補(bǔ)舒棋，郭 琰，劉 冬，苗 洲，劉 沖

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

1 背景介紹

1.1 建筑信息模型(BIM)在數(shù)字孿生水利工程中的應(yīng)用

隨著互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化、信息化技術(shù)飛速發(fā)展，水利水電工程的數(shù)字化建設(shè)逐步呈現(xiàn)為以BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)為核心開展的各項(xiàng)以信息為加工對(duì)象的數(shù)字化應(yīng)用，依托工程全生命周期基礎(chǔ)平臺(tái)、激活創(chuàng)造數(shù)據(jù)應(yīng)用新價(jià)值[1]。BIM技術(shù)在水利工程數(shù)字化方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，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，是物理空間各類工程信息在信息空間中的孿生重建[2]，BIM數(shù)據(jù)是構(gòu)建水利工程孿生環(huán)境的基礎(chǔ)組成部分，為數(shù)字化水利工程建設(shè)和運(yùn)行管理提供技術(shù)支持。BIM技術(shù)與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等新興技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮其大數(shù)據(jù)整合能力，以實(shí)現(xiàn)智慧水利和數(shù)字孿生建設(shè)，具有極其廣闊的發(fā)展前景。為推進(jìn)工程數(shù)字孿生的實(shí)施應(yīng)用，提高信息應(yīng)用效率和效益，需確保模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳遞支撐工程數(shù)字化應(yīng)用。本文利用CATIA Automation API接口，基于VB6.0在建模軟件CATIA中二次開發(fā)了模型數(shù)據(jù)批量處理功能，通過實(shí)例應(yīng)用證明開發(fā)后可以大幅提高效率，并能支撐數(shù)據(jù)向工程數(shù)字孿生的延伸應(yīng)用。

1.2 CATIA在水利水電工程BIM設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

CATIA設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)勢(shì)主要在于可以實(shí)現(xiàn)水利水電工程項(xiàng)目全過程的數(shù)字化設(shè)計(jì)管理，國內(nèi)很多企業(yè)、高校等都在水利水電工程數(shù)字化應(yīng)用中采用了CATIA解決方案，如長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司[3]、黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司[4]、河海大學(xué)[5]等，CATIA具有較好的二次開發(fā)應(yīng)用能力，可以通過API編程方式實(shí)現(xiàn)模塊定制等開發(fā)自定義應(yīng)用，滿足用戶在水利水電工程BIM建模及數(shù)據(jù)處理方面的需求。

2 水利水電工程BIM模型數(shù)據(jù)處理需求

水工程數(shù)字孿生體建設(shè)中的BIM模型除了基本的專業(yè)模型外還包括管理類模型，與各階段管理相適應(yīng)的重分類的BIM模型，如建設(shè)期與施工進(jìn)度、質(zhì)量管理相匹配的BIM模型[6]。根據(jù)數(shù)據(jù)孿生里需提供的管理模型的需求，需要通過對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作得到適于后續(xù)應(yīng)用的模型數(shù)據(jù)，提高模型數(shù)據(jù)的高效利用和科學(xué)管理。如武漢大學(xué)的劉全等人以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)應(yīng)用框架，基于CATIA二次開發(fā)完成了拱壩的BIM建模、澆筑倉建模和施工單元體形提取、拱壩屬性提取等功能，可為壩體施工進(jìn)度和強(qiáng)度仿真提供數(shù)據(jù)和模型支持[7]，本文基于項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用提出幾項(xiàng)對(duì)BIM模型數(shù)據(jù)批量處理的基本需求。

(1)基于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化提出對(duì)數(shù)據(jù)批量編碼的需求：BIM模型信息編碼的主要目的是使建筑信息能夠更加方便地存儲(chǔ)、分類、檢索和使用，使信息能被準(zhǔn)確地標(biāo)識(shí)、管理和控制，從而保障模型數(shù)據(jù)的安全性。

(2)基于數(shù)據(jù)屬性信息交互性提出屬性賦予及導(dǎo)出的需求：BIM模型數(shù)據(jù)的屬性信息可以準(zhǔn)確描述每個(gè)構(gòu)件的材質(zhì)、規(guī)格、描述、項(xiàng)目單位等詳細(xì)信息，通過這些信息深度能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地反映相關(guān)構(gòu)件的狀態(tài)和特征。

