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    数字交付在水利工程中的研究与运用

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    摘要:基于目前水利工程设计产品交付的现状,结合BIM技术和水利工程的特点,开展水利工程数字交付标准和技术研究。并将数字交付标准和技术应用于实际工程,开发出独立运行、实用高效、可视互动、界面友好的数字交付平台,以提升水利工程设计产品的质量和品质,减少交付过程中的沟通障碍,实现BIM技术在水利工程设计产品的多维应用。

    关键词:数字交付;标准;平台

    1数字交付发展的现状

    建筑信息模型,即BIM(BuildingInformationModeling),是由美国乔治亚理工学院建筑与计算机专业的恰克•伊士曼博士,在三十多年前提出的[1]。时至今日,BIM技术发展日益成熟,在此基础上各行业都非常重视设计产品数字交付技术的研究与应用,并已在航空航天、造船、建筑等领域得到了验证,取得了可观的经济和社会效益。近年来,数字交付技术除高校进行专题研究外,政府层面的研究也逐步开展,相关机构正在加紧制定适应我国工程法律制度和管理要求的数字交付标准。2016年7月28日上海市住房和城乡建设管理委员会发布了《上海市工程设计、施工及竣工图数字化和白图交付实施要点》(沪建建管联〔2016〕596号);2016年10月12日,中国建筑学会科技培训中心在长沙市举办的“推动工程建设行业数字化及白图交付、数字化审图新技术、新模式和落地实践经验培训交流会”圆满召开??杉只桓兑言诠っ窠ㄐ幸档玫焦惴喝贤?,并在应用中有了实质进展。在水利工程领域,虽然设计产品中三维元素逐年增多,但总体信息化程度不高,设计产品仍停留在三维建模阶段,仅能反映产品的几何信息,而产品的材质、设备参数等信息在产品查询时出现滞后现象,具体反映在信息与交付产品的关联度不够。随着计算机技术和电子信息技术的不断进步,基于BIM技术的无纸化建造及无纸化交付轮廓将渐渐变得清晰可见[2],进行水利工程数字交付的研究和应用具有广阔的前景。

    2水利工程设计产品交付存在的问题

    水利工程设计过程是多专业协同的过程,一般涉及地质、坝工、厂房、金属结构、电气设备、施工和安全监测等众多专业。设计过程专业的多样性,决定了设计产品管理和交付的复杂性。截至目前,水利工程产品的交付仍以二维产品为主。受协同手段与二维产品本身局限性的影响,水利水电设计产品中的错、漏、碰、撞时有发生,同时对建筑物的描述需要汇总各专业的设计产品才能全面准确的描述,缺一不可。因此目前水利水电设计产品的交付手段,既不利于产品质量的提高,又不利于技术交底和现场的沟通,同时也大大降低了用户的体验。因此,鉴于目前水利工程设计产品交付的模式和现状,对设计产品传统交付过程中存在的问题进行总结。(1)二维产品自身存在局限性,交付产品质量有待提升二维产品自身的局限性在于用二维的直线、圆弧来表示三维的产品。设计者在进行水利产品设计时,需要将三维产品进行投影,通过想象各种角度的视图,用多个剖面表示内容结构,用多个视图解释投影的二意性。由于剖面或投影的绘制都是独立进行的,因此水利工程设计产品中错、漏、碰、撞和人为粗差的情况难以提前发现。(2)信息集成程度不高,交互性差水利工程设计产品传统交付成果的信息集成程度不高,信息分散到各个报告和图纸当中,虽然传统的报告和图纸也进行了编码分类管理,但信息的检索和查询仍以人工或半人工为主,因此信息检索工作量大,效率低下的情况非常严重。此外传统的交付成果是静态的,无法实现与人的互动,交互性差,加大了交付过程中的沟通障碍,用户体验不理想。(3)文印输出成本高,信息安全隐患大水利工程设计产品传统交付的成果数量是巨大的,加上变更、版次和存档要求,一个工程可能有数千张甚至上万张图纸,在文印输出方面上具有较高的成本。另外文印输出不仅效率底下,且存在信息外泄的可能,给信息安全带来巨大的隐患。

    3水利工程设计产品数字交付实施规划

    3.1数字交付的定义与优势

    数字化交付是区别与传统工程设计(以纸质介质为主体)的交付方式,通过数字化集成平台,将相关设计成品以标准数据格式提交给业主的成品交付方式[3]。水利工程设计产品采用数字化交付,不仅能提升交付产品的质量和品质,也从根本上解决了工程参建各方在交付过程中的沟通障碍,同时也是提升企业核心竞争力的重要手段,其价值具体体现在:(1)碰撞检测:减少错漏碰撞,提高设计质量。(2)三维化:对设计产品进行三维的空间变化表达,利于产品的直观描述。(3)可视化:便于沟通和决策,利于设计意图的准确表达。(4)信息化:实现各种相关信息通过互动方式进行快速检索与查询。(5)文件管控:实现图纸、文档基于模型的动态管控,有利于产品的安全、高效管理。

