大型供水工程BIM建模及应用研究

杨焱喆，赵喜萍，李剑平，李 智，谢 洪

（1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.山西省旅游投资控股集团有限公司，山西 太原 030000；3.山西东山供水工程建设公司，山西 太原 030000）

1 项目概况

山西东山供水工程作为山西跨流域引调水项目，实现了省内汾河流域上游、漳河流域上游接续工程，是“山西大水网”第五横晋中～长治线规划工程和“十二五”期间最重大的互通工程之一，是山西大水网设计框架中的主体部分，其中主要从调派区内三个县市的四大水源地调水，同时也与调入区内五县（市）的7 个已建水库、水源联系，为调出区补充工农业用水。工程输水管（洞）线路总长253.98 km，其中包含压力管线、隧洞、洞穿管及箱涵段。

2 BIM 技术

2.1 BIM 技术核心理念

建筑信息模型（Building Information Model，简称BIM[1]）。该模型有效集成了工程项目的几何、物理及功能信息，能显著提高工程全过程管理效率。

每个水利工程都包含着不同部门、不同科技领域、不同时间和空间等数据，每个项目参与方都需要对这些数据进行全面的了解、分析和建设，并根据数据分析情况配置资源和控制项目建设。传统的数据收集和分析技术需要分门别类逐项调查记录，每个部门都有重复数据，关系高度交叉。BIM 数字模型与现场实际情况一一对应，小到材质形状，大到纵坡、平面转角等，各参与方都能够高效率地共享信息和进行信息交流。BIM 同步数字模型在水利工程前期设计、中期施工、后期运维等环节中的应用，大大提高了水利工程建设的效率。

2.2 BIM 技术特性

2.2.1 可视化建模

BIM 技术与传统的模型区别在于BIM 模型可以更加直观、形象、具体地展现工程项目的材质、规格及其他属性，更方便地展示工程各方面细节[2]，例如水工建筑物的内部情况或厂房构造等。

2.2.2 丰富的动态化信息

BIM 模型中除包含当前搜集到的信息以外，在工程出现变更或施工方由于不可抗因素并未按照图纸施工时，无需再次进行建模，只需及时修改BIM 模型中的数据，模型信息也随即改变，信息更新的便捷性提高了设计者的工作效率。

2.2.3 仿真模拟演示

由于BIM 技术模型数据的完整性及可靠性，不仅可以将真实情景以画面的形式表现出来，还可以通过与外部计算软件联合，进行不同算法的计算处理。例如，在不同降雨量的情况下，该水工建筑物是否可以正常运行。通过不同情况的演算，仿真模拟出不同情况下的不同状态，并将计算结果以可视的形式展现出来[3]。

2.3 建模软件

BIM 建模工具采用Autodesk 公司的Revit2018 软件，软件界面简单明了，拥有强大的族功能。在建模过程中，Revit 提供从2D 到3D 的设计形式，可以通过转动任意视角进行族组件设计，编辑图形数据，直至满足个人及工程所需[4]。同时Revit 也可以在不同阶段对模型中的任意参数进行修改或添加，只需将参数进行修改，便可得到变化后的模型。另外，Revit 自带可视化编程Dynamo，不仅可以调用外部工具，还可以令复杂的编程语言变成可视化的气泡，一目了然地完成复杂重复的工作指令，大大提高开发效率。

3 东山供水工程BIM 模型构建

3.1 数据采集

BIM 要动态呈现供水管道线路的三维实时模型，还要将埋藏于地下布设线路上方的三维地形一对一地构建出来。本次三维外业地形数据由无人机倾斜摄影、RTK 获取。

3.1.1 创建小系统

由于工程施工距离长，工程量大，各标段施工方和采用的坐标系统不统一，所以数据采集，需创建各标段自己的小系统，并拟合参数，才能使二百余公里的管线无误衔接，故采用中海达RTK 将项目分为四个部分，分别在左权、榆社、平遥和介休创建大地2000坐标小系统，统一原本凌乱的坐标系，进行参数校正，为内业衔接工作及建模精度做保证。

3.1.2 无人机仿地飞行

无人机倾斜摄影由于简单便捷，三维建模精度高故被广泛使用，本工程地形起伏变化大，山体众多，故本次飞行使用大疆M300-RTK 进行仿地飞行，无人机仿地飞行示意图见图1。

图1 无人机仿地飞行示意图

在使用参数校正过的坐标系统进行控制点采集，控制点的设置可有效防止无人机因高空拍摄作业产生相片畸变使数据信息出现偏差，在后期图片处理将控制点信息刺入二维地形中进行纠偏。将处理后的图片导入DJI Terra 进行二维重建创建区域DSM，使用POS 影像约束，POS 系统是辅助空中三角测量技术在航空摄影测量的应用，也是提高绝对精度从而保证地形图精度的新方法[5]。

二维重建后的DSM 将拥有任意点云处的高程和地理坐标信息，针对工程地貌和地形高低起伏以及无人机仿地飞行的特点，在遥控器中导入重建后的DSM文件，设置“井”字形飞行航向，设置航向80%、旁向70%、飞行高度180 m 的高重叠度，以减少地面和空中的干扰，保证地形构造的准确度[6]。

