基于BIM的水电站三维结构模型可视化设计研究

熊伟

摘要：隨着计算机技术的发展，三维设计引发了设计行业的巨大的变革，但是水电站设计与地形结构关联较紧密，地形地质条件多变且电站异形设计较多，机械设备管线布置复杂，还停留在传统的二维软件制图阶段。将建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）理念引入水电站工程设计中，可以进行水电站三维模型可视化设计的研究，探讨BIM中地形地质模型的建立方法。针对水电站实例，进行三维可视化研究与仿真，搭建水电站三维结构模型实例，简要介绍模型设计的过程，并展示最终模型成果。

关键词：建筑信息模型 水电站  地质数字高程模型 可视化

中图分类号：TV74

Research on the Visual Design of the 3D Structural Model of Hydropower Stations Based on BIM

XIONG Wei

Water Conservancy Engineering Management Service Center of the 10th Division of Xinjiang Production and Construction Corps， Altay， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 836000 China

Abstract： With the development of computer technology， 3D design has triggered a huge transformation in the design industry. However， the design of hydropower stations is closely related to the terrain structure， with   the variable terrain and geological conditions， many special-shaped designs of hydropower stations and the complex layout of mechanical equipment pipelines， and it is still in the traditional 2D software drawing stage. Introducing the concept of building information modeling （BIM） into the design of hydropower station engineering can conduct research on the visual design of the 3D models of hydropower stations and explore methods for establishing terrain and geological models in BIM. For the example of hydropower stations， this paper conducts the research and simulation of 3D visualization， builds the example of the 3D structural model of hydropower stations， briefly introduces the process of model design， and displays final model results.

Key Words： Building information modeling; Hydropower station; Geological digital elevation model; Visualization

随着经济与社会的快速发展，国家对于环境保护工作也越来越重视，特别是清洁、可再生能源的开发。在这种背景下，我国的水电工程建设如火如荼。随着南水北调工程的启动和实施，国家加大力度发展水利建设事业，带动了全国一大批水电工程的建设，水电工程在防洪、发电、灌溉、改善航运等诸多方面都发挥着重要的作用[1]。未来水利水电工程将在电力工程领域占有越来越重要的地位。

与此同时，随着计算机技术的发展，我国国内勘测和设计水平都发生了质的飞跃，新的勘测设计手法和勘测技术层出不穷，设计手法也从二维平面设计逐渐向三维立体化设计靠拢[2]。计算机辅助设计（CAD）技术和计算机图形学（CG）近年来发展迅猛，依靠计算机技术进行大型工程的建设，大大提高了工程设计出图的质量和效率，并且取得了一定的经济效益。现阶段，大部分大型建筑工程已经逐渐摆脱二维设计的束缚，走向全面的三维立体化仿真设计与管理，使设计成果更加丰富、形象和生动。可视化设计使信息表达更完整，信息可以在生产与管理之间有效流动，大大通缩短设计与施工周期[1]。

1 二维和三维水利工程设计流程对比分析

水利水电工程大多建设在地质构造复杂的地区，工程设计时出于安全、经济等因素的考虑，需要全面、详细地考虑地质、地形因素，如地质分层、断层等。

项目在进行设计之前，需要进行具体详细的地质勘探工作，通过得到的大量地质数据，再进行分析。目前都是根据得到的地形、地质数据等信息绘制二维的AutoCAD剖面图、地表地形图，然后进行分析和选择。传统二维设计流程图如图1所示。这种方法局限于二维的表示，对于地质体表面的高低起伏变化以及地质体地表以下的复杂的构造情况不能直观准确地表达出来，不能进行实时的空间分析，这会造成地质分析的困难[3]。由于可能忽略了某些隐藏的断层等构造因素，从而得到的分析结果可能并非是最优和最合理的。在后续的施工过程中，如发现了之前设计时没发现的断层等不利构造因素，则必然会重新设计，这就需要修补之前的设计方案，提高工程造价，而严重时会延误工期，其损失是巨大的。

如果采用三维地质建模的方法，全面、详细、动态地展现地质体的地表高低起伏变化情况及地下复杂的构造变化情况，并有效地存储和管理地质体的数据和资料。三维地质建模可以通过三维的观察和分析，检验已经完成的地质勘测工作，以便为后续的勘测提供建议，为工程的选址和前期设计、后期的施工等工作提供直观有效的地质依据；可以降低地质分析的不确定性，提高准确性，避免盲目性，避免后期修改设计方案造成的损失，降低投资风险。在进行水利水电工程的设计时，三维地址建模还能够直接在已经生成的地质体的三维模型基础上进行上层结构的设计，而且可以多人协同设计，这就是地质与水利水电工程一体化设计，其主要过程如图2所示。在建立工程地质和水工建筑物的三维模型后，还能将三维模型直接应用于数值分析，再根据分析结果对模型进行修改，然后再次进行数值分析，直至设计满足要求为止，实现设计与分析的一体化。

2 BIM地质数字高程模型的表示方法

数字地形可视化就是利用计算机技术实现空间数据的图形显示和分析。三维可视化能直观地表达空间数据处理分析的过程和结果，三维地形可视化技术主要解决两个问题：一是如何建立三维模型能逼真地再现三维世界，二是使海量数据在普通的计算机上流畅运行。一般，地形三维可视化由以下3个过程实现：获取地形数据、生成数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、可视化处理和三维显示[4]。

