浅谈水工金属结构专业设备三维模型创建和编码应用

于 尧

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市200061）

0 引 言

随着现代社会的快速发展，人民日益增长的美好生活需要对城市管理提出了更高的要求。对于超大城市，管理工作更要向绣花一样精细[1]。在水务行业实施精细化管理，更需要现代数字化技术的支持。为此，上海市堤防处通过建立重大水利工程BIM（building information modeling，建筑信息模型）系统，计划对市管23 座泵闸实现BIM 平台运营维护，平台建成投入使用后预期可达到以下几点：

（1）通过工程三维数字化，可以通过漫游、动画和虚拟现实等形式形象生动地展示工程面貌。

（2）基于创建完成的三维模型，可将资产管理信息与模型在工程数字化模型管理平台上进行集成[2]，如设备需要更换零件时，系统会提示用户进行更换操作，并且显示备品备件数量、有效期等提示。

（3）通过堤防处数字化模型管理平台的数据接口，可将设施设备监控信息集成至管理平台，实现设备实时运行状态监控。

（4）在管理平台上，通过收集和分析安全监测系统的各类数据，可以辨识安全风险。

（5）利用三维模型及设施设备信息，可以制定应急预案，开展模拟演练。遇到突发事件时，可随时调用应急预案，采取应急措施，控制事态发展[3]。

（6）通过模型编码，可使得工程的每个构件都具有唯一性，通过查找相应的信息，可迅速找到相关联的其他信息，将零散的数据集成起来[4]。

该项目的实施是配合开展上海市重大水利工程BIM 系统工作的需要，是在竣工图基础上构建三维模型，并进一步对设施设备进行编码，并发布在管理平台上。

1 项目概况

该项目主要内容为计划数字化23 座泵闸中的3 座，分别为桃浦河泵闸、淀东船闸（位于淀东泵闸旁，满足管理要求）、木渎港泵闸工程竣工图BIM模型的构建和编码工作，包括场地、水工、水机、电气、金属结构等专业。

桃浦河泵闸工程位于桃浦河入蕴藻浜河口处，工程等别为Ⅰ等工程，工程内容主要为现有泵闸一座，其中泵站为三台机组，总装机流量40 m3/s，水闸为单孔，净宽12 m。站身、闸首采用钢筋混凝土结构， 底板采用整底板。 泵站装设三台2000ZXB13.4-3.5 型斜式轴流泵，水泵的流量为13.4 m3/s，最高净扬程为3.48 m，配套电机功率为710 kW。站身及闸首垂直水流向长度为43.70 m，顺水流向长度为28.35 m。进水流道底高程为-2.78 m，站身底板厚1.50 m，出水流道的底高程为-0.37 m。据防洪及泵站的运行要求及现状地面高程等，站身内外河侧墙顶高程分别为5.5 m 和7.10 m。吊车的轨顶标高为15.5 m。桃浦河泵闸于2006 年2 月动工建设，2007 年底完工验收并投入运行。

淀东船闸工程等别为Ⅲ等工程，通航等级为100 t 级，航道等级为Ⅵ级，最小通航水深为2.0 m，抗震标准按基本烈度7 度设防。船闸为广室船闸，上下闸首净宽为12 m，闸室净宽为16 m，船闸闸室长200 m。闸室墙采用钢筋混凝土拉锚板桩墙。闸门门体为钢桁架结构三角闸门，上闸首底坎高程-1.0 m，闸门顶高程4.2 m，下闸首底坎高程-1.3 m，闸门顶高程5.4 m；闸门采用液压启闭机，均使用计算机集中控制。绿化面积10000 m2。淀东船闸于1975 年9 月动工建设，1978 年10 月投入运行。

木渎港泵闸位于苏州河与木渎港相接处，包括30 m3/s 泵站一座和单孔净宽为12 m 的节制闸一座。泵闸采用泵闸合建方式——“泵+闸+泵”方案，泵站装设6 台型号为1400QZ-125 的立式潜水轴流泵，最高净扬程为2.98 m，设计净扬程为1.98 m，单机容量300 kW。站身包括进水前池、进水池、站身、出水池、清污机桥；水闸包括进水前池（消力池）、闸首、出水池（消力池）、交通桥等，闸门采用升卧式平面钢闸门。站身、闸首采用钢筋混凝土结构，站身及闸首总宽为38.44 m，顺水流向长20.50 m。站身外河侧底板顶面高程为-2.10 m, 底板厚度1.3 m，内河侧站身底板顶面高程为0.00 m；水闸闸首底板为折线形，外河侧底板顶面高程为-2.10 m，闸门门槛部位底板顶高程为0.0 m，内河侧站身底板顶面高程为-1.00 m，底板厚度1.3 m。根据防洪及泵站的运行要求、现状地面高程等, 进水前池及出水池岸顶高程为5.05 m，泵闸站身拦污栅工作桥桥面和内外河侧墙顶高程为5.60 m。2003 年，泵站由原单向引水改为双向引排水功能，正向引水即将苏州河水体引入桃浦河，设计流量为30 m3/s，反向排水即在汛期向苏州河排涝，设计流量为10 m3/s。其中水机方面，原6 台水泵中的紧靠水闸侧的2 台改为1400QZ-125 双向S 形立式潜水轴流泵，最高净扬程为1.70 m，设计净扬程为1.40 m，功率为450 kW；金结方面，双向泵的工作闸门和浮箱拍门均改为带拍门的工作闸门，反向排水的进水口利用原检修门槽设置拦污栅；水工方面，改造河中心与节制闸紧邻的左右两台水泵的反向进水流道及局部改造泵房顶板；电气方面，调整主变压器容量及低压电压等级，调整部分低压开关柜的电压等级。

