數(shù)字孿生技術(shù)在大口徑長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

平金同，李 強(qiáng)，何思源，何志軍，李玉君，李 林

(1.河北建投工程建設(shè)有限公司，河北 石家莊 050001；2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；3.河北建投水務(wù)投資有限公司，河北 石家莊 050001)

長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)工程設(shè)計(jì)首要關(guān)注的是供水安全可靠性，確保工藝參數(shù)經(jīng)濟(jì)合理，通過(guò)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)減少漏損、降低能耗、節(jié)約投資的目標(biāo)。隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市周邊的電力、通訊、供熱、燃?xì)獾扰涮自O(shè)施越建越多，逐漸壓縮了輸水管線(xiàn)的建設(shè)空間，面對(duì)有限的建設(shè)空間，為保證輸水管線(xiàn)工程的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段就必須解決好輸水管線(xiàn)與其它配套設(shè)施的空間協(xié)調(diào)問(wèn)題。

傳統(tǒng)的工程方案設(shè)計(jì)多是在二維平面空間進(jìn)行布置，與精細(xì)化設(shè)計(jì)尚有一定差距，無(wú)法直觀(guān)地分析復(fù)雜多變的地理環(huán)境，難以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)深層次的設(shè)計(jì)問(wèn)題。在數(shù)字化、智能化、可視化為主導(dǎo)的高科技背景下，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法需要不斷改進(jìn)和完善，需要探索一條全新的設(shè)計(jì)思路，分析融合空間地理信息，在多維度空間、多約束條件的三維可視化場(chǎng)景下，完成科學(xué)合理和經(jīng)濟(jì)高效的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

數(shù)字孿生技術(shù)是現(xiàn)代仿真設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，引導(dǎo)未來(lái)規(guī)劃設(shè)計(jì)的方向。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，研究了在長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)設(shè)計(jì)中的技術(shù)框架，探索了數(shù)字孿生仿真設(shè)計(jì)思路，開(kāi)展了地理信息分析和仿真輔助設(shè)計(jì)。

1 概況

某輸水管線(xiàn)工程全長(zhǎng)約20.6km，包含管道及閥門(mén)井等附屬構(gòu)筑物，工程設(shè)計(jì)采用螺旋焊接鋼管和球墨鑄鐵管兩種材質(zhì)管道，公稱(chēng)直徑為DN1000、DN1400，布置形式為單線(xiàn)布置，工程總投資1.9億元。管線(xiàn)鋪設(shè)采用明挖鋪設(shè)、非開(kāi)挖水平定向鉆進(jìn)、泥水平衡頂管等多種方式配合施工。

2 工程難點(diǎn)

工程為帶狀分布，工程設(shè)計(jì)包含因素多，具有距離長(zhǎng)、沿線(xiàn)地形地貌復(fù)雜、環(huán)境多樣、地下及地上障礙多、征地拆遷難度大等諸多難點(diǎn)。工程全線(xiàn)穿越河流、渠道20余條，公路、鐵路10余處，輸油、輸氣管線(xiàn)交叉10余處。工程布置如圖1所示。

圖1 工程總體平面布置圖

人工測(cè)繪數(shù)據(jù)受地形及路線(xiàn)限制，不能完全展示現(xiàn)場(chǎng)情況，工程數(shù)據(jù)種類(lèi)多、數(shù)據(jù)組織方式復(fù)雜、維護(hù)困難。

3 主要技術(shù)路線(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)及軟硬件環(huán)境

3.1 建筑信息模型技術(shù)(Building Information Modeling，BIM)

將傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模式帶進(jìn)三維視角，目前在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但大多仍停留在BIM翻模使用階段，并未發(fā)揮出該技術(shù)的特點(diǎn)及先進(jìn)性。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路是在三維環(huán)境下開(kāi)展工程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多方位展示工程設(shè)計(jì)方案與地形地貌的結(jié)合，為設(shè)計(jì)人員提供直觀(guān)視覺(jué)感受，有效避免二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的誤差，提升設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.2 地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)

是在計(jì)算機(jī)軟、硬件的支持下，對(duì)地球表層空間中的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)，GIS技術(shù)在空間環(huán)境信息分析及可視化方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

3.3 傾斜攝影測(cè)量

使用無(wú)人機(jī)搭載多鏡頭傾斜攝影影像傳感器完成地形測(cè)繪并獲得高清影像，具有便攜、易用、節(jié)約人工、精度高等特點(diǎn)。

3.4 數(shù)字孿生(Digital Twin，DT)

使用物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、信息交互接口3部分來(lái)鏡像物理空間與數(shù)字空間的孿生關(guān)系，強(qiáng)調(diào)數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)組成。

