劉建秀，蘇文哲，陳 特，熊江陵

（1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.湖南省BIM 工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

引言

建筑信息模型（Building Information Model,簡(jiǎn)稱BIM）是以三維模型為數(shù)據(jù)載體，能夠隨著工程全生命周期的發(fā)展而孿生共長(zhǎng)的信息綜合有機(jī)體，宜于結(jié)合時(shí)間和成本要素構(gòu)成四維、五維的信息體，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程進(jìn)行完備、全面、一致的描述。近年來，BIM 技術(shù)在水電工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段得到了快速發(fā)展[1，6，8，9]。因參與方、軟件、管理維度等差異，各階段對(duì)模型組織方式和信息深度的訴求是不一樣的。跨階段的數(shù)字化交付作為一個(gè)日漸突出的問題引起了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。常用的交付方式有基于平臺(tái)的一體化交付[5-7]，上游階段提供模型應(yīng)用和數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，和模型一同交付；基于模型文件的交付，包含幾何信息、屬性信息和文檔信息的文件式交付；還有基于二維圖紙的交付，從模型中提取二維圖紙，按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行應(yīng)用和管理。其中，基于平臺(tái)的交付集成化程度高，但是一般很難實(shí)現(xiàn)與業(yè)主已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的功能集成；基于模型文件的交付，格式一般是通用的三維格式，例如IFC 格式，在水電領(lǐng)域常會(huì)存在信息表達(dá)不完整的情況。

由于水電工程領(lǐng)域的模型大多是非標(biāo)準(zhǔn)化的，且工程建設(shè)進(jìn)度受地質(zhì)和環(huán)境等影響比較大，交付需求尤其是模型的拆分和引用參照關(guān)系是很難在一開始就明確的。在模型交付應(yīng)用之后，仍需對(duì)模型進(jìn)行頻繁拆分或重組[3-4]，多次更新之后，對(duì)信息的追本溯源帶來極大困擾。此外，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，例如造價(jià)估算，無法方便地按照造價(jià)專業(yè)的需求基于同一套模型進(jìn)行造價(jià)場(chǎng)景構(gòu)建。從編碼、模型重組和交付引擎入手，提出支持模型交付及深度應(yīng)用的解決方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的有效傳遞，在模型版本更新過程中保持對(duì)數(shù)據(jù)的有效跟蹤。

1 數(shù)字化交付

數(shù)字化交付的核心內(nèi)容包括三維模型、數(shù)據(jù)、文檔及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，文檔可以抽象為標(biāo)識(shí)碼作為模型的一類數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。根據(jù)《水利水電工程信息模型設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》[2]，水電工程信息模型應(yīng)包括：a.模型單元幾何信息及其表達(dá)精度；b. 模型單元屬性信息及其信息深度；c. 模型單元的關(guān)聯(lián)關(guān)系；d. 屬性值的數(shù)據(jù)來源。在此研究模型幾何和屬性更新過程中的數(shù)據(jù)問題，實(shí)現(xiàn)以模型為中心的跨場(chǎng)景應(yīng)用和數(shù)據(jù)跟蹤。水電工程信息模型單元分級(jí)結(jié)構(gòu)見表1。

基于模型的交付和應(yīng)用需要滿足表1 所示的模型單元分級(jí)應(yīng)用需求。

1.1 可擴(kuò)展的編碼體系

在表1 中，構(gòu)件級(jí)模型和零件級(jí)模型是有實(shí)體模型的，數(shù)據(jù)和模型可實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)；而項(xiàng)目級(jí)和功能級(jí)模型對(duì)應(yīng)工程的全局信息或空間信息，例如工程位置、裝機(jī)容量等，一般會(huì)采用抽象模型或邏輯模型，將整個(gè)項(xiàng)目模型看做一個(gè)邏輯整體，承載全局信息。為了建立以模型為中心的數(shù)據(jù)有機(jī)體，提出的編碼體系見圖1。

圖1 針對(duì)模型構(gòu)件的編碼體系

表1 水電工程信息模型單元分級(jí)

