基于BIM的水電站三維結(jié)構(gòu)模型可視化設(shè)計研究

熊偉

摘要：隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維設(shè)計引發(fā)了設(shè)計行業(yè)的巨大的變革，但是水電站設(shè)計與地形結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)較緊密，地形地質(zhì)條件多變且電站異形設(shè)計較多，機械設(shè)備管線布置復(fù)雜，還停留在傳統(tǒng)的二維軟件制圖階段。將建筑信息模型（Building?Information?Modeling，BIM）理念引入水電站工程設(shè)計中，可以進行水電站三維模型可視化設(shè)計的研究，探討B(tài)IM中地形地質(zhì)模型的建立方法。針對水電站實例，進行三維可視化研究與仿真，搭建水電站三維結(jié)構(gòu)模型實例，簡要介紹模型設(shè)計的過程，并展示最終模型成果。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型?水電站??地質(zhì)數(shù)字高程模型?可視化

中圖分類號：TV74

Research?on?the?Visual?Design?of?the?3D?Structural?Model?of?Hydropower?Stations?Based?on?BIM

XIONG?Wei

Water?Conservancy?Engineering?Management?Service?Center?of?the?10th?Division?of?Xinjiang?Production?and?Construction?Corps，?Altay，?Xinjiang?Uygur?Autonomous?Region，?836000?China

Abstract：?With?the?development?of?computer?technology，?3D?design?has?triggered?a?huge?transformation?in?the?design?industry.?However，?the?design?of?hydropower?stations?is?closely?related?to?the?terrain?structure，?with???the?variable?terrain?and?geological?conditions，?many?special-shaped?designs?of?hydropower?stations?and?the?complex?layout?of?mechanical?equipment?pipelines，?and?it?is?still?in?the?traditional?2D?software?drawing?stage.?Introducing?the?concept?of?building?information?modeling?（BIM）?into?the?design?of?hydropower?station?engineering?can?conduct?research?on?the?visual?design?of?the?3D?models?of?hydropower?stations?and?explore?methods?for?establishing?terrain?and?geological?models?in?BIM.?For?the?example?of?hydropower?stations，?this?paper?conducts?the?research?and?simulation?of?3D?visualization，?builds?the?example?of?the?3D?structural?model?of?hydropower?stations，?briefly?introduces?the?process?of?model?design，?and?displays?final?model?results.

Key?Words：?Building?information?modeling;?Hydropower?station;?Geological?digital?elevation?model;?Visualization

隨著經(jīng)濟與社會的快速發(fā)展，國家對于環(huán)境保護工作也越來越重視，特別是清潔、可再生能源的開發(fā)。在這種背景下，我國的水電工程建設(shè)如火如荼。隨著南水北調(diào)工程的啟動和實施，國家加大力度發(fā)展水利建設(shè)事業(yè)，帶動了全國一大批水電工程的建設(shè)，水電工程在防洪、發(fā)電、灌溉、改善航運等諸多方面都發(fā)揮著重要的作用[1]。未來水利水電工程將在電力工程領(lǐng)域占有越來越重要的地位。

與此同時，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，我國國內(nèi)勘測和設(shè)計水平都發(fā)生了質(zhì)的飛躍，新的勘測設(shè)計手法和勘測技術(shù)層出不窮，設(shè)計手法也從二維平面設(shè)計逐漸向三維立體化設(shè)計靠攏[2]。計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)和計算機圖形學(xué)（CG）近年來發(fā)展迅猛，依靠計算機技術(shù)進行大型工程的建設(shè)，大大提高了工程設(shè)計出圖的質(zhì)量和效率，并且取得了一定的經(jīng)濟效益。現(xiàn)階段，大部分大型建筑工程已經(jīng)逐漸擺脫二維設(shè)計的束縛，走向全面的三維立體化仿真設(shè)計與管理，使設(shè)計成果更加豐富、形象和生動?？梢暬O(shè)計使信息表達更完整，信息可以在生產(chǎn)與管理之間有效流動，大大通縮短設(shè)計與施工周期[1]。

1?二維和三維水利工程設(shè)計流程對比分析

水利水電工程大多建設(shè)在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，工程設(shè)計時出于安全、經(jīng)濟等因素的考慮，需要全面、詳細地考慮地質(zhì)、地形因素，如地質(zhì)分層、斷層等。

