GIS與BIM技術在重慶茨竹水庫項目中的應用

向 威

（長江勘測規劃設計有限責任公司，湖北 武漢 4300 10）

目前，我國水利行業處在一個轉型時期，從傳統向現代科技轉變。隨著信息化發展，2015年水利部正式提出為促進水利現代化大力發展建設水利信息化的理念。推進水利工程信息化建設，就要結合BIM技術和GIS技術在水利工程的應用。

1 項目概況

1.1 基本情況

茨竹水庫是一座具有農業灌溉及農村人畜供水等綜合利用功能的小（I）型水利工程，位于重慶市秀山縣洪安鎮境內，壩址位于洪安鎮猛董村紅巖溪，距離洪安鎮場鎮約 14 k m，距離秀山縣城約37 k m。該工程經國家防總批準列入全國2014—2016年抗旱應急水源工程，概算總投資1．17億元，總庫容146．6萬 m3，正常蓄水位庫容131．3萬 m3，正常蓄水位545 m。大壩為埋石混凝土重力壩，壩頂高程547．8 m，壩高45．8 m。茨竹水庫工程建成后可解決猛董、新田溝、平馬、溜沙4個村3942畝農田灌溉難題，同時解決了7476人、4581頭大牲畜和54471頭小牲畜的生活用水問題。

1.2 GIS與BIM項目應用簡介

水利工程具有地形條件復雜、設計選型獨特、涉及專業廣等特點，存在圖紙信息繁冗、工程樞紐布置復雜、土方量計算不精確等問題。本項目綜合運用GIS技術和BIM技術，通過繪制水利工程的地形及水利工程建筑物BIM模型，完整實現水利工程仿真信息的數字化查詢，完成水利工程的樞紐布置、土方量計算，用三維模型直觀、生動地表達出水工建筑物的各個細節，有效防止施工過程的返工風險。

茨竹水庫項目采用Autodesk平臺的系列軟件進行GIS及BIM相關應用，其中，采用Infraworks軟件進行湖泊、河流、臨時道路等相關GIS地形建模。基于GIS模型，結合實際地形及地質情況，完成料場、渣場選擇工作，并對后期開挖及回填進行模擬。采用Revit軟件進行大壩分倉建模及壩肩開挖體的建模，并通過添加共享參數的方式，預先將各分倉模型進行編號，方便后期自動掛接進度信息，形成施工模擬，并進行施工時的進度對比分析；施工期間，采用Synchro軟件進行工期的模擬對比，實現對施工進度的精確管控；另一方面，將模型與成本信息關聯，形成5 D模型，提高各專業間的信息交流效率，減少信息孤島問題。

2 GI S技術應用方案

運用GIS技術主要處理如地形等宏觀數據，地形模型是描述工程施工總布置的基礎，是建筑物及施工活動的場所，也是地形開挖的受體。

水利工程地形條件復雜，挖填土方量大，土方量計算精度對項目工程量的計算影響重大，利用數字地形模型，既可直觀地查看場地的三維效果，也可用于土方計算、縱橫斷面繪制等設計與計算功能。基于GIS技術的土方量計算建立在與實際地形完全吻合的模型上，首先建立原始地形曲面模型和設計曲面模型，這2個空間三維曲面會產生交點并連接成線，所包圍的空間體積即為需要開挖或填筑的土方量。基于GIS技術的原始地形曲面和設計地形曲面是動態關聯的，在方案選擇階段可在模型基礎上快速進行土方開挖和填筑試驗，準確計算土方的開挖和填筑量，從而選出最佳土方開挖方案。

另外，水利工程的樞紐布置直接影響施工場地的布局，合理確定樞紐中各組成建筑物之間的相互位置，對于找到最佳的臨時設施位置，使現場人員和設備運距最小化，從而對節省工程量、方便施工、縮短工期有重要意義。在方案比選階段，建立各水工建筑物的BIM模型，并結合地形模型形成完整的項目總體沙盤，能使決策人員直觀了解建筑物之間、建筑物與周圍地形條件之間的制約關系。基于參數的BIM模型可在GIS數字沙盤中任意移動，實現一處更改、處處更改，使每種決策方都成為完整可視的沙盤。

2.1 真實地形建模

建立GIS模型的意義在于，通過在軟件中還原現場真實情況，布置施工臨時道路并完成施工臨時場地布置方案的比選，在項目施工前期相關人員即可對項目體量及周邊概況有深入了解。

