基于犬木塘水庫(kù)工程BIM 三維可視化平臺(tái)的圖模中心系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

劉德謙，曹思宇，謝冰清，熊浩然，孫 怡

（1 湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410007）

（2 湖南省水利發(fā)展投資有限公司犬木塘水庫(kù)建設(shè)分公司 湖南 長(zhǎng)沙 410007）

0 引言

犬木塘水庫(kù)是國(guó)務(wù)院確定的172 項(xiàng)重大水利工程之一，工程位于衡邵干旱走廊湘資分水嶺區(qū)域，包含樞紐和灌區(qū)兩部分，總投資約為103 億元，涉及四市8 縣（市、區(qū)），屬于跨地域的大（2）型Ⅱ等水利工程。

作為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、功能多樣的大型水利項(xiàng)目，隨著工程建設(shè)的全面展開，有20 個(gè)以上的作業(yè)面在同時(shí)施工，“點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣”的總體施工布局，使得設(shè)計(jì)圖紙和三維模型的產(chǎn)出和匹配進(jìn)度不一；同時(shí)，在工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全、費(fèi)用和變更等方面產(chǎn)生大量信息及文本資料［1］，如果采用傳統(tǒng)的溝通、施工和管理方式，不但會(huì)影響工程建設(shè)信息的統(tǒng)一合規(guī)和歸檔管理，導(dǎo)致查詢、調(diào)取和溯源非常不方便，且信息流轉(zhuǎn)的低效和手段的落后必將影響現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的及時(shí)察覺和處置。

由湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院自主開發(fā)的犬木塘水庫(kù)工程BIM 三維可視化平臺(tái)，是各參建單位數(shù)字化平臺(tái)的展示窗口，也是各專業(yè)應(yīng)用的集成平臺(tái)。參與各方已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)接口，向項(xiàng)目平臺(tái)提供所需數(shù)據(jù)，平臺(tái)負(fù)責(zé)從企業(yè)數(shù)據(jù)中心及其他數(shù)據(jù)源調(diào)用所需數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和展示。平臺(tái)融合應(yīng)用建筑信息模型（building information modeling，BIM）、三維地理信息系統(tǒng)（3D geographic information system， 3D-GIS） 和物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IOT）等數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)項(xiàng)目管理涉及的主要空間對(duì)象進(jìn)行建模標(biāo)識(shí)和展示，提供空間對(duì)象集成的相關(guān)信息查詢與分析利用，以及由參數(shù)驅(qū)動(dòng)的樞紐、灌區(qū)建模動(dòng)態(tài)演示等功能，創(chuàng)建沉浸式的決策支持虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，供參建各方管理人員決策、會(huì)商及日常輔助管理使用。

而圖紙、模型和相關(guān)工程文件的三位一體展示與應(yīng)用，對(duì)于提高信息利用效率，加強(qiáng)圖紙和模型的供應(yīng)速度，減少因現(xiàn)場(chǎng)施工資料不匹配帶來(lái)的返工等問(wèn)題具有實(shí)際效力；同時(shí)，對(duì)可視化平臺(tái)的精確性、直觀性以及與不同類型資料之間的交互性具有非常積極的作用。因此，需要搭建開發(fā)圖模中心這一系統(tǒng)促使三類工程信息資料進(jìn)一步融合，保障工程建設(shè)順利運(yùn)行。

1 圖模中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求與開發(fā)思路

該系統(tǒng)旨在提供一個(gè)實(shí)用性強(qiáng)、高效穩(wěn)定的圖模管理和協(xié)作系統(tǒng)，以支持CAD 設(shè)計(jì)圖紙、相關(guān)文檔和三維模型的解析、展示和協(xié)作功能。使用通用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言和模型框架，結(jié)合現(xiàn)代化的開發(fā)工具和技術(shù)，本文開發(fā)出滿足用戶需求的圖模中心系統(tǒng)。其開發(fā)思路如下。

首先，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)設(shè)計(jì)圖紙、文檔和對(duì)應(yīng)的三維模型的數(shù)據(jù)。每個(gè)設(shè)計(jì)圖紙和三維模型在收錄時(shí)都會(huì)被賦予一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，以便于系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和查找。