圖1 中的模型可以表示物理模型，或是一個(gè)符號(hào)化的邏輯模型。對(duì)每個(gè)模型在不同的應(yīng)用場(chǎng)景、階段，分別設(shè)置場(chǎng)景識(shí)別碼，例如設(shè)計(jì)編碼PBS、施工編碼WBS 等，每一個(gè)識(shí)別碼對(duì)應(yīng)一套數(shù)據(jù)信息。一般而言，模型在不同場(chǎng)景下，幾何和工程信息的組織維度是不一樣的。

圖2 以模型A 為例，展示了隨著工程階段的進(jìn)展，模型信息漸變生長(zhǎng)的過程。其中，深色和透明色分別表示模型的幾何和信息變化。模型以幾何構(gòu)件和編碼體系為最小生成單元，在設(shè)計(jì)階段賦予設(shè)計(jì)編碼PA。在施工階段，由于管理維度的差異，對(duì)模型A 進(jìn)行了幾何和屬性的拆分，每一個(gè)子構(gòu)件都繼承原有的設(shè)計(jì)信息PA，并賦予新的施工編碼WA1、WA2 和WA3；受施工進(jìn)度的影響，A2 和A3 需合并施工，仍保留設(shè)計(jì)編碼不變，合并施工編碼。在運(yùn)維階段，需要對(duì)3 個(gè)構(gòu)件A1、A2 和B 進(jìn)行合并管理，由于3 個(gè)構(gòu)件有不同的前期信息（設(shè)計(jì)信息PA 和PB，施工信息WA1、WA2 和WB），對(duì)模型進(jìn)行邏輯合并為O，其中子構(gòu)件的運(yùn)維碼都設(shè)置為O，對(duì)應(yīng)同一套運(yùn)維數(shù)據(jù)。在本編碼體系下，構(gòu)建了不同應(yīng)用場(chǎng)景下的信息關(guān)聯(lián)，可以方便地在任一階段關(guān)聯(lián)該模型的歷史數(shù)據(jù)。

圖2 不用應(yīng)用場(chǎng)景下模型編碼

除此之外，對(duì)于邏輯模型的數(shù)據(jù)組織方式，通過設(shè)置邏輯樹來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，每一個(gè)樹節(jié)點(diǎn)可對(duì)應(yīng)邏輯模型或?qū)嶓w模型。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的差異，可以加載不同的邏輯編碼樹，實(shí)現(xiàn)基于同一套模型，輸出適配差異化場(chǎng)景的數(shù)據(jù)體系。

1.2 模型拆分與重組

模型深度應(yīng)用主要通過對(duì)模型進(jìn)行重組來匹配管理和應(yīng)用的維度，在該過程中需要保持模型和數(shù)據(jù)的一致性。編碼體系可以解決模型上不同場(chǎng)景的數(shù)據(jù)跟蹤問題，但是解決不了幾何相關(guān)的變更，主要體現(xiàn)為對(duì)模型的拆分或重組，以及因?yàn)椴鸾M而帶來的信息繼承、重構(gòu)、更新，例如體積、面積、工程量的變化等。在處理拆分時(shí)，使用物理拆分；處理重組時(shí)，如果待處理的構(gòu)件具備相同的非當(dāng)前場(chǎng)景識(shí)別碼，采用物理重組，否則采用邏輯重組。

圖3 為MicroStation 軟件上的模型編輯工具效果展示。設(shè)計(jì)階段的模型有編碼和襯砌2 個(gè)類別的信息，其中，編碼類是數(shù)據(jù)關(guān)系的紐帶，按照1.1 節(jié)中內(nèi)容進(jìn)行管理。襯砌類為設(shè)計(jì)屬性，其中計(jì)量要求分組里的字段標(biāo)記為需要與模型更新同步的屬性。使用本研究開發(fā)的模型拆組工具配合拆組規(guī)則庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)拆組后，保留原有階段信息不變，并同步更新計(jì)量字段。

