BIM+GIS 技術在水庫工程可研階段勘察設計應用研究

吳文霞，高 愷，劉加龍，高 蔚

（1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010；3.河海大學大禹學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

BIM（Building Information Modeling）技術起源于美國，從概念提出到逐步完善再到普遍接受，經過數十年的發展，引領了全球工程建設行業信息化的快速發展［1，2］。目前，BIM 技術廣泛應用于城市規劃、市政交通、橋梁、機場、風景園林等各類基礎設施建設中［3］。

近年來，BIM 技術在水利行業發展十分迅速，但仍處于摸索、提高的階段［4］。水庫工程作為水利水電工程體系中的一個重要組成部分，在防洪、發電、灌溉和水環境、水生態等方面發揮著重要作用。隨著社會科技發展，水庫工程信息化的要求也越來越高，BIM 技術作為信息化建設重要的一環，對其在工程中的應用研究也是勢在必行。蒯鵬程等［5］研究了基于Revit 軟件的水利水電工程BIM 全生命周期管理應用，實現三維可視化、信息化、多專業協同設計，信息化運維管理。孫少楠等［6］研究了基于BIM+GIS 的水利工程全生命周期建設管理，將BIM 模型、傾斜攝影數據等多源數據融合接入到三維GIS 平臺上進行集成，建立一個三維可視化交互環境。孫瑤等［7］研究了無人機傾斜攝影測量在水庫BIM 設計中的應用，獲取項目區域的實景三維模型。胡濤［8］研究了基于CIVIL3D 和Revit 軟件的大中型水庫工程移民專業BIM 技術應用。高英等［9］研究了基于Proji?ect Wise 協同管理平臺的水庫工程全生命周期BIM 技術應用和信息化管理解決方案。

本文以達索3D Experience 云平臺為基礎，分析和研究了BIM+GIS 技術在水庫工程中的應用實踐，重點給出了可行性研究階段BIM +GIS 技術應用的主要流程框架；通過對GJ 水庫工程在可研階段的BIM+GIS 技術應用展開研究，為水庫工程的BIM+GIS 技術應用工作開展提供指導，提高項目精細化、信息化管理水平。

1 工程概況

1.1 工程概況

GJ梯級水庫位于四川省，是一座大（2）型水庫，采用一庫兩級方式聯合開發，總庫容1.25 億m3，總投資51.18 億元。

水庫承擔了防洪、城市供水、灌溉等綜合利用任務，是流域防洪控制工程、防洪體系的重要組成部分，城市水資源配置的關鍵水源點。目前，項目處于可行性研究階段。

1.2 項目特點與難點

本項目屬于水資源配置的關鍵水源項目，采用“一庫兩級”聯合開發方式，在項目勘察設計過程中，對BIM 及信息化應用均提出了較高的要求，具體項目特點與難點如下：

（1）工程勘察設計周期短，新建梯級水庫勘察設計任務重，受新冠肺炎疫情影響，本項目管理難度大、基礎資料收集效率低，加之同時進行兩級水庫設計，工作量成倍增加。

（2）本項目涉及一庫兩級多壩址比選，且需考慮地質、移民、環境3 大制約因素的影響，還需綜合正常蓄水位選擇，比選方案多。

（3）本項目涉及水文、規劃、地質、水工、機電、施工、移民等多專業，項目各專業建模、項目管理等協同難度大。

通過BIM+GIS 技術優化項目管理方式、快速獲取基礎數據、推進遠程協同設計，成為高景關項目設計的客觀需求。

2 BIM前期組織與策劃

2.1 BIM 應用目標

本項目基于測量、地質、水工、機電、金結、施工、移民等多專業于一體的三維協同設計平臺，開展基礎資料收集、布置方案比選與論證、水工精細設計與參數化建模、計算分析、工程量自動統計、三維視景仿真、二維出圖等多方位三維協同設計及BIM+GIS 應用，能夠為業主提供更優質的勘察設計服務，實現本項目可行性研究階段BIM +GIS技術應用目標。

2.2 軟硬件環境配置

在軟件配置上，目前主流采用的BIM設計平臺有Autodesk、Bentley、Dassault［10］，本項目以達索3D Experience 云平臺［11］（以下簡稱“3DE平臺”）為基礎，采用“1+X”的設計模式及“客戶端+服務器”架構，集設計、管理、出圖等一系列軟件于一體，集成各專業設計軟件的建模或分析成果。項目各專業采用的軟件見表1所示。