本质上讲，DEM是对地形表面在地形采样数据基础上的表面重构。因此，对于一个通用的DEM系统，一般要经过数据采集、DEM建立和应用模型建立3个步骤。地表的数据采集是一个无序的数据集合，为便于计算机的管理和应用，需要对该数据建立结构化的表达式，即隐式或显式地表达数据之间的拓扑关系。目前主要以网格结构的形式表达。根據网络结构的不同，有规则网格（矩形、正三角形、正六边形等）和非规则网格（三角形、四边形网格等）。在规则网格中，矩形网格平面位置隐含与行列号中，称为网格DEM或Gird DEM，因网格结构简单而被普遍采用。三角形是平面图形中最简单的几何图形，因而在不规则的网格中被经常使用，一般称为不规则三角网DEM或者TIN DEM。

而在BIM系统中，DEM最主要的三种表示模型是规则格网模型（Gird DEM）、等高线模型（Contour DEM）和不规则三角网模型（TIN DEM）。

3 BIM实体模型的表示方法和建模相关算法

在本研究的前半部分，我们已经介绍了BIM中的三维几何体的不同表示方法，同时也了解了最高级的表示方法，实体模型的相关IFC中实体几何模型描述SolidModel中的多种表达方法。在下面的内容中，主要讨论SolidModel中实体模型的表示方法和相关算法。

SolidModel用于描述实体模型，根据模型表达方式的不同，又可细分为边界表示（Boundary Representation，Brep）、构造实体（Clipping）、CSG等多种类型。

本文采用Brep模型，该模型是将一个物体用不同的面拼接粘合起来形成一个封闭的空间区域来描述空间中的实体。而描述实体所用的面可以用一整个平面，也可以分割成多个曲面、三角面、样条面共同粘合。面的边通过两个顶点的连线来确定，顶点一般都包含有X、Y、Z三个坐标值。Brep具有很多优点，是最常用的一种表示方法；其缺点是数据关系复杂，存储表示使用的数据量较大，后期会占用大量的存储空间。Brep模型能够清晰、完整地描述物体的边界，存储和记录物体的拓扑结构和形状，通过分级的方法定义和描述三维物体。边界实体的层次结构清晰（如图3所示），通过点、边、环、面等多个层次来表达实体。各个层之间相互关联，相互转化，紧密联系。Brep模型在后期的几何运算和集合操作的过程中也具有相应的优势，目前是最成熟、应用最广泛的一种方法[5]。

实体建模的研究重点是用简单的几何元素构造复杂实体，即研究如何经过适当的基本操作构造所需的复杂几何体。在BIM中的地上实体几何部分的设计，主要通过复制、修改、拉伸、旋转、放样等方式建成。通过这些基础操作的叠加和反复调用，可以生成复杂的几何实体[6]。

4 某水电站地质数字高程模型的设计

某水电站项目装机容量4×106 W，设计流量93.68 m3/s，水位落差6.92 m，输水天数3 662 d，发电量1 468 kW。根据该水电站钻孔信息，将钻孔确定的地形点导入计算机预定义的坐标系统中，为每一个点添加高程坐标信息。通过导入的点集进行三角化，采用三角网剖分算法，将集合中的所有点连接成三角形，最后生成三角曲面拼接而成的地形曲面，从而形成相应的地层平面（如图3所示）。

在三角网曲面平面模型生成的基础上，对形成的底层平面进行渲染，表现出地表信息。图4所示的地表平面可以看出高低起伏。让每个地层生成一个单独的曲面，每个地层曲面下部放一个基准平面，可以对每个地层进行实体填充，这样可以清楚地显示出在工程区每一个地层的高低起伏状态。

在水力机械模型的绘制过程中，主要是通过实体建模的方式进行基础水利机械模型的建立。根据基础参数分别通过二维模型的拉伸运算和集合运算生成零部件。建立闸门主轮侧面剖面二维几何模型，并定义旋转基准线，沿预定义的基准线将二维平面几何图形进行旋转，最终得到三维模型。将构成水电站的所有机械模型、管道模型、建筑模型等进行综合拼贴和约束，最终能够得到如图4所示的水电站地上几何实体模型。

对于设计成功后的三維结构模型，可以通过几何切割的方法快速查看模型内部结构，观察电站内部管道布线、厂房分区等。将地上模型和地质地表模型进行贴合，并最终渲染，能最后得到如图5所表示的最终效果图。

5 结语

水电站工程建三维结构模型设计研究是一个复杂、综合的设计活动，参与者涉及众多部门。项目的生命期包括了电站工程从勘测、设计，到使用管理、维护等阶段，专业涉及广泛，模型范围复杂。在模型建立过程中涉及地质地形生成、地上枢纽建筑生成、水利机械模型生成等多方面的模型可视化设计研究，最终生成水电站整体三维结构模型。

参考文献

[1] 周奇杰. 基于IFC的RCC重力坝信息模型及施工可视化研究[D].大连：大连理工大学，2023.

[2] 陈垒，刘德斌.BIM技术在水利水电工程可视化仿真中的应用[J].智能建筑与智慧城市，2023（7）：175-177.

[3] 向枝叶，丛沛桐.高陂水利枢纽超蓄淹没动态模拟及实景三维可视化[J].科学技术与工程，2022，22（21）：9314-9320.

[4] 秦龙飞. 水利工程三维模型参数化研究及应用[D].郑州：华北水利水电大学，2021.

[5] 曾强.农田水利工程施工可视化模型构建与应用[J].水利科技与经济，2022，28（1）：156-159.

[6] 李闯. 水利工程BIM空地数据采集与融合处理方法研究[D].郑州：华北水利水电大学，2022.