BIM技术在水利工程可视化仿真中的应用分析

陈接永

(梅州市水利水电勘测设计院，广东 梅州，514000)

1 BIM仿真可视化组织的原理分析

针对水利工程的施工过程进行可视化的仿真，不仅牵扯到施工现场的地形地貌和水工枢纽等空间位置的静态数据，还应当将地形动态的填挖和施工等方面的动态逻辑关系予以表现出来。而运用Autodesk Navisworks软件则可能将上述需要的相关数据予以表现出来，并且具有较高的优越性：

(1)Autodesk Navisworks能够完全支持市面上主流的三维设计软件格式，并且其具备的三维模型整合作用十分强大，可以把所有涉及的模型完全合并成一个模型，当渲染后即显示出十分逼真的施工现场场景。

(2)Autodesk Navisworks能够进行四维模拟，通过将时间的进度数据予以导入，并根据相应的规则和场景内的模型相对应，进而促使图形单元各自具备不同的相对应的属性，最终把施工的过程动态化呈现演示。

(3)Autodesk Navisworks能够和外部数据库相连，并且能够支持ODBC数据库，利用SQL语言将模型和数据库进行连接，由此把空间实体的模型和其相应的属性予以对应。此软件数据组织的具体结构如图1所示。

图1 Autodesk Navisworks数据组织结构

运用Autodesk Navisworks可视化仿真系统方案的具体内容为：①依据水利工程的枢纽布置和建筑物的特点来构建该工程需要使用的三维可视模型，然后附加至Autodesk Navisworks软件内进行贴图渲染；②收集并整理全部相关的模型动态仿真的数据，然后转变为Autodesk Navisworks能够使用的文件格式，运用Autodesk Navisworks软件的数据结构组织模型时间参数和属性；③使用Autodesk Navisworks软件的四维模拟和二次开发的相应功能，来实现对工程仿真信息可视化。仿真系统方案见图2。

图2 可视化仿真系统方案

2 可视化仿真三维模型构造

真实有效的水利工程布置三维模型是实现动态模拟和仿真可视化的基础。

2.1 数字地形模型

DTM(数字地形模型)在三维模型中是非常重要的部分之一，是水利工程建筑的布置和施工场所，使用Civil 3D进行构建。针对地形的表面主要运用不规则三角网格予以相应的描述。三角网格模型则主要是经分散地形点按规则建立不相交三角形网，并以平面逼近曲面，以此来体现高低的起伏变化。

2.2 地形动态填挖

具体的填挖步骤如下：

(1)首先明确开挖和填筑的设计曲面，通常情况下由开挖边坡与大坝组成；

(2)利用放坡把原设计图纸的曲面放样至原地形曲面，由此得出设计与原始地形的曲面交线位置；

(3)从原始地形的曲面上，按照相交线的方向开始挖填设计曲面包含的位置，与此同时，在挖填曲面挖除沿相交线的多余边坡，由此得到设计曲面和原始地形的结合，最终形成填筑开挖后的地形曲面。

2.3 混凝土坝动态模型

大坝在施工时会跟随施工进度的变化而致使外形不断变化。所以，大坝的模型也具有动态性，因此建立动态模型，把混凝土坝模型有效划分成若干个浇筑块，并且每一个浇筑块均对应相应的属性，比如，施工的时间和方量，还有浇筑使用的设备等等。

(1)针对混凝土坝的三维建模运用Auto CAD软件中的实体建模。根据原有二维设计的图纸把混凝土坝的坝体划分成若干独立且关联的坝段，例如分为厂房和导流孔的坝段，并对不同的混凝土坝坝体的部分空间信息予以明确。通过Auto CAD直接将三维的实体混凝土坝绘制，并采用布尔运算进行剖切和缩放等一系列的相应操作，然后将各个不同的坝段模型进行生成并组合，最终得出混凝土坝的三维模型。

(2)坝体分块，以Auto CAD软件为基础的仿真计算。首先在仿真软件中把Auto CAD当作子窗体加以嵌入其中，然后再运用Auto CAD软件中二次开发的功能，进而促使混凝土坝浇筑时的仿真计算和浇筑块的自动剖分进行同步。伴随仿真计算浇筑的信息，仿真软件对大坝模型自动地剖分并生成相应的浇筑块，然后将浇筑的信息关联至对应的浇筑块。最终通过仿真计算得出混凝土坝的所有浇筑信息和Access数据库的输出，分块的模型则保存成为Auto CAD的文件格式，另外，每一个浇筑块均具备单独的标识符“实体句柄”。