    3.2数字交付的总体要求

    在水利工程设计产品中融入BIM技术,实现数字交付应满足的总体要求如下:(1)保证模型交付的准确性模型交付准确性是指模型与模型构建的形状和尺寸以及模型构建之间的位置关系准确无误,相关信息也应保证准确性。在模型交付前应对模型进行检查,确保模型准确反映真实的工程状态。(2)交付的模型几何信息与外挂信息应有效的传递。(3)交付的模型应满足各专业模型等级深度。(4)交付物中的图纸和信息表格的内容应与模型中的信息一致。交付物中的各类信息表格,如工程统计表等,应根据模型的信息来生产,并能转化成为通用文件格式以便后续使用。(5)在满足项目需求的前提下,宜采用较低的模型精度,满足工程量计算、施工深化的要求。

    3.3实施数字交付的关键技术

    水利工程设计产品数字交付关键技术的研究在行业中属于比较前沿的技术,依据目前设计产品交付的实际情况以及水利工程设计信息化发展的现状,开展水利工程设计产品数字交付关键技术的研究,具体内容如下:(1)水利工程设计产品数字交付标准的定制研究为提高水利工程设计产品数字交付质量,实现后台数据的高效管理。首先应对水利工程设计产品数字交付的标准进行研究,研究内容应包含:设计产品交付的格式、模型编码规则、模型层级划分和后台数据库的建模标准等。(2)水利工程设计数字交付模型的创建研究水利工程设计数字交付模型的建立是进行数字交付的基础。对水利工程数字交付模型建立的研究包括:三维模型的建立、模型轻量化与格式转换、模型信息的分类与检索等。(3)水利工程设计产品数字交付平台的开发研究为增强水利工程设计产品数字交付方式的可用性和通用性,需对水利水电设计产品数字化交付平台进行定制开发??⒅饕谌葜饕耗P徒换?、信息挂接和查询、可追溯的文档电子化管控等功能的整合。

    4水利工程设计产品数字交付的实施

    4.1标准的定制研究

    水利工程设计产品数字交付标准的定制主要包括:交付产品格式、模型层级划分、模型编码和数据库建模等。(1)交付产品的格式为保证数据的完整性,模型的保存应是原有或兼容的数据格式,尽量避免模型转换造成的数据损失。模型作为最终的交付成果,还应考虑在设计交付中便于浏览、查询和综合应用等,并能满足一定的通用性和轻量化要求。在水利工程设计产品数字交付关键技术研究过程中,采用某公司的三维设计软件作为建模工具,以与其配套的软件来实现对模型的浏览、查询和综合应用,并以软件自有的文件格式,作为数字交付模型的标准格式。(2)模型的层级划分为反映工程阶段和区分模型重要性,以及模型轻量化的需求,模型在建立前需要对模型的层级进行划分。模型层级一般由几何信息深度或非几何信息深度两类要求共同组成。根据水利水电工程设计产品的特点,参考美国建筑师协会(AIA)于2008年发布的首份BIM合同文件《AIAE202建筑信息模型协议增编》将模型层级划分为六个层级[4],分别为100、200、300、350、400和500,需要注意的是,在实际过程中,由于500等级与400等级在信息深度上是一致的,其区别主要是500等级采用了建筑竣工后的实际尺寸,而400等级为设计施工尺寸。因此水利工程数字交付模型层级控制在400以内。根据水利工程设计产品数字交付的特点,灵活运用模型层级划分的原则。交付模型在几何信息深度上,土建部分的模型层级?。矗埃?,即模型尺寸与设计施工尺寸相符。对于通过招标由厂家提供的设备,模型层级?。玻埃?,其模型只需反映占用空间和出入线路接口即可。交付模型在非几何信息深度上,模型层级?。常担?,能反映材质、做法、单价、生产厂家、供货商、安装单位等产品信息和安装信息即可。(3)模型的编码标准水利工程行业涉及专业较多,参与人员多,项目模型拆分后模型文件的数量多,因此,采用清晰、规范的文件命名有助于参与人员提高对文件名标识理解的效率和准确性。同时为规范建模行为,保证模型数据具有高效的交互性和质量,构建合理的模型编码规则,使信息能够快速的进行检索,并通过索引目录等方法让信息储存到数据库中。经研究和反复实践,建议水利工程设计产品数字交付模型编码规则采用顺序分层的方式进行编码,编码的标准格式如下:专业编码构建编码编码注解整个编码由三部分组成:专业编码、构件编码和编码注解,中间用“”隔开。其中专业编码由从01开始顺序排列的两位数字组成,每组数字代表一个专业,共能代表99个专业;构件编码由从001开始顺序排列的三位数字组成,每组数字代表一个独立的模型构件,每个专业下边可有999个独立的模型构件;编码注解是对构件编码对应模型的注解或命名。例如:00001地形?!埃埃啊蔽ㄒ当嗦?,表示地形地质专业;“001”为构件编码;“地形”为编码注解,表示“001”代表的是地形模型。(4)数据库建模关系型管理数据库系统,具有体积小,速度快,开放源代码,支持多线程和多用户等特点[5],可作为支撑水利工程设计产品数字交付信息的统一数据库。数据库是整个综合信息平台的“大脑”,它的设计质量直接关系到综合信息平台运行效率和稳定性[6]。数据库建模应满足规范命名、减少数据冗余和采用数据驱动等要求。

