基于BIM的地下管線三維可視化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹冬冬

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710054)

當(dāng)前城市中老舊城區(qū)道路、單位及家屬院周圍都存在著地下管線埋設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、施工圖或竣工圖丟失、管理匱乏等問(wèn)題，不僅會(huì)對(duì)周圍居民的生活產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)造成改造開挖的二次破壞[1]。傳統(tǒng)的地下管線圖及地形圖過(guò)于密集和專業(yè)、缺乏友好的可視化界面，并且均為二維線劃圖，管理人員和設(shè)計(jì)人員不能直觀地了解地下管線的管徑、埋深、規(guī)格、材質(zhì)屬性等信息，只能通過(guò)文字標(biāo)注獲得以上內(nèi)容，因此很難為管理人員提供可靠的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工方案。鑒于此，為了進(jìn)一步加強(qiáng)測(cè)繪數(shù)據(jù)資源的利用率，滿足規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)工作的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)地形數(shù)據(jù)及地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理，本文提出一種基于BIM的地下管線三維可視化管理系統(tǒng)。利用BIM技術(shù)將地下三維管線數(shù)據(jù)與地面地形要素?cái)?shù)據(jù)完美融合，同時(shí)優(yōu)化開發(fā)出不僅具有信息瀏覽、查詢、統(tǒng)計(jì)功能，還具備巡檢、維護(hù)、應(yīng)急決策等分析功能。

1 BIM技術(shù)

BIM(Building Information Modeling)是“建筑信息模型”的簡(jiǎn)稱，是在建筑行業(yè)上的一項(xiàng)新興技術(shù)。BIM技術(shù)作為建筑工程項(xiàng)目幾何屬性的數(shù)值化表達(dá)，是建筑工程項(xiàng)目信息可以共享的知識(shí)資源集合體，其基本原理就是將工程建設(shè)中設(shè)計(jì)和施工單位數(shù)量和種類繁多的零碎圖紙作為一個(gè)整體來(lái)看待，通過(guò)虛擬方式鑒別它們之間的幾何學(xué)沖突，避免實(shí)際施工中出現(xiàn)問(wèn)題。由于其具有可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性及其全周期應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，目前在歐美國(guó)家以及亞洲的日本、韓國(guó)等國(guó)家的建筑行業(yè)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為現(xiàn)在建筑行業(yè)興起的一項(xiàng)技術(shù)，BIM技術(shù)的三維可視化模型不僅可以實(shí)現(xiàn)漫游和模型查看，而且數(shù)據(jù)模型中包含有大量的內(nèi)部屬性信息，可以用于模型數(shù)據(jù)的分析和管理。本文主要采用BIM技術(shù)對(duì)地下管線三維可視化管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 基于BIM的地下管線三維可視化管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于BIM的地下管線三維可視化管理系統(tǒng)主要硬件設(shè)備為地下管線的監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括埋入式測(cè)縫設(shè)備、表面測(cè)縫設(shè)備、位移測(cè)量設(shè)備、滲壓測(cè)量設(shè)備、壓力測(cè)量設(shè)備、鋼筋測(cè)量設(shè)備、應(yīng)變測(cè)量設(shè)備以及應(yīng)力測(cè)量設(shè)備[2]。為了保證各類監(jiān)測(cè)設(shè)備及設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)需要，針對(duì)不同的設(shè)備選擇符合要求的相應(yīng)規(guī)格。

埋入式測(cè)縫設(shè)備選用型號(hào)為BGK5500的振弦式測(cè)縫計(jì)，其量程大小為45 mm，靈敏度為0.035%F.S.，精準(zhǔn)度為-0.2%～0.2%，測(cè)量過(guò)程中的溫度適應(yīng)范圍為-20℃～+75℃；表面測(cè)縫設(shè)備選用型號(hào)為BGK5530的振弦式測(cè)縫計(jì)，其量程大小為65 mm，靈敏度為0.040%F.S.，精準(zhǔn)度為0.1%，測(cè)量過(guò)程中的溫度適應(yīng)范圍為-20℃～+75℃；位移測(cè)量設(shè)備選用型號(hào)為BGK5560的振弦式位移計(jì)，其量程大小為105 mm，靈敏度為0.015%F.S.,精準(zhǔn)度為0.1%，測(cè)量過(guò)程中的溫度適應(yīng)范圍無(wú)要求，該型號(hào)位移計(jì)的尺寸為L(zhǎng)=650 mm；滲壓測(cè)量設(shè)備選用型號(hào)為BGK5510 AL的振弦式滲壓計(jì)，其量程大小為150 KPa，靈敏度為0.025%F.S.,精準(zhǔn)度為-0.1%～0.1%。除上述不同作用的監(jiān)測(cè)設(shè)備外，用于本文系統(tǒng)的硬件設(shè)備還包括振弦式讀數(shù)儀、電子水準(zhǔn)儀、電纜、高標(biāo)、集線箱金屬管線探測(cè)儀、地質(zhì)雷達(dá)等。表1為不同功能監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集頻率。

