基于BIM+GIS 的水利工程全生命周期建設管理研究

孫少楠，宋宜昌

（華北水利水電大學水利學院，河南鄭州 450046）

0 引言

當前，推進智慧水利建設是實現新階段水利高質量發展的重要路徑之一。如何在水利工程全生命周期建設管理中實現數字化場景展示、提高信息化水平成為目前研究的熱點。隨著BIM 的快速發展，以其可視化、協調性、優化性、參數化性等特點，已經廣泛的應用于水利水電工程的數字建設中，取得了很好的成果。于琦［1］等搭建了水利水電工程BIM 正向設計平臺，提高了協同設計效率，實現多源數據共享；荊鵬程［2］等研究了基于BIM 的水利水電工程全生命周期管理研究，實現了三維可視化信息化、多專業協同設計；楊建峰［3］等研究了BIM技術在水利工程運維管理中的應用，建立了數字化管理平臺。綜合來看，BIM在水利工程中的應用成果顯著。

但是隨著工程數字化的深入發展，BIM 的局限性被逐漸放大，水利工程是一個由很多單體工程組成的綜合體工程，水工建筑物選址困難、水文條件、地形復雜、施工難度大、工期長，而BIM 技術主要應用于單體工程，其應用特點是三維模型單體精確化，而不具有外部環境信息，模型與現實割裂開來，工程之間缺少聯系，協同效率低下，單體的BIM 三維模型應用已經不能很好的解決大型水利水電工程建設管理問題。而GIS（地理信息系統）技術，其具有宏觀的地理場景信息，可以為BIM 模型提供地形信息和空間分析。目前國內對于GIS+BIM 數據轉換融合應用方面已有研究，翟曉卉［4］等研究了BIM 和GIS 在空間和語義上的數據集成方法，避免信息缺失。應用方面主要集中在鐵路、公路建設上，石碩［5］等研究了基于GIS+BIM的高鐵設計成果綜合應用平臺，實現BIM 設計成果與真實地形場景的無縫融合。林國濤［6］等基于無人機、GIS 和BIM 技術，實現了道路設計的協同化管理，而針對水利工程的應用較少。

因此本文提出基于BIM＋GIS 技術在水利工程全生命周期的交互應用，拓展BIM 應用維度，以某抽水蓄能電站為例，實現數字化建設管理。

1 BIM+GIS數據集成

1.1 BIM數據

BIM 在3D 模型基礎上，集成工程項目的各項相關信息數據，詳細記錄了建筑物構件的幾何、屬性信息，包含空間、結構數據，可以用來管理水工建筑物全生命周期的信息。水利工程涉及水工、金結、水機、給排水、測繪、地質等多個專業，采用Autodesk 平臺系列的Revit、Navisworks、Civil3D、Inventor 等主流軟件分系統建模，產生RVT、NWC、NWF、DWF、IPT 等中間格式文件，執行數據模型標準IFC（Industry Foundation Class），建模精度要求達到LOD3-LOD4，包含幾何實體和豐富的建筑語義信息。

1.2 GIS數據

在水利工程規劃設計中引入GIS 技術，可以實現流域級別場景的可視化表達［7］。隨著無人機RTK 技術的快速發展，傾斜攝影數據成為三維GIS的重要數據來源。通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像，獲取到建筑物頂面及側視的高分辨率紋理。本文通過應用多旋翼高精度航測無人機搭載五鏡頭相機對目標區域進行航測作業，采集地形影像數據，照片包含經緯度、海拔、高度、飛行姿態等信息，采用context capture 軟件進行內業處理：①影像數據導入。設置相機型號類型，檢查航片完整性導入POS 數據。②空中三角測量加密。計算輸入影像的位置、角元素和相加屬性（焦距、主點、鏡頭畸變），山區地形一般采用無人機仿地飛行，造成空三多次迭代失敗，需根據參數生成平差區塊。③空三檢查。檢查航片是否交叉。④設置為當地坐標系，導入測量點坐標，刺點。⑤重新提交空中三角測量。⑥新建重建項目。⑦選擇生成產品類型（DSM、DOM、三維點云）。傾斜攝影建模流程如圖1。

