于 堯

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061）

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，人民日益增長的美好生活需要對城市管理提出了更高的要求。對于超大城市，管理工作更要向繡花一樣精細[1]。在水務行業(yè)實施精細化管理，更需要現(xiàn)代數(shù)字化技術的支持。為此，上海市堤防處通過建立重大水利工程BIM（building information modeling，建筑信息模型）系統(tǒng)，計劃對市管23 座泵閘實現(xiàn)BIM 平臺運營維護，平臺建成投入使用后預期可達到以下幾點：

（1）通過工程三維數(shù)字化，可以通過漫游、動畫和虛擬現(xiàn)實等形式形象生動地展示工程面貌。

（2）基于創(chuàng)建完成的三維模型，可將資產管理信息與模型在工程數(shù)字化模型管理平臺上進行集成[2]，如設備需要更換零件時，系統(tǒng)會提示用戶進行更換操作，并且顯示備品備件數(shù)量、有效期等提示。

（3）通過堤防處數(shù)字化模型管理平臺的數(shù)據(jù)接口，可將設施設備監(jiān)控信息集成至管理平臺，實現(xiàn)設備實時運行狀態(tài)監(jiān)控。

（4）在管理平臺上，通過收集和分析安全監(jiān)測系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)，可以辨識安全風險。

（5）利用三維模型及設施設備信息，可以制定應急預案，開展模擬演練。遇到突發(fā)事件時，可隨時調用應急預案，采取應急措施，控制事態(tài)發(fā)展[3]。

（6）通過模型編碼，可使得工程的每個構件都具有唯一性，通過查找相應的信息，可迅速找到相關聯(lián)的其他信息，將零散的數(shù)據(jù)集成起來[4]。

該項目的實施是配合開展上海市重大水利工程BIM 系統(tǒng)工作的需要，是在竣工圖基礎上構建三維模型，并進一步對設施設備進行編碼，并發(fā)布在管理平臺上。

1 項目概況

該項目主要內容為計劃數(shù)字化23 座泵閘中的3 座，分別為桃浦河泵閘、淀東船閘（位于淀東泵閘旁，滿足管理要求）、木瀆港泵閘工程竣工圖BIM模型的構建和編碼工作，包括場地、水工、水機、電氣、金屬結構等專業(yè)。

桃浦河泵閘工程位于桃浦河入蘊藻浜河口處，工程等別為Ⅰ等工程，工程內容主要為現(xiàn)有泵閘一座，其中泵站為三臺機組，總裝機流量40 m3/s，水閘為單孔，凈寬12 m。站身、閘首采用鋼筋混凝土結構， 底板采用整底板。 泵站裝設三臺2000ZXB13.4-3.5 型斜式軸流泵，水泵的流量為13.4 m3/s，最高凈揚程為3.48 m，配套電機功率為710 kW。站身及閘首垂直水流向長度為43.70 m，順水流向長度為28.35 m。進水流道底高程為-2.78 m，站身底板厚1.50 m，出水流道的底高程為-0.37 m。據(jù)防洪及泵站的運行要求及現(xiàn)狀地面高程等，站身內外河側墻頂高程分別為5.5 m 和7.10 m。吊車的軌頂標高為15.5 m。桃浦河泵閘于2006 年2 月動工建設，2007 年底完工驗收并投入運行。

淀東船閘工程等別為Ⅲ等工程，通航等級為100 t 級，航道等級為Ⅵ級，最小通航水深為2.0 m，抗震標準按基本烈度7 度設防。船閘為廣室船閘，上下閘首凈寬為12 m，閘室凈寬為16 m，船閘閘室長200 m。閘室墻采用鋼筋混凝土拉錨板樁墻。閘門門體為鋼桁架結構三角閘門，上閘首底坎高程-1.0 m，閘門頂高程4.2 m，下閘首底坎高程-1.3 m，閘門頂高程5.4 m；閘門采用液壓啟閉機，均使用計算機集中控制。綠化面積10000 m2。淀東船閘于1975 年9 月動工建設，1978 年10 月投入運行。

木瀆港泵閘位于蘇州河與木瀆港相接處，包括30 m3/s 泵站一座和單孔凈寬為12 m 的節(jié)制閘一座。泵閘采用泵閘合建方式——“泵+閘+泵”方案，泵站裝設6 臺型號為1400QZ-125 的立式潛水軸流泵，最高凈揚程為2.98 m，設計凈揚程為1.98 m，單機容量300 kW。站身包括進水前池、進水池、站身、出水池、清污機橋；水閘包括進水前池（消力池）、閘首、出水池（消力池）、交通橋等，閘門采用升臥式平面鋼閘門。站身、閘首采用鋼筋混凝土結構，站身及閘首總寬為38.44 m，順水流向長20.50 m。站身外河側底板頂面高程為-2.10 m, 底板厚度1.3 m，內河側站身底板頂面高程為0.00 m；水閘閘首底板為折線形，外河側底板頂面高程為-2.10 m，閘門門檻部位底板頂高程為0.0 m，內河側站身底板頂面高程為-1.00 m，底板厚度1.3 m。根據(jù)防洪及泵站的運行要求、現(xiàn)狀地面高程等, 進水前池及出水池岸頂高程為5.05 m，泵閘站身攔污柵工作橋橋面和內外河側墻頂高程為5.60 m。2003 年，泵站由原單向引水改為雙向引排水功能，正向引水即將蘇州河水體引入桃浦河，設計流量為30 m3/s，反向排水即在汛期向蘇州河排澇，設計流量為10 m3/s。其中水機方面，原6 臺水泵中的緊靠水閘側的2 臺改為1400QZ-125 雙向S 形立式潛水軸流泵，最高凈揚程為1.70 m，設計凈揚程為1.40 m，功率為450 kW；金結方面，雙向泵的工作閘門和浮箱拍門均改為帶拍門的工作閘門，反向排水的進水口利用原檢修門槽設置攔污柵；水工方面，改造河中心與節(jié)制閘緊鄰的左右兩臺水泵的反向進水流道及局部改造泵房頂板；電氣方面，調整主變壓器容量及低壓電壓等級，調整部分低壓開關柜的電壓等級。

