基于BIM技术的泵站工程安全监测系统开发与应用研究

朱松松

（河海大学水利水电学院， 江苏　南京　210098）

引言

目前水利工程中对于安全监测资料分析主要是依靠传统的办公软件以及计算软件来实现，工程的结构信息主要还是以二维图为主，决策判断的质量受到二维图关联性分析的影响。而BIM技术能够很好地解决上述问题。建筑信息模型（简称BIM）是以工程项目的各项信息为基础，进行工程三维模型的建立，模拟工程的真实信息，用来展示工程的整个生命周期[1-3]。赵继伟等基于参数化设计软件，以子模型装配为主要过程建立水利工程信息模型[4]。BIM技术越来越多地运用到工程管理[1]。

本文搭建了一个基于BIM技术的泵站工程安全监测系统。为泵站管理者提供了一个直观高效的泵站运行管理平台，可以在三维模型上了解各个监测点的监测数据、变化趋势以及对监测数据计算分析后的结果，便于工程管理人员快速掌握泵站的运行状态，提高了安全管理的准确性。该系统在南水北调工程的某泵站运行管理中获得了成功应用，建立了泵站主体的三维模型，并将各个模型信息和监测信息与模型相关联，可在三维模型上实时查询监测信息和模型信息，并经过计算，泵站各项监测数据均处于安全区域内[2]。

1　基于BIM技术的泵站安全监测系统

1.1　BIM技术简介

BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，在项目设计、施工和运行的全生命周期过程中将参数模型整合各种项目的相关信息进行共享和传递，提供协同工作的基础。

BIM技术通过制定统一的数据标准，将不同专业的三维设计和协同设计进行整合，形成了完整的信息管理平台，减少了因沟通和实施环节信息流失而造成的损失。

1.2　Navisworks二次开发方法

Navisworks二次开发主要用.NET API方式。NET API支持大部分Navisworks软件等价的功能有操作文档、漫游模式、视点、选择集等。

系统的API开发方式是用.NET API。通过在应用程序中调用控件，将控件嵌入到自己的应用程序，可以设计出自己的项目管理平台。调用API里的方法可以进行修改模型、切换观察视角、访问对象的属性、查找对象等操作。

1.3　系统总体架构设计

首先利用 Civil 3D、Revit、Inventor进行泵站三维建模，并在Navisworks里对各个模型进行整合，利用数据库存储模型、监测等各项信息；再通过Navisworks二次开发，利用Navisworks漫游功能查看整体泵站结构，编写Sql语句，将模型与数据库表中的字段通过唯一标识符建立连接，使模型和模型属性、监测数据相关联，建立泵站建筑信息模型，并实现数据查询和监测数据分析等功能。

2　泵站安全监测资料分析方法

2.1　统计模型的建立

由于针对泵站安全监控的研究成果较少，所以本文基于重力坝的统计模型理论，通过有限元法和逐步回归法相结合，建立泵站位移的统计模型[3]。

本文利用有限元计算，计算得到水压荷载作用下的泵站位移场，然后通过逐步回归分析，确定水压分量统计模型的因子形式，再通过有限元和水压分量统计模型来计算预测的水位，来验证水压分量的正确性。然后初步拟定温度分量和时效分量的因子形式，根据泵站实测的位移值，通过逐步回归分析，确定温度分量和时效分量的因子形式，从而确定泵站的统计模型。

2.2　监控指标的建立

利用回归分析得到的各测点的实测值、估计值及所有测点估计值的剩余标准差确定多个取值范围，以界定泵站监测点是处于安全区域、异常区域还是危险区域，从而分析整个泵站的运行状态。监控指标如表1所示。

表1　监控指标区间

3　泵站工程安全监测系统架构

基于上述的开发方法，本文把BIM技术与安全监测技术相结合。利用Navisworks的可视化和三维模拟功能，通过C号和API对Navisworks软件进行二次开发，将三维模型运用到泵站的安全监测系统中，实时快速查询泵站各项信息（监测信息、模型信息等）；并利用逐步回归和有限元推导得到的统计模型对监测数据进行计算和分析，判断监测点的安全状态。该系统共分为数据管理模块、模型可视化模块、数据分析模块三个模块。具体实现了监测数据的传输和管理，模型数据和监测数据相关联，泵站模型的可视化，监测信息、泵站模型属性的可视化查询，监测数据的回归分析和趋势分析，通过监控指标分析泵站的运行状态等功能[4]。

