基于犬木塘水库工程BIM 三维可视化平台的图模中心系统开发与应用

刘德谦，曹思宇，谢冰清，熊浩然，孙 怡

（1 湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司 湖南 长沙 410007）

（2 湖南省水利发展投资有限公司犬木塘水库建设分公司 湖南 长沙 410007）

0 引言

犬木塘水库是国务院确定的172 项重大水利工程之一，工程位于衡邵干旱走廊湘资分水岭区域，包含枢纽和灌区两部分，总投资约为103 亿元，涉及四市8 县（市、区），属于跨地域的大（2）型Ⅱ等水利工程。

作为结构复杂、规模庞大、功能多样的大型水利项目，随着工程建设的全面展开，有20 个以上的作业面在同时施工，“点多、线长、面广”的总体施工布局，使得设计图纸和三维模型的产出和匹配进度不一；同时，在工程进度、质量、安全、费用和变更等方面产生大量信息及文本资料［1］，如果采用传统的沟通、施工和管理方式，不但会影响工程建设信息的统一合规和归档管理，导致查询、调取和溯源非常不方便，且信息流转的低效和手段的落后必将影响现场问题的及时察觉和处置。

由湖南省水利水电勘测设计规划研究总院自主开发的犬木塘水库工程BIM 三维可视化平台，是各参建单位数字化平台的展示窗口，也是各专业应用的集成平台。参与各方已有业务系统负责提供数据接口，向项目平台提供所需数据，平台负责从企业数据中心及其他数据源调用所需数据，进行分析和展示。平台融合应用建筑信息模型（building information modeling，BIM）、三维地理信息系统（3D geographic information system， 3D-GIS） 和物联网（internet of things，IOT）等数字孪生技术，对项目管理涉及的主要空间对象进行建模标识和展示，提供空间对象集成的相关信息查询与分析利用，以及由参数驱动的枢纽、灌区建模动态演示等功能，创建沉浸式的决策支持虚拟现实环境，供参建各方管理人员决策、会商及日常辅助管理使用。

而图纸、模型和相关工程文件的三位一体展示与应用，对于提高信息利用效率，加强图纸和模型的供应速度，减少因现场施工资料不匹配带来的返工等问题具有实际效力；同时，对可视化平台的精确性、直观性以及与不同类型资料之间的交互性具有非常积极的作用。因此，需要搭建开发图模中心这一系统促使三类工程信息资料进一步融合，保障工程建设顺利运行。

1 图模中心系统设计与开发

1.1 系统设计需求与开发思路

该系统旨在提供一个实用性强、高效稳定的图模管理和协作系统，以支持CAD 设计图纸、相关文档和三维模型的解析、展示和协作功能。使用通用计算机编程语言和模型框架，结合现代化的开发工具和技术，本文开发出满足用户需求的图模中心系统。其开发思路如下。

首先，建立系统数据库，用于存储设计图纸、文档和对应的三维模型的数据。每个设计图纸和三维模型在收录时都会被赋予一个唯一的标识符，以便于系统进行关联和查找。

其次，通过使用计算机辅助设计软件CAD 的应用程序接口（application programming interface，API）或者开源的CAD 库来实现收录读取CAD 设计图纸和三维模型的文件格式，并提取出其中的几何信息和非几何信息等。在关联过程中，系统可通过比较CAD 设计图纸中的尺寸参数与三维模型的尺寸参数来进行匹配，从而确定它们之间的关系。系统还可通过基于几何形状的特征匹配算法，比如最小二乘法、逐点匹配等方法，来实现更精确的关联。

最后，开发用户界面，使用户可进行CAD 设计图纸和三维模型的关联操作。用户可选择需要关联的CAD 设计图纸和对应的三维模型，并进行匹配和验证。开发关联辅助功能，如自动识别CAD 设计图纸中的特征点、自动调整三维模型的位置等，以进一步提高关联的准确性和便捷性。

1.2 开发工具

MicroStation 是集二维绘图、三维建模和工程可视化（静态渲染＋各种工程动画设计）于一体的完整的解决方案。专为公用事业系统、公路和铁路、桥梁、建筑和水利工程等所有类型的基础设施的建筑、工程、施工和运营而设计［2］。犬木塘水库工程项目的三维模型是使用MicroStation 软件所创建，模型原始格式是.dgn。

BIM-WIN 是创智艾泰克公司于2020 年发布的三维转换引擎，能够支持Bently、Revit、CATIA 等主流三维建模软件输出的文件格式。

AutoCAD .NET API：AutoCAD 提供了专门为.NET 开发者设计的API，即AutoCAD .NET API。它允许在C＃中编写代码来访问和操作AutoCAD 的DWG 或DXF 格式文件。该API 提供了丰富的功能，包括读取和解析CAD 文件，访问实体、图层、块等元素，以及执行各种编辑操作。

uni-app 是一个基于Vue.js 的跨平台开发框架，可以同时开发运行在多个平台（如Android、iOS、Web 等）上的应用程序。

C＃是由微软开发的一种通用、面向对象的编程语言。C＃与. NET 框架紧密集成。通过使用C＃，开发者能够利用.NET 的丰富功能和类库来构建各种应用程序，包括桌面应用、Web 应用、移动应用以及游戏等。

图模中心系统以BIM 可视化三维展示平台为基础，集成BIM-WIN 轻量化引擎，使用C＋＋语言进行二次开发。在手机端采用uni-app 开发框架，APP 发布到安卓和iOS 端。利用在MicroStation 中建立的.dgn 格式模型为数据样板，整合CAD 图纸和Word 或PDF 格式文档，实现三维信息的综合展示。