3.5 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

參照?qǐng)?zhí)行的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.6 軟硬件環(huán)境

采用的軟、硬件平臺(tái)見(jiàn)表2。

表2 軟件硬件平臺(tái)

4 技術(shù)集成

數(shù)字孿生仿真設(shè)計(jì)基本方法是外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)仿真設(shè)計(jì)相結(jié)合，依靠無(wú)人機(jī)信息采集地理信息結(jié)合二維測(cè)繪圖紙?zhí)峁〨IS數(shù)據(jù)底座，建立孿生BIM模型，并通過(guò)模型融合實(shí)現(xiàn)外業(yè)數(shù)據(jù)與內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)模型信息共享及協(xié)同交互，基于數(shù)字孿生技術(shù)的長(zhǎng)輸管線(xiàn)設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的長(zhǎng)輸管線(xiàn)設(shè)計(jì)流程圖

4.1 傾斜攝影航測(cè)數(shù)據(jù)采集

通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息，顛覆了正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，生成的三維模型效果逼真，更真實(shí)地反應(yīng)地物的實(shí)際情況，要素全面，測(cè)量精度高，尤其適合在自然環(huán)境復(fù)雜的地方快速采集實(shí)景模型。傾斜攝影更能真實(shí)地反映工程與周邊環(huán)境的融合度，在長(zhǎng)輸管線(xiàn)工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程前期調(diào)查等環(huán)節(jié)，將高分辨率影像(DOM)和數(shù)字地形模型(DEM)用于工程三維定線(xiàn)，改變了傳統(tǒng)選線(xiàn)精確度低的狀況。

傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)無(wú)法滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的需要，長(zhǎng)輸管線(xiàn)工程周邊環(huán)境的三維模型傳統(tǒng)上采用人工建模實(shí)現(xiàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果不太理想。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠真實(shí)地還原現(xiàn)狀環(huán)境，作為數(shù)字地形信息的一種數(shù)據(jù)來(lái)源，具有可視化、精細(xì)化及高效化等優(yōu)點(diǎn)，與BIM結(jié)合，能夠較好地解決工程建設(shè)中存在的一些問(wèn)題，對(duì)長(zhǎng)輸管線(xiàn)工程設(shè)計(jì)具有重要意義。

4.2 DEM、TIN構(gòu)建及數(shù)據(jù)分析

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)基于詳盡的航測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行影像預(yù)處理、區(qū)域聯(lián)合平差、多視角影像匹配等一系列操作，可在短時(shí)間內(nèi)批量建立高質(zhì)量、高精度的數(shù)字地形模型，實(shí)現(xiàn)空間全方位、高精度的可視化表達(dá)，數(shù)據(jù)融合、DEM模型等如圖3—5所示。

圖3 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)融合

圖4 DEM模型

圖5 開(kāi)挖DEM模型分析

以BIM技術(shù)為依托，結(jié)合傾斜攝影技術(shù)與GIS技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬、場(chǎng)景布置。通過(guò)BIM技術(shù)建立工程模型，并與實(shí)景模型進(jìn)行疊加，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方案設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確、高效。

4.3 孿生模型創(chuàng)建

GIS、BIM模型融合數(shù)據(jù)及BIM模型的更新迭代構(gòu)成數(shù)字孿生的底座，是物理空間各類(lèi)工程信息在信息空間中的孿生重建。在信息空間中對(duì)管道路線(xiàn)復(fù)雜的環(huán)境、工況進(jìn)行全方位、深層次、多視角的可視化表達(dá)是數(shù)字孿生的關(guān)鍵。

基于BIMFace、SuperMap等平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字孿生可視化表達(dá)，集成時(shí)空數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)，建立宏觀(guān)、中觀(guān)、微觀(guān)一體化三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)信息空間數(shù)字孿生。實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實(shí)體對(duì)象一一對(duì)應(yīng)，包括工程全線(xiàn)的管道實(shí)體鏡像、綜合查詢(xún)、附件識(shí)別、實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間的信息互動(dòng)、孿生體更新、仿真設(shè)計(jì)等。管道孿生模型如圖6所示。

圖6 管道孿生模型

5 設(shè)計(jì)成果

(1)利用BIM+GIS融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生仿真設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多方案比選，確定管線(xiàn)走向、管徑、管材等要素。在初步設(shè)計(jì)及施工圖階段，各個(gè)專(zhuān)業(yè)利用各專(zhuān)業(yè)不同的BIM軟件協(xié)同工作。三維平臺(tái)采用了BIMFace、SuperMap等軟件作為BIM、GIS融合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)與GIS一體化集成與深度融合，數(shù)字孿生模型框架圖如圖7所示。

