朱松松

（河海大學(xué)水利水電學(xué)院， 江蘇　南京　210098）

引言

目前水利工程中對(duì)于安全監(jiān)測(cè)資料分析主要是依靠傳統(tǒng)的辦公軟件以及計(jì)算軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，工程的結(jié)構(gòu)信息主要還是以二維圖為主，決策判斷的質(zhì)量受到二維圖關(guān)聯(lián)性分析的影響。而B(niǎo)IM技術(shù)能夠很好地解決上述問(wèn)題。建筑信息模型（簡(jiǎn)稱(chēng)BIM）是以工程項(xiàng)目的各項(xiàng)信息為基礎(chǔ)，進(jìn)行工程三維模型的建立，模擬工程的真實(shí)信息，用來(lái)展示工程的整個(gè)生命周期[1-3]。趙繼偉等基于參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，以子模型裝配為主要過(guò)程建立水利工程信息模型[4]。BIM技術(shù)越來(lái)越多地運(yùn)用到工程管理[1]。

本文搭建了一個(gè)基于BIM技術(shù)的泵站工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為泵站管理者提供了一個(gè)直觀高效的泵站運(yùn)行管理平臺(tái)，可以在三維模型上了解各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、變化趨勢(shì)以及對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析后的結(jié)果，便于工程管理人員快速掌握泵站的運(yùn)行狀態(tài)，提高了安全管理的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)在南水北調(diào)工程的某泵站運(yùn)行管理中獲得了成功應(yīng)用，建立了泵站主體的三維模型，并將各個(gè)模型信息和監(jiān)測(cè)信息與模型相關(guān)聯(lián)，可在三維模型上實(shí)時(shí)查詢(xún)監(jiān)測(cè)信息和模型信息，并經(jīng)過(guò)計(jì)算，泵站各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均處于安全區(qū)域內(nèi)[2]。

1　基于BIM技術(shù)的泵站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1　BIM技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的數(shù)據(jù)化工具，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的全生命周期過(guò)程中將參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息進(jìn)行共享和傳遞，提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)。

BIM技術(shù)通過(guò)制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，將不同專(zhuān)業(yè)的三維設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行整合，形成了完整的信息管理平臺(tái)，減少了因溝通和實(shí)施環(huán)節(jié)信息流失而造成的損失。

1.2　Navisworks二次開(kāi)發(fā)方法

Navisworks二次開(kāi)發(fā)主要用.NET API方式。NET API支持大部分Navisworks軟件等價(jià)的功能有操作文檔、漫游模式、視點(diǎn)、選擇集等。

系統(tǒng)的API開(kāi)發(fā)方式是用.NET API。通過(guò)在應(yīng)用程序中調(diào)用控件，將控件嵌入到自己的應(yīng)用程序，可以設(shè)計(jì)出自己的項(xiàng)目管理平臺(tái)。調(diào)用API里的方法可以進(jìn)行修改模型、切換觀察視角、訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象的屬性、查找對(duì)象等操作。

1.3　系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

首先利用 Civil 3D、Revit、Inventor進(jìn)行泵站三維建模，并在Navisworks里對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行整合，利用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模型、監(jiān)測(cè)等各項(xiàng)信息；再通過(guò)Navisworks二次開(kāi)發(fā)，利用Navisworks漫游功能查看整體泵站結(jié)構(gòu)，編寫(xiě)Sql語(yǔ)句，將模型與數(shù)據(jù)庫(kù)表中的字段通過(guò)唯一標(biāo)識(shí)符建立連接，使模型和模型屬性、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，建立泵站建筑信息模型，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢(xún)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析等功能。

2　泵站安全監(jiān)測(cè)資料分析方法

2.1　統(tǒng)計(jì)模型的建立

由于針對(duì)泵站安全監(jiān)控的研究成果較少，所以本文基于重力壩的統(tǒng)計(jì)模型理論，通過(guò)有限元法和逐步回歸法相結(jié)合，建立泵站位移的統(tǒng)計(jì)模型[3]。

