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水利水電工程的圖形信息模型研究

文檔作者：趙繼偉1 魏群2 張國新1 文檔來源： 1．中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所 2．華北水利水電大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年03月05日
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第14卷第2期中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報v。1．14 No．2
2016年4月Joumal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research April，2016
文章編號：1672—303l(2016)02一0155—05
水利水電工程的圖形信息模型研究
趙繼偉1一，魏
(1．中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京
群2，張國新1
100038；2．華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450045)
摘要：在水利水電工程領(lǐng)域，應(yīng)用信息技術(shù)較普及的是計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，然而這些研究和應(yīng)用僅僅表現(xiàn)的是
圖形本身的幾何屬性，并沒有將一些關(guān)鍵的物理屬性、拓?fù)涞刃畔⑷谌氲綀D形之中，忽略了圖形和信息的融合。
本文基于BIM理論，提出水利水電工程的圖形信息模型(HPIM，Hydropwer Project Information Modeling)的總體框
架，通過CAD中的三維幾何造型引擎(ACIS)和拓?fù)溥\算用基本圖元構(gòu)造出工程幾何形態(tài)，并將圖形運算與圖元
擴(kuò)展數(shù)據(jù)貯存相結(jié)合，實現(xiàn)圖形與信息的融合。構(gòu)造出的圖形信息模型為水利水電工程不同階段的應(yīng)用提供簡潔
的共享的方法。
關(guān)鍵詞：BIM；圖形信息模型；圖形建造；擴(kuò)展數(shù)據(jù)；信息融合
中圖分類號：Tv39 交獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：lO．13244托cn ki．jiw hr．2016．02．012
l 研究背景
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和計算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，我國水利信息化水平得到大幅提高?。在水利水
電工程領(lǐng)域，應(yīng)用信息技術(shù)較普及的是計算機(jī)輔助設(shè)計(computer Aided Design，cAD)技術(shù)忙。，它使
工程師擺脫了繁瑣且精度低的傳統(tǒng)手工繪圖，三維制圖和一些特定的水工建筑物cAD設(shè)計分析系統(tǒng)
也加強(qiáng)了其實用性b。。但這些研究僅僅是通過圖形來表示工程實體的幾何尺寸，或?qū)D形作為計算結(jié)
果的顯示形式，表現(xiàn)的僅僅是圖形本身的幾何屬性，并沒有將除幾何屬性之外的工程應(yīng)用中一些關(guān)
鍵的物理屬性、拓?fù)涞刃畔⑷谌说綀D形之中，忽略或沒有挖掘出圖形和信息的融合。
魏群等H。51將圖形信息技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程，在圖形信息集成方面取得了一系列成果，如數(shù)字圖
形介質(zhì)的理論方法、鋼閘門數(shù)字圖形信息一體化智能系統(tǒng)等，在國內(nèi)十個重大工程中都有成功的應(yīng)
用№1。文獻(xiàn)[7]針對拱壩的特點進(jìn)行了拱壩三維可視化設(shè)計軟件的開發(fā)，實現(xiàn)了拱壩三維實體模型的
快速、精確建立。魏群等¨1通過3DSMAx內(nèi)置編程語言實現(xiàn)了重力壩的精確實體模型建模、壩體生長
動畫制作，形象表現(xiàn)出壩體施工過程中各階段的壩體形狀和澆筑強(qiáng)度。魏群等一。借助CAD圖形平臺
和cocAD地質(zhì)三維可視化建模軟件，實現(xiàn)了包含屬性信息的地質(zhì)體三維可視化顯示。付翔等¨刨應(yīng)用
NuRBs軟件平臺建立具有裂縫的復(fù)雜混凝土大壩和廊道群的三維模型拓?fù)潢P(guān)系，并應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技
術(shù)來實現(xiàn)大壩三維裂縫的可視化。
本文基于BIM理論，提出水利水電工程的圖形信息模型(HPIM，Hydropower Project Info珊ation
Modeling)的總體框架，通過CAD中的三維幾何造型引擎(AcIS)和拓?fù)溥\算用基本圖元構(gòu)造出工程幾