本項目通過Infraworks軟件進行GIS地形地貌建模，軟件通過訪問云端數據，獲取真實的地形地貌及高程信息，直觀地還原了施工現場的原始情況。對于精度要求較高的部分，通過導入DOM、DEM、實測等高線及點云等數據，形成更為接近實際情況的GIS模型（見圖1）。基于此模型，完成了施工臨時道路及臨建設施的布置，并通過軟件快速計算出各布置方案的填挖方量，通過綜合考慮得到最優方案，完成施工布置的方案比選工作。

2.2 土方調配

工程施工前設計階段必須對土石方量進行預算，它直接關系到工程概算及方案優選。本項目填挖方計算主要應用在臨時道路邊坡的挖填及施工總平面布置。通過調整道路走向、高程或施工場地的布置位置、高程，達到挖填平衡或盡量減少填挖方量的目的，從而減少施工工作量，實現降本增效。

圖1 真實地形建模

1）臨時施工道路布置 基于建立好的GIS模型，在設置好道路橫斷面后，可直接在合適的位置布置道路，Infraworks軟件可自動使道路貼合地形，通過調整道路控制點的位置及高程，優化道路布置，并最終分析填挖方量驗證道路布置方案效果。

2）施工總平面布置 施工總平面布置的目的是把場外交通引入現場，因此在滿足施工需要前提下，應盡量減少施工用地，不占或少占農田，施工現場布置要緊湊合理。本項目通過在Infraworks中框選合理的施工范圍，建立覆蓋區域，并設定設計平整標高，獲得設計標高上覆蓋區域內的一個平面，并以此和原有地形求差集，得到填挖方體積，在合理范圍內，盡量減少施工用地及填挖方工作量（見圖2）。

圖2 土方調配

基于BIM技術的土方量計算嚴密科學，方便修改，彌補了水利工程中傳統土方算量方法的不足，提高了土方量計算的精度和效率，為項目方案決策奠定基礎。

2.3 與Civil3D交互

由于相關的設計工作都需在Civil3D軟件中進行，且．dwg格式文件更具通用性。因此需要將 Infraworks中的地形數據導出到Civil3D軟件中，完成數據交互。Infraworks與Civil3D間的交互主要有以下3種方式。

1）通過選擇需要導出的某條路或橋梁模型，將其導出成為．dwg模型，用Civil3D直接打開便可編輯，此種方法的限制只能導出道路或橋梁的曲面模型，不能同時導出周邊地形。

2）通過導出中間格式．imx，再導入 Civil3D軟件中，此種方法的優勢在于，可以自己框選導出范圍，導出的文件為．dwg格式的等高線，且涵蓋框選范圍內的全部模型，包括道路、橋梁、覆蓋區域等。

3）在Civil3D軟件中，通過安裝插件可直接開啟Infraworks保存的數據庫文件，常用文件格式為．sqlite，便可將 Infraworks軟件內所做的編輯交互傳遞到Civil3D軟件中，但此方案對較大的模型支持較差，同一模型用Civil3D軟件打開對計算機硬件的要求更高。

本項目采取第2種方式進行數據交互，框選水庫及周邊渣場、料場等地塊后，導出．imx交互導入Civil3D軟件。

2.4 道路及橋梁的初步設計

Infraworks軟件可進行道路或橋梁的初步設計，主要是在地形數據基礎上，通過繪制線路中心線確定道路或橋梁走向，添加中間點，可將道橋模型分段，從而分別更改各分段的尺寸信息或橋梁的上、下部分的結構形式。本項目主要用于施工臨時道路的布置，繪制道路中線后，通過調整各控制點的標高和平面位置，以確定道路的縱斷面及走向，如圖3所示。另外，在樣式管理器中設計好需要的道路橫斷面形式，設計參數包括道路路面的布置、寬度、型式及尺寸等，完成裝配后即形成臨時道路模型。

圖3 道路設計

2.5 三維場地漫游

相較Civil3D軟件而言，Infraworks有著不錯的實時渲染功能，通過選取合適的連續視角，并設置關鍵幀，軟件能平滑過渡連接各關鍵幀，形成漫游路徑。形成漫游動畫后，可便捷地展示設置路徑上項目的概況。另外設置視頻文件導出參數后，還可導出視頻文件，方便傳遞給項目參與各方，使相關人員更快了解項目情況。

3 BIM技術應用方案

運用BIM技術主要處理如水工建筑物施工單元等微觀數據，通過建立一個真實描述工程設計的數字信息模型，實現可視化仿真技術。水利工程與普通建筑工程特點不同，其建模順序、方法、要求也有所不同。