表1 不同功能監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集頻率

在埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，首先要對(duì)各類監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，保證埋入前各個(gè)設(shè)備均符合要求。

埋入時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行埋設(shè)[3]。由于地下管線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，某些重要部分具有十分特殊的監(jiān)測(cè)任務(wù)，因此在某些具體監(jiān)測(cè)斷面上監(jiān)測(cè)設(shè)備的布置應(yīng)存在略微的差異。

3 基于BIM的地下管線三維可視化管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 地下管線破損記錄存儲(chǔ)

在地下管線破損記錄存儲(chǔ)中，系統(tǒng)主要完成對(duì)地下管線的破損記錄匯總、存儲(chǔ)各地下管線、各批次的破損記錄等任務(wù)，同時(shí)定義破損信息離散、存儲(chǔ)方式等也在地下管線破損記錄存儲(chǔ)中進(jìn)行，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息以結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)表格形式存儲(chǔ)為地下管線破損記錄[4]。其中，各類破損記錄包括破損記錄ID、地下管線ID、檢查管理批次ID、破損位置的三維坐標(biāo)ID以及破損地下管線自身屬性參數(shù)等。其中，破損記錄ID是各類地下管線破損記錄中唯一標(biāo)識(shí)，表示上一批次中出現(xiàn)與本次破損記錄相同位置的破損記錄ID，主要用于追蹤地下管線破損的歷史情況；地下管線ID用于區(qū)分系統(tǒng)中不同地下管線類型，標(biāo)明破損記錄屬于電力、供水、排水、燃?xì)?、熱力或其他管線；檢查管理批次ID用于區(qū)別地下管線的檢查任務(wù)批次，標(biāo)注破損記錄屬于哪類批次；破損位置的三維坐標(biāo)ID與系統(tǒng)中構(gòu)建的基于BIM的地下管線三維模型坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)地下管線在不同模塊中的三維模型都可使用統(tǒng)一的模型坐標(biāo)系[5]。當(dāng)三維模型中的坐標(biāo)系發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的三維坐標(biāo)值進(jìn)行相應(yīng)的更改；破損地下管線自身屬性參數(shù)是指除了破損位置信息之外，與地下管線破損類型、程度等相關(guān)的特征描述參數(shù)，例如地下管線裂縫長(zhǎng)度數(shù)值[6]。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的具體功能設(shè)計(jì)需要，還需要為破損記錄添加對(duì)應(yīng)的其他屬性。為了使各項(xiàng)參數(shù)與地下管線破損記錄存儲(chǔ)中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)相對(duì)應(yīng)，將破損信息離散后，應(yīng)當(dāng)以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表格的形式存儲(chǔ)為破損記錄，并且破損記錄還應(yīng)當(dāng)以破損標(biāo)記體的形式展現(xiàn)在基于BIM的地下管線三維模型中。

3.2 基于BIM的地下管線三維建模

地下管線三維建模是為各個(gè)功能提供統(tǒng)一場(chǎng)景的地下管線三維模型，在建模模塊中，地下管線的三維模型采用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在BIM三維模型中不僅包含了三維幾何模型，同時(shí)也含有與三維幾何模型相關(guān)的所有對(duì)應(yīng)連接信息。在地下管線三維模型中，將上文中提出的破損記錄以破損標(biāo)記體的形式在三維模型中顯示，圖1為基于BIM的地下管線三維建模流程示意圖。

圖1 基于BIM的地下管線三維建模流程示意圖

在構(gòu)建基于BIM的地下管線三維模型時(shí)，首先要對(duì)實(shí)際地下管線的構(gòu)件進(jìn)行拆分，拆分過(guò)細(xì)會(huì)造成構(gòu)件數(shù)量過(guò)多，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)的使用空間會(huì)被大量?jī)r(jià)值較低信息占據(jù)，并影響信息的運(yùn)行質(zhì)量，增加信息維護(hù)量。拆分過(guò)粗又會(huì)導(dǎo)致必要信息未被采集，無(wú)法對(duì)實(shí)際地下管線進(jìn)行完整的模型構(gòu)建[7]。因此，地下管線構(gòu)件是承載信息管理的基礎(chǔ)。在拆分后，利用構(gòu)件作為對(duì)地下管線信息描述的最小單元，將建造、破損、維修、更換等相關(guān)信息統(tǒng)一記錄，并在BIM三維可視化模型中，將構(gòu)件的幾何體與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的構(gòu)件ID綁定，從而與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)所加載的構(gòu)件信息連接。