何形態(tài)，并將圖形運算與圖元擴(kuò)展數(shù)據(jù)貯存相結(jié)合，實現(xiàn)圖形與信息的融合。構(gòu)造出的圖形信息模
型為水利水電工程不同階段的應(yīng)用提供簡潔的共享的方法。
2 水利水電工程的圖形信息模型(HPIM)的實質(zhì)和總體框架
基于BIM的基本思想和核心特性，水利水電工程圖形信息模型(HPIM)是水電工程建設(shè)項目幾
收稿日期：2015—08一13
作者簡介：趙繼偉(1983一)，男。河南襄城人，博士生，講師，主要從事水利水電工程虛擬仿真和信息化研究。
E—mail：2795395 l 5@qq．com
一155—
萬方數(shù)據(jù)
水利水電工程的圖形信息模型(HPIM)研究趙繼偉魏群張國新
何、物理、功能信息的完整數(shù)字表達(dá)；是一個共享的信息集成體，并通過分享有關(guān)信息為該項目從
概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程，其實質(zhì)為圖形和信息的集成和共享。
首先用數(shù)字化、參數(shù)化方式對圖形進(jìn)行語言描述，形成數(shù)字化圖形，該圖形具有可視的外形、
相應(yīng)的角、點、邊、面和體的構(gòu)造和拓?fù)潢P(guān)系，來模擬水利水電工程的幾何形態(tài)；然后將數(shù)字化圖
形作為一種具有幾何屬性和物理屬性的載體，使數(shù)據(jù)附著于數(shù)字化圖形，圖形中又隱含著數(shù)據(jù)，形
成圖形體系和信息體系的集成融合，并通過統(tǒng)一的工程信息編碼和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)工程的各階段、
各種應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)交換。水利水電工程圖形信息模型系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。
圖l 水利水電工程的圖形信息模型系統(tǒng)的總體框架
3 圖形實體的數(shù)字建造和拓?fù)溥\算
計算機(jī)內(nèi)建立起來的實體模型包括的信息可以分為兩類：幾何信息和拓?fù)湫畔?。多塊體之間的
拓?fù)潢P(guān)系是水電工程模型的核心，它包括塊體之間局部的約束關(guān)系和整體的約束關(guān)系兩方面的內(nèi)
容。把水電工程結(jié)構(gòu)中的各塊體用封閉的多邊形平面圍繞而成的多面體表示，從抽象意義上來說水
電工程模型就是一個空間多面體的結(jié)合，這些多面體的面、角、點的關(guān)系形成了這個結(jié)構(gòu)模型的拓
撲結(jié)構(gòu)。
模型在計算機(jī)內(nèi)通常采用六層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義，涉及的幾何元素有體、面、環(huán)、邊、頂點和外
殼。體是有封閉表面圍成的維數(shù)一致的有效空間；面是形體表面的一部分，由平面方程或參數(shù)方程
定義，具有方向性；環(huán)是有序、有向邊組成的面上的封閉邊界；邊是形體兩個相鄰面的交界；頂點
是邊的端點或兩條不共線線段的交點；外殼是指在觀察方向上所能看到的形體的最大外輪廓線。任
何形體都是由這些元素及其幾何、拓?fù)湫畔矶x的。
3．1 圖形實體的三維幾何造型采用美國STI公司(Spatial Technology Inc．)推出的CAD的核心技術(shù)
——三維造型引擎，它集線框、曲面和實體造型于一體，并且三類數(shù)據(jù)共存于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)之中，為
3D造型建模提供了工作平臺，AcIs是采用軟件組建技術(shù)設(shè)計的，是一個開放式體系結(jié)構(gòu)，它的核心
功能為3D造型功能、3D模型管理功能和3D模型顯示功能，整個AcIs引擎核心如圖2所示。
3．2 CAD中改變拓?fù)潢P(guān)系的布爾運算命令及操作
(1)布爾加法應(yīng)用union命令進(jìn)行，得到的組合實體包括所有選定實體所封閉的空間(圖3)。得到
的組合面域包括子集中所有面域所封閉的面積。
(2)布爾減法應(yīng)用subtract命令進(jìn)行，AutocAD從選擇集的每個子集內(nèi)減去選定的對象(圖4)。為
每個子集創(chuàng)建一個新的組合面域或?qū)嶓w。
(3)布爾交集應(yīng)用intersect命令求解，計算兩個或多個現(xiàn)有面域的重疊面積和兩個或多個現(xiàn)有實
體的公用部分的體積(圖5)。
一156—
萬方數(shù)據(jù)
水利水電T程的圖形信息模型(HPIM)研究趙繼偉魏群張國新
AcIsT0叫。靜
Body限結(jié)點)
圖元的基本元素表達(dá)形式
ENTrrY(圖兀)
卜一B0dy(體)
卜一LuMP(塊)
卜一sHELL(殼)
卜_suBsHELL(予殼)
I FAcE(面)
l LDoP㈣
wIRE(線框)
I coEDGE供用邊)
I EDGE(邊)
l VERTEx(角點)
I otherd商vilIg cla8{
l 供他分類)
r?
