基于BIM的水利工程施工監管平臺設計與實現

楊楚驊，饒凡威，傅志浩，廖祥君

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

建筑信息模型(BIM)的概念在 2002 年產生于美國[1]。其定義為“在建設工程及設施全生命期內，對其物理和功能特性進行數字化表達，并依此進行設計、施工、運營的過程和結果的總稱”[2]。BIM技術應用于建設工程全生命周期，已成為全球業界的共識。從2011年至今，住建部相繼發布了《2011—2015 年建筑業信息化發展綱要》《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》《2016—2020 年建筑業信息化發展綱要》等重要文件，對勘察設計企業及施工企業明確提出了BIM的任務要求，勘察設計類企業應加快BIM普及應用，實現勘察設計技術升級；施工類企業應推進管理信息系統升級換代普及項目管理信息系統，開展施工階段的BIM基礎應用，有條件的企業應研究BIM應用條件下的施工管理模式和協同工作機制，建立基于BIM的項目管理信息系統。

隨著國家對數字化轉型提出更高要求，BIM技術在水利工程設計與建設領域也得到了較快發展，與之相關的數字孿生流域、智慧工程等新理念、新技術在水利行業也被廣泛接受。李成等[3]在都勻市大河水庫工程施工過程中基于BIM技術實現了施工階段施工布置及場地規劃、施工工藝流程模擬、施工4D模擬仿真等方面應用。唐崗[4]在廣西柳江防洪控制性工程洋溪水利樞紐中采用低空無人機、無人測量船對工程庫區進行了測繪和數據采集，實現了壩區高精度地形采集及三維建模，多專業BIM三維設計資料及時更新，BIM+GIS數據融合分析，深度挖掘潛在價值。國內172項重大水利工程也廣泛使用BIM技術，環北部灣廣東水資源配置工程、邁灣水利樞紐工程也在初步設計中大量應用BIM技術，珠三角水資源配置工程在施工階段應用BIM技術搭建了多維度數據管理支撐平臺[5]，而利用BIM技術在施工期開展進度、質量、安全、成本、檔案等管理方面還處于探索階段。

1 總體思路與目標

1.1 總體思路

為落實新時代治水思路和水利高質量發展的新形勢和新要求[6-7]，進一步推進水利工程項目標準化、規范化、信息化、精細化管理，優化資源配置，促進實現項目建設全方位動態化監管，更好的解決水利工程施工過程中各單位協作難度大、信息采集困難、數據共享與一致性差、施工管理效率低等風險和問題，建設基于BIM的水利工程施工監管平臺，提升信息傳遞效率、降低數據利用損失，提升工程建設質量、安全水平，為工程運營維護和資產管理打好基礎。

1.2 總體目標

利用BIM、大數據、3S、三維可視化等新一代信息技術，以分項工程為精細化管理對象，接入施工現場監控視頻、上下游雨水情監測等實時信息，整合工程參建各方的多源、多維度、多時態項目施工數據，進行項目進度、質量、安全、成本、檔案的可視化、集成化、協同化管理，實現水利工程及其影響區域三維地理模型和工程BIM模型在平臺中融合及流暢漫游；實現以BIM構件為基礎的設計信息與施工信息集約化管理與協同；實現遠程數據共享，滿足多層級管理人員對BIM應用的需求；實現工藝工法交底、隱蔽工程數據采集、質量安全檢查、遠程視頻監控等應用，為提升水利工程施工管理的能力和水平，提供有效的技術手段。

2 平臺關鍵技術

2.1 基于Cesium的多維空間數據融合可視化技術

Cesium是一款基于WebGL技術的三維虛擬地球與地圖的開源JavaScript庫[8-11]，可加載海量的二維矢量數據和三維模型。本平臺將水利工程及其影響區域的遙感、DEM、傾斜攝影、水利空間矢量、BIM模型等多源空間數據存儲在PostgreSQL數據庫中，由于PostgreSQL本身提供的空間數據類型和功能不能滿足空間數據需求，因此需安裝PostGIS擴展模塊為PostgreSQL提供空間數據的增刪改查和存儲能力。存儲的多維空間數據通過GeoServer發布成標準的OGC服務，供Cesium引擎加載渲染。

對于多維空間數據可視化渲染，平臺采用分級分塊分類處理方式，其中對于柵格數據進行瓦片分割并構建網格，采用四叉樹算法加載渲染；對于矢量數據通過轉換為Json格式后貼合地形表面加載渲染；對于BIM模型數據，先將Bentley制作的dgn格式模型轉換為obj文件，利用Cesium提供的obj2gltf庫將obj轉換成glTF，對glTF增加File Head信息生成b3dm瓦片數據格式，利用多叉樹算法對b3dm瓦片數據進行加載調用。通過對多維空間數據融合處理，實現宏觀上形象地展示水利工程及其影響區域的三維場景、江河湖泊及水利工程分布，微觀上展示水利工程廠房、機電設備、金屬結構等三維信息。

