水利水电工程的图形信息模型研究

赵继伟，魏 群，张国新

（1.中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

水利水电工程的图形信息模型研究

赵继伟1，2，魏 群2，张国新1

（1.中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

在水利水电工程领域，应用信息技术较普及的是计算机辅助设计技术，然而这些研究和应用仅仅表现的是图形本身的几何属性，并没有将一些关键的物理属性、拓扑等信息融入到图形之中，忽略了图形和信息的融合。本文基于BIM理论，提出水利水电工程的图形信息模型（HPIM，Hydropwer Project Information Modeling）的总体框架，通过CAD中的三维几何造型引擎（ACIS）和拓扑运算用基本图元构造出工程几何形态，并将图形运算与图元扩展数据贮存相结合，实现图形与信息的融合。构造出的图形信息模型为水利水电工程不同阶段的应用提供简洁的共享的方法。

BIM；图形信息模型；图形建造；扩展数据；信息融合

1 研究背景

随着现代信息技术和计算机软硬件的飞速发展，我国水利信息化水平得到大幅提高［1］。在水利水电工程领域，应用信息技术较普及的是计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术［2］，它使工程师摆脱了繁琐且精度低的传统手工绘图，三维制图和一些特定的水工建筑物CAD设计分析系统也加强了其实用性［3］。但这些研究仅仅是通过图形来表示工程实体的几何尺寸，或将图形作为计算结果的显示形式，表现的仅仅是图形本身的几何属性，并没有将除几何属性之外的工程应用中一些关键的物理属性、拓扑等信息融入到图形之中，忽略或没有挖掘出图形和信息的融合。

魏群等［4-5］将图形信息技术应用于结构工程，在图形信息集成方面取得了一系列成果，如数字图形介质的理论方法、钢闸门数字图形信息一体化智能系统等，在国内十个重大工程中都有成功的应用［6］。文献［7］针对拱坝的特点进行了拱坝三维可视化设计软件的开发，实现了拱坝三维实体模型的快速、精确建立。魏群等［8］通过3DSMAX内置编程语言实现了重力坝的精确实体模型建模、坝体生长动画制作，形象表现出坝体施工过程中各阶段的坝体形状和浇筑强度。魏群等［9］借助CAD图形平台和GOCAD地质三维可视化建模软件，实现了包含属性信息的地质体三维可视化显示。付翔等［10］应用NURBS软件平台建立具有裂缝的复杂混凝土大坝和廊道群的三维模型拓扑关系，并应用虚拟现实技术来实现大坝三维裂缝的可视化。

本文基于BIM理论，提出水利水电工程的图形信息模型（HPIM，Hydropower Project Information Modeling）的总体框架，通过CAD中的三维几何造型引擎（ACIS）和拓扑运算用基本图元构造出工程几何形态，并将图形运算与图元扩展数据贮存相结合，实现图形与信息的融合。构造出的图形信息模型为水利水电工程不同阶段的应用提供简洁的共享的方法。

2 水利水电工程的图形信息模型（HPIM）的实质和总体框架

基于BIM的基本思想和核心特性，水利水电工程图形信息模型（HPIM）是水电工程建设项目几何、物理、功能信息的完整数字表达；是一个共享的信息集成体，并通过分享有关信息为该项目从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程，其实质为图形和信息的集成和共享。

首先用数字化、参数化方式对图形进行语言描述，形成数字化图形，该图形具有可视的外形、相应的角、点、边、面和体的构造和拓扑关系，来模拟水利水电工程的几何形态；然后将数字化图形作为一种具有几何属性和物理属性的载体，使数据附着于数字化图形，图形中又隐含着数据，形成图形体系和信息体系的集成融合，并通过统一的工程信息编码和数据标准，实现工程的各阶段、各种应用软件之间的数据交换。水利水电工程图形信息模型系统的总体框架如图1所示。

图1 水利水电工程的图形信息模型系统的总体框架

3 图形实体的数字建造和拓扑运算

计算机内建立起来的实体模型包括的信息可以分为两类：几何信息和拓扑信息。多块体之间的拓扑关系是水电工程模型的核心，它包括块体之间局部的约束关系和整体的约束关系两方面的内容。把水电工程结构中的各块体用封闭的多边形平面围绕而成的多面体表示，从抽象意义上来说水电工程模型就是一个空间多面体的结合，这些多面体的面、角、点的关系形成了这个结构模型的拓扑结构。