2 模型分析和構建

該項目中的金屬結構專業(yè)模型均通過Autodesk Inventor 軟件完成，再通過中間格式輸出到Bentley Microstation 軟件中，同其他專業(yè)（水工、水機、電氣等模型在Microstation 中完成）復合組成工程三維數(shù)字化模型。

在項目進行前，設備專業(yè)基礎資料的收集中會遇到的問題主要有圖紙資料收集不全、圖紙中出現(xiàn)錯誤等。已收集到的圖紙還分為有電子版（CAD 文件）的和只有紙質/ 掃描版的（受制于文件大小限制，紙質掃描版可能存在不清晰的情況），即使是紙質版竣工圖紙中還存在著一些零件和裝配尺寸錯誤的情況（相關錯誤在設備制造、安裝過程中應已改正，只是沒有反映到竣工圖紙上，錯誤包括前后圖紙不一致、缺少必要尺寸無法完全約束零件草圖等），甚至還存在部分構件既無圖紙也無必要技術資料，且位于水下，現(xiàn)場測量的條件難以具備。如無管理需要，同有關部門商討后可暫不建模。

金屬結構專業(yè)的設備建模同土建結構的模型有著不小的區(qū)別，模型可分為非標和標準設備模型。對于標準設備（主要是啟閉、清污）模型的構建，考慮到平臺的需求以及資料限制，可根據(jù)廠家資料以及現(xiàn)場實際情況，對設備進行主要外形建模。由于對于非標設備來說，其施工階段圖紙深度應要達到可用于設備招標的程度，也就是說要達到可用于制造的級別，竣工圖紙中還添加了工程建設和設備制造中的變更信息等。圖紙主要分為零件圖、裝配圖、布置圖，對于零件圖紙，專業(yè)人員需要通過機械三維設計軟件完成草圖繪制、實體模型構建、模型修改等操作，不考慮包括非幾何信息（公差配合等）的添加，僅在建模部分，復雜的零件模型就可能要經歷上百個子操作才能完成（體現(xiàn)在建模歷史樹上）。 裝配部分的操作耗時更久，在某種程度上相當于在虛擬環(huán)境中將每個零件組裝在一起構成設備部件，其難點在于出現(xiàn)錯誤難以判定源頭，需要專業(yè)人員熟悉整套圖紙，對整個裝配結構有清晰的認識，出現(xiàn)錯誤時及時調取相關圖紙結合經驗進行分析和修正。金屬結構的專業(yè)人員完成建模后（見圖1），還要適當簡化模型，將文件輸出成中間格式，在土建三維設計軟件中打開，對模型進行翻轉、平移等操作，將其自身的坐標系和土建結構的坐標系對齊，最終效果如圖2所示（按順序依次為淀東船閘、木瀆港泵閘和桃浦河泵閘）。

圖1 金屬結構設備——閘門模型展示圖

圖2 工程整體三維模型展示圖

3 模型編碼和發(fā)布

幾何模型創(chuàng)建完成后，還要對模型添加額外的非幾何信息，如構件編碼、工程信息、技術參數(shù)等組成完整的信息模型。對信息模型的構建，尤其是針對在運維管理平臺中的應用，需要建立一套規(guī)范、統(tǒng)一的分類和編碼體系。編碼規(guī)則的制定和信息化應用息息相關，在現(xiàn)階段，想用一套編碼解決所有的應用問題既不科學也不現(xiàn)實，編碼需要和應用點、工程規(guī)模大小、銜接對象等相適應，且應符合對應的國家和行業(yè)標準[5]，編碼的體系建立基本要遵循如下原則：唯一性、科學性、穩(wěn)定性、可擴展性、兼容性、可映射的轉換性等[6，7]。

確定編碼前，需按照模型劃分和應用需求對實體構件進行拆分和組合，同時建立模型分類表。建立分類關系表后，再對模型構件進行編碼，編碼通過BIM 軟件進行（見圖3），將編碼作為模型構件的屬性參數(shù)，使構件唯一編碼（globally unique identifier，GUID）和應用編碼相對應，從而符合模型和編碼調用相一致的要求。

圖3 桃浦河泵閘工程中工作閘門編碼示意圖

提交的模型要進行輕量化處理，對重要部位和關鍵位置等模型構件應設置源格式模型的截圖或渲染圖片，達到補充輕量化模型帶來的部分數(shù)據(jù)損失，這樣可以避免源格式模型整體加載至平臺引起的卡頓、遲延等現(xiàn)象。最后要對數(shù)據(jù)進行質量檢查，以保證入庫數(shù)據(jù)符合規(guī)范性、唯一性等條件[8，9]。

4 結 語

隨著數(shù)字化技術的不斷進步，管理平臺也會進行改造和更新，其功能將逐步完善。而專業(yè)人員構建的三維模型是多種擴展應用的基礎，將作為平臺的基石長久存在。本文僅從金屬結構專業(yè)角度介紹了將二維圖紙轉化為三維模型的過程，如何綜合利用便攜型三維掃描、創(chuàng)成式模型修改等新興模型數(shù)字化技術都值得相關專業(yè)技術人員進一步研究和實踐。