本文利用有限元計(jì)算，計(jì)算得到水壓荷載作用下的泵站位移場(chǎng)，然后通過(guò)逐步回歸分析，確定水壓分量統(tǒng)計(jì)模型的因子形式，再通過(guò)有限元和水壓分量統(tǒng)計(jì)模型來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)的水位，來(lái)驗(yàn)證水壓分量的正確性。然后初步擬定溫度分量和時(shí)效分量的因子形式，根據(jù)泵站實(shí)測(cè)的位移值，通過(guò)逐步回歸分析，確定溫度分量和時(shí)效分量的因子形式，從而確定泵站的統(tǒng)計(jì)模型。

2.2　監(jiān)控指標(biāo)的建立

利用回歸分析得到的各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值、估計(jì)值及所有測(cè)點(diǎn)估計(jì)值的剩余標(biāo)準(zhǔn)差確定多個(gè)取值范圍，以界定泵站監(jiān)測(cè)點(diǎn)是處于安全區(qū)域、異常區(qū)域還是危險(xiǎn)區(qū)域，從而分析整個(gè)泵站的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控指標(biāo)如表1所示。

表1　監(jiān)控指標(biāo)區(qū)間

3　泵站工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

基于上述的開(kāi)發(fā)方法，本文把BIM技術(shù)與安全監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合。利用Navisworks的可視化和三維模擬功能，通過(guò)C號(hào)和API對(duì)Navisworks軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將三維模型運(yùn)用到泵站的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)快速查詢(xún)泵站各項(xiàng)信息（監(jiān)測(cè)信息、模型信息等）；并利用逐步回歸和有限元推導(dǎo)得到的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)的安全狀態(tài)。該系統(tǒng)共分為數(shù)據(jù)管理模塊、模型可視化模塊、數(shù)據(jù)分析模塊三個(gè)模塊。具體實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸和管理，模型數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，泵站模型的可視化，監(jiān)測(cè)信息、泵站模型屬性的可視化查詢(xún)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析和趨勢(shì)分析，通過(guò)監(jiān)控指標(biāo)分析泵站的運(yùn)行狀態(tài)等功能[4]。

3.1　數(shù)據(jù)管理模塊

系統(tǒng)將Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，將各項(xiàng)監(jiān)測(cè)信息按照一定的格式傳入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模型信息相關(guān)聯(lián)，從而建立泵站工程信息模型。

同時(shí)系統(tǒng)提供功能允許操作者根據(jù)模型屬性來(lái)對(duì)模型信息、監(jiān)測(cè)信息、設(shè)備信息進(jìn)行查詢(xún)和修改，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的管理和維護(hù)。

3.2　模型可視化模塊

按照實(shí)際工程的材質(zhì)，為泵站模型進(jìn)行渲染，并添加適當(dāng)?shù)墓庠?，從而增加三維模型的現(xiàn)實(shí)感。通過(guò)Navisworks提供的控件以及Api里提供的方法，可以通過(guò)導(dǎo)航面板對(duì)模型進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、漫游、動(dòng)態(tài)觀察等漫游操作，使操作者能夠較好地了解整個(gè)模型的結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)將模型數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，在點(diǎn)擊模型里的某監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，將顯示該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)位置、監(jiān)測(cè)點(diǎn)最近一次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并畫(huà)出該監(jiān)測(cè)點(diǎn)近一年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖，可以查看該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律。也可以根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的目錄樹(shù)，查看多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化情況。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與泵站模型相結(jié)合，可以快速掌握泵站整體的監(jiān)測(cè)情況，為泵站的安全運(yùn)行管理提供了便捷性和直觀性。

3.3　數(shù)據(jù)分析模塊

系統(tǒng)通過(guò)逐步回歸分析和有限元計(jì)算得到泵站統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析和趨勢(shì)分析，并根據(jù)監(jiān)控指標(biāo)，分析泵站各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)狀態(tài)，從而得到泵站整體的運(yùn)行狀態(tài)，為管理者在決策分析時(shí)提供依據(jù)，大大提高了安全管理的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)通過(guò)報(bào)表的形式把各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，這些報(bào)表可以輸出成Excel或PDF格式，有助于泵站資料的整編。

