1 研究背景和意义

BIM技术（Building Information Modeling）是一种在建筑、工程、施工等领域中广泛应用的工程数字化建模技术。BIM技术的实施解决了工程信息在规划、设计、施工、运营全生命期各阶段的有效利用与管理^[1]。BIM技术已经在建筑行业得到广泛的应用,如四川省的金川水电站利用BIM技术数字化在水利水电工程开展全过程、全专业的整体协同设计和系统性的数字化应用进行了研究与实践^[2],开展BIM技术在水利工程中的应用以解决工程信息流失严重、设计效率低以及信息共享管理水平低等问题有着重要意义^[3],为响应水利部智慧水利建设中关于加快建设数字孪生流域和数字孪生工程的需求,工程数字化还需进一步向数字孪生水利工程应用进行拓展,水利工程的数字孪生主要是通过BIM+GIS等技术手段,对水库建筑、设备进行可视化建模,构建了水库业务问题与决策流程的孪生可视化平台,动态建立映射真实业务的孪生场景,实现与物理工程同生共长的数字孪生水库,如先行先试的数字孪生岳城水库^[4],构建了防洪和水资源调配“四预”以及安全监测应用体系,实现数字工程与物理工程的要素精准全映射和同步仿真运行,大幅提升工程管理水平。为研究BIM技术数字化研究与实践,本文以宝鸡市麟游县普化水库工程为例,对正向BIM协同设计、阶段数据移交管理应用及数字孪生可视化场景搭建应用进行研究,设计阶段通过协同设计平台实现项目优化设计及综合应用,辅助审查汇报；通过项目数据移交管理平台实现对项目的数据管理、交互、共享、反馈；通过对于数字孪生平台场景可视化应用场景开发的探索是为工程的施工和运维管理的水利信息化做支撑服务。

2 工程概况

普化水库工程位于宝鸡市麟游县境内漆水河上游,距西安市177 km,水库主要任务为城镇和工业供水,水库为Ⅲ等中型工程,枢纽由挡水、泄水和取水建筑物组成^[5]。水库总库容1581万m³,多年平均向城镇及工业供水量768.7万m³。

图1 普化水库枢纽建筑物布置三维效果图

3 工程数字化技术和方法

项目采用法国达索3DEXPERIENCE协同设计平台^[6]作为项目协同、BIM基础设计、数据及知识模板存储的工具,设计阶段应用流程主要是从协同设计到数据管理再到数据综合应用。应用流程见图2,项目通过协同平台进行产品搭建、编码、骨架设计、知识工程应用来完成地形、地质、道路、水工、金结、施工场地、建筑布置、工程比较方案布置等专业建设内容,在此基础上在平台实现对方案进行优化设计、施工出图、碰撞检查、工程量计算、审查汇报等应用。

项目利用数字移交平台进行模型数据阶段版本管理发布、多方共享,确保项目数据的完整性和安全性,便于设计管理与数据移交。

项目利用DIVA(Data Intelligent Visual API）数字孪生构建平台的API接口,开发实现了水库数字孪生场景的可视化应用,实现平台模型空间数据、分析数据、监测监控数据的可视化集成,便于实现工程的建设运维管理应用。

项目的数字化应用建设思路是实现从BIM正向设计到数据管理发布共享再到数字孪生可视化集成应用。

图2 工程数字化三平台应用流程

4 设计阶段工程BIM应用内容及特点

工程BIM应用内容主要涉及枢纽工程建筑物方案布置比较、体型正向优化设计、稳定分析、结构计算、开挖设计出图、工程算量、可视化汇报、虚拟场景应用、计算分析、知识工程模板库应用等。其应用特点主要表现如下：

(1）正向设计。通过BIM协同、骨架设计技术实现对建筑物方案正向设计和快速优化调整,提高设计质量和效率。

(2）协同化。通过3DE协同设计平台实现不同专业设计内容之间的协同工作,提高沟通效率和设计质量。

(3）直观可视化。通过BIM技术及虚拟现实技术来让设计方案效果直观可视化,通过碰撞检查功能来解决设计方案中的冲突和问题。

(4）快速设计和优化能力。通过BIM技术实现方案快速优化调整和量化,通过知识工程模板进行体型的优化和快速调整；实现出图设计并提高设计效率和准确性。

4.1 库区地形、地质三维模型创建

根据测绘专业提供的等高线数据处理生成点云数据并导入3DE,生成高精度地形模型,结合地质勘查钻孔数据,生成地质曲面数据与库区地形模型叠加,生成高精度地质三维模型。如图3所示,模型包含岩层、风化面、不透水层、地下水位线等与设计相关的地质要素,为工程大坝设计、方案比较、计算分析提供了方案分析基础。

