水闸及输水管道维护CIM模型细化研究

杨 珉

（贵州新中水工程有限公司，贵州 贵阳 550008）

1 引言

在建设项目中，由于基础设施存量老化、工程师老龄化、技术工人短缺等原因，劳动生产率较其他行业低，维修成本增加等问题浮出水面。随着建设项目的人员和预算越来越难以掌握，为了保证建设产品的质量，妥善管理老化的基础设施，需要利用信息通信技术，通过建设生产过程，提高工作效率，推进整个工作[1]。CIM（建筑信息建模）的推出，旨在利用ICT技术推进建筑生产系统，提高生产率。CIM是将一个物理对象的形式和结构表示为一个3D模型，并将设计、执行和维护的各种信息作为其属性添加到该模型中，使它们能够统一管理，提高整个施工生产过程的效率。在设计或施工过程中创建的三维模型也将用于维护阶段。如果没有提前确定维护阶段所需的详细程度和所需功能，则问题可能是在三维建模中花费太多时间来阐述不必要的细节，或者相反，缺少维护阶段所必需的功能[2]。

作为CIM引入和推广的一部分，假定闸门和输水管中不含板桩等少数不可见区域，每一个都是由工程结构和机械设备系统组成的复杂结构，通过三维表示和信息集成管理实现可视化，具有很好的效果，因此，维修人员分布广泛，涉及水利工程、机械和电信等不同领域。具体研究程序如下，假设在维护阶段应用三维模型的情况下，阐明了三维模型所需的功能，以及使用这些功能的三维模型应达到的精化程度。在此基础上，将维护所需的各种信息集成到对象结构的三维模型中，建立了CIM原型[3]。

2 在维护阶段应用三维模型

三维模型可以建立无限的创建精度，但是，除非根据用途、要建模的部件和创建的范围设置精化级别，否则很难获得足够的成本效益。关于建筑物的BIM（建筑信息建模），有一些指南等规定了3D模型的详细程度。因此，在明确闸门和管道维护阶段的三维模型应用情况后，决定根据应用情况设置详细程度。

在维护阶段使用三维模型的优点可以说是“设施相关对象的可视化”和“方便的信息管理”。文章以某河道引水工程为例，将CIM的机制应用到水闸及输水管道中，研究其对维护工作效率的影响。

2.1 设施相关对象的可视化

通常，多个图纸用于确定目标设施的结构、周围条件、设备布局和地下设施。这需要很长的时间来掌握结构及其周围的条件。在三维模型上对它们进行可视化，不仅可以及时掌握结构和周围条件，而且还可以方便相关方共享理解（见图1）。

图1 物体设施结构及周围环境的可视化

此外，在模型上可视化结构的损坏或变化，可以立即掌握构件或设施与周围条件之间的关系。这将导致对损坏原因的澄清、是否需要修理的决定，或更快地决定施工方法的选择（见图2）。

图2 结构损伤可视化

2.2 方便的信息管理

维修阶段需要参考的资料很多，如竣工图、检验记录、维修记录等，都是以纸质版本和电子数据混在一起的形式。此外，由于这些材料有多个负责人或存放在仓库中，因此存在着存储重复数据和信息不一致或过时的风险。因此，收集必要的信息需要很长时间。此外，由于多个人员或承包商长期执行维护工作，更新历史记录的管理是一个沉重的负担。

在目前的情况下，如果将大量复杂的材料作为属性信息集成到一个三维模型中，可以实现对不同类型数据的统一管理，防止重复存储或不一致，便于历史管理。此外，将构成结构的各个元素（如构件和设施）的三维位置与每一条信息联系起来，可以直观地搜索和参考必要的信息（见图3）。

图3 三维建模统一信息管理提高检索能力

2.3 在维护阶段提取应用CIM模型

考虑到三维模型的优点，总结了应用三维模型在某些情况下的预期效果。水利工程结构和机械设备系统都非常需要“方便的信息管理”，确认了建立统一管理各类信息的机制必要性。一方面，关于机械设备系统的维护，对具有详细尺寸和形式的三维模型的需求并不强烈。另一方面，对于水利工程结构，在三维模型上表示损伤状态的要求更高，需要一目了然地加以确认，需要对三维模型进行一定程度的细化。