圖7 數(shù)字孿生模型框架圖

(2)管線(xiàn)建模采用Civil3D軟件，在平面線(xiàn)路確定的基礎(chǔ)上，管線(xiàn)建模主要是管線(xiàn)縱斷面的繪制和橫斷面模板的制作。將原始地面縱斷線(xiàn)偏移一定距離作為繪制縱斷面的輔助線(xiàn)，參照輔助線(xiàn)繪制縱斷面，然后在縱斷面視圖中對(duì)縱斷面進(jìn)行調(diào)整。橫斷面模板包含管道開(kāi)挖、管底砂礫石墊層、原狀土回填、種植土回填等。通過(guò)直觀(guān)的交互或變更定義管線(xiàn)橫截面的輸入?yún)?shù)即可輕松修改整個(gè)管線(xiàn)模型，便于開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)方案對(duì)比時(shí)，將不同方案的數(shù)據(jù)顯示在不同的三維場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)同步瀏覽，計(jì)算2個(gè)方案同類(lèi)型數(shù)據(jù)的差異點(diǎn)，通過(guò)差異點(diǎn)進(jìn)行場(chǎng)景定位，方便進(jìn)行方案的對(duì)比。最后，通過(guò)對(duì)比信息，確定最佳方案，輸出方案數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)仿真模擬如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)仿真模擬

(4)自動(dòng)生成施工平面圖，標(biāo)注完整的橫斷面圖、縱斷面圖和土方施工圖等。使用外部參考和數(shù)據(jù)快捷鍵生成多個(gè)圖紙的草圖，利用與模型中相同的圖例生成施工圖。一旦模型變更，可迅速更新所有的施工圖，按照路線(xiàn)走向自動(dòng)完成圖紙和圖幅線(xiàn)的布局，根據(jù)布局生成平面和縱斷面圖。

(5)設(shè)計(jì)成果交付，使用鏈接集將信息模型、地質(zhì)模型、圖紙、工程量報(bào)表、工程影像、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等與工程文檔鏈接在一起，并在具體的信息模型上掛接工程量報(bào)表的鏈接。

6 效益分析

(1)本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)階段的各專(zhuān)業(yè)正向協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)BIM、GIS、無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)進(jìn)行了探索，充分發(fā)揮了BIM技術(shù)信息化、可視化、協(xié)同性、一體化優(yōu)勢(shì)，所采用的交付方式及BIM+GIS技術(shù)方案，充分利用了Civil3D、BIMFace、SuperMap等軟件的特點(diǎn)。將高分辨率衛(wèi)星影像(DOM)和數(shù)字地面模型(DEM)用于長(zhǎng)輸管線(xiàn)三維定線(xiàn)，改變了傳統(tǒng)選線(xiàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、精確度低的狀況。通過(guò)將BIM模型與實(shí)景模型導(dǎo)入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)模型輕量化，對(duì)模型坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生仿真設(shè)計(jì)”的一體化管理。

(2)通過(guò)Civil3D、BIMFace、SuperMap等軟件實(shí)現(xiàn)BIM模型、GIS系統(tǒng)的融合應(yīng)用，有效地縮短了工程前期調(diào)查和管線(xiàn)定線(xiàn)等工作，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析模擬和優(yōu)化，大大提高了各專(zhuān)業(yè)的溝通效率，節(jié)約設(shè)計(jì)工期43d，節(jié)約設(shè)計(jì)成本65萬(wàn)元。通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤及隱蔽問(wèn)題，提高了安全保障，減少了工程返工和費(fèi)用損失。

7 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的輸水管線(xiàn)設(shè)計(jì)多采用靜態(tài)設(shè)計(jì)模型，對(duì)設(shè)計(jì)人員依賴(lài)性高、利用率較低。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)輔助長(zhǎng)輸管線(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集數(shù)字影像，融合影像數(shù)據(jù)建立DEM模型，在實(shí)體3D模型的基礎(chǔ)上將BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目規(guī)劃選線(xiàn)及設(shè)計(jì)仿真，有效整合管線(xiàn)周邊的信息資源，為設(shè)計(jì)過(guò)程中的空間分析提供基礎(chǔ)條件，確保了沿線(xiàn)場(chǎng)地勘察、三維測(cè)量、規(guī)劃選線(xiàn)三者協(xié)同設(shè)計(jì)高效完成，提升了設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性。輔助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行決策，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化既有設(shè)計(jì)方案，最大限度地節(jié)約項(xiàng)目投資和工期。同時(shí)，結(jié)合項(xiàng)目可視化方案模擬，對(duì)后期施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可有效避免因前期預(yù)見(jiàn)不足而產(chǎn)生的額外費(fèi)用和工期延誤。