(3)基于工程施工進(jìn)度控制、質(zhì)量、運(yùn)維管理的提出的模型構(gòu)件單體化批量升級(jí)、批量工程量導(dǎo)出的需求。

a.模型構(gòu)件單體化批量升級(jí)：模型單體化是指將一個(gè)完整的建筑設(shè)計(jì)按需求分解為業(yè)務(wù)需要的單元部分的過程，這些部分可以是整體的系統(tǒng)、子系統(tǒng)、分區(qū)、構(gòu)件或按施工劃分標(biāo)準(zhǔn)(單項(xiàng)工程、單位工程、分部工程、分項(xiàng)工程)。這些對(duì)象組合集成整體的建筑信息模型以支持不同階段的全過程管理。BIM模型單體化批量升級(jí)有以下意義：①實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目施工進(jìn)度的可視化的條件，為施工進(jìn)度管理系統(tǒng)提供了可靠的依據(jù)，施工人員通過BIM模型預(yù)先檢查并規(guī)劃所有的施工任務(wù)，減少資源浪費(fèi)和重復(fù)工作，從而使得整個(gè)施工過程更加高效。②實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)零部件的數(shù)字化記錄和跟蹤的基礎(chǔ)，通過構(gòu)件單體化后，在其屬性里記錄各項(xiàng)資源的使用情況，有效地記錄數(shù)據(jù)源的歷史數(shù)據(jù)，包括施工記錄、檢驗(yàn)記錄、維修記錄等，可跟蹤工程各個(gè)部位的施工情況，科學(xué)規(guī)劃和優(yōu)化資源的配置實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程協(xié)同、優(yōu)化及質(zhì)量過程的追溯和管理，從而確保施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)，減少浪費(fèi)和損耗。

b.BIM模型工程量批量統(tǒng)計(jì)：在項(xiàng)目應(yīng)用中，由于模型單體化后數(shù)據(jù)量較大，需自動(dòng)化地計(jì)算建筑構(gòu)件的工程量，提高統(tǒng)計(jì)效率，并為施工進(jìn)度管理系統(tǒng)的構(gòu)件提供工程量清單屬性信息，滿足工程數(shù)字化、信息化的要求，提升信息管理水平。

(4)基于工程監(jiān)測(cè)提出的批量坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入并生成模型的需求：將工程各個(gè)部位的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)位可視化，方便在設(shè)計(jì)過程及后期工程數(shù)字化應(yīng)用中結(jié)合監(jiān)測(cè)管理進(jìn)行管理應(yīng)用。

(5)基于工程設(shè)計(jì)、施工管理提出的專業(yè)或進(jìn)度顏色批量劃分的需求：通過將不同專業(yè)模型的各個(gè)部位進(jìn)行顏色劃分，顏色可以設(shè)置為代表各專業(yè)模型，也可設(shè)置為代表施工進(jìn)度，通過顏色來區(qū)分各專業(yè)模型信息或快速了解工程進(jìn)度，提高溝通效率。

3 CATIA二次開發(fā)的水利水電工程BIM模型數(shù)據(jù)處理應(yīng)用

3.1 應(yīng)用范圍和目標(biāo)

針對(duì)以上需求，基于CATIA開發(fā)了模型數(shù)據(jù)的批量處理功能，包括：編碼改名、屬性信息賦予及導(dǎo)出、單體化批量升級(jí)、工程量導(dǎo)出、坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入、工程專業(yè)顏色修改等，程序能適應(yīng)于CATIA V5r20及CATIA V5-V6版，適應(yīng)于CATIA設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，也可適應(yīng)能夠?qū)隒ATIA中的數(shù)據(jù)格式。

3.2 開發(fā)方式及語言

CATIA二次開發(fā)方式包括基于Visual Basic 的Automation技術(shù)和基于C++的CAA技術(shù)[8]，通過使用Catia軟件的API在vb中進(jìn)行接口調(diào)用進(jìn)行自動(dòng)化對(duì)象編程，完成相關(guān)需求功能，采用C#語言進(jìn)行界面集成和封裝，以便于工程設(shè)計(jì)人員使用，如圖1所示，為軟件界面。

圖1 軟件界面

3.3 數(shù)據(jù)處理流程

開發(fā)后，在項(xiàng)目中基本的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示，可用于工程協(xié)同設(shè)計(jì)、施工仿真、工程數(shù)字化管理應(yīng)用等。