    4.2数字交付模型的创建

    水利工程数字交付的模型,不仅仅是简单的几何展现,是一个经量化、可浏览、可交互、富含各种交付信息的模型。(1)模型建立选用某软件作为水利工程设计产品数字交付的建模软件,并结合水利水利工程产品的特点,采用骨架设计、参数化模板搭建、标准库零件调用、流程化建模、协同环境创建等技术,辅以规范化编码和合理的层级划分,快速完成水利工程设计产品数字交付模型的创建。(2)模型的轻量化与浏览水利工程设计产品数字交付模型一般包括:地形地质、枢纽建筑物、场内交通和各种施工建筑物等,数据量非常庞大,给模型的使用和浏览带来很大的难度,为此,对水利工程设计产品数字交付模型进行轻量化处理十分必要。将模型导入某软件,进行格式转换的过程,本身就是一个轻量化的过程,数据压缩比例相当高。经过轻量化的模型在保证模型精度的前提下,大大减少了数据量,而且能使模型的结构更加清晰,展示效果更加逼真。(3)模型信息的分类与查询水利工程设计产品数字交付模型的信息存储是海量的,模型的内容包含了模型的对象及其属性,对象及其属性在不同阶段也有不同的需求[7]。就水利工程交付模型而言,属性信息一般分为基本信息和外挂信息?;拘畔⒖芍苯恿咳』竦?;外挂信息则通过模型编码与后台数据建立关联,借助二次开发技术实现模型的外部交付信息与查询。

    4.3数字交付平台的开发研究

    2016年2月,李克强总理在宁夏考察调研期间,明确大力支持实施盐环定扬黄工程更新改造,并要求在2~3年内完成工程建设并发挥效益,为盐环定革命老区、贫困地区脱贫致富提供水利保障。在此背景下,黄河勘测规划设计有限公司开展了盐环定扬黄共用工程泵站更新改造的设计工作。设计产品作为试点率先采用数字交付,并以某软件作为交付模型的展示内核,以某数据库为后台数据库,以VisualBasicNET为集成开发工具,开发了《盐环定扬黄共用工程泵站更新改造项目2#数字泵站交付平台》,平台具备的功能特点如下:(1)交互功能强大平台可通过交互方式实现模型的平移、缩放和旋转,并提供可随意切换的四种显示模式,支持模型的多方位剖切等。(2)信息检索查询便利平台可实现几何信息的测量,如图2所示,并能以互动的方式查询和导出属性信息。(3)文档管控效率高平台可依据登录权限实现对文档的管控,以及图纸、建筑总说明与模型的关联与下载。(4)智能搜索平台提供模糊搜索和交互筛选两种智能搜索模式,搜索结果提供三种显示方式:突出亮显、单独显示和闪烁显示,方便模型定位和信息过滤。水利工程设计产品数字交付的标准定制与平台开发,对其它工程的交付具有借鉴意义。其中,水利工程设计产品数字交付的标准定制国内外科技查新结果表明具有创新性,开发的平台通过了国家著作权登记。

    5结语

    通过对水利工程设计产品数字交付标准定制与平台开发,实现了设计交付产品的三维化、信息化和可视化;并结合工程特点实现了可追溯的文档电子化管控和智能化三维模型搜索等功能,有效减少了交付过程中沟通障碍,提升了交付质量和品质。成果在盐环定扬黄共用工程泵站更新改造项目中得以印证,为施工图审查的顺利通过起到了积极作用,在施工图审查中,得到了审查专家的高度认可,值得进一步推广。

    参考文献:

    [2]倪家卿.基于BIM的无纸化交付体系[J].上海建设科技,2017,34(01):8687.

    [3]寿海涛.数字化工厂与数字化交付[J].石油化工设计,2017(01):4477.

    [4]美国建筑师协会.AIAE202建筑信息模型协议增编[Z].2008.

    [5]胡敏.Web系统下提高MySQL数据库安全性的研究与实现[D].北京邮电大学,2015.

    [6]邱守义.基于.NET的部队办公综合信息管理系统[D].南京理工大学,2009.

    [7]周成.基于IDM的建筑工程数据交付标准研究[D].上海交通大学,2013.

    作者:郭莉莉;王小平;聂常山 单位:黄河勘测设计有限公司

    数字交付在水利工程中的研究与运用责任编辑:张雨    阅读:人次