項目在進行設(shè)計之前，需要進行具體詳細的地質(zhì)勘探工作，通過得到的大量地質(zhì)數(shù)據(jù)，再進行分析。目前都是根據(jù)得到的地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)等信息繪制二維的AutoCAD剖面圖、地表地形圖，然后進行分析和選擇。傳統(tǒng)二維設(shè)計流程圖如圖1所示。這種方法局限于二維的表示，對于地質(zhì)體表面的高低起伏變化以及地質(zhì)體地表以下的復(fù)雜的構(gòu)造情況不能直觀準確地表達出來，不能進行實時的空間分析，這會造成地質(zhì)分析的困難[3]。由于可能忽略了某些隱藏的斷層等構(gòu)造因素，從而得到的分析結(jié)果可能并非是最優(yōu)和最合理的。在后續(xù)的施工過程中，如發(fā)現(xiàn)了之前設(shè)計時沒發(fā)現(xiàn)的斷層等不利構(gòu)造因素，則必然會重新設(shè)計，這就需要修補之前的設(shè)計方案，提高工程造價，而嚴重時會延誤工期，其損失是巨大的。

如果采用三維地質(zhì)建模的方法，全面、詳細、動態(tài)地展現(xiàn)地質(zhì)體的地表高低起伏變化情況及地下復(fù)雜的構(gòu)造變化情況，并有效地存儲和管理地質(zhì)體的數(shù)據(jù)和資料。三維地質(zhì)建?？梢酝ㄟ^三維的觀察和分析，檢驗已經(jīng)完成的地質(zhì)勘測工作，以便為后續(xù)的勘測提供建議，為工程的選址和前期設(shè)計、后期的施工等工作提供直觀有效的地質(zhì)依據(jù)；可以降低地質(zhì)分析的不確定性，提高準確性，避免盲目性，避免后期修改設(shè)計方案造成的損失，降低投資風(fēng)險。在進行水利水電工程的設(shè)計時，三維地址建模還能夠直接在已經(jīng)生成的地質(zhì)體的三維模型基礎(chǔ)上進行上層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，而且可以多人協(xié)同設(shè)計，這就是地質(zhì)與水利水電工程一體化設(shè)計，其主要過程如圖2所示。在建立工程地質(zhì)和水工建筑物的三維模型后，還能將三維模型直接應(yīng)用于數(shù)值分析，再根據(jù)分析結(jié)果對模型進行修改，然后再次進行數(shù)值分析，直至設(shè)計滿足要求為止，實現(xiàn)設(shè)計與分析的一體化。

2?BIM地質(zhì)數(shù)字高程模型的表示方法

數(shù)字地形可視化就是利用計算機技術(shù)實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的圖形顯示和分析。三維可視化能直觀地表達空間數(shù)據(jù)處理分析的過程和結(jié)果，三維地形可視化技術(shù)主要解決兩個問題：一是如何建立三維模型能逼真地再現(xiàn)三維世界，二是使海量數(shù)據(jù)在普通的計算機上流暢運行。一般，地形三維可視化由以下3個過程實現(xiàn)：獲取地形數(shù)據(jù)、生成數(shù)字高程模型（Digital?Elevation?Model，DEM）、可視化處理和三維顯示[4]。

本質(zhì)上講，DEM是對地形表面在地形采樣數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的表面重構(gòu)。因此，對于一個通用的DEM系統(tǒng)，一般要經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、DEM建立和應(yīng)用模型建立3個步驟。地表的數(shù)據(jù)采集是一個無序的數(shù)據(jù)集合，為便于計算機的管理和應(yīng)用，需要對該數(shù)據(jù)建立結(jié)構(gòu)化的表達式，即隱式或顯式地表達數(shù)據(jù)之間的拓撲關(guān)系。目前主要以網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形式表達。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，有規(guī)則網(wǎng)格（矩形、正三角形、正六邊形等）和非規(guī)則網(wǎng)格（三角形、四邊形網(wǎng)格等）。在規(guī)則網(wǎng)格中，矩形網(wǎng)格平面位置隱含與行列號中，稱為網(wǎng)格DEM或Gird?DEM，因網(wǎng)格結(jié)構(gòu)簡單而被普遍采用。三角形是平面圖形中最簡單的幾何圖形，因而在不規(guī)則的網(wǎng)格中被經(jīng)常使用，一般稱為不規(guī)則三角網(wǎng)DEM或者TIN?DEM。

而在BIM系統(tǒng)中，DEM最主要的三種表示模型是規(guī)則格網(wǎng)模型（Gird?DEM）、等高線模型（Contour?DEM）和不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN?DEM）。

3?BIM實體模型的表示方法和建模相關(guān)算法

在本研究的前半部分，我們已經(jīng)介紹了BIM中的三維幾何體的不同表示方法，同時也了解了最高級的表示方法，實體模型的相關(guān)IFC中實體幾何模型描述SolidModel中的多種表達方法。在下面的內(nèi)容中，主要討論SolidModel中實體模型的表示方法和相關(guān)算法。

SolidModel用于描述實體模型，根據(jù)模型表達方式的不同，又可細分為邊界表示（Boundary?Representation，Brep）、構(gòu)造實體（Clipping）、CSG等多種類型。