2.2 基于BIM構件的信息檢索技術

在BIM模型加載和渲染前，需對BIM構件進行分類編碼及命名工作，平臺BIM構件分類編碼分為5部分，用17位阿拉伯數字表示。前7位編碼是按照水利工程的劃分規則設置，分別為單位工程(2位數字)、分部工程(2位數字)和單元工程(3位數字)；中間3位編碼是根據工程屬性及類別設置；后7位編碼是根據位置信息的流水編碼。表1中，在航電樞紐工程中的船閘工程中，以閘室第二結構段左側底板為例，對BIM構件編碼及命名進行示例。

表1 BIM構件分類編碼

完成構件分類編碼和命名后，平臺進行數據庫設計，為水利工程BIM設計建設了構件、BIM模型信息、構件關系表等數據表，構件表中存儲水利工程分項工程建筑物的三維模型；BIM模型信息表中存儲每個建筑物模型的各類信息，如尺寸、特征參數、進度信息、質量信息、安全信息和擴展信息等；構件關系表中存儲構件模型與模型信息的關聯關系。通過上述方式將模型和信息解耦，能夠在加載模型和檢索構件時更加流暢，也使得BIM構件信息檢索成為可能[12-13]。平臺根據構件表生成BIM模型構件樹，用戶可通過選擇模型樹節點進行模型定位，平臺自動跳轉至所選模型，并在模型外表形成模型輪廓盒，從而高亮提示所選模型，用戶也可通過對模型構件進行點選操作，查詢當前所選構件的屬性信息(圖1)。

圖1 構件檢索

3 平臺特點

a)一站式的工程信息管理。平臺接入施工現場監控視頻、上下游雨水情監測等實時信息，預設水利工程施工涉及的標準規范、設計圖紙等資料，并為施工管理過程中產生的數據資源提供分級管理以及增刪改查接口，實現信息與BIM模型掛接和三維場景下的可視化展示。

b)精細化的工程進度管理。基于BIM技術，平臺實現計劃進度信息、實際進度信息與BIM模型關聯；實現精細到構件級別的工程進度管理，并利用橫道圖、BIM構件分類渲染等形式，實現計劃進度與實際進度的對比，為用戶直觀展示工程進度。

c)科學的質量安全管理。通過對從設計、施工等各個階段的質量和安全風險源的錄入，實現風險源與BIM構件綁定，及時查詢各風險源的位置、描述與施工時的注意事項，從而實現更為科學的質量安全管理。

d)直觀的工程投資管理。平臺實現了工程量信息管理、投資事前事后管理、投資進度展示與分析、設計工程量與施工工程量對比等內容。更直觀的體現出建筑工程項目的三維空間模型、時間、成本的五維建設信息，從而為工程造價管理提供了有利條件，使項目按照施工圖設計的思路進行人力資源、機械設備、物料的有效配置，從而降低工程投資。

4 平臺設計

4.1 總體設計

平臺開發前后端采用React+SpringBoot的微服務架構，通過基于React的前端組件式開發能夠提升開發效率，提高功能組件的復用率，并且頁面具有響應速度快、跨瀏覽器兼容性好的特點；微服務架構是將單體服務程序拆分為一組小型服務，每個小型服務運行在獨立進程中，采用 Rest/Json等更加輕量級通信機制，具有獨立部署、動態擴展、快速迭代等優勢，可使開發者短時間內構建高可部署性、高可擴展性的應用[14-15]，本文利用SpringBoot實現。平臺采用Cesium三維圖形引擎，調用計算機GPU資源進行三維場景渲染，實現BIM模型輕量化以及GIS+BIM場景可視化展示。

平臺總體架構分為：基礎設施層、數據資源層、服務層、應用層、政策法規與標準規范體系、安全保障與運維保障體系(圖2)。

圖2 平臺總體設計

a)基礎設施層。采用云計算技術構建，為上層提供敏捷、可靠、安全、彈性的IT基礎設施服務。通過對現有水利信息化關鍵基礎設施進行升級改造和安全加固，提升數據存儲和云計算能力，通過對計算資源和存儲資源的邏輯整合，提升資源的使用率，為平臺提供統一的管理、計算、存儲、網絡、安全、災備等服務。

b)數據資源層。主要將施工過程中的結構化數據與非結構化數據進行入庫、存儲、發布等。其中數據庫包括了地理空間庫、BIM模型庫、生產數據庫、工程知識庫等。

c)服務層。基于數據資源層搭建，綜合各種信息資源形成數據資源服務和資源服務目錄，為應用層提供數據支撐。

d)應用層。包括BIM施工監管平臺門戶及所有功能，并提供多終端訪問。

e)政策法規與標準規范體系。為確保本平臺建設順利進行和運行期間能正常工作，參照或新建一套規范體系，涉及運行環境搭建、數據匯集接入、平臺開發、運行管理等各方面內容，為平臺順利運行提供技術保障。

f)安全保障與運維保障體系。結合水利工程施工特點，建設安全和運維保障體系，全面提升網絡安全態勢感知和應急處置能力，滿足網絡安全等級保護2.0標準基本要求，為施工數據保駕護航。

