楊焱喆，趙喜萍，李劍平，李 智，謝 洪

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西省旅游投資控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000；3.山西東山供水工程建設(shè)公司，山西 太原 030000）

1 項(xiàng)目概況

山西東山供水工程作為山西跨流域引調(diào)水項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了省內(nèi)汾河流域上游、漳河流域上游接續(xù)工程，是“山西大水網(wǎng)”第五橫晉中～長(zhǎng)治線規(guī)劃工程和“十二五”期間最重大的互通工程之一，是山西大水網(wǎng)設(shè)計(jì)框架中的主體部分，其中主要從調(diào)派區(qū)內(nèi)三個(gè)縣市的四大水源地調(diào)水，同時(shí)也與調(diào)入?yún)^(qū)內(nèi)五縣（市）的7 個(gè)已建水庫(kù)、水源聯(lián)系，為調(diào)出區(qū)補(bǔ)充工農(nóng)業(yè)用水。工程輸水管（洞）線路總長(zhǎng)253.98 km，其中包含壓力管線、隧洞、洞穿管及箱涵段。

2 BIM 技術(shù)

2.1 BIM 技術(shù)核心理念

建筑信息模型（Building Information Model，簡(jiǎn)稱BIM[1]）。該模型有效集成了工程項(xiàng)目的幾何、物理及功能信息，能顯著提高工程全過(guò)程管理效率。

每個(gè)水利工程都包含著不同部門、不同科技領(lǐng)域、不同時(shí)間和空間等數(shù)據(jù)，每個(gè)項(xiàng)目參與方都需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的了解、分析和建設(shè)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析情況配置資源和控制項(xiàng)目建設(shè)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和分析技術(shù)需要分門別類逐項(xiàng)調(diào)查記錄，每個(gè)部門都有重復(fù)數(shù)據(jù)，關(guān)系高度交叉。BIM 數(shù)字模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一一對(duì)應(yīng)，小到材質(zhì)形狀，大到縱坡、平面轉(zhuǎn)角等，各參與方都能夠高效率地共享信息和進(jìn)行信息交流。BIM 同步數(shù)字模型在水利工程前期設(shè)計(jì)、中期施工、后期運(yùn)維等環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，大大提高了水利工程建設(shè)的效率。

2.2 BIM 技術(shù)特性

2.2.1 可視化建模

BIM 技術(shù)與傳統(tǒng)的模型區(qū)別在于BIM 模型可以更加直觀、形象、具體地展現(xiàn)工程項(xiàng)目的材質(zhì)、規(guī)格及其他屬性，更方便地展示工程各方面細(xì)節(jié)[2]，例如水工建筑物的內(nèi)部情況或廠房構(gòu)造等。

2.2.2 豐富的動(dòng)態(tài)化信息

BIM 模型中除包含當(dāng)前搜集到的信息以外，在工程出現(xiàn)變更或施工方由于不可抗因素并未按照?qǐng)D紙施工時(shí)，無(wú)需再次進(jìn)行建模，只需及時(shí)修改BIM 模型中的數(shù)據(jù)，模型信息也隨即改變，信息更新的便捷性提高了設(shè)計(jì)者的工作效率。

2.2.3 仿真模擬演示

由于BIM 技術(shù)模型數(shù)據(jù)的完整性及可靠性，不僅可以將真實(shí)情景以畫(huà)面的形式表現(xiàn)出來(lái)，還可以通過(guò)與外部計(jì)算軟件聯(lián)合，進(jìn)行不同算法的計(jì)算處理。例如，在不同降雨量的情況下，該水工建筑物是否可以正常運(yùn)行。通過(guò)不同情況的演算，仿真模擬出不同情況下的不同狀態(tài)，并將計(jì)算結(jié)果以可視的形式展現(xiàn)出來(lái)[3]。

2.3 建模軟件

BIM 建模工具采用Autodesk 公司的Revit2018 軟件，軟件界面簡(jiǎn)單明了，擁有強(qiáng)大的族功能。在建模過(guò)程中，Revit 提供從2D 到3D 的設(shè)計(jì)形式，可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)任意視角進(jìn)行族組件設(shè)計(jì)，編輯圖形數(shù)據(jù)，直至滿足個(gè)人及工程所需[4]。同時(shí)Revit 也可以在不同階段對(duì)模型中的任意參數(shù)進(jìn)行修改或添加，只需將參數(shù)進(jìn)行修改，便可得到變化后的模型。另外，Revit 自帶可視化編程Dynamo，不僅可以調(diào)用外部工具，還可以令復(fù)雜的編程語(yǔ)言變成可視化的氣泡，一目了然地完成復(fù)雜重復(fù)的工作指令，大大提高開(kāi)發(fā)效率。

3 東山供水工程BIM 模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)采集

BIM 要?jiǎng)討B(tài)呈現(xiàn)供水管道線路的三維實(shí)時(shí)模型，還要將埋藏于地下布設(shè)線路上方的三維地形一對(duì)一地構(gòu)建出來(lái)。本次三維外業(yè)地形數(shù)據(jù)由無(wú)人機(jī)傾斜攝影、RTK 獲取。