圖3 模型拆分與重組的數(shù)據(jù)關(guān)系

1.3 BIM 輕量化引擎

影響B(tài)IM 模型深度應(yīng)用的問題，除了錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系，還有模型的表現(xiàn)方式和表達(dá)效率。模型的創(chuàng)建一般是與設(shè)計(jì)軟件深度綁定，例如Bentley 公司的系列軟件適用于大體量模型，多用于土木工程設(shè)計(jì)，Autodesk 公司的Revit 軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化程度比較高的建筑領(lǐng)域具有很高的適配度。模型交付后，需要提供給參與各方使用，過度依賴設(shè)計(jì)軟件的特性會(huì)限制其應(yīng)用。本研究提供一種基于WebGL 技術(shù)的輕量化引擎[10]，可滿足去平臺(tái)化，在瀏覽器端運(yùn)行，且支持對(duì)水電工程大體量模型的快速加載和流暢操作。引擎可作為交付產(chǎn)品獨(dú)立運(yùn)行，或嵌入其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)中運(yùn)行，應(yīng)用可見第2 節(jié)。

2 電工程數(shù)字化交付應(yīng)用案例

本節(jié)以某水電站擴(kuò)機(jī)工程為例進(jìn)行項(xiàng)目應(yīng)用。該電站位于沅水干流中下游，主要建筑物包括岸塔式進(jìn)水口，單洞單機(jī)引水隧洞、上游調(diào)壓室、岸邊式地面發(fā)電廠房，擴(kuò)機(jī)工程裝機(jī)容量50 MW(2×250 MW)。選擇該工程主廠房的支墩模型為例進(jìn)行介紹。

2.1 設(shè)計(jì)模型與工程數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)組織

在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)《水電工程BIM 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) 第1 部分：分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》，工程對(duì)象的設(shè)計(jì)編碼將由標(biāo)準(zhǔn)中的表10、表12 和表14 共同確定：

圖4 的構(gòu)件樹目錄中“[]”顯示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的編碼。進(jìn)行設(shè)計(jì)編碼的數(shù)據(jù)處理流程為：在軟件中打開構(gòu)件樹菜單，通過刷新按鈕同步數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取當(dāng)前項(xiàng)目的設(shè)計(jì)樹結(jié)構(gòu)，各專業(yè)人員在專業(yè)內(nèi)進(jìn)行模型組織，選中某個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過掛接或卸載綁定模型與數(shù)據(jù)的關(guān)系?？赏ㄟ^刷新按鈕，同步本項(xiàng)目的所有專業(yè)數(shù)據(jù)樹。

圖4 尾水管層主廠房-設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹

2.2 模型深化應(yīng)用

對(duì)于本例中的兩個(gè)支墩(0032 和0033)，在施工階段對(duì)其組合，施工編碼均為15-21.0101.0501.011，見圖5。

圖5 尾水管層主廠房-施工結(jié)構(gòu)樹

圖5 顯示了帶編碼的施工分解結(jié)構(gòu)。如果深化應(yīng)用階段存在模型的拆組，可按照1.2 節(jié)中內(nèi)容進(jìn)行處理。

2.3 數(shù)據(jù)跟蹤

將上述結(jié)果顯示在BIM 輕量化交付引擎中，見圖6。

圖6 中廠房專業(yè)的完整模型以透明模式顯示，高亮為支墩模型，右側(cè)信息面板顯示其信息，有設(shè)計(jì)信息、工項(xiàng)信息和造價(jià)信息。

圖6 廠房專業(yè)模型中支墩的數(shù)據(jù)信息

3 結(jié)論

基于BIM 模型的數(shù)字化交付目前尚處在探索階段，需求和內(nèi)容都處在不斷更新和適應(yīng)中。落實(shí)到具體項(xiàng)目，則是根據(jù)業(yè)主需求，協(xié)商具體實(shí)施方式，是一個(gè)開放的話題，本研究提供了一種靈活性較高且能解決數(shù)據(jù)跟蹤問題的方法和成果，可應(yīng)用于水電工程這種標(biāo)準(zhǔn)化程度較低領(lǐng)域的模型交付和深度應(yīng)用，具有一定的推廣價(jià)值。