數字交付在水利工程中的研究與運用范文

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摘要：基于目前水利工程設計產品交付的現狀，結合BIM技術和水利工程的特點，開展水利工程數字交付標準和技術研究。并將數字交付標準和技術應用于實際工程，開發出獨立運行、實用高效、可視互動、界面友好的數字交付平臺，以提升水利工程設計產品的質量和品質，減少交付過程中的溝通障礙，實現BIM技術在水利工程設計產品的多維應用。

關鍵詞：數字交付；標準；平臺

1數字交付發展的現狀

建筑信息模型，即BIM（BuildingInformationModeling），是由美國喬治亞理工學院建筑與計算機專業的恰克•伊士曼博士，在三十多年前提出的［1］。時至今日，BIM技術發展日益成熟，在此基礎上各行業都非常重視設計產品數字交付技術的研究與應用，并已在航空航天、造船、建筑等領域得到了驗證，取得了可觀的經濟和社會效益。近年來，數字交付技術除高校進行專題研究外，政府層面的研究也逐步開展，相關機構正在加緊制定適應我國工程法律制度和管理要求的數字交付標準。2016年7月28日上海市住房和城鄉建設管理委員會了《上海市工程設計、施工及竣工圖數字化和白圖交付實施要點》（滬建建管聯〔2016〕596號）；2016年10月12日，中國建筑學會科技培訓中心在長沙市舉辦的“推動工程建設行業數字化及白圖交付、數字化審圖新技術、新模式和落地實踐經驗培訓交流會”圓滿召開。可見數字化交付已在工民建行業得到廣泛認同，并在應用中有了實質進展。在水利工程領域，雖然設計產品中三維元素逐年增多，但總體信息化程度不高，設計產品仍停留在三維建模階段，僅能反映產品的幾何信息，而產品的材質、設備參數等信息在產品查詢時出現滯后現象，具體反映在信息與交付產品的關聯度不夠。隨著計算機技術和電子信息技術的不斷進步，基于BIM技術的無紙化建造及無紙化交付輪廓將漸漸變得清晰可見［2］，進行水利工程數字交付的研究和應用具有廣闊的前景。

2水利工程設計產品交付存在的問題

水利工程設計過程是多專業協同的過程，一般涉及地質、壩工、廠房、金屬結構、電氣設備、施工和安全監測等眾多專業。設計過程專業的多樣性，決定了設計產品管理和交付的復雜性。截至目前，水利工程產品的交付仍以二維產品為主。受協同手段與二維產品本身局限性的影響，水利水電設計產品中的錯、漏、碰、撞時有發生，同時對建筑物的描述需要匯總各專業的設計產品才能全面準確的描述，缺一不可。因此目前水利水電設計產品的交付手段，既不利于產品質量的提高，又不利于技術交底和現場的溝通，同時也大大降低了用戶的體驗。因此，鑒于目前水利工程設計產品交付的模式和現狀，對設計產品傳統交付過程中存在的問題進行總結。（1）二維產品自身存在局限性，交付產品質量有待提升二維產品自身的局限性在于用二維的直線、圓弧來表示三維的產品。設計者在進行水利產品設計時，需要將三維產品進行投影，通過想象各種角度的視圖，用多個剖面表示內容結構，用多個視圖解釋投影的二意性。由于剖面或投影的繪制都是獨立進行的，因此水利工程設計產品中錯、漏、碰、撞和人為粗差的情況難以提前發現。（2）信息集成程度不高，交互性差水利工程設計產品傳統交付成果的信息集成程度不高，信息分散到各個報告和圖紙當中，雖然傳統的報告和圖紙也進行了編碼分類管理，但信息的檢索和查詢仍以人工或半人工為主，因此信息檢索工作量大，效率低下的情況非常嚴重。此外傳統的交付成果是靜態的，無法實現與人的互動，交互性差，加大了交付過程中的溝通障礙，用戶體驗不理想。（3）文印輸出成本高，信息安全隱患大水利工程設計產品傳統交付的成果數量是巨大的，加上變更、版次和存檔要求，一個工程可能有數千張甚至上萬張圖紙，在文印輸出方面上具有較高的成本。另外文印輸出不僅效率底下，且存在信息外泄的可能，給信息安全帶來巨大的隱患。

3水利工程設計產品數字交付實施規劃

3.1數字交付的定義與優勢

數字化交付是區別與傳統工程設計（以紙質介質為主體）的交付方式，通過數字化集成平臺，將相關設計成品以標準數據格式提交給業主的成品交付方式［3］。水利工程設計產品采用數字化交付，不僅能提升交付產品的質量和品質，也從根本上解決了工程參建各方在交付過程中的溝通障礙，同時也是提升企業核心競爭力的重要手段，其價值具體體現在：（1）碰撞檢測：減少錯漏碰撞，提高設計質量。（2）三維化：對設計產品進行三維的空間變化表達，利于產品的直觀描述。（3）可視化：便于溝通和決策，利于設計意圖的準確表達。（4）信息化：實現各種相關信息通過互動方式進行快速檢索與查詢。（5）文件管控：實現圖紙、文檔基于模型的動態管控，有利于產品的安全、高效管理。