1.3 系统架构设计及功能开发

图模中心基础架构分为云平台、数据层、服务支撑层、应用业务层、用户交互层等5 层［3］，见图1。系统采用面向服务架构的架构模式，通过中间服务进行数据访问和功能调用，各项功能利用成熟的跨平台敏捷开发工具进行软件定制化开发。将设计图纸、工程模型和变更等表单文件进行整合，完成多源异构模型的集成。

图1 图模中心基础架构

系统功能由以下几个模块组合开发来实现：

（1）用户界面。该组件包括与用户交互的界面，用于展示设计图纸、相关文档资料和三维模型，并提供关联和管理功能。它可以是一个Web 应用程序或桌面应用程序，使用C＃语言和相应的前端技术。

（2）第三方库和API。根据项目需求，使用第三方库和API 来实现特定的功能，例如CAD 文件解析库、文档管理库等。

（3）设计文件解析模块。该模块负责读取设计图纸的文件格式，提取出几何信息、属性和其他必要的数据。使用AutoCAD .NET API 来解析不同的CAD 文件格式（如DWG、DXF 等）并提取数据。

（4）关联算法模块。该模块根据设计图纸和三维模型的几何特征和属性，使用几何形状匹配算法、尺寸比较算法实现它们之间的关联。

（5）数据库管理模块。该模块负责存储和管理设计图纸、相关文档资料和三维模型的数据。使用SQL Server数据库管理系统，通过设计相应的表结构和关系，以支持数据的存储、检索和更新。

（6）文档资料管理模块。该模块用于上传、关联和管理与设计图纸、三维模型相关的文档资料。提供文档上传、检索和下载功能，建立文档与模型数据之间的关联，并支持文档的检索和浏览。

（7）业务逻辑层。该层包含系统的核心逻辑和处理过程，负责协调不同模块之间的交互，处理用户请求，执行关联算法，访问数据库等。

（8）数据访问层。该层用于与数据库进行交互，执行数据的读取和写入操作。提供对数据库操作的抽象接口，使业务逻辑层可以方便地访问和操作数据。

同时系统基于统一的BIM＋GIS 基础平台、工程数据库，实现工程BIM 模型和设计、建设信息的数据共享和可视化展示；利用统一的应用门户和安全审计策略，进行用户登录和权限管理，满足多终端业务场景应用需求。此外，在BIM 应用服务中内置了湖南水电院发布的《犬木塘水库工程BIM 模型分类和编码标准》，使用户能够按照标准编制所需模型编码，完成模型与图纸和文件批量挂接。

1.4 系统特色功能介绍

1.4.1 在手机端app 可多层次多角度查看使用模型及关联的文件

除在手机端可通过手势操控对模型进行全方位的观察和调整，使用轴向剖切工具还可进行模型的剖切，同时由于基于云端加载，模型速度并不会减慢太多。此外，可将当前视图设置为主视图，同时打开图纸文件或相关联的变更文件与现场施工情况进行比对，易于发现其中的问题。

1.4.2 对重点单位工程进行独立统计分析

在现场施工过程中，建设方需要查看所建单位工程的各项基础信息，可通过图模中心的属性设置功能自行添加与模型相关的各类信息，如所点选面的面积和点选模型的体积等，便于实时统计核实工程量；此外还可通过测量工具测量模型大小尺寸与实际建筑物进行比对，完成对重要单位工程的全方位独立统计分析［4］。

2 图模中心系统应用实例

本图模中心系统已在湖南省犬木塘水库工程BIM 应用项目中成功应用。

以该项目泄水闸－消力池段模型为例，模型共有构件502 个，所涉及图纸3 张，涉及变更文件1 份。在可视化平台的图模中心，在该dgn 模型条目中，可通过图纸关联功能和工程关联功能对相关图纸和涉及到该模型的所有文档进行选择关联。

在模型在线查看过程中，可在目录树搜索栏中输入模型编码对模型所包含单一构件进行精准搜索和查看，点击该构件使其透明度提高即可查看其与周围构件的连接方式及内部结构。同时，可通过模型漫游功能检查各部位模型的位置，利用360°环视功能即可查看该专业模型的整体布局。而模型的批注功能可使工程人员在对照图纸和变更文件后对模型相应部位进行批注，保存在模型库中进行导出和打印。工程人员可对施工现场的结构进行比对分析，找到不合理处进行图纸分享，达到辅助施工的效果。使用情况如图2～图7 所示。

图2 模型与图纸和工程文件关联界面

图3 图纸与模型关联

图4 图纸与文档关联

图5 手机端模型查看

图6 构件属性查看

图7 模型测量工具

图8 分享所现场校核图纸

3 结语

本文在湖南水电院研发的BIM 三维可视化平台基础上对图纸、模型和文件三位一体化展示方式进行研究。将从MicroStation 中导出的三维设计模型上传至可视化平台的图模中心，导出格式为.dgn；同时按照湖南水电院发布的《犬木塘水库工程BIM 模型分类和编码标准》编制模型编码，实现图纸和文件与模型的挂接。基于BIM-WIN 引擎高性能的模型展示能力，开发出能够完成平台间交互的与可视化平台之间的接口，并通过Web 端的挂接和工程现场手机端的可视化展示解决实际工程建设过程中图纸模型无法对应查看、变更文件和工程进度无法实时体现的问题，最终完成基于BIM 三维可视化平台的工程档案一体化管理应用的目的。

本文通过对模型各项属性的挂接及.dgn 文件的直接上传，保证了模型文件信息的完整性；同时在手机端开发APP 实现图纸模型和文件的实时查看，提高了模型图纸的读取和使用效率，为在现场的工程人员指导检查施工情况、快速发现工程问题提供了帮助，能够及时发现安全隐患，减少返工所耗费的人力、物力。