2.4 土石坝建模

由于在土石坝的底面所表现出的形状为不规则曲面，所以对其三维建模则使用Rhino软件进行构建。依据土石坝填筑使用的材料和结构形式以及功能对坝体划分相应的区域。使用Rhino软件的各个功能来操作并建立土石坝分区模型。为了能够有效的在可视化仿真中对土石坝的施工进行动态性的演示呈现，对不同的分区均要求进行划分填筑层，划分则依据填筑料的供给和施工进度为基础，由此得出可视化仿真使用的土石坝三维模型。

2.5 其它地物建模

针对围堰和溢洪道以及隧洞等方面的模型建立，可以根据其具体的特征合理地选择相应的软件进行建模，比如使用Auto CAD建模、参数化建模、特征建模等相关的软件。如果需要在仿真中对施工的过程进行动态性的演示，可以依据实际的需求把模型划分为若干单元。

2.6 施工机械设备建模

在水利工程建设中，往往需要大量辅助施工的相关设施和设备，比如机械、营地、生产区，并且整体的构造十分复杂，因此可以运用3D Max软件对其进行建模，然后再将制作完成的文件导入至Autodesk Navisworks中予以渲染处理。

3 BIM三维动态可视化仿真实现

3.1 BIM三维动态的演示

使用Autodesk Navisworks软件中的TimeLiner功能对水利工程施工的全部过程进行三维形式的动态性演示。运用经仿真软件而得出的工程施工相关的动态信息，主要是建筑物的三维模型的组成单元和图形单元的施工时间、形体参数等等，将这些动态信息按以下步骤进行处理来实现三维动态演示：

(1)在Autodesk Navisworks软件中导入图形单元的三维模型，并且每一个图形单元的属性保持不变，以及具备独有的标识符“实体句柄”。

(2)把施工进度的相关数据均保存为Autodesk Navisworks软件可以支持的CSV格式。运用TimeLiner功能把CSV文件添加并利用TimeLiner规则和相应的模型一一对应，再对任务的类型以及外观状态进行相应设定，由此生成工程在施工中的过程动画。

(3)运用软件的Animator功能可以把施工的实际场景制作成为巡航的动画予以呈现，并把动画链接至TimeLiner进行模拟，从而能够以不同的视角查看施工的动态。由于TimeLiner所相连的进度数据能够在设置里设定成为是否激活，即是设定工程的模型是否具有时间的特性，进而能够对单项工程制作相应的动态化演示。

3.2 仿真可视化查询

对工程的仿真信息进行可视化的查询主要有下述方法可以实现：

(1)运用Autodesk Navisworks软件中的查找功能，能够查询图形单元相对应的属性，又或者是属性表内某一个属性相对应的图形单元。

(2)运用Autodesk Navisworks软件的API(应用程序接口)功能，然后以此为基础开展.Net二次开发，由此对场景内的相关模型和属性进行访问和查看，并利用插件来展示模型的仿真信息，可查询施工的所有过程和各个分项工程施工的相关信息。比如，对施工面貌进行查询即能以年、月、日作为查询条件来查看施工至某一时间的工程施工面貌；对施工强度进行查询时可将开始时间和始末时间设定，然后再以年、月、日为细化的查询，查看某一时间段内的施工强度表现，还可在界面中运用不同的颜色来显示图形，由此能够非常直观地显示出施工的强度。

构建插件的过程为：①首先构建各动态链接库.dll文件，然后为文件添加引用；②新建“类”用于继承插件类，比如基本插件等，然后设置类属性；③编写代码，编译后把.dll文件存入软件安装包，进而完成插件的制作，由此实现在系统中的使用功能。

3.3 工程信息查询

运用Autodesk Navisworks软件中的剖分功能，可以对工程的高程、坝段模型的形体进行查看，并且还可以查看工程模型相对应的二维信息；利用软件中的审阅功能还能够往模型中添加相应的注释并记录分析内容。

4 实例应用分析

以广东省梅州市大埔县高陂土石坝为实际应用的案例，运用上述研究提出的方法实现对工程施工的动态性演示，以及可视化的查询。图3-图6分别为土石坝可视化分解示意图、混凝土重力坝分解示意图、土石坝三维模型图、施工进度模拟示意图。

图3 土石坝可视化分解示意

图4 混凝土重力坝分解示意

图5 土石坝三维模型

图6 施工进度模拟示意

5 结语

本文提出以BIM为基础对水利工程的施工进行可视化仿真的方案，然后将其应用在水利工程中进行仿真验证。实例的分析表明，文中所提出的可视化仿真应用开发十分简单便捷，可为后续类似的大型水利工程可视化的仿真提供参考。