2 模型分析和构建

该项目中的金属结构专业模型均通过Autodesk Inventor 软件完成，再通过中间格式输出到Bentley Microstation 软件中，同其他专业（水工、水机、电气等模型在Microstation 中完成）复合组成工程三维数字化模型。

在项目进行前，设备专业基础资料的收集中会遇到的问题主要有图纸资料收集不全、图纸中出现错误等。已收集到的图纸还分为有电子版（CAD 文件）的和只有纸质/ 扫描版的（受制于文件大小限制，纸质扫描版可能存在不清晰的情况），即使是纸质版竣工图纸中还存在着一些零件和装配尺寸错误的情况（相关错误在设备制造、安装过程中应已改正，只是没有反映到竣工图纸上，错误包括前后图纸不一致、缺少必要尺寸无法完全约束零件草图等），甚至还存在部分构件既无图纸也无必要技术资料，且位于水下，现场测量的条件难以具备。如无管理需要，同有关部门商讨后可暂不建模。

金属结构专业的设备建模同土建结构的模型有着不小的区别，模型可分为非标和标准设备模型。对于标准设备（主要是启闭、清污）模型的构建，考虑到平台的需求以及资料限制，可根据厂家资料以及现场实际情况，对设备进行主要外形建模。由于对于非标设备来说，其施工阶段图纸深度应要达到可用于设备招标的程度，也就是说要达到可用于制造的级别，竣工图纸中还添加了工程建设和设备制造中的变更信息等。图纸主要分为零件图、装配图、布置图，对于零件图纸，专业人员需要通过机械三维设计软件完成草图绘制、实体模型构建、模型修改等操作，不考虑包括非几何信息（公差配合等）的添加，仅在建模部分，复杂的零件模型就可能要经历上百个子操作才能完成（体现在建模历史树上）。 装配部分的操作耗时更久，在某种程度上相当于在虚拟环境中将每个零件组装在一起构成设备部件，其难点在于出现错误难以判定源头，需要专业人员熟悉整套图纸，对整个装配结构有清晰的认识，出现错误时及时调取相关图纸结合经验进行分析和修正。金属结构的专业人员完成建模后（见图1），还要适当简化模型，将文件输出成中间格式，在土建三维设计软件中打开，对模型进行翻转、平移等操作，将其自身的坐标系和土建结构的坐标系对齐，最终效果如图2所示（按顺序依次为淀东船闸、木渎港泵闸和桃浦河泵闸）。

图1 金属结构设备——闸门模型展示图

图2 工程整体三维模型展示图

3 模型编码和发布

几何模型创建完成后，还要对模型添加额外的非几何信息，如构件编码、工程信息、技术参数等组成完整的信息模型。对信息模型的构建，尤其是针对在运维管理平台中的应用，需要建立一套规范、统一的分类和编码体系。编码规则的制定和信息化应用息息相关，在现阶段，想用一套编码解决所有的应用问题既不科学也不现实，编码需要和应用点、工程规模大小、衔接对象等相适应，且应符合对应的国家和行业标准[5]，编码的体系建立基本要遵循如下原则：唯一性、科学性、稳定性、可扩展性、兼容性、可映射的转换性等[6，7]。

确定编码前，需按照模型划分和应用需求对实体构件进行拆分和组合，同时建立模型分类表。建立分类关系表后，再对模型构件进行编码，编码通过BIM 软件进行（见图3），将编码作为模型构件的属性参数，使构件唯一编码（globally unique identifier，GUID）和应用编码相对应，从而符合模型和编码调用相一致的要求。

图3 桃浦河泵闸工程中工作闸门编码示意图

提交的模型要进行轻量化处理，对重要部位和关键位置等模型构件应设置源格式模型的截图或渲染图片，达到补充轻量化模型带来的部分数据损失，这样可以避免源格式模型整体加载至平台引起的卡顿、迟延等现象。最后要对数据进行质量检查，以保证入库数据符合规范性、唯一性等条件[8，9]。

4 结 语

随着数字化技术的不断进步，管理平台也会进行改造和更新，其功能将逐步完善。而专业人员构建的三维模型是多种扩展应用的基础，将作为平台的基石长久存在。本文仅从金属结构专业角度介绍了将二维图纸转化为三维模型的过程，如何综合利用便携型三维扫描、创成式模型修改等新兴模型数字化技术都值得相关专业技术人员进一步研究和实践。