大石峽水利樞紐工程BIM+GIS平臺建設

李 夢,孫 陽

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

隨著新一代信息技術的不斷發展，數字化賦能已成為水利水電工程科技創新的重要手段。借助水利水電工程建設與前沿技術的融合，不斷探索數字化、智慧化水利工程建設成為大勢所趨。BIM(Building Information Modeling)是通過構造數字化模型在工程建設全壽命階段進行管理和優化的技術手段，具有視圖生成、數據全面豐富、面向對象等特點[1]。地理信息系統(Geographic Information System，GIS)是一種地理空間有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統，可通過傾斜攝影測量實現多視立體覆蓋，能快速構建出真實、直觀的實景模型，滿足工程三維設計對地形地貌信息的需求[2]。

BIM多維度擴展應用的一個重要組成部分就是BIM和三維GIS的融合使用[3]。R.deLaat基于CityGML協議擴展了GeoBIM，實現了IFC的數據信息到GIS場景的轉換；謝溫祥[4]通過技術探索將BIM模型與GIS資源數據進行融合，實現了BIM和地理信息數據的有機結合，完成了BIM+GIS的基礎應用功能建設；嚴沾謀[5]等人基于BIM+GIS結合應用，實現了工程設計與出圖，并完成水利項目數字化移交應用；部分學者也探索了BIM+GIS應用在信息化方面的價值，丁維馨[6]等人，將三維GIS、BIM模型、三維實景模型、監測數據等融合應用，實現了水利工程三維模型、水利工程監測信息展示和分析統計;唐崗[7]通過將地理信息數據、BIM模型數據、勘測結果數據等信息集成到一個平臺上，實現了洋溪水利樞紐工程的信息化管理。雖然近年來在BIM+GIS的應用方面取得了一定程度的研究成果，但多為設計成果的展示或在施工過程中局部的應用，尚未能夠全面地將數字化技術應用至工程施工過程中，本文將BIM及GIS技術應用至大石峽水利樞紐智慧工程各業務系統中，構建一個可視的水利工程數字化平臺為工程建設全過程提供數據支撐及平臺保障。

1 項目背景

新疆大石峽水利樞紐工程作為國家172項節水供水重大水利工程之一，是踐行“一帶一路”倡議、造福邊疆地區、增進民族團結的重大水利壯舉，具有工程規模大、建設周期長、工程地形地質條件復雜、施工區域氣候環境惡劣等特點。為了推進工程智慧化、數字化建設，全面提升智慧工程應用水平，為工程長效安全運行與智慧管控提供科學保障，在傳統施工建設的基礎上開展了多個智能建設業務系統應用，同時也暴露出各業務系統運行過程中可視化程度低、數據共享不暢通等難題，因此需要建設一個數據互通的數字化平臺，實現工程各參建方的互聯互通和協同共享。

2 平臺設計

2.1 設計理念

平臺以BIM+GIS技術集成應用為支撐，以模型數據資源統一為主線，搭建“平臺+數據+應用+接口”的功能框架，實現工程建設數字化，項目管控可視化，形成了各業務數據互通、協同共享的工作機制。

2.2 平臺架構

基于BIM+GIS技術的數字化平臺依據大石峽水利樞紐工程建設階段各應用需求進行規劃，按照數據資源層、服務層與業務應用層進行總體設計，完善以模型數據為核心的運行體系，建立以項目工程數據為基礎、模型平臺數據交換為手段、項目應用層管控的平臺整體架構，實現質量、進度、成本及安全的統籌優化和綜合應用。

數據資源層提供結構化數據、非結構化數據、文件數據的持久化及查詢檢索服務，含項目基礎數據，BIM模型文件、GIS資源文件、各階段屬性數據及各業務系統通過數據接口上傳的施工數據和文件數據等；服務層包括底層支撐和數據服務，底層支撐提供底層技術支撐，包含BIM+GIS引擎、消息服務引擎等，數據服務提供DEM/DOM數據服務、BIM數據服務和矢量數據服務等；業務應用層是呈現給用戶的平臺界面，包含BIM中心應用及相關業務應用功能。BIM+GIS平臺架構見圖1。