图3 坝址处地质剖面与工程三维地质模型

4.2 方案比选、计算分析、优化设计

在设计过程中,主要应用在坝轴线的方案比选、重力坝建筑物结构布置、开挖设计、施工布置。通过建立骨架与水工模型之间的约束关系,调整坝轴线骨架,实现水工模型与骨架之间的自动更新联动,能够快速完成方案调整；利用重力坝稳定计算程序表对重力坝几种工况下的结构进行稳定计算分析,从而调整和优化大坝体型,通过确定的体型设计参数利用创建的重力坝设计知识工程模板工具快速完成坝工模型布置,通过骨架实现相互关联,快速实现体型变化设计,如图4所示,重力坝设计工具模板主要包括溢流坝段和非溢流坝,通过骨架及大坝的桩号面来控制各段模型,溢流坝段和非溢流坝的模板从正向设计的角度根据剖面设计原则进行设计,主要考虑需满足稳定和强度要求、工程量少造价低、外形轮廓简单便于施工等方面来考虑,先确定基本剖面,再确定实用剖面,最终进一步实现体型优化设计。根据坝轴线与河道关系,通过模拟泄洪范围,优化坝体结构布置和消能工布置轴线,从直观可视化角度提高了方案优化设计工作效率；结合地质模型成果,综合考虑各类因素进行开挖设计,避免二维剖面传统设计的局限性,整体把握开挖面地质状况；依据现有交通道路,结合三维库区地形地势状况,科学合理地规划布置施工道路、上坝道路、生产区域和管理区域。

图4 方案比选与知识工程模板应用

4.3 工程算量

工程算量通常采用剖面法进行测算,测算方式在方案变化时需重复多次测算,工作效率较低。如图5所示,利用CATIA的测量功能可快速、准确地获取工程量数据,方案变更时,工程量自动更新,避免繁琐的重复性工作。大坝工程算量主要涉及坝基开挖、边坡开挖、混凝土浇筑量、防渗区域面积等指标。相比传统测算方式,可节省计算时间超过70%,大幅提高工作效率和准确率。

图5 工程算量

4.4 设计出图及方案审查汇报

以枢纽总布置及平面布置图为例,如图6所示,利用BIM模型输出方案布置及开挖成果,与传统方式设计相比,通过实时联动减少了因方案变动而不断重新计算和布置的工作量,提高了设计质量,节省了校审工作。

方案审查汇报中采用成果生成的汇报程序、实地踏勘与虚拟场景全景图、二维码等方式展示整体枢纽方案布局,从各角度对模型枢纽进行交互操作,为现场踏勘、项目评审汇报以及设计成果沟通决策提供了全面的支持和保障。

图6 设计出图、审查汇报应用

5 数据移交平台应用

普化水库项目成果数据通过研发的数据移交平台进行多方交互、协同共享、审核和管理。如图7所示,通过交互了解项目设计情况并对项目设计相应的调整和决策,从而提升项目设计管理的整体效率和质量。项目设计成果均在本地服务器进行部署统一管理,工程项目中大量的技术文档、图纸和属性数据文档、图纸以及属性信息可以通过数据移交平台进行归档和保存,便于查阅、使用,提高了协作效率、数据管理的便捷性以及项目数据的安全性,为项目的顺利进行和后续的运营维护提供了强大支持。通过平台管理模块中的权限来确保数据的安全性和合规性,从而减少数据泄露和不当使用的风险。

图7 项目在数据移交平台中的应用

6 数字孪生可视化场景开发应用

枢纽项目基于DIVA数字孪生构建平台的API接口,开发实现了数字孪生场景的可视化应用,采用HTML、CSS、VUE等语言进行开发,搭建了基于GIS场景的数字孪生场景界面,如图8所示,对于工程水利对象（整体枢纽布置建筑物、开挖、地形、蓄水位水面等）进行了实际映射,设计初步实现了多项可视化应用场景功能,如不同场景的切换、指定漫游路径、天气控制、监控视频查看、数据展示、BIM结构属性信息展示等,开发的数字孪生场景将为未来工程的数字化的各项业务应用提供基础支撑。

项目中采用了嵌入页面方式,是将业务系统的运行URL设置在三维项目中,由三维场景中通过内置的Chrome嵌入框架,将业务系统图表页面与三维图层画面叠加,DIVA平台通过Web调用DIVA-SDK（软件开发工具包Software Development Kit）交互搭配云渲染服务系统使用,与数字孪生基底系统中的各个要素模型进行交互,满足场景交互、覆盖物元素控制、信息弹窗控制、交互事件等多样化需求场景,平台具有强大的三维场景实时渲染能力,完成不同天气、不同时间下的场景建设,能够助力数字孪生系统的构建工作,DIVA平台的数字底板中的BIM模型（支持SKP、FBX、3DM、DAE、GLTF、GLB、udatasmith文件）更易于搭建,平台内置了非常丰富的模型资源和材质资源,可以直接处理、增减或更新模型。DIVA平台支持球面地球和多种图层类型,并基于配置的地图数据源,可实时加载全球数据。

以上项目应用研发结果表明,DIVA平台具备快速搭建水库枢纽的数字孪生可视化场景的能力,非常适合集中布置的中小型枢纽工程场景开发应用。

图8 数字孪生场景

7 结论和展望

在普化水库BIM技术工程数字化研究应用中发现数字化管理工作的基础还需遵循相关行业数据编码、精度深度、文档管理等要求,其目的是为了确保数据的一致性、准确性和可追溯性,以提供可靠的数据基础和支持项目相关的决策和分析,保证数据在不同阶段能够与其他系统进行集成和交互,研究过程中利用项目正向设计的数据成果服务于数字移交和数字孪生,实现了设计阶段方案的快速正向协同设计、优化、综合应用分析,利用数字移交管理平台实现了方案阶段的数据存档和多方交互,探索了利用DIVA平台构建数字孪生平台的可行性解决方案,以上经验及应用思路可为类似工程提供参考和借鉴。