基于BIM的地下管线三维可视化管理系统设计

曹冬冬

(中煤西安设计工程有限责任公司,陕西 西安 710054)

当前城市中老旧城区道路、单位及家属院周围都存在着地下管线埋设时间长、施工图或竣工图丢失、管理匮乏等问题，不仅会对周围居民的生活产生影响，同时也会造成改造开挖的二次破坏[1]。传统的地下管线图及地形图过于密集和专业、缺乏友好的可视化界面，并且均为二维线划图，管理人员和设计人员不能直观地了解地下管线的管径、埋深、规格、材质属性等信息，只能通过文字标注获得以上内容，因此很难为管理人员提供可靠的规划、设计、施工方案。鉴于此，为了进一步加强测绘数据资源的利用率，满足规划、设计和建设工作的相关要求，实现地形数据及地下管网数据的标准化、信息化管理，本文提出一种基于BIM的地下管线三维可视化管理系统。利用BIM技术将地下三维管线数据与地面地形要素数据完美融合，同时优化开发出不仅具有信息浏览、查询、统计功能，还具备巡检、维护、应急决策等分析功能。

1 BIM技术

BIM(Building Information Modeling)是“建筑信息模型”的简称，是在建筑行业上的一项新兴技术。BIM技术作为建筑工程项目几何属性的数值化表达，是建筑工程项目信息可以共享的知识资源集合体，其基本原理就是将工程建设中设计和施工单位数量和种类繁多的零碎图纸作为一个整体来看待，通过虚拟方式鉴别它们之间的几何学冲突，避免实际施工中出现问题。由于其具有可视化、协调性、优化性及其全周期应用等优点，目前在欧美国家以及亚洲的日本、韩国等国家的建筑行业的项目设计、施工和维护中得到了广泛的应用。作为现在建筑行业兴起的一项技术，BIM技术的三维可视化模型不仅可以实现漫游和模型查看，而且数据模型中包含有大量的内部属性信息，可以用于模型数据的分析和管理。本文主要采用BIM技术对地下管线三维可视化管理系统进行设计。

2 基于BIM的地下管线三维可视化管理系统硬件设计

本文设计的基于BIM的地下管线三维可视化管理系统主要硬件设备为地下管线的监测设备，包括埋入式测缝设备、表面测缝设备、位移测量设备、渗压测量设备、压力测量设备、钢筋测量设备、应变测量设备以及应力测量设备[2]。为了保证各类监测设备及设备的技术指标均能满足设计需要，针对不同的设备选择符合要求的相应规格。

埋入式测缝设备选用型号为BGK5500的振弦式测缝计，其量程大小为45 mm，灵敏度为0.035%F.S.，精准度为-0.2%～0.2%，测量过程中的温度适应范围为-20℃～+75℃；表面测缝设备选用型号为BGK5530的振弦式测缝计，其量程大小为65 mm，灵敏度为0.040%F.S.，精准度为0.1%，测量过程中的温度适应范围为-20℃～+75℃；位移测量设备选用型号为BGK5560的振弦式位移计，其量程大小为105 mm，灵敏度为0.015%F.S.,精准度为0.1%，测量过程中的温度适应范围无要求，该型号位移计的尺寸为L=650 mm；渗压测量设备选用型号为BGK5510 AL的振弦式渗压计，其量程大小为150 KPa，灵敏度为0.025%F.S.,精准度为-0.1%～0.1%。除上述不同作用的监测设备外，用于本文系统的硬件设备还包括振弦式读数仪、电子水准仪、电缆、高标、集线箱金属管线探测仪、地质雷达等。表1为不同功能监测设备的数据采集频率。

表1 不同功能监测设备数据采集频率

在埋设监测设备时，首先要对各类监测设备进行严格的检查，保证埋入前各个设备均符合要求。

埋入时应当根据监测设备的设计图纸进行埋设[3]。由于地下管线结构复杂，某些重要部分具有十分特殊的监测任务，因此在某些具体监测断面上监测设备的布置应存在略微的差异。

3 基于BIM的地下管线三维可视化管理系统软件设计

3.1 地下管线破损记录存储

在地下管线破损记录存储中，系统主要完成对地下管线的破损记录汇总、存储各地下管线、各批次的破损记录等任务，同时定义破损信息离散、存储方式等也在地下管线破损记录存储中进行，将相关数据信息以结构化的数据表格形式存储为地下管线破损记录[4]。其中，各类破损记录包括破损记录ID、地下管线ID、检查管理批次ID、破损位置的三维坐标ID以及破损地下管线自身属性参数等。其中，破损记录ID是各类地下管线破损记录中唯一标识，表示上一批次中出现与本次破损记录相同位置的破损记录ID，主要用于追踪地下管线破损的历史情况；地下管线ID用于区分系统中不同地下管线类型，标明破损记录属于电力、供水、排水、燃气、热力或其他管线；检查管理批次ID用于区别地下管线的检查任务批次，标注破损记录属于哪类批次；破损位置的三维坐标ID与系统中构建的基于BIM的地下管线三维模型坐标相对应，每个地下管线在不同模块中的三维模型都可使用统一的模型坐标系[5]。当三维模型中的坐标系发生变化时，应当对数据库中存储的三维坐标值进行相应的更改；破损地下管线自身属性参数是指除了破损位置信息之外，与地下管线破损类型、程度等相关的特征描述参数，例如地下管线裂缝长度数值[6]。同时根据系统的具体功能设计需要，还需要为破损记录添加对应的其他属性。为了使各项参数与地下管线破损记录存储中结构化数据库相对应，将破损信息离散后，应当以结构化数据表格的形式存储为破损记录，并且破损记录还应当以破损标记体的形式展现在基于BIM的地下管线三维模型中。