3.2數字交付的總體要求

在水利工程設計產品中融入BIM技術，實現數字交付應滿足的總體要求如下：（1）保證模型交付的準確性模型交付準確性是指模型與模型構建的形狀和尺寸以及模型構建之間的位置關系準確無誤，相關信息也應保證準確性。在模型交付前應對模型進行檢查，確保模型準確反映真實的工程狀態。（2）交付的模型幾何信息與外掛信息應有效的傳遞。（3）交付的模型應滿足各專業模型等級深度。（4）交付物中的圖紙和信息表格的內容應與模型中的信息一致。交付物中的各類信息表格，如工程統計表等，應根據模型的信息來生產，并能轉化成為通用文件格式以便后續使用。（5）在滿足項目需求的前提下，宜采用較低的模型精度，滿足工程量計算、施工深化的要求。

3.3實施數字交付的關鍵技術

水利工程設計產品數字交付關鍵技術的研究在行業中屬于比較前沿的技術，依據目前設計產品交付的實際情況以及水利工程設計信息化發展的現狀，開展水利工程設計產品數字交付關鍵技術的研究，具體內容如下：（1）水利工程設計產品數字交付標準的定制研究為提高水利工程設計產品數字交付質量，實現后臺數據的高效管理。首先應對水利工程設計產品數字交付的標準進行研究，研究內容應包含：設計產品交付的格式、模型編碼規則、模型層級劃分和后臺數據庫的建模標準等。（2）水利工程設計數字交付模型的創建研究水利工程設計數字交付模型的建立是進行數字交付的基礎。對水利工程數字交付模型建立的研究包括：三維模型的建立、模型輕量化與格式轉換、模型信息的分類與檢索等。（3）水利工程設計產品數字交付平臺的開發研究為增強水利工程設計產品數字交付方式的可用性和通用性，需對水利水電設計產品數字化交付平臺進行定制開發。開發主要內容主要包含：模型交互、信息掛接和查詢、可追溯的文檔電子化管控等功能的整合。

4水利工程設計產品數字交付的實施

4.1標準的定制研究

水利工程設計產品數字交付標準的定制主要包括：交付產品格式、模型層級劃分、模型編碼和數據庫建模等。（1）交付產品的格式為保證數據的完整性，模型的保存應是原有或兼容的數據格式，盡量避免模型轉換造成的數據損失。模型作為最終的交付成果，還應考慮在設計交付中便于瀏覽、查詢和綜合應用等，并能滿足一定的通用性和輕量化要求。在水利工程設計產品數字交付關鍵技術研究過程中，采用某公司的三維設計軟件作為建模工具，以與其配套的軟件來實現對模型的瀏覽、查詢和綜合應用，并以軟件自有的文件格式，作為數字交付模型的標準格式。（2）模型的層級劃分為反映工程階段和區分模型重要性，以及模型輕量化的需求，模型在建立前需要對模型的層級進行劃分。模型層級一般由幾何信息深度或非幾何信息深度兩類要求共同組成。根據水利水電工程設計產品的特點，參考美國建筑師協會（AIA）于2008年的首份BIM合同文件《AIAE202建筑信息模型協議增編》將模型層級劃分為六個層級［4］，分別為100、200、300、350、400和500，需要注意的是，在實際過程中，由于500等級與400等級在信息深度上是一致的，其區別主要是500等級采用了建筑竣工后的實際尺寸，而400等級為設計施工尺寸。因此水利工程數字交付模型層級控制在400以內。根據水利工程設計產品數字交付的特點，靈活運用模型層級劃分的原則。交付模型在幾何信息深度上，土建部分的模型層級取400，即模型尺寸與設計施工尺寸相符。對于通過招標由廠家提供的設備，模型層級取200，其模型只需反映占用空間和出入線路接口即可。交付模型在非幾何信息深度上，模型層級取350，能反映材質、做法、單價、生產廠家、供貨商、安裝單位等產品信息和安裝信息即可。（3）模型的編碼標準水利工程行業涉及專業較多，參與人員多，項目模型拆分后模型文件的數量多，因此，采用清晰、規范的文件命名有助于參與人員提高對文件名標識理解的效率和準確性。同時為規范建模行為，保證模型數據具有高效的交互性和質量，構建合理的模型編碼規則，使信息能夠快速的進行檢索，并通過索引目錄等方法讓信息儲存到數據庫中。經研究和反復實踐，建議水利工程設計產品數字交付模型編碼規則采用順序分層的方式進行編碼，編碼的標準格式如下：專業編碼構建編碼編碼注解整個編碼由三部分組成：專業編碼、構件編碼和編碼注解，中間用“”隔開。其中專業編碼由從01開始順序排列的兩位數字組成，每組數字代表一個專業，共能代表99個專業；構件編碼由從001開始順序排列的三位數字組成，每組數字代表一個獨立的模型構件，每個專業下邊可有999個獨立的模型構件；編碼注解是對構件編碼對應模型的注解或命名。例如：00001地形。“00”為專業編碼，表示地形地質專業；“001”為構件編碼；“地形”為編碼注解，表示“001”代表的是地形模型。（4）數據庫建模關系型管理數據庫系統，具有體積小，速度快，開放源代碼，支持多線程和多用戶等特點［5］，可作為支撐水利工程設計產品數字交付信息的統一數據庫。數據庫是整個綜合信息平臺的“大腦”，它的設計質量直接關系到綜合信息平臺運行效率和穩定性［6］。數據庫建模應滿足規范命名、減少數據冗余和采用數據驅動等要求。

