水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺研發與應用

摘 要：水利工程設計過程中ＢＩＭ 多表現為單體模型，各專業間缺乏有效的信息共享機制。為了提高信息共享水平和設計質量與效率，以ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術為基礎，分析水利工程ＢＩＭ 設計流程以及ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理需求，提出工程規劃、設計、施工、運維過程中任務、計劃、人員等多方協同管理機制，研發ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺，實現工程全生命周期的信息共享。以銀川都市圈中線供水工程為例，進行平臺實際應用。應用情況表明：利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺實現了對工程計劃編制與匯總、任務調整變更、形象進度控制、設計方案論證評審等的統一管理；基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的協同設計實現了模型總裝、碰撞檢查、優化設計等；基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的設計協同交付實現了工程設計成果的校審和交付。

關鍵詞：ＢＩＭ；ＧＩＳ；協同管理；平臺；水利工程；銀川都市圈中線供水工程

中圖分類號：ＴＶ６２；ＴＰ３９ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１１．０２１

引用格式：蘇強．水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺研發與應用［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１１）：１３３－１３６，１４８．

建筑信息模型（ＢＩＭ）的概念由美國查克·伊斯曼（Ｃｈｕｃｋ Ｅａｓｔｍａｎ）于１９７５ 年提出，他認為ＢＩＭ 將一個建筑項目整個生命周期內的所有信息整合到其中，綜合了所有幾何模型的信息、功能要求和構件性能，還包括施工進度、維護管理等過程信息［１］ ，引發了建筑行業革命性的變化。隨著我國大力推廣和相關支持政策的出臺，ＢＩＭ 技術在水利行業的應用和發展有了極大推進［２］ ，ＢＩＭ 應用已經涵蓋工程設計［３］ 、工程造價［４］ 、施工管理［５］ 乃至工程全生命周期［６］ 。精細化ＢＩＭ 與大場景ＧＩＳ 的深度融合，在水利工程中發揮著越來越重要的作用［７－１４］ 。然而，在應用過程中ＢＩＭ 多表現為單體模型，在多個階段之間和專業之間尚缺乏有效的信息共享機制。對此，筆者基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術，圍繞水利工程勘測設計、施工、建設管理、運維等階段實際需求，分析工程ＢＩＭ 設計流程，提出相應的協同機制，研發水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺，并在銀川都市圈中線供水工程進行了實際應用。

１ 水利工程ＢＩＭ 設計流程

１）項目策劃立項。由項目管理部和主管總工選擇項目負責人，編制工作大綱和任務書，選擇專業團隊，確定人員角色并劃分權限。

２）三維協同設計。根據工作大綱和任務書，組織測繪、地勘專業設計人員定位分區，協同水工、金結、電氣、暖通、建筑等各專業設計人員進行ＢＩＭ 設計，之后對模型進行初步總裝，分析比選多個布置方案。

３）方案論證與評審。通過場地建模、場地環境分析、工程量分析、結構分析等，比較設計方案，若不滿足工程需求，則返回各專業設計人員協同設計；若滿足，則補充必要的組件和構件，進行模型碰撞分析和優化設計，獲得最終的ＢＩＭ 總裝設計模型。

４）設計驗證與交付。協同設計優化ＢＩＭ 總裝模型后，進行三維模型抽圖、模型輕量化處理，以及ＢＩＭ標準校驗和分類編碼，輸出終版模型、報告、圖紙、歸檔文件，通過ＢＩＭ＋ＧＩＳ 平臺向業主提交設計成果。

５）設計變更。向業主提交設計成果后，在施工過程中，業主、設計方、施工方發現問題均可提出設計變更申請，重大變更須經設計方主管總工、項目負責人、專業負責人同意，一般變更可直接交由設計人員完成。設計變更完成后向業主提交變更通知單以及最終的竣工ＢＩＭ 模型、報告、圖紙、歸檔文件。

２ ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理需求與機制

２．１ 協同管理需求

１）制訂專業模型計劃。在設計階段，項目負責人根據不同的專業制訂模型計劃，指定各任務負責人，設定各任務的完成時間，督促各任務負責人實時跟蹤設計進度，查看任務完成狀態，分析各項指標，生成可視化報表。

２）專業設計協同交付。水利ＢＩＭ 模型設計交付往往涉及多個專業，對不同專業的設計成果進行融合交付，避免各專業設計成果銜接不到位等問題，減少人工成本，提高模型交付質量。

３）專業模型合模展示。利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術將不同專業的設計成果整合到ＧＩＳ 場景進行合模展示，結合各類地理空間要素，模擬實際施工現場，直觀了解設計意圖和工程形態。

４）部門間協同及共享。建立基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的項目管理協同辦公流，實現專業數據的共享交換，提高各部門間的溝通效率，同時為各部門使用公共空間信息提供端口和渠道。

５）可配置的模型交付流程。利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術對流程各節點進行審核，并對流程節點的相關屬性進行靈活控制。

６）多層級角色權限控制。水利工程具有規模大、涉及單位多、專業廣的特點，需要建立多層級、多角色的權限控制體系，可按照項目級、地區級、系統級進行菜單、按鈕、數據訪問等權限的控制。

７）圖紙與模型數據關聯展示。利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術使設計成果、圖紙成果與模型數據相互鏈接，并在ＧＩＳ 場景中進行關聯查看，優化用戶體驗，為決策層提供數據支撐。

２．２ 協同管理機制

采用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術實現水利工程規劃、設計、施工、運維過程中任務、計劃、人員等多方協同，協同管理機制見圖１。

１）項目管理層面。從項目立項開始，遵循協同管理機制，以信息數據為紐帶，按照管理協同辦公流，管理人員、設計人員、施工人員、業主以及運維人員完成任務書和計劃要求的各節點目標任務。

２）工程設計層面。各專業設計人員使用不同的ＢＩＭ 核心軟件（Ｂｅｎｔｌｅｙ、Ａｕｔｏｄｅｓｋ 等），按照要求并通過共享／ 提資機制實現各專業的協同設計。

３）業主及施工運維層面?；冢拢桑停牵桑?的成果交付機制，可隨時向業主提供精細化的ＢＩＭ 模型和大場景的ＧＩＳ 信息，方便業主從多角度對項目進行分析。ＢＩＭ 模型和ＧＩＳ 信息還可支撐工程施工和運維各階段任務。

４）數據處理和集成層面。通過ＢＩＭ＋ＧＩＳ 引擎和數據集成引擎，對設計人員在不同平臺上創造的設計成果進行數據轉換和集成處理，實現全生命周期的數據存儲和數據服務。

３ ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺開發

３．１ 平臺設計框架

采用分層設計思想構建水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺架構，其包括數據層、業務層和展示層，即“１＋１＋Ｎ”（“數據中心”＋“ＢＩＭ＋ＧＩＳ 底座”＋“Ｎ 個業務應用”）的總體架構（見圖２），實現水利工程多專業、多階段ＢＩＭ＋ＧＩＳ 應用的統一化和標準化，有助于模塊的解耦和復用，方便后續功能擴展和維護。

３．１．１ 數據中心

１）源數據管理。對存放業務數據的數據庫進行管理，源數據包括施工管理、安全生產管理、工程管理、物資管理、協同辦公、綜合應用等系統的基礎數據。

２）數據管理ＥＴＬ。ＥＴＬ 用來描述數據抽取、轉換、裝載過程。用戶從數據庫抽取所需數據，經過數據清洗、轉換，按照預先設定的規則，將數據加載到數據中樞。

３）數據中樞。主要存儲和管理按照業務規則轉換的業務數據。

４）數據分析工具。利用該工具進行多維數據分析和數據挖掘。多維數據分析是按照預先設定的主題分析需求進行數據整理，產生多維分析立方體；數據挖掘是采用機器學習、神經網絡、統計分析等技術，自動分析數據，進行歸納、推理和聯想，尋找數據間的內在聯系。

