基于BIM的地下管線三維可視化管理系統設計

曹冬冬

(中煤西安設計工程有限責任公司,陜西 西安 710054)

當前城市中老舊城區道路、單位及家屬院周圍都存在著地下管線埋設時間長、施工圖或竣工圖丟失、管理匱乏等問題，不僅會對周圍居民的生活產生影響，同時也會造成改造開挖的二次破壞[1]。傳統的地下管線圖及地形圖過于密集和專業、缺乏友好的可視化界面，并且均為二維線劃圖，管理人員和設計人員不能直觀地了解地下管線的管徑、埋深、規格、材質屬性等信息，只能通過文字標注獲得以上內容，因此很難為管理人員提供可靠的規劃、設計、施工方案。鑒于此，為了進一步加強測繪數據資源的利用率，滿足規劃、設計和建設工作的相關要求，實現地形數據及地下管網數據的標準化、信息化管理，本文提出一種基于BIM的地下管線三維可視化管理系統。利用BIM技術將地下三維管線數據與地面地形要素數據完美融合，同時優化開發出不僅具有信息瀏覽、查詢、統計功能，還具備巡檢、維護、應急決策等分析功能。

1 BIM技術

BIM(Building Information Modeling)是“建筑信息模型”的簡稱，是在建筑行業上的一項新興技術。BIM技術作為建筑工程項目幾何屬性的數值化表達，是建筑工程項目信息可以共享的知識資源集合體，其基本原理就是將工程建設中設計和施工單位數量和種類繁多的零碎圖紙作為一個整體來看待，通過虛擬方式鑒別它們之間的幾何學沖突，避免實際施工中出現問題。由于其具有可視化、協調性、優化性及其全周期應用等優點，目前在歐美國家以及亞洲的日本、韓國等國家的建筑行業的項目設計、施工和維護中得到了廣泛的應用。作為現在建筑行業興起的一項技術，BIM技術的三維可視化模型不僅可以實現漫游和模型查看，而且數據模型中包含有大量的內部屬性信息，可以用于模型數據的分析和管理。本文主要采用BIM技術對地下管線三維可視化管理系統進行設計。

2 基于BIM的地下管線三維可視化管理系統硬件設計

本文設計的基于BIM的地下管線三維可視化管理系統主要硬件設備為地下管線的監測設備，包括埋入式測縫設備、表面測縫設備、位移測量設備、滲壓測量設備、壓力測量設備、鋼筋測量設備、應變測量設備以及應力測量設備[2]。為了保證各類監測設備及設備的技術指標均能滿足設計需要，針對不同的設備選擇符合要求的相應規格。

埋入式測縫設備選用型號為BGK5500的振弦式測縫計，其量程大小為45 mm，靈敏度為0.035%F.S.，精準度為-0.2%～0.2%，測量過程中的溫度適應范圍為-20℃～+75℃；表面測縫設備選用型號為BGK5530的振弦式測縫計，其量程大小為65 mm，靈敏度為0.040%F.S.，精準度為0.1%，測量過程中的溫度適應范圍為-20℃～+75℃；位移測量設備選用型號為BGK5560的振弦式位移計，其量程大小為105 mm，靈敏度為0.015%F.S.,精準度為0.1%，測量過程中的溫度適應范圍無要求，該型號位移計的尺寸為L=650 mm；滲壓測量設備選用型號為BGK5510 AL的振弦式滲壓計，其量程大小為150 KPa，靈敏度為0.025%F.S.,精準度為-0.1%～0.1%。除上述不同作用的監測設備外，用于本文系統的硬件設備還包括振弦式讀數儀、電子水準儀、電纜、高標、集線箱金屬管線探測儀、地質雷達等。表1為不同功能監測設備的數據采集頻率。

表1 不同功能監測設備數據采集頻率

在埋設監測設備時，首先要對各類監測設備進行嚴格的檢查，保證埋入前各個設備均符合要求。

埋入時應當根據監測設備的設計圖紙進行埋設[3]。由于地下管線結構復雜，某些重要部分具有十分特殊的監測任務，因此在某些具體監測斷面上監測設備的布置應存在略微的差異。

3 基于BIM的地下管線三維可視化管理系統軟件設計

3.1 地下管線破損記錄存儲

在地下管線破損記錄存儲中，系統主要完成對地下管線的破損記錄匯總、存儲各地下管線、各批次的破損記錄等任務，同時定義破損信息離散、存儲方式等也在地下管線破損記錄存儲中進行，將相關數據信息以結構化的數據表格形式存儲為地下管線破損記錄[4]。其中，各類破損記錄包括破損記錄ID、地下管線ID、檢查管理批次ID、破損位置的三維坐標ID以及破損地下管線自身屬性參數等。其中，破損記錄ID是各類地下管線破損記錄中唯一標識，表示上一批次中出現與本次破損記錄相同位置的破損記錄ID，主要用于追蹤地下管線破損的歷史情況；地下管線ID用于區分系統中不同地下管線類型，標明破損記錄屬于電力、供水、排水、燃氣、熱力或其他管線；檢查管理批次ID用于區別地下管線的檢查任務批次，標注破損記錄屬于哪類批次；破損位置的三維坐標ID與系統中構建的基于BIM的地下管線三維模型坐標相對應，每個地下管線在不同模塊中的三維模型都可使用統一的模型坐標系[5]。當三維模型中的坐標系發生變化時，應當對數據庫中存儲的三維坐標值進行相應的更改；破損地下管線自身屬性參數是指除了破損位置信息之外，與地下管線破損類型、程度等相關的特征描述參數，例如地下管線裂縫長度數值[6]。同時根據系統的具體功能設計需要，還需要為破損記錄添加對應的其他屬性。為了使各項參數與地下管線破損記錄存儲中結構化數據庫相對應，將破損信息離散后，應當以結構化數據表格的形式存儲為破損記錄，并且破損記錄還應當以破損標記體的形式展現在基于BIM的地下管線三維模型中。