表1 項目各專業軟件配置情況Tab.1 Software configuration of each discipline of the project

在硬件配置上，為滿足3DE 云平臺應用需求，全部數據存儲于云端，配置3DE 平臺總服務器，項目部人員可使用工作站計算機或進入云平臺使用總服務器開展工作，通過加入企業局域網，與云平臺連接，保證數據安全傳輸。

2.3 團隊組織

項目團隊由項目經理牽頭，設立項目BIM 總監，設計團隊由勘察組、設計組組成，均為一線勘察設計人員，且具備專業設計與三維技術應用的雙重能力。BIM 實施團隊架構如圖1所示。

圖1 項目BIM 實施團隊架構Fig.1 Project BIM implementation team structure

2.4 項目BIM協同設計管理

在管理策劃的過程中，細化分解管理及業務流程，以業務應用為切入點，結合質量管理體系，整理BIM 協同設計過程總體管理工作程序，明確BIM 應用重點開展環節責任主體［12］。隨著項目的推進，各個角色的權限在校審流程中不斷轉移、提升和釋放，使三維設計工作協調有序開展，確保三維設計的質量成果。項目BIM協同設計管理程序見圖2所示。

圖2 項目管理程序圖Fig.2 Project management procedure chart

2.5 可研階段三維協同設計流程

新建水庫可研階段重點需快速收集前期基礎數據，制定合理的項目策劃，根據項目地質、移民、環境等制約條件，合理選擇壩址、壩型、正常蓄水位，并快速完成各比選方案布置。

運用BIM+GIS 技術，在前期乏信息情況下，可快速獲取基礎數據供前期分析；進行各專業的協同設計，避免多專業錯、漏、碰、缺問題，提高方案合理性，減少設計變更；提高設計質量和效率，縮短設計周期；可視化、形象直觀的展示工程，便于項目參與方的溝通和交流，輔助決策；利用強大的信息統計和模型的計算分析功能，快速完成結構仿真計算，并根據結果快速調整方案；開展施工仿真模擬，快速優化建設方案、場地規劃分析等方面。

固化基于3DE 平臺的三維協同設計流程及項目管理程序，通過ENOVIA規范協同管理，轉變管理模式，實現設計文件云端共享、實時跟蹤項目進度和狀態、設計全過程數據管理。可研階段三維協同設計流程見圖3所示。

圖3 可研階段三維協同設計流程Fig.3 Project management procedure diagram 3D collaborative design process in feasibility study stage

3 BIM+GIS正向協同設計應用

GJ 水庫工程在可研階段BIM +GIS 技術研究應用主要有快速獲取基礎數據、多專業協同設計、模型創建、算量優化、計算分析、施工仿真、模型出圖等內容，利用BIM+GIS 技術解決了工程前期比選方案多及參與專業多等難題，給出了更合理、經濟的設計方案。

3.1 GIS+無人機技術快速獲取基礎數據

3.1.1 水文專業

利用ArcGIS 快速獲取流域參數。借助SWAT 工具，進行流向計算，詳見圖4 所示。再通過ArcGIS 完成河網水系構建，快速提取流域水系。具體為通過利用等高線數據轉換獲得DEM，經過洼地填平、水流方向計算、水流積聚計算和河網矢量轉化等步驟，提取河網水系，詳見圖5所示。

圖4 SWAT工具進行流向計算Fig.4 SWAT tool for flow direction calculation

圖5 ArcGIS快速獲取流域水系圖Fig.5 Rapid acquisition of watershed water system map by ArcGIS

3.1.2 規劃專業

在前期獲取流域地形模型基礎上，通過ArcGIS可快速獲取不同特征水位對應的庫容（見圖6），進而獲取水位～庫容關系曲線。結合3DE 平臺，可快速獲取不同特征水位對應的移民淹沒范圍。綜合各特征水位對應的庫容和移民淹沒范圍對應的投資、移民等多方面因素，快速擬定水庫正常蓄水位，初擬開發方案。

圖6 Arcgis快速進行水位庫容初擬Fig.6 Rapid preliminary drawing of water level and storage capacity using ArcGIS