其次，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件CAD 的應(yīng)用程序接口（application programming interface，API）或者開源的CAD 庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)收錄讀取CAD 設(shè)計(jì)圖紙和三維模型的文件格式，并提取出其中的幾何信息和非幾何信息等。在關(guān)聯(lián)過(guò)程中，系統(tǒng)可通過(guò)比較CAD 設(shè)計(jì)圖紙中的尺寸參數(shù)與三維模型的尺寸參數(shù)來(lái)進(jìn)行匹配，從而確定它們之間的關(guān)系。系統(tǒng)還可通過(guò)基于幾何形狀的特征匹配算法，比如最小二乘法、逐點(diǎn)匹配等方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的關(guān)聯(lián)。

最后，開發(fā)用戶界面，使用戶可進(jìn)行CAD 設(shè)計(jì)圖紙和三維模型的關(guān)聯(lián)操作。用戶可選擇需要關(guān)聯(lián)的CAD 設(shè)計(jì)圖紙和對(duì)應(yīng)的三維模型，并進(jìn)行匹配和驗(yàn)證。開發(fā)關(guān)聯(lián)輔助功能，如自動(dòng)識(shí)別CAD 設(shè)計(jì)圖紙中的特征點(diǎn)、自動(dòng)調(diào)整三維模型的位置等，以進(jìn)一步提高關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性和便捷性。

1.2 開發(fā)工具

MicroStation 是集二維繪圖、三維建模和工程可視化（靜態(tài)渲染＋各種工程動(dòng)畫設(shè)計(jì)）于一體的完整的解決方案。專為公用事業(yè)系統(tǒng)、公路和鐵路、橋梁、建筑和水利工程等所有類型的基礎(chǔ)設(shè)施的建筑、工程、施工和運(yùn)營(yíng)而設(shè)計(jì)［2］。犬木塘水庫(kù)工程項(xiàng)目的三維模型是使用MicroStation 軟件所創(chuàng)建，模型原始格式是.dgn。

BIM-WIN 是創(chuàng)智艾泰克公司于2020 年發(fā)布的三維轉(zhuǎn)換引擎，能夠支持Bently、Revit、CATIA 等主流三維建模軟件輸出的文件格式。

AutoCAD .NET API：AutoCAD 提供了專門為.NET 開發(fā)者設(shè)計(jì)的API，即AutoCAD .NET API。它允許在C＃中編寫代碼來(lái)訪問(wèn)和操作AutoCAD 的DWG 或DXF 格式文件。該API 提供了豐富的功能，包括讀取和解析CAD 文件，訪問(wèn)實(shí)體、圖層、塊等元素，以及執(zhí)行各種編輯操作。

uni-app 是一個(gè)基于Vue.js 的跨平臺(tái)開發(fā)框架，可以同時(shí)開發(fā)運(yùn)行在多個(gè)平臺(tái)（如Android、iOS、Web 等）上的應(yīng)用程序。

C＃是由微軟開發(fā)的一種通用、面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言。C＃與. NET 框架緊密集成。通過(guò)使用C＃，開發(fā)者能夠利用.NET 的豐富功能和類庫(kù)來(lái)構(gòu)建各種應(yīng)用程序，包括桌面應(yīng)用、Web 應(yīng)用、移動(dòng)應(yīng)用以及游戲等。

圖模中心系統(tǒng)以BIM 可視化三維展示平臺(tái)為基礎(chǔ)，集成BIM-WIN 輕量化引擎，使用C＋＋語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)。在手機(jī)端采用uni-app 開發(fā)框架，APP 發(fā)布到安卓和iOS 端。利用在MicroStation 中建立的.dgn 格式模型為數(shù)據(jù)樣板，整合CAD 圖紙和Word 或PDF 格式文檔，實(shí)現(xiàn)三維信息的綜合展示。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能開發(fā)

圖模中心基礎(chǔ)架構(gòu)分為云平臺(tái)、數(shù)據(jù)層、服務(wù)支撐層、應(yīng)用業(yè)務(wù)層、用戶交互層等5 層［3］，見圖1。系統(tǒng)采用面向服務(wù)架構(gòu)的架構(gòu)模式，通過(guò)中間服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)和功能調(diào)用，各項(xiàng)功能利用成熟的跨平臺(tái)敏捷開發(fā)工具進(jìn)行軟件定制化開發(fā)。將設(shè)計(jì)圖紙、工程模型和變更等表單文件進(jìn)行整合，完成多源異構(gòu)模型的集成。