1）確定建模精度 水利工程模型精度劃分還未有詳細界定，可參照建筑項目BIM模型精度劃分，按照LOD100～LOD500劃分為5個等級。

2）搜集資料，劃分施工單元 水工建筑物的形式、構造和尺寸，與建筑物所在地的地形、地質、水文等條件密切相關，設計選型獨特，各構件不具有通用性。由于軟件本身限制，進行族劃分時應盡量分解到最小單元，方便后期施工模擬。

3）模型管理 對于模型進行圖形管理和信息管理。圖形管理包括模型配色和線型要求；模型信息管理包括幾何信息和非幾何信息。

4）模型審查 模型建成后要進行質量審核。審核內容包括：模型是否達到最初設定的建模標準；構件定位是否準確；關鍵節點是否與圖紙一致等。

基于建立好的水工建筑物BIM模型，添加進度及成本信息后，可完成5 D施工模擬，從而加強對項目各方面的把控，逐步推進水利工程從粗放化向精細化管理轉變，實現施工前可模擬，施工中可記錄，完工后可追溯等BIM目標。

3.1 施工模擬

施工進度是工程管理的一大重點問題，本項目采用P 6軟件編輯好細化到單元的進度計劃文件后，將模型與進度計劃文件同時導入Synchro平臺，通過設定好的映射規則，完成三維模型與進度計劃作業的自動掛接，即可形成直觀的4D施工動畫，全面了解計劃中各個時間點項目的完成情況，明確施工順序及工程量，不僅深化、豐富了設計階段的進度編排成果，更為施工階段的進度管理提供了直觀、可靠的依據。

另外，通過導入合同數據，還可同時展示出項目的成本管控狀況，將進度及成本數據可視化，提高數據的直觀性及可讀性。

3.2 進度對比分析

本項目通過錄入實際施工進展情況，可實現計劃與實際進度對比，并將延期及超前的模型單元通過顏色區分，實現進度的精確管控。項目從以下2方面對進度進行跟蹤及迭代優化。

1）通過導入多個進度計劃，利用 Synchro軟件對多個方案做對比分析，并以報表的形式統計2個方案的不同之處，為進度優化提供一個參考。

2）將計劃進度與實際進度進行對比，Synchro軟件可展開多個3D窗口，并將每個3D窗口關聯一個不同的進度計劃，這樣就可在同一時間下進行多個進度計劃的4D模擬對比，進而達到優化迭代的目的。

通過4D模擬，將施工計劃細化到一周以內，將原施工計劃中不合理的地方顯現出來，提前預判施工中的各種進度及資金風險（見圖4）。

圖4 進度對比分析

3.3 進度成本報表

本項目導入模型、計劃進度、成本信息形成5 D模型后，可導出豐富的 Excel報表，如進度比對、資源分析、掙值曲線等，用于匯總形成周報文件或提取工程量等方面。通用性較強的Excel文件，使未安裝Synchro軟件的參與人員更為直觀詳細了解項目各單項指標，為實現精細化管理與進度優化提供支持（見圖5）。

圖5 掙值曲線報表

3.4 3D-PDF文件

由于模型的通用性問題，對于未安裝 Revit軟件的協同參與方，查看．rvt格式的模型文件較為困難。為解決此通用性問題，本項目采用插件導出3D-PDF文件，此文件使用 Adobe Reader即可打開，可供模型查看，不需安裝專業軟件，降低溝通成本，提高溝通效率。

4 結語

水利工程有著施工條件復雜、工程量大、施工難點多等特點。BIM作為一種對建筑物物理和功能特性進行數字描述的信息庫，其模型在工程設計、施工等過程中支持多種應用，對于一個完整使用BIM技術的工程來說，不僅包括虛擬的三維可視化模型，也應包括可視化的施工任務和施工順序。建立水利工程的BIM 3D模型，可對工程建造中的成本、質量、進度和安全進行精細化控制，實現了施工前可模擬、施工中可記錄、完工后可追溯等BIM目標。但BIM技術更偏重于微觀管理，集成GIS技術后，則可提高長線工程和大規模區域性工程的設計、施工及運維管理能力。GIS技術在水利工程中的應用已經相對成熟，但是BIM技術在此領域的應用剛剛起步。推進水利工程建設的信息化程度，融合以上2種信息技術是關鍵。

雖然BIM技術還處于應用尚不成熟，但項目證明應用BIM技術對整個項目管理流程有極大應用意義，可合理控制成本和工期，在確定了BIM實施標準后，相信BIM技術將給建筑業帶來一次新的革命。同時BIM和GIS的整合，為不同設計專業人員之間的合作提供橋梁，使得設計準確，參數更精確，也為后期的運營維護奠定良好的基礎。