2.4 三维模型所需的功能

由于水利工程结构和机械设备都非常需要具有三维模型的“简单信息管理”，因此决定三维模型应具有将三维模型中的每个构件或位置与外部的属性信息（如照片或分类账）相链接的功能。

对于“设施相关对象可视化”，水利工程结构的三维模型应具有详细的形式，以便能够正确地反映损伤位置等。另一方面，决定用一种简单的方法来表示机械设备的三维模型，这种方法足以区分设备的空间位置关系、名称和类型，而不是精确地表示所有的形式和部件，如“在设备维修中不需要精确地表示单个部件的三维形式”或“为了通过可视化提高效率，只要能掌握位置关系就足够了，比如设备放在设施内的什么地方”。

3 设置三维模型的精化级别

在总结三维模型所需功能的基础上，对其精化级别进行了具体设置。对于水利工程结构，被设定为一个保持精确三维形状的详细模型。对于机械设备模型，被确定为一个简单的模型，保留了指示对象设施名称及其空间位置关系的功能。根据设备的维护方法和规模，设置分为两种情况。表1显示了每个模型的精化级别的概述。

对于水利工程结构，决定创建一个精确表示三维几何尺寸的三维模型（见图4）。在机械设备中，门体、开闭机构、发电机等需要连续维护管理的设备规模较大。因此，决定将每个模型创建为一个块模型，允许观看者确认对象设施的外观和方向，方法是制作一个彼此相对大小大致正确的矩形实体三维模型，在其上粘贴图形或照片作为纹理（墙纸图像），并将其放置在对象的位置（见图5）。

表1 三维模型精化级别概述

图4 土木工程结构的三维模型

图5 机械设备模块（门体）

小规模仪表、仪表板、水表等需定期更换或发现异常时，决定创建一个按钮形状的模型（按钮模型），其功能是显示三维模型中的空间位置，并与外部属性信息链接（见图6）。

图6 电表按钮型号（发电机表示为块型号）

4 CIM模型的验证

该模型通过将用于维护的不同属性数据与3D模型的每个元素链接起来，实现了统一的信息管理、出色的搜索能力和可跟踪性。模型由三维模型和存储各种信息的信息共享服务器组成。用于维护的属性信息包括不能直接存储在三维模型中的数据，如图纸、照片和检查记录。这些文件不会直接保存在三维模型中，而是保存在外部信息共享服务器中，并与用于三维建模的整个设施或其单个元素链接。维修人员可以通过点击三维模型上的相应元素，方便直观地查看目标信息。选择三维模型的目标元素将打开相关属性信息列表，允许从列表中选择所需信息。可以提取属性信息与信息共享服务器中保存的每个元素的链接，并在列表中显示，实现信息的统一管理。

保存在外部信息共享服务器中的数据可以使用与普通Windows资源管理器类似的机制进行操作，但文件夹配置和文件命名规则是固定的。这允许维修人员添加或更新属性信息，例如检查结果，即使他们没有操作三维模型的经验。首先我们向维修人员介绍了这次创建的原型模型，后续通过访问维修是否提高了效率来加以确认。表2显示了他们的典型观点。

表2 原型模型意见

5 结论

本研究在闸管检修阶段应用标准三维模型的前提下，建立了标准三维模型的细化层次，并建立了CIM原型模型。通过对维修人员的调查得出，模型的使用提高了损伤的检索能力以及检测效率，提供了便捷的信息化管理模式。

但是，这并不是实际维修现场使用的结果，评估结果采用原型模型进行论证。今后，计划利用这些模型进行现场试验，验证其效果，并通过增加适用场合和改进模型来检验进一步提高维修效率。我们还认为，在顺利引进和推广CIM的过程中，“不要大幅度改变现有维护方法和理念”和“不要通过引进新工具来增加现场人员的劳动”是很重要的。考虑到这些，我们愿意继续深造。