圖2 數(shù)據(jù)處理應(yīng)用流程

4 實(shí)際項(xiàng)目案例應(yīng)用分析

4.1 屬性信息賦予及導(dǎo)出、工程量導(dǎo)出、顏色劃分、批量改名應(yīng)用

在某水庫工程數(shù)字孿生項(xiàng)目中應(yīng)用了以下模型數(shù)據(jù)處理功能：

(1)要求對(duì)模型賦予工程屬性信息并在后期應(yīng)用中導(dǎo)出屬性信息，方便在后期的BIM+GIS信息化管理系統(tǒng)中使用，如圖3所示，通過屬性信息賦予或?qū)С龉δ芸梢詫慵幪?hào)、描述、重量、來源、材料、版本、成本、實(shí)例名稱以及用戶自定義屬性等導(dǎo)出至外部excel表中，或是將外部excel表中的零件屬性信息批量寫入catia文件。

圖3 屬性信息批量賦予及導(dǎo)出

(2)對(duì)建筑物或分區(qū)混凝土進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，如圖4所示，通過幾何體工程量導(dǎo)出功能批量獲取零件幾何體的名稱以及工程量，寫入excel表中。

圖4 工程量批量導(dǎo)出及工程量批量分縫分塊

(3)根據(jù)水利水電工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)[9]結(jié)合需要對(duì)不同文件類型(如產(chǎn)品、零件、幾何體、幾何元素)進(jìn)行名稱編碼，以便實(shí)現(xiàn)水利水電工程全生命周期信息的交換、共享和管理。開發(fā)的功能主要提供了對(duì)零件批量由外部EXCEL表批量給名、修改指定幾何圖形集元素加前綴名稱、批量重命名產(chǎn)品零件實(shí)例名稱、批量重命名零件幾何體、批量重命名選定的元素、批量修改零件PARTNUMBER、批量在零件PARTNUMBER加前綴、對(duì)零件實(shí)例名稱加前綴等，利用這些功能可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范編碼命名。

(4)項(xiàng)目要求按專業(yè)對(duì)模型劃分，開發(fā)的功能可將工程的模型的零件、幾何體或幾何元素根據(jù)設(shè)定的專業(yè)顏色標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行批量改色，方便BIM模型的專業(yè)劃分。

4.2 監(jiān)測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入并生成模型

在某項(xiàng)目工程應(yīng)用中利用開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了將坐標(biāo)點(diǎn)EXCEL文件批量導(dǎo)入CATIA中，并批量建模，項(xiàng)目程序可以執(zhí)行相對(duì)或絕對(duì)坐標(biāo)系的坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入情況，每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)會(huì)建立一個(gè)小球模型代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備，其開發(fā)應(yīng)用可延伸用于批量導(dǎo)入如長距離隧洞節(jié)點(diǎn)、管點(diǎn)、骨架控制點(diǎn)等的批量導(dǎo)入，項(xiàng)目工程建筑物批量導(dǎo)入各參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備分布點(diǎn)后的模型，監(jiān)測(cè)模型信息涉及壩基溫度、壩體應(yīng)力、表面庫水溫、地震監(jiān)測(cè)、裂縫變形、滲流滲壓、壩體切向拱推力、垂線變形、壩體應(yīng)變等，共計(jì)1990個(gè)左右，處理這些數(shù)據(jù)需要十分鐘左右，大大提高效率，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維分布應(yīng)用圖

4.3 單體化批量升級(jí)、屬性信息、改名、顏色劃分

在某水庫后期的工程數(shù)字化應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度可視化管理功能，需將建筑物進(jìn)行單體化、導(dǎo)出屬性信息、編碼等，按照數(shù)據(jù)處理流程，先進(jìn)行了單體化批量升級(jí)，利用開發(fā)工具將零件下的構(gòu)件(零件幾何體)自動(dòng)批量升級(jí)為PART零件，并綴在項(xiàng)目產(chǎn)品PRODUCT下，如圖6所示，為升級(jí)的目錄結(jié)構(gòu)樹在CATIA及模擬仿真軟件中的狀態(tài)，根據(jù)編碼規(guī)范利用編碼改名功能對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行編碼，利用屬性信息導(dǎo)出功能和工程量導(dǎo)出功能將信息與進(jìn)度信息結(jié)合，從而獲得已有編碼及綜合屬性信息的精細(xì)化的單體模型，為后期BIM+GIS管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)底板做準(zhǔn)備，前期的施工進(jìn)度應(yīng)用主要利用施工仿真模擬軟件進(jìn)行工程4D/5D施工模擬或工藝仿真服務(wù)，優(yōu)化施工進(jìn)度管理，解決前期沖突問題，后期施工進(jìn)度應(yīng)用是在信息管理平臺(tái)通過將模型的施工進(jìn)度規(guī)劃與模型ID一一對(duì)應(yīng)，將精細(xì)化的單體模型上傳至平臺(tái)，可在管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)按時(shí)間查詢可視化進(jìn)度，并按時(shí)間顯示分色顯示施工進(jìn)度。項(xiàng)目數(shù)據(jù)規(guī)模為1.2G，數(shù)據(jù)過程中批量單體化的處理響應(yīng)速度為17秒100個(gè)，而人工手動(dòng)轉(zhuǎn)100個(gè)則預(yù)估需要1.6小時(shí)，效率提升99.81%。CATIA模型數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)在BIM+GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的單體屬性信息查詢功能，如圖7所示。