圖1 傾斜攝影建模Fig.1 Oblique photography modeling

1.3 數據集成

當前，在GIS 與BIM 數據融合集成方面，可主要分為3 種方式，分別是數據格式轉換、數據標準擴展和地理本體論［8］。BIM 數據集成到三維GIS 平臺上主要有以下方面的問題：①數據格式標準不同。BIM 數據標準為IFC，側重表達幾何信息和豐富的建筑構造語義信息。City GML 更側重于對城市以及建筑內外地理空間對象的描述，表達空間位置和拓撲屬性，采用GML 建模語言。②坐標系不同。BIM 模型一般采用局部坐標或工程坐標，轉換到大地坐標時需要進行坐標轉換，集成到三維GIS平臺上存在位置偏差和形狀發生改變。③材質、顏色、構件丟失。BIM 模型包含豐富的屬性信息，而材質信息基于本地的材質庫中，讀取信息需要基于原生數據庫。④模型建模精度高。BIM 建模根據不同階段的設計要求，精度達到了LOD3-LOD4，對于水輪發電機來說，數據轉換會引起大量的布爾運算，加載讀取模型信息困難。

針對BIM+GIS 融合的技術難題，采用超圖研發的export 插件，對于BIM 的主流軟件，實現數據的中間格式轉換，以配置數據集的方式集成到三維GIS平臺，同時針對傾斜數據，支持osgb格式文件的直接讀取。為實現兩者模型的精確匹配，在BIM 模型作為數據源接入時，查看傾斜攝影數據的坐標點，粗略設置BIM模型坐標原點的經緯度，然后進行三維配準，對模型進行偏移、旋轉、鑲嵌操作，實現與三維GIS 模型、地形數據的精準融合。同時為保證模型的流暢瀏覽，對BIM 模型進行輕量化、三角網簡化操作。BIM和GIS數據集成流程見圖2。

圖2 BIM+GIS數據融合Fig.2 Data fusion based on BIM+GIS

2 BIM+GIS水利工程全生命周期應用方案

對于圖2 構建的BIM+GIS 三維模型，融合了BIM、傾斜攝影、地形信息等多源異構數據，通過配置統一的數據源，建立一個三維可視化交互環境，進行模型編輯和空間分析。BIM 構建一個由虛擬趨向于現實、GIS 構建一個由現實模擬虛擬的應用方案，集成到三維GIS 平臺上相互反饋、融合應用，為水利工程全生命周期建設管理階段提供信息數據和分析支撐。全生命周期BIM 應用中，涵蓋了項目各參與方各階段產出的全部信息，涉及不同階段的流轉和應用，存在數據溢出、信息管理混亂等情況，如設計、施工等階段有價值的項目信息不一定適用于運維階段，因此應建立一個基于BIM 數據的信息管理框架和數據庫，對信息進行分類存儲管理，設置瀏覽權限，根據不同階段的項目需求參與方提取相應的BIM 信息，實現信息的高效傳遞和共享。同時針對工程項目建設一直處于動態變化中，不同階段的項目需求、功能需要的側重點不同，前期的BIM 模型數據不能滿足后續階段的信息需求。需根據后期項目需要、施工變更、工程建設的進展，實時的添加、錄入工程信息，對前期的數據進行補充、修改，實現信息動態數字化更新，進行全生命周期的信息集成管理。全生命周期應用流程如圖3。

圖3 全生命周期應用Fig.3 Full life cycle application

3 實例應用

某抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、下水庫及地面開關站等建筑物組成，裝機容量120 萬kW，安裝4 臺30萬kW 可逆式水輪發電機組，屬一等大（1）型工程。電站下水庫大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高100.60 m，壩頂軸線長度416 m，填筑料量約305.7 萬m3。

3.1 水利工程規劃階段

抽水蓄能電站所在處地形起伏大，無人機航測作業中信號易受到干擾，影響數據采集的精度。基于此問題采用精靈PHANTOM4Rtk 多旋翼高精度航測無人機，通過基站自帶靜態采集功能，如果差分信號受到干擾，可關閉精靈4 的RTK 功能，通過CGO2.0 PPK 后差分解算，保證數據精度。航測作業前，基于SDK 遙控器搭載的APP 進行航線規劃，采用井字飛行，共獲得531組影像數據，導入Context Capture，進行空三加密處理（連接點精度如圖4），生成DSM、DOM、三維點云模型（見圖5）等數字產品。對于生成的數字產品精度分析，GPS-RTK 測量得到8個像控點的真實坐標與實景模型查詢得到的坐標進行x、y、z方向的誤差計算（計算結果見表1），統計殘差的中誤差來進行精度評價。計算方法如下：

