基于BIM技术的数字化能源设计与应用研究

刘晓宇

（天津市燃气热力规划设计研究院有限公司，天津300199）

建立一个数字化、智慧化、管理科学化的能源管控系统，已成为众多能源企业亟需解决的任务，同时也是贯彻落实国家“四个革命、一个合作”能源安全战略，坚持“打造绿色低碳、安全高效、智慧友好、引领未来的现代能源系统”的必然要求。能源类工程建设，在设计阶段产生大量的洁净数据，洁净数据是信息建模这艘巨型舰船的载体，只有将海量的数据信息，注入三维模型这艘航空母舰的栖息水域，才能让这艘航空母舰鸣笛出征。

数字能源设计平台是基于CAD 环境及相关扩展，以工程数据为核心、以三维技术为手段，实现全专业三维协同设计的数字化设计平台。平台通过设计数据驱动与共享实现设计流程的自动化，借助三维技术实现设计成果的精细化，进而实现全专业模型级的协同设计，实现多专业的协同设计及三维校验，设计成果可直接用于数字化移交。因此，打造一个强大的数字能源设计平台，并将设计数据科学管理及运用起来非常有必要，可加快设计企业的数字化、智能化转型。

1 研究的可行性分析及效果

随着能源设计行业的发展，传统的二维设计模式及理念已经不能满足要求，在建筑行业BIM 数字化正向设计成为主流的当今，能源行业的专业设计已大幅落后时代发展。基于数字化三维技术平台的最新成果将大幅提高设计效率、提升设计质量、优化设计流程、改善经营绩效[1]。研发软件应用平台采用标准化与数字化技术，实现设计过程的自动化与设计结果的精细化。

1.1 技术可行性分析及解决问题

1.1.1 建立符合能源工程设计、管理的工程设计平台框架

1.1.2 建立能源设计企业标准化、规范化、统一化的工程数据管理体系与平台

在能源BIM 设计平台建设框架体系内，项目研究收集设计企业各专业的工程设计相关数据，包括燃气热力工程设计中涉及的设备数据、族库模型、二维图形、设计标准四大类型数据。根据燃气热力工程领域相关数据规范、设计企业各专业深度要求、工程设计差异化实际现状，启动能源设计企业数据标准化工作，为平台整体建设奠定统一的数据基础。经过数据分析与设计，建立符合能源设计企业管理水平要求的数据标准化规范，开发专业化的设计数据管理平台，满足数据录入、维护、管理海量公共数据库及接口访问的应用需求。

1.1.3 建立能源设计企业一体化的协同工程设计平台

项目研究着重从能源设计企业各专业设计入手，针对设计过程进行重点分析，建立一体化协同设计平台，规范设计流程和设计标准。以“工程全要素”为核心，精细化管理工程的完整数据（工程信息、设备信息、厂家资料），建立工程设备编码体系，贯通数据全过程[2]。优化专业间配合流程和方式，使各专业配合提资均在协同工作平台下按标准流程和格式完成。建立符合燃气热力工程设计成果组织与管理的图档目录，实现工程设计成果的集中化、版本化管理。通过计划管理与图档管理集成，实现设计过程与成果存储的自动与手动联动模式，满足设计进度的实时关联与更新。在集中化的工程数据管理与图档管理模式下，实现工程设计成果在不同阶段的快捷复用以满足工程阶段升版要求，实现工程设计成果的快速移交与发布，满足工程施工单位、业主单位的可视化应用需求。

1.2 初步实现效果

数据驱动能够实现自动化设计流程，效率提高30%以上； 运算正确百分比为及相关资料核对正确率均为100%；相关智能化程序的投入使用，可以节省工程整体预算和实施费用的5 个百分点以上；标准化知识管理系统，使得设计的成果满足建设要求和集约化的管理要求；BIM 平台不仅在设计阶段实现三维数字化，同时具备将成果交付使用的能力，可保证工程在整个生命周期的数字化应用。

2 研究方法及技术路线

研究运用专业软件流程全面整合工程设计流程，采用数字化技术实现设计信息共享，达到设计自动化，借助三维手段提高设计质量，做到设计过程与结果的可视可控。

研究采用C/S 架构进行开发，服务器端使用MS SQL Server 企业级网络数据库，通过建立统一的工程数据库及编码系统，实现信息在多个平台间的传递。

系统图设计在AutoCAD 平台下完成功能应用，依托ObjectARX 类库，采用C++语言进行开发。布置图设计在Revit 平台完成功能应用，依托Revit API 库，采用C#语言进行开发。平台类相关性能模块的开发采用C#与C++语言嵌套的模式。

②车广吉等.论构建学校、家庭、社会教育一体化的德育体系[J].东北师范大学学报( 哲学社会科学版),2007 (4):155-156.