圖6 批量升級(jí)功能及施工模擬軟件中的目錄結(jié)構(gòu)樹

圖7 CATIA模型數(shù)據(jù)經(jīng)處理后在BIM+GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能

4.4 效率對(duì)比

如圖8所示，為手動(dòng)處理與采用軟件處理100個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間效率對(duì)比情況，通過對(duì)比可以看出手動(dòng)處理比軟件處理要更為費(fèi)時(shí)，經(jīng)過操作計(jì)算，手動(dòng)完成100個(gè)數(shù)據(jù)處理操作(如圖8所示6個(gè)處理類型)大概需要6.5小時(shí)，而采用軟件只需要2.44分鐘，每項(xiàng)功能的時(shí)間效率都在98.3%以上，若在大型水利水電工程施工進(jìn)度管理中進(jìn)行應(yīng)用，項(xiàng)目構(gòu)件劃分可能需要上萬個(gè)，以一萬為例，按以上時(shí)間效率計(jì)算即單人手動(dòng)完成相應(yīng)的工作量大概需要81天，而采用軟件只需要4小時(shí)，充分說明開發(fā)的必要性和優(yōu)越性。

圖8 手動(dòng)與開發(fā)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)間效率比較

5 部分關(guān)鍵代碼分析

以導(dǎo)出工程量到excel表為例1進(jìn)行主要循環(huán)體的代碼分析，關(guān)鍵代碼及分析如下：

For Each ibody In iHybridBodies //對(duì)每個(gè)iHybridBodies中的ibody進(jìn)行循環(huán)操作

Dim oreference As Reference //聲明一個(gè)名為oreference的參考對(duì)象，并且使用partDocument1.Part.CreateReferenceFromObject(ibody)從ibody創(chuàng)建一個(gè)參考。

oreference=partDocument1.Part.CreateReferenceFromObject(ibody)

Dim oMeasurable As Measurable //聲明一個(gè)名為oMeasurable的測(cè)量對(duì)象，并且使用oWorkbench.GetMeasurable(oreference)從參考中獲取測(cè)量對(duì)象。

oMeasurable=oWorkbench.GetMeasurable(oreference)

lSheet.Cells(1，1)="名稱" //在Excel表格的第一行分別填寫"名稱"、"工程量"和"單位"。

lSheet.Cells(1，2)="工程量"

lSheet.Cells(1，3)="單位"

bdname=ibody.Name //獲取當(dāng)前幾何體的名稱，并將其賦值給Excel表格中的對(duì)應(yīng)單元格(行數(shù)為i+1，列數(shù)為1)。

lSheet.Cells(i+1，1)=bdname

Dim reference1 As Reference //聲明名為reference1的參考對(duì)象，并使用part1.CreateReferenceFromObject(part1.Bodies.Item(i))從part1中獲取當(dāng)前幾何體(通過Bodies.Item(i))的參考。

reference1=part1.CreateReferenceFromObject(part1.Bodies.Item(i))

Dim SPAWorkbench1 As SPAWorkbench //聲明名為SPAWorkbench1的SPA工作臺(tái)對(duì)象，并使用CATIA.ActiveDocument.GetWorkbench("SPAWorkbench")來獲取當(dāng)前文檔中的SPA工作臺(tái)。

SPAWorkbench1=CATIA.ActiveDocument.GetWorkbench("SPAWorkbench")

Dim Measurable1 As Measurable //聲明名為Measurable1的測(cè)量對(duì)象，并使用SPAWorkbench1.GetMeasurable(reference1)從參考中獲取測(cè)量對(duì)象。