3 平臺數據中心建設

3.1 建設思路

為保證大石峽水利樞紐BIM+GIS平臺建設相關設備設施的空間、屬性及文檔資料的統一、有效管理，建立一個高效率、低冗余的平臺數據中心是首要考慮的，這也關系到相關數據的查詢、更新與維護等工作。數據中心建設既要充分體現平臺業務的特點，利用現有資源合理配置軟硬件，又須根據后續業務需求不斷進行平滑升級，在確保數據安全性設計的前提下，建立一個完整統一的平臺數據庫，同時考慮到存儲與管理數據的多源性特點，對數據進行規范化處理，針對不同來源的數據，制定一套統一標準進行規范有序管理，最后達到多源數據融合與信息共享的目的。

3.2 數據中心架構

數據中心架構包括數據接入、處理、存儲和管理等層級，共同搭建起一個統一的工程信息數據集群，也是將各業務板塊有機融為一體的基礎和關鍵。以工程模型的空間對象統一編碼、數據統一配置管理、數據庫結構統一規劃為原則，建立并維護各類信息數據以及之間的關系，并為各業務應用單元提供統一、有序、全面的數據訪問服務。平臺數據中心架構設計見圖2。

3.3 數據管理

BIM+GIS平臺數據中心建設管理包括數據接入、數據存儲、數據處理、數據管理輸出等部分[8]。

(1) 數據接入

基于數據模板建立并維護各類信息數據及相互關系，包括靜態數據和動態數據[9]。靜態數據庫應包括三維信息模型、項目位置分解數據、工程檔案、建筑物構件及設備對象數據等。為各類數據預留手動填報上傳界面或者批量導入工具；動態數據庫應包括大石峽水利樞紐智慧建設系統方的數據，如灌漿系統、智能碾壓系統等數據。

圖1 BIM+GIS平臺架構

圖2 平臺數據中心架構設計

(2) 數據存儲

通過選取業界主流的數據庫，以滿足大容量存儲、高安全性、易維護性和持續穩定可靠運行的要求。同時提供支持多種文件類型，支持數據集中存儲、統一管理[10]，能夠對數據進行質量檢查及支持數據變更管理和版本管理。

(3) 數據處理

BIM+GIS平臺數據中心后臺采用JAVA語言、利用成熟的開源工作流引擎、報表引擎、安全權限框架、文件文檔服務、流媒體服務、BIM三維引擎服務、GIS服務等，搭建整體系統，進行數據比對、數據合并、數據挖掘、各類實時信息計算等處理，對三維模型數據，先轉為平臺標準BIM格式。其中部分引擎服務將根據實際情況選擇合適的編程語言。

(4) 數據管理輸出

BIM+GIS平臺前端采用HTML5、WEBGL等技術能夠將數據內容進行多維度展示，包括三維模型和各類文檔在網頁端的瀏覽查詢、可視化展示、視頻監控、系統管理。提供BIM+GIS平臺數據統一訪問接口，實現了龐大數據體量的快速訪問，對外支持業務系統數據訪問需求，對內支持工程建設與決策平臺數據使用要求。

4 平臺功能實現

4.1 基礎功能

通過建立大石峽水利樞紐工程GIS與BIM模型的虛擬場景，實現了工程建設相關集模型、屬性、場景的三維展示。平臺基礎功能主要包括BIM+GIS“一張圖”、BIM模型展示、GIS展示、文檔關聯查詢。

(1) BIM+GIS“一張圖”：通過在三維GIS上疊加BIM模型，對工程區域場景分級加載或一次性加載，并通過GIS上面點擊某個位置的BIM模型無縫啟動BIM瀏覽器，進行相應BIM方案的查看。

(2) BIM模型展示：實現BIM場景中的模型操作功能，如縮放、平移、測量、批注、視圖記錄、漫游等。BIM窗口下可顯示子模型結構樹，能夠查詢構件的屬性數據，添加構件的自定義屬性，BIM模型展示見圖3。

圖3 BIM模型展示

(3) GIS展示：實現將GIS公共數據、GIS私有數據、BIM輕量化模型數據等組織成GIS圖層索引樹，用戶可在索引樹中勾選數據內容，在GIS場景中疊加查看。三維GIS場景提供視圖的移動、旋轉、縮放操作，以及對象的顯示、隱藏、剖切、漫游等，GIS展示見圖4。