4.2數字交付模型的創建

水利工程數字交付的模型，不僅僅是簡單的幾何展現，是一個經量化、可瀏覽、可交互、富含各種交付信息的模型。（1）模型建立選用某軟件作為水利工程設計產品數字交付的建模軟件，并結合水利水利工程產品的特點，采用骨架設計、參數化模板搭建、標準庫零件調用、流程化建模、協同環境創建等技術，輔以規范化編碼和合理的層級劃分，快速完成水利工程設計產品數字交付模型的創建。（2）模型的輕量化與瀏覽水利工程設計產品數字交付模型一般包括：地形地質、樞紐建筑物、場內交通和各種施工建筑物等，數據量非常龐大，給模型的使用和瀏覽帶來很大的難度，為此，對水利工程設計產品數字交付模型進行輕量化處理十分必要。將模型導入某軟件，進行格式轉換的過程，本身就是一個輕量化的過程，數據壓縮比例相當高。經過輕量化的模型在保證模型精度的前提下，大大減少了數據量，而且能使模型的結構更加清晰，展示效果更加逼真。（3）模型信息的分類與查詢水利工程設計產品數字交付模型的信息存儲是海量的，模型的內容包含了模型的對象及其屬性，對象及其屬性在不同階段也有不同的需求［7］。就水利工程交付模型而言，屬性信息一般分為基本信息和外掛信息。基本信息可直接量取獲得；外掛信息則通過模型編碼與后臺數據建立關聯，借助二次開發技術實現模型的外部交付信息與查詢。

4.3數字交付平臺的開發研究

2016年2月，總理在寧夏考察調研期間，明確大力支持實施鹽環定揚黃工程更新改造，并要求在2～3年內完成工程建設并發揮效益，為鹽環定革命老區、貧困地區脫貧致富提供水利保障。在此背景下，黃河勘測規劃設計有限公司開展了鹽環定揚黃共用工程泵站更新改造的設計工作。設計產品作為試點率先采用數字交付，并以某軟件作為交付模型的展示內核，以某數據庫為后臺數據庫，以VisualBasicNET為集成開發工具，開發了《鹽環定揚黃共用工程泵站更新改造項目2＃數字泵站交付平臺》，平臺具備的功能特點如下：（1）交互功能強大平臺可通過交互方式實現模型的平移、縮放和旋轉，并提供可隨意切換的四種顯示模式，支持模型的多方位剖切等。（2）信息檢索查詢便利平臺可實現幾何信息的測量，如圖2所示，并能以互動的方式查詢和導出屬性信息。（3）文檔管控效率高平臺可依據登錄權限實現對文檔的管控，以及圖紙、建筑總說明與模型的關聯與下載。（4）智能搜索平臺提供模糊搜索和交互篩選兩種智能搜索模式，搜索結果提供三種顯示方式：突出亮顯、單獨顯示和閃爍顯示，方便模型定位和信息過濾。水利工程設計產品數字交付的標準定制與平臺開發，對其它工程的交付具有借鑒意義。其中，水利工程設計產品數字交付的標準定制國內外科技查新結果表明具有創新性，開發的平臺通過了國家著作權登記。

5結語

通過對水利工程設計產品數字交付標準定制與平臺開發，實現了設計交付產品的三維化、信息化和可視化；并結合工程特點實現了可追溯的文檔電子化管控和智能化三維模型搜索等功能，有效減少了交付過程中溝通障礙，提升了交付質量和品質。成果在鹽環定揚黃共用工程泵站更新改造項目中得以印證，為施工圖審查的順利通過起到了積極作用，在施工圖審查中，得到了審查專家的高度認可，值得進一步推廣。

參考文獻：

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［3］壽海濤．數字化工廠與數字化交付［J］．石油化工設計，2017（01）：4477．

［4］美國建筑師協會．AIAE202建筑信息模型協議增編［Z］．2008．

［5］胡敏．Web系統下提高MySQL數據庫安全性的研究與實現［D］．北京郵電大學，2015．

［6］邱守義．基于．NET的部隊辦公綜合信息管理系統［D］．南京理工大學，2009．

［7］周成．基于IDM的建筑工程數據交付標準研究［D］．上海交通大學，2013．

作者：郭莉莉；王小平；聶常山 單位：黃河勘測設計有限公司