Measurable1=SPAWorkbench1.GetMeasurable(reference1)

Dim volume1 As Double //聲明名為volume1的雙精度浮點(diǎn)數(shù)，并使用Measurable1.Volume獲取當(dāng)前幾何體的體積。

volume1=Measurable1.Volume //將當(dāng)前幾何體的名稱、體積和單位("m3")填入Excel表格中的對(duì)應(yīng)單元格(行數(shù)為i+1，列數(shù)分別為2和3)。

lSheet.Cells(i+1，2)=volume1

lSheet.Cells(i+1，3)="m3"

i=i+1

Next

以上關(guān)鍵代碼可以將零件內(nèi)的幾何體的體積依次對(duì)應(yīng)并導(dǎo)出到表格中，適于進(jìn)行實(shí)體結(jié)構(gòu)的分類工程量統(tǒng)計(jì)。

以單體化批量升級(jí)為例2進(jìn)行主要代碼分析，主要代碼及分析如下：

以上批量升級(jí)代碼可以實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)有零件幾何體

Sub Main()

Set prtdoc=CATIA.ActiveDocument // 定義了一個(gè)名為"Main"的子過程。

Set prodoc=CATIA.Documents.Add("Product")//創(chuàng)建一個(gè)新的產(chǎn)品(Product)文檔對(duì)象，并將其賦值給變量prodoc。

prodoc.Product.PartNumber=prtdoc.Product.PartNumber //將當(dāng)前文檔(prtdoc)的PartNumber屬性值賦值給新創(chuàng)建的文檔(prodoc)的PartNumber屬性，確保它們具有相同的零件號(hào)。

For Each B In prtdoc.Part.Bodies //對(duì)prtdoc文檔中的每個(gè)零件(Body)進(jìn)行循環(huán)操作。

prtdoc.Selection.Add B // 將當(dāng)前零件(B)添加到選擇集中。

prtdoc.Selection.Copy //復(fù)制選擇集中的零件。

prtdoc.Selection.Clear //清空選擇集，為下一個(gè)循環(huán)做準(zhǔn)備。

Set Prd=prodoc.Product.Products.AddNewComponent("Part"，"") //在新產(chǎn)品(prodoc)中添加一個(gè)新的零件組件(Part)，并將其賦值給變量Prd。

Prd.PartNumber=B.Name // 將新零件的PartNumber屬性設(shè)置為當(dāng)前零件的名稱。

prodoc.Selection.Add Prd.ReferenceProduct.Parent.Part // 將新零件的父級(jí)零件(Parent.Part)添加到選擇集中，作為剪貼板的目標(biāo)。

prodoc.Selection.PasteSpecial "CATPrtResultWithOutLink"http://將剪貼板中的內(nèi)容粘貼到選擇集中，實(shí)現(xiàn)零件的復(fù)制。

Prd.ReferenceProduct.Parent.Part.Update// 更新新零件的父級(jí)零件，以反映復(fù)制操作的更改。

Next // 結(jié)束循環(huán)體。

End Sub //結(jié)束子過程。

復(fù)制到新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，零件幾何體則升級(jí)為零件文件，這對(duì)于后續(xù)需要對(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)體在后期平臺(tái)的單個(gè)結(jié)構(gòu)的信息查詢、屬性賦予、施工進(jìn)度的演示等有著關(guān)鍵作用。

6 總結(jié)

本研究結(jié)合項(xiàng)目生產(chǎn)中數(shù)據(jù)信息向平臺(tái)應(yīng)用的需求，通過基于CATIA的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了對(duì)BIM數(shù)據(jù)的批量處理，以便將數(shù)據(jù)傳遞至工程后期的數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用。開發(fā)后每項(xiàng)功能的數(shù)據(jù)處理效率都在98.3%以上，大大減少了人工重復(fù)勞動(dòng)，節(jié)約了時(shí)間，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，達(dá)到了減少工作量的目標(biāo)。然而，在研究過程中需要注意的是，由于BIM數(shù)據(jù)的來源廣泛，因此并非所有BIM數(shù)據(jù)類型都能夠進(jìn)行批量處理，但對(duì)于基于CATIA平臺(tái)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)或可導(dǎo)入CATIA平臺(tái)的三維實(shí)體數(shù)據(jù)，軟件均可以進(jìn)行批量處理。