本文采用Brep模型，該模型是將一個物體用不同的面拼接粘合起來形成一個封閉的空間區(qū)域來描述空間中的實體。而描述實體所用的面可以用一整個平面，也可以分割成多個曲面、三角面、樣條面共同粘合。面的邊通過兩個頂點的連線來確定，頂點一般都包含有X、Y、Z三個坐標值。Brep具有很多優(yōu)點，是最常用的一種表示方法；其缺點是數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，存儲表示使用的數(shù)據(jù)量較大，后期會占用大量的存儲空間。Brep模型能夠清晰、完整地描述物體的邊界，存儲和記錄物體的拓撲結(jié)構(gòu)和形狀，通過分級的方法定義和描述三維物體。邊界實體的層次結(jié)構(gòu)清晰（如圖3所示），通過點、邊、環(huán)、面等多個層次來表達實體。各個層之間相互關(guān)聯(lián)，相互轉(zhuǎn)化，緊密聯(lián)系。Brep模型在后期的幾何運算和集合操作的過程中也具有相應(yīng)的優(yōu)勢，目前是最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種方法[5]。

實體建模的研究重點是用簡單的幾何元素構(gòu)造復(fù)雜實體，即研究如何經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕静僮鳂?gòu)造所需的復(fù)雜幾何體。在BIM中的地上實體幾何部分的設(shè)計，主要通過復(fù)制、修改、拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣等方式建成。通過這些基礎(chǔ)操作的疊加和反復(fù)調(diào)用，可以生成復(fù)雜的幾何實體[6]。

4?某水電站地質(zhì)數(shù)字高程模型的設(shè)計

某水電站項目裝機容量4×106?W，設(shè)計流量93.68?m3/s，水位落差6.92?m，輸水天數(shù)3?662?d，發(fā)電量1?468?kW。根據(jù)該水電站鉆孔信息，將鉆孔確定的地形點導(dǎo)入計算機預(yù)定義的坐標系統(tǒng)中，為每一個點添加高程坐標信息。通過導(dǎo)入的點集進行三角化，采用三角網(wǎng)剖分算法，將集合中的所有點連接成三角形，最后生成三角曲面拼接而成的地形曲面，從而形成相應(yīng)的地層平面（如圖3所示）。

在三角網(wǎng)曲面平面模型生成的基礎(chǔ)上，對形成的底層平面進行渲染，表現(xiàn)出地表信息。圖4所示的地表平面可以看出高低起伏。讓每個地層生成一個單獨的曲面，每個地層曲面下部放一個基準平面，可以對每個地層進行實體填充，這樣可以清楚地顯示出在工程區(qū)每一個地層的高低起伏狀態(tài)。

在水力機械模型的繪制過程中，主要是通過實體建模的方式進行基礎(chǔ)水利機械模型的建立。根據(jù)基礎(chǔ)參數(shù)分別通過二維模型的拉伸運算和集合運算生成零部件。建立閘門主輪側(cè)面剖面二維幾何模型，并定義旋轉(zhuǎn)基準線，沿預(yù)定義的基準線將二維平面幾何圖形進行旋轉(zhuǎn)，最終得到三維模型。將構(gòu)成水電站的所有機械模型、管道模型、建筑模型等進行綜合拼貼和約束，最終能夠得到如圖4所示的水電站地上幾何實體模型。

對于設(shè)計成功后的三維結(jié)構(gòu)模型，可以通過幾何切割的方法快速查看模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀察電站內(nèi)部管道布線、廠房分區(qū)等。將地上模型和地質(zhì)地表模型進行貼合，并最終渲染，能最后得到如圖5所表示的最終效果圖。

5?結(jié)語

水電站工程建三維結(jié)構(gòu)模型設(shè)計研究是一個復(fù)雜、綜合的設(shè)計活動，參與者涉及眾多部門。項目的生命期包括了電站工程從勘測、設(shè)計，到使用管理、維護等階段，專業(yè)涉及廣泛，模型范圍復(fù)雜。在模型建立過程中涉及地質(zhì)地形生成、地上樞紐建筑生成、水利機械模型生成等多方面的模型可視化設(shè)計研究，最終生成水電站整體三維結(jié)構(gòu)模型。

參考文獻

[1]?周奇杰.?基于IFC的RCC重力壩信息模型及施工可視化研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2023.

[2]?陳壘，劉德斌.BIM技術(shù)在水利水電工程可視化仿真中的應(yīng)用[J].智能建筑與智慧城市，2023（7）：175-177.

[3]?向枝葉，叢沛桐.高陂水利樞紐超蓄淹沒動態(tài)模擬及實景三維可視化[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（21）：9314-9320.

[4]?秦龍飛.?水利工程三維模型參數(shù)化研究及應(yīng)用[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2021.

[5]?曾強.農(nóng)田水利工程施工可視化模型構(gòu)建與應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟，2022，28（1）：156-159.

[6]?李闖.?水利工程BIM空地數(shù)據(jù)采集與融合處理方法研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2022.