4　工程應(yīng)用案例

4.1　工程概況

某泵站是南水北調(diào)工程?hào)|線(xiàn)第三梯級(jí)泵站之一，主要由泵站、擋洪閘、進(jìn)水閘、洪金地涵、引河等工程設(shè)施組成。主要任務(wù)是通過(guò)與下級(jí)金湖站聯(lián)合運(yùn)行，由金寶航道、入江水道三河段向洪澤湖調(diào)水，其安全運(yùn)行至關(guān)重要，因此，有必要對(duì)其進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，并考慮到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、整編、分析以及三維可視化等需求，構(gòu)建了基于BIM的泵站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4.2　工程應(yīng)用

首先建立泵站工程的建筑信息模型，模型包括泵站的結(jié)構(gòu)、地基等三維幾何模型和材料屬性，并在三維模型中繪制各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，把監(jiān)測(cè)信息與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的幾何信息相關(guān)聯(lián)。然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立模型信息、監(jiān)測(cè)信息、設(shè)備信息等數(shù)據(jù)信息表，并將各個(gè)信息表進(jìn)行相關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)建出一個(gè)泵站工程信息模型。

系統(tǒng)在實(shí)際工程中主要實(shí)現(xiàn)了以下功能。

1）顯示了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢(xún)，可以按照垂直位移、水平位移等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行查詢(xún)，并繪制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)程圖，還可以將相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行分析；

2）在泵站的三維信息模型上實(shí)時(shí)查詢(xún)當(dāng)天的監(jiān)測(cè)信息，以及對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸模型、相關(guān)系數(shù)和回歸擬合曲線(xiàn)；

3）顯示了各個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)表，便于工作人員的資料整編。

圖1　2號(hào)底板2-1垂直位移趨勢(shì)圖

如圖1所示，顯示了2號(hào)底板2-1測(cè)點(diǎn)垂直位移最近一次的數(shù)據(jù)分析，實(shí)測(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為1.1 mm，系統(tǒng)計(jì)算得到的回歸方程的相關(guān)系數(shù)為0.928，統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)為1.0 mm，滿(mǎn)足精度要求，并根據(jù)監(jiān)控指標(biāo)，分析得到本次的監(jiān)測(cè)值處于安全區(qū)域里，說(shuō)明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生較大變化，處于正常變化區(qū)域內(nèi)。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用可以看出，基于BIM技術(shù)的泵站工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠很好地將各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和三維模型有效地整合在一起，便于對(duì)泵站快速地了解和信息的共享，及時(shí)并有效地判斷泵站的安全狀態(tài)。

5　結(jié)論

本文將BIM技術(shù)運(yùn)用到泵站監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，將泵站模型和監(jiān)測(cè)信息相結(jié)合，建立了泵站建筑信息模型，實(shí)現(xiàn)了泵站模型漫游可視化，模型信息、監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)查詢(xún)、分析等功能，有效地對(duì)泵站模型、監(jiān)測(cè)等各項(xiàng)信息進(jìn)行管理與共享，提高了泵站的管理效率，為泵站的管理提供了有力的支持。

[1]趙靈敏.基于BIM的建設(shè)工程全壽命周期項(xiàng)目管理研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2014.

[2]李勇，管昌生.基于BIM技術(shù)的工程項(xiàng)目信息管理模式與策略[J].工程管理學(xué)報(bào)，2012（4）：17-21.

[3]廖哲男，魏巍，趙亮，等.大體積混凝土BIM智能溫控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].土木建筑與環(huán)境工程，2016，38（4）：132-138.

[4]趙繼偉，魏群，張國(guó)新.水利工程信息模型的構(gòu)建及其應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2016，47（4）：29-33.