3.2 基于BIM的地下管线三维建模

地下管线三维建模是为各个功能提供统一场景的地下管线三维模型，在建模模块中，地下管线的三维模型采用BIM技术实现，在BIM三维模型中不仅包含了三维几何模型，同时也含有与三维几何模型相关的所有对应连接信息。在地下管线三维模型中，将上文中提出的破损记录以破损标记体的形式在三维模型中显示，图1为基于BIM的地下管线三维建模流程示意图。

图1 基于BIM的地下管线三维建模流程示意图

在构建基于BIM的地下管线三维模型时，首先要对实际地下管线的构件进行拆分，拆分过细会造成构件数量过多，系统内部数据库的使用空间会被大量价值较低信息占据，并影响信息的运行质量，增加信息维护量。拆分过粗又会导致必要信息未被采集，无法对实际地下管线进行完整的模型构建[7]。因此，地下管线构件是承载信息管理的基础。在拆分后，利用构件作为对地下管线信息描述的最小单元，将建造、破损、维修、更换等相关信息统一记录，并在BIM三维可视化模型中，将构件的几何体与系统数据库中的构件ID绑定，从而与系统数据库所加载的构件信息连接。

3.3 地下管线破损信息采集

地下管线破损信息采集是地下管线BIM三维可视化模型的录入终端，能够提供在地下管线养护管理的现场使用，进行破损信息采集。信息采集可以移动终端设备作为载体，利用Open GL三维引擎显示地下管线三维模型[8]。以BIM三维模型为基础，捕获破损发生位置的模型场景三维坐标，将破损参数录入，将三维坐标以及参数进行关联处理后，形成一条完整的破损记录。破损记录可存储在相应的数据采集设备的本地存储数据库中。图2为地下管线破损信息采集具体流程图。

图2 地下管线破损信息采集具体流程图

根据图2中的地下管线破损信息采集具体流程完成对地下管线BIM三维可视化模型的数据采集，根据数据在建模软件中完成对地下管线BIM三维模型构建。

3.4 地下管线破损记录管理

地下管线破损记录管理是对地下管线破损记录存储中的破损记录进行三维可视化的管理。本文采用SOE服务作为数据分析的引擎，SOE服务可以最大限度地利用GIS桌面端组件，提高数据分析效率[9]。再基于Oracle+ArcSDE对海量数据进行管理，既可以管理空间属性信息，也能管理其他信息。在该模块中共分为两个子模块，分别为地下管线三维破损信息展示和破损信息维护，主要用于对地下管线的破损数据存储中的破损记录进行三维可视化管理和维护。在展示模块中，主要包括破损信息的图形化显示、破损详细信息查询、地下管线全线破损总览。在维护模块中，主要包括增加破损记录、删除破损记录以及修改破损记录。

在地下管线破损记录管理中，将破损记录的破损标记体作为系统管理的入口，对破损记录进行三维可视化管理[10]。对破损记录进行三维可视化管理时，可实现对全线路地下管线的破损历史追踪，根据地下管线ID获取地下管线所有检查管理批次，从而形成检查管理批次时序链条。通过链条上的节点入口，从系统数据库中查询对应批次的破损记录。

4 实验论证分析

4.1 实验准备

选择某院区地下综合管线作为实验对象，将地下管线的各项参数信息输入到仿真实验软件中，利用实验软件构建虚拟地下管线。将该虚拟地下管线分别利用传统管理系统和本文提出的基于BIM的地下管线三维可视化管理系统对其进行破损数据信息查询，分对照组和实验组。利用仿真软件在虚拟地下管线中构建5处不同类型的破损位置，比较对照组和实验组准确查询到5处不同类型破损的地下管线位置查询时间。

4.2 实验结果及分析

完成对比实验后，将实验过程中的数据进行记录，并绘制成如表2所示的实验结果对比表。

表2 实验结果对比/s

由实验结果对比可以看出，实验组查询破损位置耗时均在10.00～15.00 s范围内，而对照组查询破损位置耗时最小值也超过了30.00 s。通过对比实验证明，本文提出的基于BIM的地下管线三维可视化管理系统具有更高的查询速度，因此，管理效率更高，更符合实际需要。

5 结 语

针对传统系统中的不足，本文提出了一种基于BIM的地下管线三维可视化管理系统，该系统不仅可以使管理人员对各自辖区的管线情况一目了然，提高综合管理水平，而且可以为后期的规划建设、综合管理和应急处置提供基础服务。本文系统的应用可以帮助规划设计人员动态掌握各种地下管线的分布情况，为管线的规划设计以及紧急事故处置提供有效的辅助决策作用。