3.3 地下管線破損信息采集

地下管線破損信息采集是地下管線BIM三維可視化模型的錄入終端，能夠提供在地下管線養(yǎng)護(hù)管理的現(xiàn)場(chǎng)使用，進(jìn)行破損信息采集。信息采集可以移動(dòng)終端設(shè)備作為載體，利用Open GL三維引擎顯示地下管線三維模型[8]。以BIM三維模型為基礎(chǔ)，捕獲破損發(fā)生位置的模型場(chǎng)景三維坐標(biāo)，將破損參數(shù)錄入，將三維坐標(biāo)以及參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理后，形成一條完整的破損記錄。破損記錄可存儲(chǔ)在相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖2為地下管線破損信息采集具體流程圖。

圖2 地下管線破損信息采集具體流程圖

根據(jù)圖2中的地下管線破損信息采集具體流程完成對(duì)地下管線BIM三維可視化模型的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)數(shù)據(jù)在建模軟件中完成對(duì)地下管線BIM三維模型構(gòu)建。

3.4 地下管線破損記錄管理

地下管線破損記錄管理是對(duì)地下管線破損記錄存儲(chǔ)中的破損記錄進(jìn)行三維可視化的管理。本文采用SOE服務(wù)作為數(shù)據(jù)分析的引擎，SOE服務(wù)可以最大限度地利用GIS桌面端組件，提高數(shù)據(jù)分析效率[9]。再基于Oracle+ArcSDE對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，既可以管理空間屬性信息，也能管理其他信息。在該模塊中共分為兩個(gè)子模塊，分別為地下管線三維破損信息展示和破損信息維護(hù)，主要用于對(duì)地下管線的破損數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的破損記錄進(jìn)行三維可視化管理和維護(hù)。在展示模塊中，主要包括破損信息的圖形化顯示、破損詳細(xì)信息查詢、地下管線全線破損總覽。在維護(hù)模塊中，主要包括增加破損記錄、刪除破損記錄以及修改破損記錄。

在地下管線破損記錄管理中，將破損記錄的破損標(biāo)記體作為系統(tǒng)管理的入口，對(duì)破損記錄進(jìn)行三維可視化管理[10]。對(duì)破損記錄進(jìn)行三維可視化管理時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全線路地下管線的破損歷史追蹤，根據(jù)地下管線ID獲取地下管線所有檢查管理批次，從而形成檢查管理批次時(shí)序鏈條。通過(guò)鏈條上的節(jié)點(diǎn)入口，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢對(duì)應(yīng)批次的破損記錄。

4 實(shí)驗(yàn)論證分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇某院區(qū)地下綜合管線作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將地下管線的各項(xiàng)參數(shù)信息輸入到仿真實(shí)驗(yàn)軟件中，利用實(shí)驗(yàn)軟件構(gòu)建虛擬地下管線。將該虛擬地下管線分別利用傳統(tǒng)管理系統(tǒng)和本文提出的基于BIM的地下管線三維可視化管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行破損數(shù)據(jù)信息查詢，分對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組。利用仿真軟件在虛擬地下管線中構(gòu)建5處不同類型的破損位置，比較對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組準(zhǔn)確查詢到5處不同類型破損的地下管線位置查詢時(shí)間。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并繪制成如表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比/s

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，實(shí)驗(yàn)組查詢破損位置耗時(shí)均在10.00～15.00 s范圍內(nèi)，而對(duì)照組查詢破損位置耗時(shí)最小值也超過(guò)了30.00 s。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于BIM的地下管線三維可視化管理系統(tǒng)具有更高的查詢速度，因此，管理效率更高，更符合實(shí)際需要。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)中的不足，本文提出了一種基于BIM的地下管線三維可視化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以使管理人員對(duì)各自轄區(qū)的管線情況一目了然，提高綜合管理水平，而且可以為后期的規(guī)劃建設(shè)、綜合管理和應(yīng)急處置提供基礎(chǔ)服務(wù)。本文系統(tǒng)的應(yīng)用可以幫助規(guī)劃設(shè)計(jì)人員動(dòng)態(tài)掌握各種地下管線的分布情況，為管線的規(guī)劃設(shè)計(jì)以及緊急事故處置提供有效的輔助決策作用。