圖4 GIS展示

(4) 文檔關聯查詢：通過構件ID與文檔ID綁定，實現在平臺上傳的文檔與模型構件的關聯關系，并可以雙向操作實現通過文檔查找對應構件，或通過構件查找對應文檔。

4.2 管理功能

通過建立工程數據管理目錄，對各類數據進行統籌管理，并將所有數據均與BIM模型關聯管理。提供基于BIM模型的工程全過程數據管理，重點實現以下功能：

(1) 基礎信息管理：根據實際工程概況對項目基礎信息(包括項目名稱、類別、簡介、參建單位等)進行配置管理。

(2) 模型管理：提供項目模型文件結構書的管理功能，用戶可按項目劃分、專業等層級建立模型文件目錄，并在目錄中上傳輕量化模型。

(3) 文件管理：提供項目資料文件管理功能，用戶可按項目需求建立資料文件夾目錄，并在文件夾目錄中上傳文件數據。

(4) 版本管理：對錄入系統中的二、三維數據信息進行版本管理，可追溯歷史版本、變更時間、變更人等信息，系統默認呈現給用戶的是最新版本信息數據。

(5) 權限管理：實現平臺組織結構、人員、角色、權限信息管理，以及用戶訪問或者操作系統數據和應用功能的授權管理。

4.3 接口功能

BIM+GIS平臺除了為自身用戶提供服務外，同時通過開放性接口為外部系統提供服務。每個外部系統具有專有的AppKey及AppSecret，平臺可控制每個外部系統的接口權限，具體服務包含：

(1) 數據查詢：通過數據查詢服務，外部系統可從平臺獲取項目BIM模型文件、GIS資源數據、模型構件屬性數據等平臺數據。

(2) 數據上傳：通過數據上傳服務，外部系統可按照業務規則組織業務數據上傳至平臺[11]。

(3) 實時數據：按照業務規則定義數據協議，對實時數據提供MQ接入服務，實現所有系統間實時數據的即時傳輸共享。

(4) 模型處理：提供專用模型動態處理服務，由各業務子系統通過開放服務發起請求，實現對指定的模型動態切割并返回結果等功能。

4.4 應用展示

基于BIM+GIS的水利工程數字化平臺在工程項目中應用效果良好，基于平臺用戶的實際需求定位，綜合系統整體的性能、可靠、安全、便捷等各方面因素，打造一個統一傳輸的高安全、高效率、易用平臺。以BIM輕量化模型為信息載體，以數據信息對象編碼為紐帶，開展全過程數字化移交，形成基于一套模型、一個數據庫的可視化數模成果管理系統，構建了數據全面、組織有序、服務于工程全生命周期的數據中心，大石峽BIM+GIS平臺設計數據管理界面見圖5。

平臺應用方式包含網頁端和移動端兩種，以網頁端應用為主，主要實現平臺所有模型瀏覽、GIS展示、關聯文檔查詢、模型管理、資料錄入、系統維護等功能；移動端主要實現平臺文檔和數據快速瀏覽、查詢等功能，大石峽BIM+GIS平臺主界面見圖6。

圖5 大石峽BIM+GIS平臺設計數據管理界面

圖6 大石峽BIM+GIS平臺設計主界面

5 結 論

本文以大石峽水利樞紐工程為背景，研究構建了一個可視的水利工程數字化平臺，展現了BIM+GIS技術在水利工程智慧化管理方面的實施思路和應用效果，結論如下：

(1) 通過利用BIM+GIS技術，以模型為載體，以數據信息對象為紐帶，將BIM模型與各類工程建設數據進行關聯，形成基于一個模型、一套數據、一個數據庫的可視化系統平臺。

(2) 大石峽BIM+GIS平臺發揮了BIM的最大價值。隨著工程施工的推進，持續動態更新BIM模型及相關數據信息。

(3) 作為模型數據中心，統籌各業務單元應用數據，消除數據孤島。依據施工任務對設計移交BIM模型進行深化分解，為建設期各相關智能業務系統應用提供基礎數據信息。

大石峽BIM+GIS平臺將作為智慧工程管理的數據基礎，實現大石峽工程在建設過程中基于BIM+GIS技術的工程設計、建設及運行的全過程精益化管理，實現質量、進度、成本及安全的統籌優化，助力打造新時代的智慧水利示范精品。