模型在计算机内通常采用六层拓扑结构定义，涉及的几何元素有体、面、环、边、顶点和外壳。体是有封闭表面围成的维数一致的有效空间；面是形体表面的一部分，由平面方程或参数方程定义，具有方向性；环是有序、有向边组成的面上的封闭边界；边是形体两个相邻面的交界；顶点是边的端点或两条不共线线段的交点；外壳是指在观察方向上所能看到的形体的最大外轮廓线。任何形体都是由这些元素及其几何、拓扑信息来定义的。

3.1 图形实体的三维几何造型 采用美国STI公司（Spatial Technology Inc.）推出的CAD的核心技术——三维造型引擎，它集线框、曲面和实体造型于一体，并且三类数据共存于统一的数据之中，为3D造型建模提供了工作平台，ACIS是采用软件组建技术设计的，是一个开放式体系结构，它的核心功能为3D造型功能、3D模型管理功能和3D模型显示功能，整个ACIS引擎核心如图2所示。

3.2 CAD中改变拓扑关系的布尔运算命令及操作

（1）布尔加法应用union命令进行，得到的组合实体包括所有选定实体所封闭的空间（图3）。得到的组合面域包括子集中所有面域所封闭的面积。

（2）布尔减法应用subtract命令进行，AutoCAD从选择集的每个子集内减去选定的对象（图4）。为每个子集创建一个新的组合面域或实体。

（3）布尔交集应用intersect命令求解，计算两个或多个现有面域的重叠面积和两个或多个现有实体的公用部分的体积（图5）。

图2 ACIS引擎核心

图3 布尔加法

图4 布尔减法

图5 布尔交集

（4）应用slide命令将一个实体沿着给定平面进行切割，形成两个新的实体。

（5）应用section命令根据选定的一个或一组实体中沿给定平面产生一个或一组截面图形。这些命令执行容易，但是要掌握这些命令执行之后，CAD实体图形的数据格式的变化及提取数据的方法。

4 非几何属性在图形中的附着

4.1 CAD CASS下实体的扩展属性XDATA CAD系统提供了几个用于处理扩展数据（XDATA）的AutoLISP函数，它们是由用ObjectARX或AutoLISP编写的应用程序创建的。如果一个图元包含扩展数据，则该数据会紧跟在图元的正常定义数据之后。

扩展数据由一个或多个1001组码组成，其中每个组码都以唯一的应用名称开始。由entget返回的扩展数据组码跟随在定义数据之后，按照保存在数据库中的次序排列。在每个应用的组码中，扩展数据的内容、含义及其数据的组织都是由应用自身定义的。AutoCAD维护这些信息，但不使用它们。表中还显示1000到1071之间扩展数据的组码。

应用程序可以调用entget来获得已经注册的扩展数据。entget函数既能返回定义数据，也能返回应用程序所需的扩展数据。这需要一个额外的参数application，它用于指定应用名称。传给entget的名称必须与上一次调用regapp注册的应用一致，它们也可以包含通配符。

4.2 创建水利水电工程图形信息模型（HPIM）的块体切割方法 任何实体的几何形状，角点位置、边数、凸形体、凹形体以及带孔状的多面体，都可用CAD的三维实体块几何属性中显现出来，其物理属性、力学参数可以作为附加属性利用“XDATA”添加于CAD图形之中，使每个图形块不但是真实的几何实体，而且是带有物理属性参数的图形体。

将CAD三维图形的切割布尔运算问题及切割的排列与包含扩展属性的数据贮存方法问题相结合，开发基于块体图形的切割顺序及处理技术，并应用于水利水电工程的实体建模中，建立的模型将是含有巨大数目块体的既有几何属性又有物理特性附着于图形的真正意义上的图形信息模型。这个集成了几何信息、物理信息、材料、施工等信息模型将为有限元计算、施工模拟等项目不同阶段的应用提供简洁的共享的方法。基于图形信息模型的三维空间结构图形切割方法如图6所示。