3.1.3 供水线路数据

线路数据源于榆社县云竹镇东山供水工程项目部施工设计图纸，将供水线路数据（纵断面及平面图的坐标、高程、转交、材质、衬砌形式等）记录下来。

3.2 构建模型

3.2.1 地形的三维构建

采用大疆智图，将无人机外业拍摄照片导入，输出坐标系选择CGCS 2000。空间三角测量法是以人类视觉的重投影残差最小化为对象，在特定的所需环境下计算照相机在成像时的方位和姿势，其计算流程是先寻找同名像点，并进行特征点筛选与匹配，接着再通过区域网平差解算出照相机方位与姿态[7]。在进行三维重建之前，将外业所采集像控点坐标信息导入，利用像控点坐标刺入二维模型中，以此来提高空三精度。在空三解算完成后即可进行三维地形重建。本次建模采用的是大疆智图生成的OSGB 格式文件，该格式是无人机倾斜摄影常采用的三维数据格式。

3.2.2 Dynamo 可视化编程

Dynamo 是Revit 自带的编程工具，由许多节点根据编程人员的自主组合完成工作所需，最主要的特点便是可视化，去除了代码编程原本的冗杂。Dynamo中的节点互相连接以形成可视化编程流程中的实体，由输入、输出、结果显示3 部分组成。流程为节点与节点间的连线，是面向过程编程的具现，通过流水作业实现了建模逻辑的层层递进[8]。

3.2.3 参数化族库

族是组成BIM 模型的基本单元，是不同参数值的某一类图元的组合，一个BIM 模型所需要的是大大小小不同的族。参数化建模的好处便是在创建族的过程中可以根据修改尺寸、材料等物理特性而修改模型，不用重新建模只需将参数进行修改便可以得到新的族组件，大量减少了重新建模的时间。

建立族的方式有两种，一种是建立公制常规模型，变化各视角绘制不同立面的图形，然后进行手动三维拉伸，见图2、图3；另一种便是通过Dynamo 中的Solid.ByLoft 节点进行放样创建实体，该方法对三维曲线建模更加适用，并且也可通过改变节点等信息来组建不同的族组件。

图2 公制常规模型

图3 DN1800PCCP 管道

3.2.4 利用Dynamo 进行模型构建

在创建线路模型前，需要对不同管道材质、尺寸进行定位，由于定位点位置相对固定，在Civil 3D 中生成线路信息，并以Excel 的形式输出，而后使用Dynamo节点库中的OFFICE 库提供Excel 读写功能，可通过File Path 节点→File.FromPath 节点→Excel.ReadFromFile节点获取数据，节点详见图4。

图4 Dynamo 数据导入

数据导入之后，通过节点NurbsCurve.ByPoints 与Curve.PointAtSegmentLength 使Dynamo 调用Revit 生成三维轨迹，如图5。

图5 生成三维轨迹

在确定各构件相对位置后，需要识别Revit 族库中的族，Dynamo 节点库中的FamilyTypes 节点存储了Revit 族库中的所有族并按名称排序，随后调用Family Instance.ByPoint 节点放置模型，模型放置完成后，使用Element.SetParameterByName 节点可以设置模型参数。设置1 次参数的节点仅能修改1 个参数，对于参数较多的模型实例化较困难，所以引入Code Block 至关重要。Code Block 节点提供了新建、执行、查询3 种操作模式，可以用于建模全过程，见图6、图7。

图6 生成实体1

图7 生成实体2

至此，建模工作已完成，见图8。

图8 管道-出气阀-管道建模图

3.2.5 地形与管线模型的衔接

利用VR 技术可以相当直观地对BIM 模型的准确性做出判断，并且可以使多用户多角度地认知信息数据，对BIM 技术的体验变得更加畅通无阻，这就是“BIM+VR”技术，突出的便是更加直观的可视性，丰富多趣以及便捷高效的协同性[9]。

Fuzor 是一款专门针对BIM 技术开发的VR 插件，作为Revit 与VR 系统之间具有高度关联性的桥梁，可以使BIM 模型快速转化为直观的数据项目载体，充分达到数据交互的目的。Fuzor 可以将Revit 与DJI Terra 分别创建的管线三维模型与地形三维模型按照坐标系拟合在一个界面之中，并且可以以游戏的方式操作小人在模型之中上天入地，观察模型中的任何细节，同时也可以检验模型精度，观察地表建筑物与地下管线是否可以充分连接，形成一个多方位多角度的BIM 模型。

4 结语

尽管在开工前很多设计工作都会进行一系列的预算工作，但往往由于各种原因，实际过程中会出现仪器设备老化、损坏、监管不善等问题产生额外支出，导致工程建设成本增加，因此复杂的费用构成很容易对预算管理造成影响。

由于水利工程建设周期较长，情况较为复杂，采用BIM 技术能够使施工单位科学合理地制定工程预算、管理制度和工程造价支出等相关管理措施。如果从工程的设计开始，将BIM 技术贯穿工程的全生命周期，从设计者到施工方再到后期管理者，就可以避免许多不必要的错误和损失。BIM 技术从二维平面向参数化三维转变，并与VR 技术、无人机技术紧密结合，不断优化设计与施工方案，必将大大加快水利工程的集约、节约和智慧化管理进程[10]。