圖1 圖模中心基礎(chǔ)架構(gòu)

系統(tǒng)功能由以下幾個(gè)模塊組合開發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（1）用戶界面。該組件包括與用戶交互的界面，用于展示設(shè)計(jì)圖紙、相關(guān)文檔資料和三維模型，并提供關(guān)聯(lián)和管理功能。它可以是一個(gè)Web 應(yīng)用程序或桌面應(yīng)用程序，使用C＃語(yǔ)言和相應(yīng)的前端技術(shù)。

（2）第三方庫(kù)和API。根據(jù)項(xiàng)目需求，使用第三方庫(kù)和API 來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能，例如CAD 文件解析庫(kù)、文檔管理庫(kù)等。

（3）設(shè)計(jì)文件解析模塊。該模塊負(fù)責(zé)讀取設(shè)計(jì)圖紙的文件格式，提取出幾何信息、屬性和其他必要的數(shù)據(jù)。使用AutoCAD .NET API 來(lái)解析不同的CAD 文件格式（如DWG、DXF 等）并提取數(shù)據(jù)。

（4）關(guān)聯(lián)算法模塊。該模塊根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和三維模型的幾何特征和屬性，使用幾何形狀匹配算法、尺寸比較算法實(shí)現(xiàn)它們之間的關(guān)聯(lián)。

（5）數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊。該模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理設(shè)計(jì)圖紙、相關(guān)文檔資料和三維模型的數(shù)據(jù)。使用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的表結(jié)構(gòu)和關(guān)系，以支持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索和更新。

（6）文檔資料管理模塊。該模塊用于上傳、關(guān)聯(lián)和管理與設(shè)計(jì)圖紙、三維模型相關(guān)的文檔資料。提供文檔上傳、檢索和下載功能，建立文檔與模型數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，并支持文檔的檢索和瀏覽。

（7）業(yè)務(wù)邏輯層。該層包含系統(tǒng)的核心邏輯和處理過(guò)程，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)不同模塊之間的交互，處理用戶請(qǐng)求，執(zhí)行關(guān)聯(lián)算法，訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)等。

（8）數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。該層用于與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作。提供對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的抽象接口，使業(yè)務(wù)邏輯層可以方便地訪問(wèn)和操作數(shù)據(jù)。

同時(shí)系統(tǒng)基于統(tǒng)一的BIM＋GIS 基礎(chǔ)平臺(tái)、工程數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)工程BIM 模型和設(shè)計(jì)、建設(shè)信息的數(shù)據(jù)共享和可視化展示；利用統(tǒng)一的應(yīng)用門戶和安全審計(jì)策略，進(jìn)行用戶登錄和權(quán)限管理，滿足多終端業(yè)務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用需求。此外，在BIM 應(yīng)用服務(wù)中內(nèi)置了湖南水電院發(fā)布的《犬木塘水庫(kù)工程BIM 模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》，使用戶能夠按照標(biāo)準(zhǔn)編制所需模型編碼，完成模型與圖紙和文件批量掛接。

1.4 系統(tǒng)特色功能介紹

1.4.1 在手機(jī)端app 可多層次多角度查看使用模型及關(guān)聯(lián)的文件

除在手機(jī)端可通過(guò)手勢(shì)操控對(duì)模型進(jìn)行全方位的觀察和調(diào)整，使用軸向剖切工具還可進(jìn)行模型的剖切，同時(shí)由于基于云端加載，模型速度并不會(huì)減慢太多。此外，可將當(dāng)前視圖設(shè)置為主視圖，同時(shí)打開圖紙文件或相關(guān)聯(lián)的變更文件與現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行比對(duì)，易于發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題。