3.1.1 創(chuàng)建小系統(tǒng)

由于工程施工距離長(zhǎng)，工程量大，各標(biāo)段施工方和采用的坐標(biāo)系統(tǒng)不統(tǒng)一，所以數(shù)據(jù)采集，需創(chuàng)建各標(biāo)段自己的小系統(tǒng)，并擬合參數(shù)，才能使二百余公里的管線無(wú)誤銜接，故采用中海達(dá)RTK 將項(xiàng)目分為四個(gè)部分，分別在左權(quán)、榆社、平遙和介休創(chuàng)建大地2000坐標(biāo)小系統(tǒng)，統(tǒng)一原本凌亂的坐標(biāo)系，進(jìn)行參數(shù)校正，為內(nèi)業(yè)銜接工作及建模精度做保證。

3.1.2 無(wú)人機(jī)仿地飛行

無(wú)人機(jī)傾斜攝影由于簡(jiǎn)單便捷，三維建模精度高故被廣泛使用，本工程地形起伏變化大，山體眾多，故本次飛行使用大疆M300-RTK 進(jìn)行仿地飛行，無(wú)人機(jī)仿地飛行示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)仿地飛行示意圖

在使用參數(shù)校正過(guò)的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行控制點(diǎn)采集，控制點(diǎn)的設(shè)置可有效防止無(wú)人機(jī)因高空拍攝作業(yè)產(chǎn)生相片畸變使數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)偏差，在后期圖片處理將控制點(diǎn)信息刺入二維地形中進(jìn)行糾偏。將處理后的圖片導(dǎo)入DJI Terra 進(jìn)行二維重建創(chuàng)建區(qū)域DSM，使用POS 影像約束，POS 系統(tǒng)是輔助空中三角測(cè)量技術(shù)在航空攝影測(cè)量的應(yīng)用，也是提高絕對(duì)精度從而保證地形圖精度的新方法[5]。

二維重建后的DSM 將擁有任意點(diǎn)云處的高程和地理坐標(biāo)信息，針對(duì)工程地貌和地形高低起伏以及無(wú)人機(jī)仿地飛行的特點(diǎn)，在遙控器中導(dǎo)入重建后的DSM文件，設(shè)置“井”字形飛行航向，設(shè)置航向80%、旁向70%、飛行高度180 m 的高重疊度，以減少地面和空中的干擾，保證地形構(gòu)造的準(zhǔn)確度[6]。

3.1.3 供水線路數(shù)據(jù)

線路數(shù)據(jù)源于榆社縣云竹鎮(zhèn)東山供水工程項(xiàng)目部施工設(shè)計(jì)圖紙，將供水線路數(shù)據(jù)（縱斷面及平面圖的坐標(biāo)、高程、轉(zhuǎn)交、材質(zhì)、襯砌形式等）記錄下來(lái)。

3.2 構(gòu)建模型

3.2.1 地形的三維構(gòu)建

采用大疆智圖，將無(wú)人機(jī)外業(yè)拍攝照片導(dǎo)入，輸出坐標(biāo)系選擇CGCS 2000?？臻g三角測(cè)量法是以人類視覺(jué)的重投影殘差最小化為對(duì)象，在特定的所需環(huán)境下計(jì)算照相機(jī)在成像時(shí)的方位和姿勢(shì)，其計(jì)算流程是先尋找同名像點(diǎn)，并進(jìn)行特征點(diǎn)篩選與匹配，接著再通過(guò)區(qū)域網(wǎng)平差解算出照相機(jī)方位與姿態(tài)[7]。在進(jìn)行三維重建之前，將外業(yè)所采集像控點(diǎn)坐標(biāo)信息導(dǎo)入，利用像控點(diǎn)坐標(biāo)刺入二維模型中，以此來(lái)提高空三精度。在空三解算完成后即可進(jìn)行三維地形重建。本次建模采用的是大疆智圖生成的OSGB 格式文件，該格式是無(wú)人機(jī)傾斜攝影常采用的三維數(shù)據(jù)格式。

3.2.2 Dynamo 可視化編程

Dynamo 是Revit 自帶的編程工具，由許多節(jié)點(diǎn)根據(jù)編程人員的自主組合完成工作所需，最主要的特點(diǎn)便是可視化，去除了代碼編程原本的冗雜。Dynamo中的節(jié)點(diǎn)互相連接以形成可視化編程流程中的實(shí)體，由輸入、輸出、結(jié)果顯示3 部分組成。流程為節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的連線，是面向過(guò)程編程的具現(xiàn)，通過(guò)流水作業(yè)實(shí)現(xiàn)了建模邏輯的層層遞進(jìn)[8]。

3.2.3 參數(shù)化族庫(kù)

族是組成BIM 模型的基本單元，是不同參數(shù)值的某一類圖元的組合，一個(gè)BIM 模型所需要的是大大小小不同的族。參數(shù)化建模的好處便是在創(chuàng)建族的過(guò)程中可以根據(jù)修改尺寸、材料等物理特性而修改模型，不用重新建模只需將參數(shù)進(jìn)行修改便可以得到新的族組件，大量減少了重新建模的時(shí)間。