图6 基于图形信息模型的三维空间结构图形切割方法流程

5 水利水电工程图形信息模型（HPIM）发展和需要

（1）水利水电工程图形信息模型（HPIM）是解决水利水电工程建设过程中各阶段、各参与方由于缺乏对信息的结构化组织和有效的信息交换致使“信息孤岛”现象的有效途径。在工程领域，如果将CAD技术的应用视为工程设计的第一次变革，图形信息模型将引发整个E/C（Engineering/Construction）领域的第二次革命，其研究的目的是从根本上解决项目规划、设计、施工、维护管理各阶段及应用系统之间的信息断层，实现全过程的工程信息管理乃至全生命期管理。

（2）水利水电工程图形信息模型（HPIM）是水利工程信息化快速发展的有效途径，而数据标准的建立是HPIM有效实施的关键。在我国的水电工程领域，建设管理软件种类繁多，包括工程设计、计算分析、造价计量、进度管理等，但是每种专业的软件都有各自对外保密的数据模型格式，如果一个信息模型建立在多个不同数据模型格式的软件之上，那么模型的数据就无法通过相同的接口输入和输出，就不可能实现建筑信息软件的集成管理。因此，开发通用的、具有强有力的数据存储和分析能力的标准数据格式是紧迫的任务（将另文介绍）。

（3）本文提出的图形运算与图元扩展数据贮存相结合的图形信息模型建模方法是基于AutoCAD平台，如何用现有的BIM软件（Revit、Civil3D、Bentley、Tekla、Catia等）进行二次开发使其在水利水电工程中发挥更大作用也是后续研究的内容之一。

（4）由于全生命周期的水利水电工程图形信息模型（HPIM）信息量太过庞大，一个包含所有地质、水工、建筑、机电等统一的信息模型暂时还无法实现，但是工程信息中的核心部分三维几何信息、分析信息、施工信息的集成和交换的需求更为迫切，它的实现将大大提高工程设计、计算分析、施工管理的效率和水平。

［1］ 刘志强，潘志德，蔡阳，等.水利信息化［M］.长沙：中南大学出版社，2007.

［2］ 张建平，马智亮，任爱珠，等.信息化土木工程设计——Autodesk Civil 3D［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［3］ 唐荣.CAD/CAM技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1994.

［4］ 魏群.结构工程虚拟现实可视化仿真方法及其应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［5］ 魏群.数字城市可视化仿真三维实体建模及虚拟现实软件系统的自主研发［C］//第二届中国国际数字城市建设技术研讨会论文集.北京：中国城市出版社，2006.

［6］ 魏群，魏鲁双，孙凯.虚拟仿真技术创新发展与十大工程应用［C］//大数据时代的信息化建设——2015（第三届）中国水利信息化与数字水利技术论坛论文集.南京：河海大学出版社，2015.

［7］ 魏群，张国新，尉军耀，等 .拱坝三维可视化设计软件的开发与应用［J］.天津大学学报，2008，41（9）：1087-1090.

［8］ 魏群，王宁波，王诗玉.3DSMAXScript在水工结构虚拟现实模型中的应用［J］.华北水利水电学院学报，2011，32（1）：1-3.

［9］ 魏群，党丽娟，张俊红，等.GOCAD在岩体三维可视化模拟中的应用［J］.煤田地质与勘探，2008，36（5）：15-19.

［10］ 付翔，刘尚蔚，魏群.混凝土坝体结构裂缝三维建模及虚拟现实应用［J］.华北水利水电学院学报，2013，34（2）：39-42.

Research of hydropower project information modeling

ZHAO Jiwei1，2，WEI Qun2，ZHANG Guoxin1

（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China）

The application of existing graphics technology in the field of water and hydropower projects does not have the integration of graphics and related attribute information，which is not conducive to the preservation and transmission of information.Based on BIM theory，this paper puts forward the essence and the overall framework of the hydropower project information modeling(HPIM)，constructs the geometrical form of the project through the 3D geometry modeling engine and topology operation，and combines the graph cut operation with the data storage of the extended attribute，using the“XDATA”extended data to add the physical parameters and construction information as the additional attributes to the CAD graphics. The hydropower project information model is constructed，which lays the foundation for the application and data transfer in different stages of water and hydropower projects，and its development and needs are discussed.

BIM；information fusion；graphics construction；extended data；graphics information model

TV39

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.02.012

1672-3031（2016）02-0155-05

（责任编辑：王冰伟）

2015-08-13

赵继伟（1983-），男，河南襄城人，博士生，讲师，主要从事水利水电工程虚拟仿真和信息化研究。E-mail：279539515@qq.com