3.1　数据管理模块

系统将Microsoft SQL Server数据库作为数据管理平台，将各项监测信息按照一定的格式传入到数据库中，同时将监测数据和模型信息相关联，从而建立泵站工程信息模型。

同时系统提供功能允许操作者根据模型属性来对模型信息、监测信息、设备信息进行查询和修改，实现了数据信息的管理和维护。

3.2　模型可视化模块

按照实际工程的材质，为泵站模型进行渲染，并添加适当的光源，从而增加三维模型的现实感。通过Navisworks提供的控件以及Api里提供的方法，可以通过导航面板对模型进行平移、缩放、旋转、漫游、动态观察等漫游操作，使操作者能够较好地了解整个模型的结构。

系统将模型数据和监测数据相关联，在点击模型里的某监测点时，将显示该监测点的测点位置、监测点最近一次的监测数据，并画出该监测点近一年的监测数据图，可以查看该监测点的变化规律。也可以根据监测项目的目录树，查看多个监测点的变化情况。将监测数据与泵站模型相结合，可以快速掌握泵站整体的监测情况，为泵站的安全运行管理提供了便捷性和直观性。

3.3　数据分析模块

系统通过逐步回归分析和有限元计算得到泵站统计模型，对监测数据进行回归分析和趋势分析，并根据监控指标，分析泵站各个监测点的监测状态，从而得到泵站整体的运行状态，为管理者在决策分析时提供依据，大大提高了安全管理的准确性。

系统通过报表的形式把各个监测点的监测数据显示出来，这些报表可以输出成Excel或PDF格式，有助于泵站资料的整编。

4　工程应用案例

4.1　工程概况

某泵站是南水北调工程东线第三梯级泵站之一，主要由泵站、挡洪闸、进水闸、洪金地涵、引河等工程设施组成。主要任务是通过与下级金湖站联合运行，由金宝航道、入江水道三河段向洪泽湖调水，其安全运行至关重要，因此，有必要对其进行安全监测，并考虑到监测数据管理、整编、分析以及三维可视化等需求，构建了基于BIM的泵站安全监测系统。

4.2　工程应用

首先建立泵站工程的建筑信息模型，模型包括泵站的结构、地基等三维几何模型和材料属性，并在三维模型中绘制各个监测点，把监测信息与监测点的几何信息相关联。然后在数据库中建立模型信息、监测信息、设备信息等数据信息表，并将各个信息表进行相关联，从而构建出一个泵站工程信息模型。

系统在实际工程中主要实现了以下功能。

1）显示了监测数据的查询，可以按照垂直位移、水平位移等监测项目进行查询，并绘制监测数据的时程图，还可以将相邻监测点的趋势进行对比，来对监测数据的变化进行分析；

2）在泵站的三维信息模型上实时查询当天的监测信息，以及对监测信息进行分析，包括监测数据的回归模型、相关系数和回归拟合曲线；

3）显示了各个监测数据的报表，便于工作人员的资料整编。

图1　2号底板2-1垂直位移趋势图

如图1所示，显示了2号底板2-1测点垂直位移最近一次的数据分析，实测的监测数据为1.1 mm，系统计算得到的回归方程的相关系数为0.928，统计模型计算得到的数据为1.0 mm，满足精度要求，并根据监控指标，分析得到本次的监测值处于安全区域里，说明监测数据没有发生较大变化，处于正常变化区域内。

根据实际应用可以看出，基于BIM技术的泵站工程安全监测系统能够很好地将各项监测数据和三维模型有效地整合在一起，便于对泵站快速地了解和信息的共享，及时并有效地判断泵站的安全状态。

5　结论

本文将BIM技术运用到泵站监测管理系统，将泵站模型和监测信息相结合，建立了泵站建筑信息模型，实现了泵站模型漫游可视化，模型信息、监测信息实时查询、分析等功能，有效地对泵站模型、监测等各项信息进行管理与共享，提高了泵站的管理效率，为泵站的管理提供了有力的支持。

[1]赵灵敏.基于BIM的建设工程全寿命周期项目管理研究[D].济南：山东建筑大学，2014.

[2]李勇，管昌生.基于BIM技术的工程项目信息管理模式与策略[J].工程管理学报，2012（4）：17-21.

[3]廖哲男，魏巍，赵亮，等.大体积混凝土BIM智能温控系统的研究与应用[J].土木建筑与环境工程，2016，38（4）：132-138.

[4]赵继伟，魏群，张国新.水利工程信息模型的构建及其应用[J].水利水电技术，2016，47（4）：29-33.