平台框架采用层次化架构，建立清晰逻辑层次，并提供统一化访问接口，以便日后业务扩展，同时支持业务扩展后的硬件设备的扩容，解决软件升级复杂、与其他系统的接口问题。

3 典型案例分析——以三维管线系统为例

三维管线系统主要包括规划数据管理、规划设计审核、模拟规划设计、管线空间分析、规划分析专题图和规划文档管理六大主要功能。利用该系统，可以发现管线设计中的缺陷和各种不符合项，从而为设计提供设计企业更改建议，使设计企业能够及时进行设计更改，解决实现情况中管线设计方案反复修改问题。该系统还可对城市综合管线进行相应的空间分析和统计，为管线各项日常管理，包括管线精确定位、管线运行监管、管线应急处置等提供可靠科学空间分析依据[3]。三维管线是智慧管网的灵魂，可以清晰地将城市中的所有管线直接显示在显示屏上，可以展现一个虚拟仿真的三维环境，基于三维管线系统可以进行数据采集、管线追踪、设备控制、状态报警，如图1 所示。未来的三维管线技术不仅仅为智慧管网服务，甚至为整个智慧城市的其它系统提供服务。

图1 三维管线图Fig.1 3D view of pipeline map

3.1 数据管理

数据是任何系统展示的基础，数据管理功能提供各类数据的导入和展示，能够对现有的数据进行有效管理，通过信息积累和信息复用，为管线管理和决策提供依据，如图2、图3 所示。

图2 三维管线数据Fig.2 3D view of pipeline specifics

图3 管线数据明细Fig.3 Details of pipeline specifics

3.2 规划设计审核

规划设计审核模块的作用是在规划与设计阶段辅助审定，为运行单位在线路规划的审核时提供重要帮助。管理部门可将上报的规划设计导入到系统中，系统将自动识别出规划设计与各级管线建设规范的要求不符的情况，以辅助管理部门完成审核，如图4 所示。

图4 三维系统设计Fig.4 3D system design

3.3 模拟管线设计

模拟管线设计功能主要应用于地下管线模拟设计，如图5 所示，应用该功能可以在三维场景中模拟建设地下管线，为设计单位提供合理的更改建议，方便设计部门对设计进行更改。

图5 模拟管线设计Fig.5 Simulated pipeline design

3.4 管线空间分析

管线空间分析模块的作用，如图6 所示，在采集和整理埋地敷设的管线相关数据的同时，对其临近周围空间及环境进行分析和参数统计。方便管理部门进行各种统计分析，从而掌控管线空间分布和统计结果。

图6 管线空间分析图Fig.6 Spatial analysis of pipeline distribution

3.5 管线窥测

管线窥测与管道腔内探查模块，可打开巷道三维实体图的外表，查看巷道内部。可沿巷道路径移动，视察管道内部形状、管道支护方式、设备和管线布置情况等，如图7 所示。对一些大型的地下管道非常适用。

图7 管道透视图Fig.7 Perspective view of pipeline

3.6 远程自动控制

有权限的用户可通过本系统远程控制单个设备或一组设备的开停等操作，如远程开停水泵、阀门等，如图8 所示。

图8 远程自动控制功能图Fig.8 Remote auto-control interface

3.7 视频监控系统集成

三维建模系统可将监控摄像头模型布置在场景中，如图9 所示，这些摄像头与视频监控系统相连接，当用户右键选择一个摄像头时，可以显示该摄像头的实时视频。这样子就可以在有需要的地方、场所增加监控用摄像机，和智慧安防能够更好的配合获取真实的图像画面。

图9 视频监控系统图Fig.9 Diagram of camera surveillance system

3.8 设备管理与可视化

三维系统可根据模型库自动构建各种设备的三维模型，如风机、阀门、执行器、照明设施、液压支架和安全监测分站等。对设备任意绑定监测点，还可设置设备开停控制监控变量，配置设备浮动标签的显示信息及任意多的属性，如型号、厂家、功率等，如图10 所示。

图10 设备三维系统图Fig.10 3D system of equipment

3.9 灾害模拟

三维系统可模拟管道发生泄漏时，泄漏气体喷射状态，如图11 所示。管理者可以巡视任何位置信息，为抢险抗灾措施和方案的制定，提供敏捷、便利的决策支持。这个功能在一些大型的地下管道中适用。还可以模拟燃气泄漏发生火灾时，火灾产生的有毒烟雾及气体在管道中的蔓延扩散过程。管理者通过查询管线存在有害烟雾的位置，为抢险抗灾方案的实施提供敏捷便利的判定支持。

图11 爆管位置模拟图Fig.11 Simulation of the burst location in pipeline

3.10 地表地形建模及管线文档管理

三维管线系统经扩展之后可根据地表、地形、等高线数据或者卫星数字高程数据，生成地表地形三维模型。方便明确的观察地下管线状态和地面灌木、植被等绿化的实时回馈。对管线文档进行有效管理，通过入库检索等操作，将与管线设计相关的文档进行有效管理，相关文档包括了国家标准规划规范、管线设计审批文档和管线设计图。从而使文档信息的浏览查询更方便，信息管理更合理。

4 结语

基于BIM 技术的数字化能源设计与应用平台构建了统一、规范的设计数据管理体系，在此基础上打了造专属的数据传递渠道和数据浏览工具，为能源工程信息展示服务和数字化移交提供完整的、安全的数据支撑。