圖2 AcIs引擎核心
④印毋0
(a】uNl0N前的實體徹uNl0N后的實體(c)uMON前的面域(d)uNION后的面域
圖3布爾加法
圈圓圓
(a)被減的實俸∞減去的實體(c)su朗砒cT后的實體
圖4布爾減法
(a)INTERsECT ㈣INTERsEcT (c)INTERsEcT (d)INTERsEcT
前的實體后的實體前的面域后的面域
圖5布爾交集
(4)應(yīng)用slide命令將一個實體沿著給定平面進(jìn)行切割，形成兩個新的實體。
(5)應(yīng)用section命令根據(jù)選定的一個或一組實體中沿給定平面產(chǎn)生一個或一組截面圖形。這些命
令執(zhí)行容易，但是要掌握這些命令執(zhí)行之后，cAD實體圖形的數(shù)據(jù)格式的變化及提取數(shù)據(jù)的方法。
4非幾何屬性在圖形中的附著
4．1 CAD CASS下實體的擴(kuò)展屬性xDATA CAD系統(tǒng)提供了幾個用于處理擴(kuò)展數(shù)據(jù)(XDATA)的
AutoLIsP函數(shù)，它們是由用0bjectARx或AutoLISP編寫的應(yīng)用程序創(chuàng)建的。如果一個圖元包含擴(kuò)展
數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)會緊跟在圖元的正常定義數(shù)據(jù)之后。
擴(kuò)展數(shù)據(jù)由一個或多個1001組碼組成，其中每個組碼都以唯一的應(yīng)用名稱開始。由entget返回
的擴(kuò)展數(shù)據(jù)組碼跟隨在定義數(shù)據(jù)之后，按照保存在數(shù)據(jù)庫中的次序排列。在每個應(yīng)用的組碼中，擴(kuò)
展數(shù)據(jù)的內(nèi)容、含義及其數(shù)據(jù)的組織都是由應(yīng)用自身定義的。AutocAD維護(hù)這些信息，但不使用它
們。表中還顯示1000到1071之間擴(kuò)展數(shù)據(jù)的組碼。
應(yīng)用程序可以調(diào)用entget來獲得已經(jīng)注冊的擴(kuò)展數(shù)據(jù)。entget函數(shù)既能返回定義數(shù)據(jù)，也能返回
一1 57—
萬方數(shù)據(jù)
水利水電工程的圖形信息模型(HPIM)研究趙繼偉魏群張國新
應(yīng)用程序所需的擴(kuò)展數(shù)據(jù)。這需要一個額外的參數(shù)application，它用于指定應(yīng)用名稱。傳給entget的
名稱必須與上一次調(diào)用regapp注冊的應(yīng)用一致，它們也可以包含通配符。
4．2創(chuàng)建水利水電工程圖形信息模型(HPIM)的塊體切割方法任何實體的幾何形狀，角點位置、
邊數(shù)、凸形體、凹形體以及帶孑L狀的多面體，都可用CAD的三維實體塊幾何屬性中顯現(xiàn)出來，其物
理屬性、力學(xué)參數(shù)可以作為附加屬性利用“xDATA”添加于cAD圖形之中，使每個圖形塊不但是真實
的幾何實體，而且是帶有物理屬性參數(shù)的圖形體。
將CAD三維圖形的切割布爾運算問題及切割的排列與包含擴(kuò)展屬性的數(shù)據(jù)貯存方法問題相結(jié)
合，開發(fā)基于塊體圖形的切割順序及處理技術(shù)，并應(yīng)用于水利水電工程的實體建模中，建立的模型
將是含有巨大數(shù)目塊體的既有幾何屬性又有物理特性附著于圖形的真正意義上的圖形信息模型。這
個集成了幾何信息、物理信息、材料、施工等信息模型將為有限元計算、施工模擬等項目不同階段
的應(yīng)用提供簡潔的共享的方法?；趫D形信息模型的三維空間結(jié)構(gòu)圖形切割方法如圖6所示。
圖6基于圖形信息模型的三維空間結(jié)構(gòu)圖形切割方法流程
5水利水電工程圖形信息模型(HPIM)發(fā)展和需要
(1)水利水電工程圖形信息模型(HPIM)是解決水利水電工程建設(shè)過程中各階段、各參與方由于
缺乏對信息的結(jié)構(gòu)化組織和有效的信息交換致使“信息孤島”現(xiàn)象的有效途徑。在工程領(lǐng)域，如果將
cAD技術(shù)的應(yīng)用視為工程設(shè)計的第一次變革，圖形信息模型將引發(fā)整個E，c(Engineering，Construc．
tion)領(lǐng)域的第二次革命，其研究的目的是從根本上解決項目規(guī)劃、設(shè)計、施工、維護(hù)管理各階段及
應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息斷層，實現(xiàn)全過程的工程信息管理乃至全生命期管理。
(2)水利水電工程圖形信息模型(HPIM)是水利工程信息化快速發(fā)展的有效途徑，而數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的