1.4.2 對(duì)重點(diǎn)單位工程進(jìn)行獨(dú)立統(tǒng)計(jì)分析

在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，建設(shè)方需要查看所建單位工程的各項(xiàng)基礎(chǔ)信息，可通過(guò)圖模中心的屬性設(shè)置功能自行添加與模型相關(guān)的各類信息，如所點(diǎn)選面的面積和點(diǎn)選模型的體積等，便于實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)核實(shí)工程量；此外還可通過(guò)測(cè)量工具測(cè)量模型大小尺寸與實(shí)際建筑物進(jìn)行比對(duì)，完成對(duì)重要單位工程的全方位獨(dú)立統(tǒng)計(jì)分析［4］。

2 圖模中心系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本圖模中心系統(tǒng)已在湖南省犬木塘水庫(kù)工程BIM 應(yīng)用項(xiàng)目中成功應(yīng)用。

以該項(xiàng)目泄水閘－消力池段模型為例，模型共有構(gòu)件502 個(gè)，所涉及圖紙3 張，涉及變更文件1 份。在可視化平臺(tái)的圖模中心，在該dgn 模型條目中，可通過(guò)圖紙關(guān)聯(lián)功能和工程關(guān)聯(lián)功能對(duì)相關(guān)圖紙和涉及到該模型的所有文檔進(jìn)行選擇關(guān)聯(lián)。

在模型在線查看過(guò)程中，可在目錄樹搜索欄中輸入模型編碼對(duì)模型所包含單一構(gòu)件進(jìn)行精準(zhǔn)搜索和查看，點(diǎn)擊該構(gòu)件使其透明度提高即可查看其與周圍構(gòu)件的連接方式及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)，可通過(guò)模型漫游功能檢查各部位模型的位置，利用360°環(huán)視功能即可查看該專業(yè)模型的整體布局。而模型的批注功能可使工程人員在對(duì)照?qǐng)D紙和變更文件后對(duì)模型相應(yīng)部位進(jìn)行批注，保存在模型庫(kù)中進(jìn)行導(dǎo)出和打印。工程人員可對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)分析，找到不合理處進(jìn)行圖紙分享，達(dá)到輔助施工的效果。使用情況如圖2～圖7 所示。

圖2 模型與圖紙和工程文件關(guān)聯(lián)界面

圖3 圖紙與模型關(guān)聯(lián)

圖4 圖紙與文檔關(guān)聯(lián)

圖5 手機(jī)端模型查看

圖6 構(gòu)件屬性查看

圖7 模型測(cè)量工具

圖8 分享所現(xiàn)場(chǎng)校核圖紙

3 結(jié)語(yǔ)

本文在湖南水電院研發(fā)的BIM 三維可視化平臺(tái)基礎(chǔ)上對(duì)圖紙、模型和文件三位一體化展示方式進(jìn)行研究。將從MicroStation 中導(dǎo)出的三維設(shè)計(jì)模型上傳至可視化平臺(tái)的圖模中心，導(dǎo)出格式為.dgn；同時(shí)按照湖南水電院發(fā)布的《犬木塘水庫(kù)工程BIM 模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》編制模型編碼，實(shí)現(xiàn)圖紙和文件與模型的掛接?；贐IM-WIN 引擎高性能的模型展示能力，開發(fā)出能夠完成平臺(tái)間交互的與可視化平臺(tái)之間的接口，并通過(guò)Web 端的掛接和工程現(xiàn)場(chǎng)手機(jī)端的可視化展示解決實(shí)際工程建設(shè)過(guò)程中圖紙模型無(wú)法對(duì)應(yīng)查看、變更文件和工程進(jìn)度無(wú)法實(shí)時(shí)體現(xiàn)的問(wèn)題，最終完成基于BIM 三維可視化平臺(tái)的工程檔案一體化管理應(yīng)用的目的。

本文通過(guò)對(duì)模型各項(xiàng)屬性的掛接及.dgn 文件的直接上傳，保證了模型文件信息的完整性；同時(shí)在手機(jī)端開發(fā)APP 實(shí)現(xiàn)圖紙模型和文件的實(shí)時(shí)查看，提高了模型圖紙的讀取和使用效率，為在現(xiàn)場(chǎng)的工程人員指導(dǎo)檢查施工情況、快速發(fā)現(xiàn)工程問(wèn)題提供了幫助，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，減少返工所耗費(fèi)的人力、物力。