建立族的方式有兩種，一種是建立公制常規(guī)模型，變化各視角繪制不同立面的圖形，然后進(jìn)行手動(dòng)三維拉伸，見(jiàn)圖2、圖3；另一種便是通過(guò)Dynamo 中的Solid.ByLoft 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放樣創(chuàng)建實(shí)體，該方法對(duì)三維曲線建模更加適用，并且也可通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)等信息來(lái)組建不同的族組件。

圖2 公制常規(guī)模型

圖3 DN1800PCCP 管道

3.2.4 利用Dynamo 進(jìn)行模型構(gòu)建

在創(chuàng)建線路模型前，需要對(duì)不同管道材質(zhì)、尺寸進(jìn)行定位，由于定位點(diǎn)位置相對(duì)固定，在Civil 3D 中生成線路信息，并以Excel 的形式輸出，而后使用Dynamo節(jié)點(diǎn)庫(kù)中的OFFICE 庫(kù)提供Excel 讀寫功能，可通過(guò)File Path 節(jié)點(diǎn)→File.FromPath 節(jié)點(diǎn)→Excel.ReadFromFile節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)詳見(jiàn)圖4。

圖4 Dynamo 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

數(shù)據(jù)導(dǎo)入之后，通過(guò)節(jié)點(diǎn)NurbsCurve.ByPoints 與Curve.PointAtSegmentLength 使Dynamo 調(diào)用Revit 生成三維軌跡，如圖5。

圖5 生成三維軌跡

在確定各構(gòu)件相對(duì)位置后，需要識(shí)別Revit 族庫(kù)中的族，Dynamo 節(jié)點(diǎn)庫(kù)中的FamilyTypes 節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)了Revit 族庫(kù)中的所有族并按名稱排序，隨后調(diào)用Family Instance.ByPoint 節(jié)點(diǎn)放置模型，模型放置完成后，使用Element.SetParameterByName 節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置模型參數(shù)。設(shè)置1 次參數(shù)的節(jié)點(diǎn)僅能修改1 個(gè)參數(shù)，對(duì)于參數(shù)較多的模型實(shí)例化較困難，所以引入Code Block 至關(guān)重要。Code Block 節(jié)點(diǎn)提供了新建、執(zhí)行、查詢3 種操作模式，可以用于建模全過(guò)程，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 生成實(shí)體1

圖7 生成實(shí)體2

至此，建模工作已完成，見(jiàn)圖8。

圖8 管道-出氣閥-管道建模圖

3.2.5 地形與管線模型的銜接

利用VR 技術(shù)可以相當(dāng)直觀地對(duì)BIM 模型的準(zhǔn)確性做出判斷，并且可以使多用戶多角度地認(rèn)知信息數(shù)據(jù)，對(duì)BIM 技術(shù)的體驗(yàn)變得更加暢通無(wú)阻，這就是“BIM+VR”技術(shù)，突出的便是更加直觀的可視性，豐富多趣以及便捷高效的協(xié)同性[9]。

Fuzor 是一款專門針對(duì)BIM 技術(shù)開(kāi)發(fā)的VR 插件，作為Revit 與VR 系統(tǒng)之間具有高度關(guān)聯(lián)性的橋梁，可以使BIM 模型快速轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)據(jù)項(xiàng)目載體，充分達(dá)到數(shù)據(jù)交互的目的。Fuzor 可以將Revit 與DJI Terra 分別創(chuàng)建的管線三維模型與地形三維模型按照坐標(biāo)系擬合在一個(gè)界面之中，并且可以以游戲的方式操作小人在模型之中上天入地，觀察模型中的任何細(xì)節(jié)，同時(shí)也可以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途龋^察地表建筑物與地下管線是否可以充分連接，形成一個(gè)多方位多角度的BIM 模型。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管在開(kāi)工前很多設(shè)計(jì)工作都會(huì)進(jìn)行一系列的預(yù)算工作，但往往由于各種原因，實(shí)際過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)儀器設(shè)備老化、損壞、監(jiān)管不善等問(wèn)題產(chǎn)生額外支出，導(dǎo)致工程建設(shè)成本增加，因此復(fù)雜的費(fèi)用構(gòu)成很容易對(duì)預(yù)算管理造成影響。

由于水利工程建設(shè)周期較長(zhǎng)，情況較為復(fù)雜，采用BIM 技術(shù)能夠使施工單位科學(xué)合理地制定工程預(yù)算、管理制度和工程造價(jià)支出等相關(guān)管理措施。如果從工程的設(shè)計(jì)開(kāi)始，將BIM 技術(shù)貫穿工程的全生命周期，從設(shè)計(jì)者到施工方再到后期管理者，就可以避免許多不必要的錯(cuò)誤和損失。BIM 技術(shù)從二維平面向參數(shù)化三維轉(zhuǎn)變，并與VR 技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工方案，必將大大加快水利工程的集約、節(jié)約和智慧化管理進(jìn)程[10]。