圖4 空中三角測量連接點分布Fig.4 Air triangulation connection point distribution

圖5 三維點云模型Fig.5 3D point cloud model

表1 誤差計算Tab.1 Error calculation

式中：m為中誤差；Δ為觀測值與真值之間的差值；n為觀測值的個數。

基于以上統計計算可知：x方向最大誤差為1.8 cm，中誤差為0.6 cm；y方向最大誤差為3.0 cm，中誤差為1.0 cm；z方向最大誤差為3.6 cm，中誤差為3.6 cm。平面最大誤差為3.2 cm，中誤差為2.2 cm。精度達到厘米級，將影像數據導入EPS 進行三維測圖處理，可以生成數字線劃地圖DLG，為前期測量資料、規劃選址、移民工作提供精確的數據支持。

3.2 設計階段

3.2.1 模型創建

下水庫為面板堆石壩，由堆石體和防滲系統組成，分成面板、趾板、墊層、過渡區、主堆石區、次堆石區、底部反濾層、排水棱體。模型創建前，將項目目標分解成對應較小的工作單元，采用Revit參數化建模，包含幾何、材料等屬性參數，快速準確生成三維仿真模型，后期需要對模型進行修改時，只需要改動參數便可以實現對模型的快速修改，建立新的信息模型，極大的提高了建模效率。基于生成的信息模型可快速生成大壩的分區材料明細表，方便工程量統計、成本控制等。下水庫面板堆石壩模型見圖6。

圖6 面板堆石壩模型Fig.6 Face rockfill dam model

BIM 模型完成后，通過export 轉換插件，將模型導出為中間格式，導入到三維GIS 平臺super map中，實現BIM 模型與傾斜攝影模型的精準匹配，同時可添加衛星地圖數據，賦予BIM 模型宏觀的地理場景，將抽水蓄能電站的分部、分項工程聯系起來，建立水利水電工程項目的集群工作環境。面板堆石壩BIM模型與傾斜攝影模型在三維GIS平臺上結合效果如圖7。

圖7 BIM+GIS模型融合Fig.7 BIM+GIS 3D model fusion

3.2.2 土方量計算

基于規劃階段生成的高精度三維地形數據，由于水利工程項目所在處植被較多，無人機航測得到的數據不能直接使用，將三維點云數據導入global mapper，對數據進行分層濾波。先確定山體表層和地面層，估計一個植被層的高度，將選擇出來的數據過濾掉，生成tin 網格、所需的點云數據，進行土方量計算。采用如下方法：①將高精度的DEM數字產品和三維點云數據導入civil3D，將地形曲面作為基準曲面，目標完成曲面作為對照曲面，“對照曲面”-“基準曲面”即體積曲面，生成填挖方計量報告。②基于Cloud compare實現土方量計算（如圖8）。導入三維點云數據，在測量區域生成隨機高程點坐標。從軟件中導出XYZ 點文件，TXT 格式，利用VISUAL STUDIO 編制的不規則三角網法體積計算程序計算土方量。相較于傳統計算方式，可隨時進行填挖方分析，便于控制項目成本。

圖8 地形曲面Fig.8 Terrain surface

3.2.3 隧洞管線規劃

水利施工場地及周邊地下管線錯綜復雜，需要考慮地形地質條件，基于無人機RTK 技術，采集真實的地理測繪信息，建立三維地形場景。在三維GIS 平臺上模擬管線布置方案，加載BIM 管道模型，輔助論證方案的可行性，減少土石方填挖方量，加快項目進度。

3.3 施工階段

抽水蓄能電站涉及上下水庫的修建，施工戰線長、施工作業區分散、建設工程規模大、地形條件復雜，不可控性因素較多，造成規定的項目節點不能按時完成進度。因此進行合理的場地布置、施工模擬、優化運輸路線、建立安全的管理制度對于工程的高效完工是非常重要的，應用BIM+GIS 技術從以下四方面針對性的提供解決方案。

