基于BIM技術的水利水電工程建筑三維可視化研究

作者簡介：陳龍（1987—），男，本科，工程師，研究方向為水利建筑工程施工。

摘要： 水利工程施工過程可視化建模技術以動畫形式直觀地描述了項目動態施工過程，建模過程中產生的數據和信息以圖形形式呈現，而不是以傳統的文本或表格形式呈現。探討了水利工程中不同建筑物的三維可視化建模方法，使用合理的建模方法創建項目中所有建筑物的三維數值模型，在Navisowrk （Navisworks請確認）平臺上建立施工場景，為可視化仿真系統中信息的檢索和分析提供必要的先決條件。

關鍵詞：BIM技術" 水利水電工程 三維可視化" 地物實體建模

中圖分類號：TU17

Abstract： Visual modeling technology intuitively describes the dynamic construction process of the project in the form of animation in the construction process of water conservancy projects， and the data and information generated in the modeling process are presented in the form of graphics， rather than in the traditional form of texts or tables. This article explores the 3D visual modeling methods for different buildings in hydraulic engineering， uses reasonable modeling methods to create 3D numerical models of all buildings in the project， and establishes construction scenarios on the Navisworks platform， which provides necessary prerequisites for the retrieval and analysis of" information" in the visual simulation system.

Key Words： BIM technology; Water conservancy and hydropower engineering; 3D visualization; Solid modeling of ground objects

隨著計算機軟件硬件的發展和圖形處理能力的提高，計算機仿真技術正逐步從數值仿真過渡到可視化仿真。對模擬結果的可視化表示的需求正在增加。可視化仿真技術是從這一需求中產生的一種新技術，越來越受到人們的關注。可視化仿真系統不僅為用戶提供了多角度、多層次地觀察仿真過程的人機交互環境，還可以可視化修改各種仿真參數，并在此基礎上顯示仿真結果[1]。科學直觀地描述工程建設不同階段復雜的時間和空間邏輯關系，將仿真結果簡單明了地表達出來，能夠有效地服務于規劃者和決策者，這對提高設計效率，實現工程組織管理現代化具有重要意義。

實現水利水電工程動態施工仿真信息的可視化查詢與分析功能的必要條件是建立一個能夠形象逼真地展現工程施工總布置的三維數字模型。該模型應該詳細地表現施工場地地形面貌、工程所有建筑物及施工設施的布置、渣料場的使用及地形填挖等動態與靜態的信息[2]。

1 總體技術流程

使用Navisworkss軟件和各種建模方法創建仿真可視化系統的工程場景。創建場景的過程包括收集和處理原始數據、模擬數字地形、模擬各種建筑等許多活動，最后基于Navisworks進行。數據處理方法與流程如圖1所示。

Navisworks是一款3D/4D設計軟件，主要用于建筑、工廠、海運行業的整個項目生命周期，提高質量和性能。Navisworks可以幫助用戶實現建筑信息建模（Building" Information" Modeling，BIM），并可將軟件應用程序（如AutoCAD和Revit）生成的設計數據與其他設計工具的幾何圖形和信息相結合，并將其保存為完整的三維模型，無論文件大小如何，都可以以不同的文件格式實時驗證[3]。

2" 數字地形模型的創建

2.1" 數字地形模型的種類及數據源的處理

數字地形模型（Digital Terrain Model， DTM）是原始地形特征的數值表示，是整個三維水力數字模型的重要組成部分，這是所有建筑規劃和施工技術活動的場所。使用規則網格模型和不規則三角形網格模型（Triangulated Irregular Network， TIN）來描述地表面[4]。網格模型使用相同大小的一組網格來描述地形面，其存儲容量低，數據結構相對簡單，但其算法實現比較復雜，適合在平地上建立地面模型。TIN模型是由分布在特定規則中的地形點組成的一系列非相交三角形網格。它清晰地描述了地形高度的變化，適合建立具有復雜地形的山區地形模型。水電工程通常建在高原和山區。因此，TIN模型適用于描述地表DTM。

要創建地表DTM，首先通過地質勘探獲取物體地形剖面數據，然后將其轉換為常用文件格式，如在AutoCAD中的DWG格式文件，確保每個配置文件都具有高程屬性[5]。創建曲面時，密集的輪廓高程點不能保證曲面的精度，但會消耗更多資源并影響速度。可能會引起地形標記的嚴重誤差。因此，為了提高系統的運行速度并確保所生成的地形的準確性，需要對DTM生成的地形輪廓進行預處理，以去除由于等高線密度過大、信息不足或信息錯誤而引起的三角形網格結構異常，根據施工現場的使用情況，等高線高程間隔范圍設定為不同的值。在主要施工現場，距離通常為1～5m，特別是對整個河床。由于關系到工程主要建筑物與地形的匹配情況，可以使用1m的距離。輪廓之間的距離通常在20～25m之間。在場地的其他區域，如臨時建筑或有附屬建筑的地點，等高線間隔可以設定為10m。