５）可視化展現工具。利用該工具以統計圖、報表等多種形式將數據分析結果呈現給用戶。

３．１．２ ＢＩＭ＋ＧＩＳ 底座

通過ＢＩＭ 模型管理、ＧＩＳ 場景搭建、ＩＯＴ 物聯感知提供ＢＩＭ＋ＧＩＳ 模型轉換、ＢＩＭ 輕量化、模型分析、模型集成、模型渲染等服務。

１）ＢＩＭ 模型管理。對ＢＩＭ 模型輕量化處理，包括簡化模型建筑物幾何、空間、材料、設備、結構、能源、環境等方面的信息，減小模型體積、降低模型復雜度，以便在ＢＩＭ＋ＧＩＳ 平臺進行模型三維可視化查看、視角漫游、構件標記、模型材質切換、設備關聯等。

２）ＧＩＳ 場景搭建。基于內置ＧＩＳ 數據源和渲染效果，實現場景添加、底圖導入等，利用場景分析工具可實現場景元素分析、視角切換等。

３）ＩＯＴ 物聯感知。其支持ＨＴＴＰ、ＴＣＰ、ＭＱＴＴ 等多種主流通信協議，可快速對接各類ＩＯＴ 設備數據，功能包括新增設備、刪除設備、新增變量、發送信息等，提供組態式配置工具，支持預警規則、預警等級自定義配置，實現工程監測異常狀態的智能化預警。

３．１．３ Ｎ 個業務應用

基于數據中心和ＢＩＭ＋ＧＩＳ 底座，創建ＢＩＭ＋ＧＩＳ 業務應用，包括設計協同、裝配式建筑監管、協同審查等，實現水利工程規劃、設計、施工、運維全生命周期應用服務。

３．２ 平臺功能總體構成

ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺功能總體構成見圖３。

３．３ 平臺關鍵環節實現方法

１）ＢＩＭ＋ＧＩＳ 數據儲存。ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺支持加載ＲＶＴ、ＤＧＮ、ＩＦＣ、ＵＤＢ 等三維ＢＩＭ 模型數據，將ＢＩＭ 模型數據統一轉換成Ｓ３Ｍ 格式，存入ＭｏｎｇｏＤＢ數據庫。采用ＧＰＵ 深度學習算法，實現大規模ＢＩＭ模型、傾斜攝影、地圖影像等三維數據的高效融合處理。

２）ＢＩＭ 模型構建與ＧＩＳ 場景搭建。利用Ｂｅｎｔｌｙ 和Ａｕｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ 等軟件，構建ＢＩＭ 精細化模型，包含建筑模型、結構模型、設備模型、管線模型等。采用超圖軟件搭建直觀的三維ＧＩＳ 場景，包括地形高程、地表覆蓋、交通網絡等元素。

３）ＢＩＭ＋ＧＩＳ 可視化?；陂_源的ＷｅｂＧＩＳ 產品Ｃｅｓｉｕｍ，自主研發ＢＩＭ＋ＧＩＳ 集成的輕量化ＵＥ 引擎，優化ＢＩＭ 重構前端三維渲染機制，實現ＢＩＭ 三維模型在線整體縮放、整體平移、局部框選放大等。通過ＷｅｂＧＬ 快速渲染，實現ＢＩＭ＋ＧＩＳ 可視化瀏覽以及場景分屏聯動分析。

４）ＢＩＭ＋ＧＩＳ 綜合信息可視化駕駛艙。ＢＩＭ＋ＧＩＳ協同管理平臺后端創建多個專題數據庫，平臺前端調取后端數據，在一個或多個ＬＥＤ 大屏系統實現可視化駕駛艙，顯示業務關鍵指標。

４ 平臺應用實例

４．１ 工程概況

銀川都市圈中線供水工程主要整合河東灌區各級泵站，改善取水條件，建設供輸水管道，改變灌區沿黃河分散取水現狀，提高灌溉用水保證率。供水區域包括黃河東岸平羅縣陶樂鎮、高仁鄉、紅崖子鄉，銀川市興慶區月牙湖鄉。