3.3.1 場地布置

施工場地布置是項目施工的前提，合理的布置方案能夠在項目開始之初，從源頭減少安全隱患，方便后續施工管理，降低項目成本［9］。結合GIS 傾斜攝影模型，在三維地形的基礎上建立對應的場布BIM 模型，生成沙盤體系，進行可視化模擬布置，綜合成本、環境、安全等因素，合理規劃施工營地、金結拼裝廠、加工廠、棄渣場的位置分布。

3.3.2 進度控制

基于面板堆石壩的施工特點和合同中規定的節點目標，圍繞關鍵線路和節點目標采用P6編制施工進度計劃，與BIM模型關聯起來，分層分階段進行物料填筑和混凝土碾壓，導入Navisworks 進行進度模擬，工程人員基于不同的施工狀況模擬多種施工方案，進行方案優化，實時更新進度計劃，方便參與方的溝通交流和協作。在施工過程中，采用無人機進行定期航測，以周或月為單位對施工場地進行影像采集，建立實時傾斜攝影模型，與BIM 模擬建造進度進行直觀性對比，實現實際進度信息的可視化表達，分析進度偏差原因，然后反饋于BIM 模型，更改工作計劃，整體上把控項目進度。

3.3.3 路線規劃

抽水蓄能電站相對于傳統的房建、市政項目，涉及上下兩庫，相隔距離遠、地形條件復雜。修建運輸公路往往需要開鑿隧洞，為減少土石方開挖量，同時保證運輸簡便安全，利用GIS+BIM 信息集成技術，將BIM 模型導入到3D 地形模型中，通過更為直觀的可視化表現，了解周邊環境情況，充分發揮BIM 與GIS 的技術特點，BIM 采用參數化建模，Revit 確定項目所需構件、材料數量，生成詳細的物料清單［10］，金結專業Inventor 可生成對應的Bom材料表，GIS 根據拓撲結構分析確定物料的最佳、最短運輸路線，針對特殊的情況變化進行相應的動態調整。路線規劃流程如圖9。

圖9 路線規劃Fig.9 Route planning

3.3.4 安全管控

施工難度大、安全隱患多、從業者安全意識差、防護措施不到位等問題是水利水電工程在安全管控中共同面臨的問題，智能化的安全管控體系尚未形成［11］。目前大部分水利工程的施工安全管理工作基本上就是采用布置監控、配備安全員、建立各項管理制度，真正實施起來，效率低下，很多危險源不能及時發現、及時處理，造成安全事故的發生。針對于此，采用BIM+GIS技術從以下兩方面來進行高效率、規范化的安全管控。

（1）傳統監控布置往往是按照經驗布置，出現視頻監控盲區，給施工安全管理工作造成一定的困難。基于傾斜攝影實景模型和BIM 的場布模型，在GIS平臺上進行可視域分析，對于一個或者多個監控觀察點，基于一定的相對高度，提取范圍內所能看到的區域，將分析結果輸出為一個柵格數據集，應用在監控點的布置上，可以監控到最大區域，減少視頻盲區的存在。

（2）采用無人機實時巡檢代替人工巡檢。傳統人工巡檢花費時間長、效率低下，無人機航拍施工場地從不同高度、不同角度對現場進行航拍，將視頻和圖像資料實時回傳到管理人員的面前，減少巡檢時間，提高工作效率。而且無人機小型輕便，可以從空中巡視施工盲區，識別隱蔽危險源，進行全方位的安全隱患排查工作。

3.4 運維階段

抽水蓄能電站竣工后，在規劃、設計、施工階段BIM 模型基礎上集成竣工信息、設備信息、檢測埋件、維護信息等，構建全生命周期BIM 模型信息，在三維GIS 環境平臺上搭建水利數字化信息平臺，實現多專業模型可視化展示、視頻監控、圖紙信息管理、無人機巡檢、淹沒分析等功能。

4 結語

（1）針對當前BIM+GIS 融合方面存在的問題，研究了BIM主流軟件數據（Revit、civil3D、inventor）和傾斜攝影數據、地形數據在三維GIS 平臺上的融合方法，建立一個三維可視化交互環境。

（2）將BIM+GIS 技術應用于水利工程的規劃、設計、施工、運維階段，為全生命周期建設管理應用提供了一種新的思路，在傳統BIM 精細化模型應用基礎上，結合GIS數據、傾斜攝影數據實現了水利工程的可視化場景表達。