3.2 基于BIM的地下管線三維建模

地下管線三維建模是為各個功能提供統一場景的地下管線三維模型，在建模模塊中，地下管線的三維模型采用BIM技術實現，在BIM三維模型中不僅包含了三維幾何模型，同時也含有與三維幾何模型相關的所有對應連接信息。在地下管線三維模型中，將上文中提出的破損記錄以破損標記體的形式在三維模型中顯示，圖1為基于BIM的地下管線三維建模流程示意圖。

圖1 基于BIM的地下管線三維建模流程示意圖

在構建基于BIM的地下管線三維模型時，首先要對實際地下管線的構件進行拆分，拆分過細會造成構件數量過多，系統內部數據庫的使用空間會被大量價值較低信息占據，并影響信息的運行質量，增加信息維護量。拆分過粗又會導致必要信息未被采集，無法對實際地下管線進行完整的模型構建[7]。因此，地下管線構件是承載信息管理的基礎。在拆分后，利用構件作為對地下管線信息描述的最小單元，將建造、破損、維修、更換等相關信息統一記錄，并在BIM三維可視化模型中，將構件的幾何體與系統數據庫中的構件ID綁定，從而與系統數據庫所加載的構件信息連接。

3.3 地下管線破損信息采集

地下管線破損信息采集是地下管線BIM三維可視化模型的錄入終端，能夠提供在地下管線養護管理的現場使用，進行破損信息采集。信息采集可以移動終端設備作為載體，利用Open GL三維引擎顯示地下管線三維模型[8]。以BIM三維模型為基礎，捕獲破損發生位置的模型場景三維坐標，將破損參數錄入，將三維坐標以及參數進行關聯處理后，形成一條完整的破損記錄。破損記錄可存儲在相應的數據采集設備的本地存儲數據庫中。圖2為地下管線破損信息采集具體流程圖。

圖2 地下管線破損信息采集具體流程圖

根據圖2中的地下管線破損信息采集具體流程完成對地下管線BIM三維可視化模型的數據采集，根據數據在建模軟件中完成對地下管線BIM三維模型構建。

3.4 地下管線破損記錄管理

地下管線破損記錄管理是對地下管線破損記錄存儲中的破損記錄進行三維可視化的管理。本文采用SOE服務作為數據分析的引擎，SOE服務可以最大限度地利用GIS桌面端組件，提高數據分析效率[9]。再基于Oracle+ArcSDE對海量數據進行管理，既可以管理空間屬性信息，也能管理其他信息。在該模塊中共分為兩個子模塊，分別為地下管線三維破損信息展示和破損信息維護，主要用于對地下管線的破損數據存儲中的破損記錄進行三維可視化管理和維護。在展示模塊中，主要包括破損信息的圖形化顯示、破損詳細信息查詢、地下管線全線破損總覽。在維護模塊中，主要包括增加破損記錄、刪除破損記錄以及修改破損記錄。

在地下管線破損記錄管理中，將破損記錄的破損標記體作為系統管理的入口，對破損記錄進行三維可視化管理[10]。對破損記錄進行三維可視化管理時，可實現對全線路地下管線的破損歷史追蹤，根據地下管線ID獲取地下管線所有檢查管理批次，從而形成檢查管理批次時序鏈條。通過鏈條上的節點入口，從系統數據庫中查詢對應批次的破損記錄。

4 實驗論證分析

4.1 實驗準備

選擇某院區地下綜合管線作為實驗對象，將地下管線的各項參數信息輸入到仿真實驗軟件中，利用實驗軟件構建虛擬地下管線。將該虛擬地下管線分別利用傳統管理系統和本文提出的基于BIM的地下管線三維可視化管理系統對其進行破損數據信息查詢，分對照組和實驗組。利用仿真軟件在虛擬地下管線中構建5處不同類型的破損位置，比較對照組和實驗組準確查詢到5處不同類型破損的地下管線位置查詢時間。

4.2 實驗結果及分析

完成對比實驗后，將實驗過程中的數據進行記錄，并繪制成如表2所示的實驗結果對比表。

表2 實驗結果對比/s

由實驗結果對比可以看出，實驗組查詢破損位置耗時均在10.00～15.00 s范圍內，而對照組查詢破損位置耗時最小值也超過了30.00 s。通過對比實驗證明，本文提出的基于BIM的地下管線三維可視化管理系統具有更高的查詢速度，因此，管理效率更高，更符合實際需要。

5 結 語

針對傳統系統中的不足，本文提出了一種基于BIM的地下管線三維可視化管理系統，該系統不僅可以使管理人員對各自轄區的管線情況一目了然，提高綜合管理水平，而且可以為后期的規劃建設、綜合管理和應急處置提供基礎服務。本文系統的應用可以幫助規劃設計人員動態掌握各種地下管線的分布情況，為管線的規劃設計以及緊急事故處置提供有效的輔助決策作用。