4.2 數據庫設計

平臺涉及水利工程施工全過程，信息量較大，包括工程基本信息、項目基本信息、BIM模型信息、進度信息、質量信息、安全信息、監測實時信息等。通過對平臺功能點數據存儲需求分析與抽象，利用PowerDesigner軟件畫出平臺ER圖。圖3中，BIM構件與月報基礎信息、月安全問題、月質量問題等實體之間存在一對多關系(1∶N)。

圖3 實體關系(ER圖)

5 平臺功能實現

平臺主要包括施工監管信息管理駕駛艙、施工進度管理、工程投資管理、施工質量管理、施工安全管理、知識中心等六大核心模塊。

a)施工監管信息管理駕駛艙。獲取地質、DEM、遙感、BIM模型、交通、居民地、施工設施、棄渣場、鉆孔等地圖圖層數據，結合GIS+BIM技術，直觀展示施工區域狀況(圖4，通過傾斜攝影測量數據直觀展示施工區域情況)以及施工總體布置情況；同時通過項目概況、項目相關圖片、視頻等項目信息的展示，宏觀上了解項目的基本狀況；借助地圖上的測量距離、測量面積、放大、縮小、點選、圖層控制等功能，用戶可以方便查看自己關注的信息；從工程資料管理中抽取項目文件并進行匯總，建立項目文件樹，能夠便捷查看項目文件。

圖4 施工區域展示

b)施工進度管理。通過對進度計劃的導入、編輯，以及實際進度的上報、跟蹤，對進度進行全方位管理。結合BIM技術，平臺實現精細到構件級別的工程進度管理，并利用橫道圖(圖5)、BIM構件分類渲染等形式，實現計劃進度與實際進度的對比(圖6，圖中綠色表示進度提前、黃色表示進度正常、紅色表示進度滯后)，為用戶直觀展示工程進度，使業主更容易把控工程進度，分析各工序安排是否合理，協助管理者對不妥之處及時調整，為施工提供指導；實現施工進度仿真模擬，以BIM模型為展示基礎，整合計劃進度和實際進度信息，采用分類顏色渲染方式，動態仿真模擬施工過程(圖7，按照實際進度動態模擬施工過程，并用紅、黃、綠不同顏色表示施工進度狀態)。

圖5 施工進度管理

圖6 施工實際進度與計劃進度對比

圖7 基于BIM的施工進度仿真模擬

c)工程投資管理。平臺實現工程量信息管理、投資事前事中事后管理、投資進度展示、設計工程量與施工工程量對比等內容，更直觀地體現出建筑工程項目的三維空間模型、時間、成本的五維建設信息，從而為工程造價全過程動態管理提供了有利條件，使項目按照施工圖設計的思路進行人力資源的有效配置、時間的合理安排、機械設備的有效使用、材料的有效管理。

d)施工質量管理。實現質量控制標準管理、質量風險源管理、質量隱患管理，以及匯總與統計分析等功能。平臺實現不同階段、不同專業質量風險源辨識，由各參建方輸入可能存在的風險源，用不同色標分類顯示；根據質量管理相關技術標準和規范，實現質量隱患處理方案查詢與輸入；實現各專業、各類型風險源、質量隱患等數據匯總與統計分析，全面掌握風險源、質量隱患分布狀態，輔助施工質量管理決策應用。

e)施工安全管理。實現安全標準管理、安全風險源管理、安全風險分級管控和隱患排查治理以及匯總與統計分析等功能。平臺整合安全管理相關技術標準和規范，實現技術標準和規范的查詢和下載；實時監控重點施工部位及危險性較大工程，進行安全風險源識別，用不同色標分類顯示。對需要進行安全整改的項目進行清單管理(整改內容、閉合時間、標準化要求比對等)，協助落實隱患排查和整改閉合工作。對安全防護措施、安全標識等按照標準化的要求進行比對，反映未達標情況；對安全風險源內容、類型、排查時間等數據以圖表形式匯總與統計。

f)知識中心。平臺通過錄入工程相關的各類質量、安全標準和規范，建立強大的工程知識庫，實現項目知識的共享與檢索；同時通過建立工程資料目錄樹，對各類工程資料進行標準化的管理，使用戶能夠便捷、高效的使用工程資料，進而為電子檔案移交打下堅實的基礎。

6 結語

隨著BIM技術廣泛應用于水利工程施工過程，使得原本需要通過紙質文件作為傳遞媒介的信息，通過BIM模型準確、高效、豐富的流轉在建造過程的每個環節和各參建單位中。基于BIM的水利工程施工監管平臺研發和投入使用，降低了BIM模型使用要求，各參建單位使用瀏覽器即可輕松查看BIM模型及信息，并在線仿真模擬施工場地布置方案和施工進度方案，有利于提高工程的施工效率。但該系統在設計和使用過程中也存在一定的不足：①平臺過度依賴施工BIM模型的深化設計，保持與實際施工工序同步，需要頻繁更新BIM模型，導致平臺維護工作量大；②工程量統計和計價過于精細，使得系統使用率不高。綜上在今后對平臺升級維護中還需進一步優化BIM模型更新和工程量統計方式。