建立是HPIM有效實施的關(guān)鍵。在我國的水電工程領(lǐng)域，建設(shè)管理軟件種類繁多，包括工程設(shè)計、計
算分析、造價計量、進(jìn)度管理等，但是每種專業(yè)的軟件都有各自對外保密的數(shù)據(jù)模型格式，如果一
個信息模型建立在多個不同數(shù)據(jù)模型格式的軟件之上，那么模型的數(shù)據(jù)就無法通過相同的接口輸入
和輸出，就不可能實現(xiàn)建筑信息軟件的集成管理。因此，開發(fā)通用的、具有強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)存儲和分
析能力的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式是緊迫的任務(wù)(將另文介紹)。
(3)本文提出的圖形運算與圖元擴(kuò)展數(shù)據(jù)貯存相結(jié)合的圖形信息模型建模方法是基于AutocAD平
一158—
萬方數(shù)據(jù)
水利水電工程的圖形信息模型(HPIM)研究趙繼偉魏群張國新
臺，如何用現(xiàn)有的BIM軟件(Revit、civil3D、BentleY、Tekla、catia等)進(jìn)行二次開發(fā)使其在水利水電
工程中發(fā)揮更大作用也是后續(xù)研究的內(nèi)容之一。
(4)由于全生命周期的水利水電工程圖形信息模型(HPIM)信息量太過龐大，一個包含所有地
質(zhì)、水工、建筑、機(jī)電等統(tǒng)一的信息模型暫時還無法實現(xiàn)，但是工程信息中的核心部分三維幾何信
息、分析信息、施工信息的集成和交換的需求更為迫切，它的實現(xiàn)將大大提高丁程設(shè)計、計算分
析、施工管理的效率和水平。
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Research of hydropower project information modeIing
zHAO Jiwe產(chǎn)2，wEI Qun2，ZHANG Guoxinl
(1．c^in口hsm“地曠緲dfer Re鯽u，ces口nd晰dropo似er Res∞r(nóng)ch，日e講，增l00038，Chind；
2．舶rt^C^l凡n Uni口Prsi￡y o，耽ler JReso“，℃e5口nd E￡ecfric PD伽er， z^eng：^Du 450045， C^inn)
Abstraet： The application of existing graphics technology in the field of water and hydropower projects
does not have the integration of graphics and related attribute infbrmation， which is not conduciVe to the
preservation and transmission of infbrmation．Based on BIM theor)7， this paper puts f01ward the essence and
the overall f●amework of the hydropowe。P。oject information modeling (HPIM)， constructs th。980metrical
fbrm of th。project through the 3D geomet。y modeli“g engine and topology oPeration， and combines thc
graph cut oPeration with the data stor89e of the extended attribute， using the“XDATA” extended data to
add the physical parameters and construction infbrmation as the additional attributes to the CAD graphics．
The hydropower project jnformation model is constructed， which 1ays the foundation for the application and
data transfer in d刊1~erent stages of water and hydropower projects， and its development and needs are dis—
cussed．
Key words： BIM； information fusion； graphics constnIction； extended data； graphics infoⅢIa“on model
(責(zé)任編輯：王冰偉)

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