工程包括骨干工程和配水工程兩部分。骨干工程包括：１）新建黃沙古渡泵站，拆除上八頃、高仁、六頃地、青沙窩、東來點、黃土梁、五堆子及三棵柳８ 座泵站；２）建設泵站加壓供水管道，即自出水池向平羅縣設置重力流輸水管道，總干管道至平羅縣三鄉鎮，控制灌溉面積２００ ｋｍ２，管線總長度約為４０ ｋｍ。配水工程包括：１）建設配水管道，總長度約７０ ｋｍ，控制灌溉面積１３３ ｋｍ２；２）新建蓄水池２１ 座，總調節容積約為２８０萬ｍ３。

４．２ 基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的協同管理

利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺對工程全過程進行管理，包括計劃編制與匯總、任務變更、形象進度控制、設計方案論證評審等。結合空間信息，繪制基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的銀川都市圈中線供水工程規劃圖，并標注任務和計劃節點。

４．３ 基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的協同設計

按照任務書以及各專業設計計劃，專業設計人員在平臺選擇相應的ＢＩＭ 設計軟件，遵循統一標準，提交各階段設計模型。在銀川都市圈中線供水工程設計中，各專業設計涉及ＢＩＭ 軟件如下：基礎軟件為Ｍｉ?ｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ，建筑、水機、電氣、暖通專業軟件均為Ｏｐｅｎ?Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ，場地、地下管廊軟件為ＯｐｅｎＲｏａｄｓＤｅｓｉｇｎｅｒ，地質專業軟件為ＧｅｏＳｔａｔｉｏｎ，實景建模軟件為ＣｅｔｅｘｔＣａｐｔｕｒｅｓ，渲染、動畫軟件為ＬｕｍｅｎＲＴ，水錘計算軟件為ｈａｍｍｅｒ，施工模擬軟件為Ｓｙｎｃｈｒｏ 等。

項目協同設計過程中，通過配置底層文件，進行工作空間托管，根據專業ＢＩＭ 任務授予權限，專業人員按照進度依次調?。拢桑?文件，進行模型總裝、碰撞檢查、優化設計，最終成果歸檔。黃沙古渡泵站ＢＩＭ 模型數據與ＧＩＳ 數據融合效果見圖４。

４．４ 基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的設計協同交付

基于平臺實現工程設計成果的校審和交付，包括問題批注、圖紙預覽、問題報告生成等。完成ＢＩＭ 模型總裝和碰撞優化后，項目負責人進行方案篩選，將總裝模型與ＧＩＳ 數據融合，形成模型總裝場景；再將總裝場景分享給業主，業主可預覽所有模型成果，將意見無障礙反饋設計方，線上進行模型接收或退回；最后對接收成果進行打包下載，完成設計成果交付。

５ 結束語

筆者開發的水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協同管理平臺，可對微觀ＢＩＭ 模型數據和宏觀ＧＩＳ 數據輕量化處理，實現ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的數據融合，通過場景搭建和數據配置，形成輕量化的業務應用場景； 利用ＷｅｂＧＩＳ 開源Ｃｅｓｉｕｍ，優化ＢＩＭ 重構前端三維渲染機制，可實現ＢＩＭ三維模型在線整體縮放、整體平移、局部框選放大等；利用ＷｅｂＧＬ 快速渲染，可實現ＢＩＭ＋ＧＩＳ 模型可視化瀏覽和場景瀏覽分析，以及ＢＩＭ 和ＧＩＳ 場景分屏聯動分析；通過模型設計過程協同，可避免設計沖突，減少頻繁修改，避免重大設計缺陷；通過設計成果交付協同，可規范輸出設計成果文件，把控模型交付質量。

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【責任編輯 栗 銘】

基金項目：國家重點研發計劃項目（２０１８ＢＢＦ０２０２２）；寧夏回族自治區自然科學基金資助項目（２０２２ＡＡＣ０３７２６）