3.1.3 移民專業

利用BIM+GIS 快速提取移民淹沒信息。在3DE 模型中快速獲取不同特征水位時水庫淹沒范圍，將范圍線導入Arcgis 快速提取淹沒區土地數據（見圖7），導出實物指標統計表，相關數據、范圍可導入CAD 中成圖，結合現場抽樣調查驗證，可大幅度壓縮移民土地調查時間，提升移民信息獲取效率。

圖7 Arcgis快速提取淹沒區地類Fig.7 Rapid extraction of land types in inundated areas using ArcGIS

3.1.4 測量地質專業

通過無人機快速采集地形數據，僅需少量測量點校準控制，極大地縮短了野外工作時間；采用智能設備對野外地質測繪、鉆孔及平硐編錄等數據采集，錄入地質信息數據庫管理系統（見圖8），減少內業入庫時間，避免二次錄入帶來的數據誤差，有效提高工作效率；工程地質數據庫采用SQL Server 數據庫，實現了多工程數據的存儲、管理、查詢、統計和繪圖等功能。

圖8 地質信息數據庫管理系統Fig.8 Geological information database management system

從數據庫獲取原始數據，運用基于CATIA 的“三維地質建模及其可視化系統”，面向工程地質勘察，結合工程地質特點，提供地形、地層、斷層等地質體的三維建模、可視化，方便及時地建立三維地質實體模型（見圖9），快速剖切地質剖面及輸出等功能，方便進行三維地質體的展示和三維地質分析，及時提供設計所需的成果資料，很好地解決了方案研究階段繁重的地質分析工作，大大縮短了設計工作進程，為下游專業提供設計依據。

圖9 三維地形地質模型Fig.9 3D topographical geological model

3.2 三維正向協同設計應用

3.2.1 三維正向協同設計流程標準化

將三維正向協同設計流程標準化，形成“設計策劃→合作區創建→結構樹搭建→工作包分解→定位設計→協同設計及細部設計→輸出設計成果” 的固化設計流程，并同步建設標準參數化模板庫，實現三維正向協同設計。

3.2.2 協同設計結構樹優化

在創建結構樹時，進行結構樹優化，方便可研階段多壩址多壩型方案比較，總體骨架布置要便于三維模型快速調整、并為下階段高精度深化設計預留接口，便于后續工作開展，為全生命周期BIM應用奠定基礎。

3.2.3 水工專業BIM 應用

水工專業正向協同設計主要過程包括總體布置協調、壩址比選、骨架定位以便多專業協同，以此為基礎開展壩型比選及建筑物結構深化設計。壩址及骨架均采用參數化設計，可通過調整關鍵坐標或長度等數據，快速調整壩址及骨架。以骨架定位為基礎，導入大壩、進水塔、隧洞、溢洪道、消力池等參數化建筑物模板，根據設計方案調整相關參數，完成快速建模。

優化建筑物模板設計與引用方式，其亮點在于優化各建筑物輸入條件（見圖10），如可以軸線、起點、終點為輸入條件，便于后期修改關鍵控制性參數便可快速修改方案布置；通過骨架裝配建筑物模板，在確定好建筑物骨架布置后，可快速組裝建筑物模板庫各部件，并可通過修改骨架參數快速調整建筑物布置，如調整起終點坐標、調整軸線骨架參數，以快速調整建筑物布置；在確定方案時，可根據建筑物與地形、水位間的關系，通過修改建筑物起點、終點參數，自動調整建筑物軸線，快速調整建筑物布置（見圖11）。

圖10 優化各建筑物輸入條件Fig.10 Optimize input conditions of each building

圖11 根據地形、水位快速調整建筑物布置Fig.11 Quickly adjust the building layout according to the terrain and water level

3.2.4 快速統計工程量

基于3DE 平臺，可在三維模型中快速、高精度一次性精確讀取建筑物各種參數，如體積、質量、形心、數量等（見圖12），通過開發相關插件，可快速統計主體結構工程量表，提高設計效率及精準度，節省設計校審時間。

圖12 三維模型快速讀取工程量Fig.12 3D model quick reading quantities

3.2.5 一體化有限元計算分析

可將建筑物三維模型在3DE 平臺計算模塊中開展有限元計算分析，或直接導入Ansys等有限元分析軟件，快速進行一體化計算分析（見圖13）。當計算結果不滿足要求時，可快速調整建筑物三維模型，并進行計算分析，直至滿足設計規范要求，計算分析結果還可作為結構配筋依據。