2.2" 數字地形模型的建立

在本研究中，為了便于可視化軟件 Navisworks 對地形模型的導入，數字地形 DTM 的建立采用 Autodesk" Civil" 3D 軟件。Autodesk" Civil" 3D 不僅具備了AutoCAD 的所有功能，也包含了 Autodesk Map 3D 軟件的強大的地理空間功能。三維數字地形模型的建立是該軟件最有價值的功能之一。

在 Civil" 3D 中，三維數字地形模型被稱為“曲面”。創建一個新的曲面，首先，在工具空間的“快捷方式瀏覽”面板上展開要添加的曲面，在“曲面”節點單擊右鍵選擇“新建”，在彈出的對話框中鍵入曲面的名稱和描述；其次，為新建的曲面添加數據，在圖形區域中，選擇用來建立地形的所有等高線對象，然后在瀏覽選項板上點擊展開曲面，在“定義”下的“等高線”節點上單擊右鍵，選擇“添加”選項，然后點擊“確定”即可。生成的數字地形模型如圖 2所示。

3" 地形填挖技術

土地動態填埋是水利水電工程建設的重要環節。具體方法如圖3所示，

4 地物實體建模

水利水電工程還包括主體工程建筑物（如大壩）、臨時擋水建筑物（如圍堰等）以及臨時/永久隧洞等地物實體。這些地物實體模型是空間上靜止的數據，可以描述模型的空間位置、形狀結構和空間拓撲關系。在本研究中，地物實體包括一個碾壓混凝土壩和一個土石壩。

4.1" 混凝土壩建模

對于混凝土壩三維實體的可視化建模，采用 CAD 實體建模技術。首先按照二維設計圖紙將壩體分成若干既相互獨立又相互聯系的壩段，并且確定壩體各部分的空間形體信息，如非溢流壩段、沖沙底孔壩段、廠房壩段、導流底孔壩段、導流明渠壩段、岸邊溢流壩段等的幾何尺寸和空間位置等方面的數據。混凝土壩各個壩段的形狀是不規則的，因此對不規則的部分進行細分，從而劃分出盡可能多的規則形狀，如長方體、棱柱體、圓柱體等，再利用 CAD 軟件直接繪制該部分的三維實體模型。對于不能繼續劃分的不規則的基本組成單元，可以通過對形狀規則的基本圖元進行多次編輯修改操作（如布爾運算交、并、補等）得到[6]。對于形狀相同或者相似的部分，可通過多次使用復制、旋轉、縮放、切割等操作獲得，從而大大提高了建模速度及準確性。最后將完成的基本部件按照其空間結構層次關系組合起來，形成完整的大壩模型，如圖5所示。將模型附加到 Navisworks可視化軟件中，添加材質渲染，如圖6為大壩模型最終效果圖。

4.2" 土石壩建模

對于土石壩，本研究中也采用 CAD 實體建模技術，運用 Rhino 軟件繪制實體模型。首先應根據其填筑材料、各部分結構形式及功能的不同對壩體進行分區。借助 Rhino 建模軟件的三維實體建模功能，利用 patch（生成曲面）、Extend（延伸線或者面）、loft（放樣）、布爾運算等命令，繪制出土石壩各分區的實體模型，然后組合起來形成整個大壩模型。為了滿足可視化仿真系統中土石壩施工的動態演示功能，每個分區應根據填筑料的供給及施工進度計劃的要求劃分若干填筑層。最終得到可視化仿真系統中土石壩模型。附加到 Navisworks 中，添加材質渲染之后，得到最終效果，如圖7所示。

5 結語

建筑信息模型的出現引發了建筑業的第二次革命。BIM技術涵蓋了建筑項目的整個生命周期。它的應用大大提高了從設計、施工到施工和運營管理的項目質量，有效地降低了成本，給施工行業帶來了巨大的效益。近年來，BIM技術也開始應用于水資源管理。本文提出了水電工程建設動態可視化建模中BIM的概念，直觀地展示了水電工程建設的動態過程，并對仿真信息進行了檢索和分析。

參考文獻

[1] 許珊珊，陸屏，關榮財.基于BIM+AR技術的水利工程可視化研究[J].黑龍江科技大學學報，2023，33（2）：306-310.

[2] 隋高陽，于莉.BIM技術應用于水利工程設計的實踐探討[J].山東水利，2023（3）：55-56，59.

[3] 董華林. 基于BIM技術的中小型水閘施工圖設計研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2023.

[4] 吳文霞，高愷，劉加龍，等.BIM+GIS技術在水庫工程可研階段勘察設計應用研究[J].中國農村水利水電，2023（1）：139-145，151.

[5] 袁俊平. 基于BIM的大壩安全監測可視化系統研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2023.

[6] 程李娜. 基于BIM精細化模型的有限元分析在邊坡設計中的應用研究[D]. 成都：西南交通大學，2022.