(jù)為例，說明水文信息庫的建立過程。因哈地坡屬于頭屯河流域內(nèi)出山口測站，在通過該測站后再無其他支流匯入，故選取此測站作為頭屯河水庫來水量統(tǒng)計的標準。根據(jù)頭屯河流域哈地坡測站1907—1987年間的53年數(shù)據(jù)得出徑流量年分配及徑流量特征值，見表1。

式中：CV指年徑流變差系數(shù)；Qi指年凈流量；■指年平均徑流量；n取53。

通過分析現(xiàn)有1907—1987年間有效數(shù)據(jù)，其中有53年數(shù)據(jù)完備并計算得出頭屯河哈地坡年徑流變差系數(shù)為0.16，說明頭屯河流域多年平均徑流量年際變化不大，故其參考價值與意義較為穩(wěn)定。

3" 基于BIM平臺軟件的水文信息管理功能二次開發(fā)

3.1" 可視化編程插件Dynamo

水工建筑物模型完成后，進入運行維護，本文將可視化編程插件Dynamo嵌入BIM內(nèi)，從而提供一種新的模型信息快速更新方法。Dynamo與Revit可以友好兼容，且可以通過腳本的形式嵌入在Revit內(nèi)，為使用者提供一種全新的圖形化編程界面，從而完成一個設計者需要的程序。Dynamo內(nèi)的函數(shù)功能是前期預置好的，類似于Excel內(nèi)的函數(shù)功能，且節(jié)點功能集成度高。通過連接節(jié)點（Node）將各功能模塊代碼有序連接，再通過手動或自動的開始方式直接調(diào)試、運行即可。

3.2" 水文信息的批量更新與補充

在實際運維管理過程中，水情資料往往在現(xiàn)場人員抄錄后并不能第一時間錄入使用，數(shù)據(jù)需要經(jīng)過多次手抄轉錄。鑒于此，作為水利工程運行管理人員亟需一種具備可視化、快速更新數(shù)據(jù)的方法，本文將基于Dynamo插件實現(xiàn)水文信息數(shù)據(jù)的快速更新。具體操作步驟如圖2所示的格式化信息更新模塊設計流程。

3.3" 4D水文信息模型的創(chuàng)建

基于Dynamo編程技術，本文通過在水利工程模型中加入“日期”參數(shù)，完成了水利工程4D水文信息模型的創(chuàng)建。以頭屯河水庫閘門圖元為例，將水文信息附著在圖元上的具體實現(xiàn)。

通過Dynamo軟件內(nèi)的Color.ByARGB節(jié)點和Element.OverrideColorView節(jié)點可以實現(xiàn)對篩選出的圖元進行顏色上的區(qū)別顯示。本文將此著色展示模塊編制成標準化模塊，如圖3所示。

3.4" 水文信息的快速、準確查詢

如果運行管理人員需要查找定位某測站的水文信息，可根據(jù)對應的Element ID編號進行檢索定位，從而獲取相應的水文資料等。在Revit平臺內(nèi)的管理工具下對ID編號為209252的圖元進行搜索，如圖4所示，即可快速對哈地坡測站水文信息所附著的圖元進行定位。

4" 結論

本文以頭屯河水庫工程實例為研究對象構建數(shù)字化模型，針對頭屯河水庫水文信息業(yè)務管理功能，探索了BIM技術和Dynamo插件結合在水利工程與水文信息數(shù)字化綜合管理上的具體應用方法，開發(fā)運維階段可以使用的接口模塊，研究工作得到的主要結論如下。

1）BIM技術在我國已經(jīng)發(fā)展多年，但其主要仍然是使用在項目的前期，后期運維階段目前應用與研究相對較少，BIM技術在水利工程運維階段有著廣闊的發(fā)展前景。

2）結合水庫閘門模型，證明了Dynamo接口與Revit平臺的友好對接，以及通過二次開發(fā)可以較好地實現(xiàn)Revit功能拓展。

3）通過提出的水文信息引入和管理機制，將水工建筑物模型拓展為可供后期運維管理繼續(xù)使用的信息模型，利用Dynamo插件實現(xiàn)了Excel水文數(shù)據(jù)表與水庫模型中圖元信息的快速聯(lián)動更新，將時間參數(shù)引入模型中，使水文信息與時間的動態(tài)關聯(lián)得以展現(xiàn)，從而在真正意義上實現(xiàn)了水利工程全生命周期的管理。

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