圖13 建筑物三維模型有限元計算分析Fig.13 Finite element analysis of 3D model of building

3.2.6 機電金結專業BIM應用

機電及金結設備隨建筑物定位，方案比選中隨時調用機電、金屬結構模板庫（見圖14），引用水工專業發布的機電及金結設備定位軸系，將啟閉機、閘門、涵管等設備裝配到建筑物中，完成水輪機、閘門及啟閉機設計。碰撞檢測實時分析并修改，信息傳遞及時、準確。

圖14 機電及金結設備三維模板Fig.14 3D template of electromechanical andmetal structure equipment

3.2.7 基于仿真分析的施工專業BIM 應用

將三維模型導入施工仿真軟件中，關聯施工進度計劃及工程造價信息，對主體工程進行施工仿真（見圖15），模擬計劃進度和實際進度施工過程，實現3D 模型+1D 進度+1D 造價的5D BIM應用。

圖15 施工仿真視頻模擬Fig.15 Construction simulation video simulation

3.2.8 安全監測專業BIM 應用

本項目針對大壩、溢洪道、取水洞等建筑物的特點，系統研究了安全監測專業設備模板庫，建立了變形監測、滲流滲壓監測、應力應變及溫度監測、機器人站房等模板，如圖16所示。

圖16 安全監測設備三維模板Fig.16 3D template of safety monitoring equipment

安全監測設施隨建筑物定位。根據安全監測專業要求上游水工專業發布安全監測布置線或軸系，安全監測專業調用設備模板庫，快速完成設備布置。實現專業間信息的準確、及時傳遞。后期可基于該模型開發安全監測信息管理系統。

3.2.9 三維展示

將三維模型導入lumion，真實還原各建筑物、庫區完整的場地模型，可進行三維漫游（見圖17），對工程整體及全庫區進行瀏覽，各建筑物內部可通過人行視角檢驗工程設計是否合理。結合VR 技術，三維可視化瀏覽工程布置，切換不同的天氣場景及瀏覽模式，逼真展現工程完建場景，通過人機交互進行場景漫游，身臨其境，提高各方對工程整體認識［13］。

圖17 三維漫游Fig.17 3D walkthrough

3.2.10 結構出圖

3DE 平臺中工程圖模塊可直接生成典型剖面、軸側圖及三維總體布置圖（見圖18），利用Drafting 模塊快速進行工程圖標注，完成建筑物結構三維及二維出圖，提高出圖效率。

圖18 三維總體布置圖Fig.18 3D general layout

4 結語

本項目以BIM+GIS 技術為正向協同設計應用核心，有效解決可研階段收集資料難度大、一庫兩級比選方案多、各專業協同難度大等難點，快速完成可研方案確定，為工程創造了顯著的應用價值，主要包括：

（1）提升管理效率。運用基于BIM 的項目管理模式，通過3DE 平臺中ENOVIA 模塊規范協同管理，實現設計文件云端共享，實時跟蹤項目進度和狀態，設計全過程數據管理，大幅提升管理效率。項目管理好、策劃好、才能協同設計好。

（2）提升勘察設計工作效率。本項目為新建梯級水庫，包含兩個水庫，工作量翻倍，且參與專業多，應用BIM+GIS，在3個月內完成項目兩個水庫6個專題成果，大幅度提高工作效率，生產力明顯。

（3）提升前期數據收集及提取效率。新建水庫前期乏信息條件下需收集測量地勘、水文、規劃、移民等資料多，數據處理工作量大，利用GIS獲取的數據，完全可滿足水利前期項目可研階段設計深度要求，并大幅提升數據處理效率。

（4）優化三維模型提升設計效率。好的三維模型應具備引用簡單、可根據實際地形快速調整、正向設計的特性，并可便捷開展后續BIM 應用，為初步設計階段深化設計提供方便快捷接口。通過項目建立完善水工、施工、金結、安全監測等多專業標準參數化模板庫，可實現快速調用建模，并供后續其他項目使用。

后續設計中，本項目將把全生命周期理念貫穿始終，從可研、初設、施工詳圖到運維階段，滿足一次建模、全生命周期運用的要求，提高模型附加值。