基于 BIM+GIS 的水利工程全生命周期建設(shè)管理研究

　　摘 要：針對(duì)水利工程項(xiàng)目所處地形環(huán)境復(fù)雜、涉及專業(yè)廣、規(guī)劃選址困難等特點(diǎn)，存在地形數(shù)據(jù)獲取不準(zhǔn)確、協(xié)同效率低下、進(jìn)度管理等問題，提出基于 BIM+GIS 技術(shù)的全生命周期建設(shè)應(yīng)用框架， 采用 BIM 技術(shù)建立精細(xì)化模型，GIS 提供真實(shí)的三維地形場(chǎng)景信息，分析兩者數(shù)據(jù)融合難題，研究將 BIM 模型、傾斜攝影數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)融合接入到三維 GIS 平臺(tái)上進(jìn)行集成的方法，實(shí)現(xiàn)微觀與宏觀、虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的多層次、多維度的信息融合，構(gòu)建一個(gè)三維可視化的交互環(huán)境。以某抽水蓄能電站為例，應(yīng)用于水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等項(xiàng)目信息的精準(zhǔn)協(xié)同化表達(dá)，為大型水利工程的全生命周期管理應(yīng)用提供了一種新的思路，提高了水利工程數(shù)字化建設(shè)水平。

　　關(guān)鍵詞：BIM;GIS;水利工程;全生命周期管理;傾斜攝影

　　1 引言

　　當(dāng)前，推進(jìn)智慧水利建設(shè)是實(shí)現(xiàn)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要路徑之一。如何在水利工程全生命周期建設(shè)管理中實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場(chǎng)景展示、提高信息化水平成為目前研究的熱點(diǎn)。隨著BIM的快速發(fā)展，以其可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、參數(shù)化性等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于水利水電工程的數(shù)字建設(shè)中，取得了很好的成果。于琦等[1]搭建了水利水電工程BIM正向設(shè)計(jì)平臺(tái)，提高了協(xié)同設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)共享;荊鵬程等[2]研究了基于BIM的水利水電工程全生命周期管理研究，實(shí)現(xiàn)了三維可視化信息化、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì);楊建峰等[3]研究了BIM技術(shù)在水利工程運(yùn)維管理中的應(yīng)用，建立了數(shù)字化管理平臺(tái)。

　　水利論文范例：水利工程移民安置監(jiān)督評(píng)估質(zhì)量控制原則及要點(diǎn)

　　綜合來看，BIM在水利工程中的應(yīng)用成果顯著。但是隨著工程數(shù)字化的深入發(fā)展，BIM的局限性被逐漸放大，水利工程是一個(gè)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(fù)雜、施工難度大、工期長(zhǎng)，而BIM技術(shù)主要應(yīng)用于單體工程，其應(yīng)用特點(diǎn)是三維模型單體精確化，而不具有外部環(huán)境信息，模型與現(xiàn)實(shí)割裂開來，工程之間缺少聯(lián)系，協(xié)同效率低下，單體的BIM三維模型應(yīng)用已經(jīng)不能很好的解決大型水利水電工程建設(shè)管理問題。而GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)，其具有宏觀的地理場(chǎng)景信息，可以為BIM模型提供地形信息和空間分析。

　　目前國(guó)內(nèi)對(duì)于GIS+BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換融合應(yīng)用方面已有研究，翟曉卉等[4]研究了BIM和GIS在空間和語(yǔ)義上的數(shù)據(jù)集成方法，避免信息缺失。應(yīng)用方面主要集中在鐵路、公路建設(shè)上，石碩等[5]研究了基于GIS BIM的高鐵設(shè)計(jì)成果綜合應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn) BIM 設(shè)計(jì)成果與真實(shí)地形場(chǎng)景的無縫融合。林國(guó)濤等[6]基于無人機(jī)、GIS和BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了道路設(shè)計(jì)的協(xié)同化管理，而針對(duì)水利工程的應(yīng)用較少。因此本文提出基于BIM+GIS技術(shù)在水利工程全生命周期的交互應(yīng)用，拓展BIM應(yīng)用維度，以某抽水蓄能電站為例，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建設(shè)管理。

　　2 BIM+GIS 數(shù)據(jù)集成

　　2.1 BIM 數(shù)據(jù)

　　BIM在3D模型基礎(chǔ)上，集成工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)，詳細(xì)記錄了建筑物構(gòu)件的幾何、屬性信息，包含空間、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，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(jié)、水機(jī)、給排水、測(cè)繪、地質(zhì)等多個(gè)專業(yè)，采用Autodesk平臺(tái)系列的Revit、Navisworks、Civil 、Inventor等主流軟件分系統(tǒng)建模，產(chǎn)生RVT、 WC、NWF、DWF、IPT等中間格式文件，執(zhí)行數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)IFC(Industry Foundation Class)，建模精度要求達(dá)到LODLOD ，包含幾何實(shí)體和豐富的建筑語(yǔ)義信息。

　　2.2 GIS 數(shù)據(jù)

　　在水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中引入GIS技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)流域級(jí)別場(chǎng)景的可視化表達(dá)[7]。隨著無人機(jī)RTK技術(shù)的快速發(fā)展，傾斜攝影數(shù)據(jù)成為三維GIS的重要數(shù)據(jù)來源。通過在飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜、五個(gè)不同的視角同步采集影像，獲取到建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。本文通過應(yīng)用多旋翼高精度航測(cè)無人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航測(cè)作業(yè)，采集地形影像數(shù)據(jù)，照片包含經(jīng)緯度、海拔、高度、飛行姿態(tài)等信息，采用 contextcapture軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理：

　　(1 )影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入。設(shè)置相機(jī)型號(hào)類型，檢查航片完整性導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)。(2 )空中三角測(cè)量加密。計(jì)算輸入影像的位置、角元素和相加屬性(焦距、主點(diǎn)、鏡頭畸變)，山區(qū)地形一般采用無人機(jī)仿地飛行，造成空三多次迭代失敗，需根據(jù)參數(shù)生成平差區(qū)塊。(3 )空三檢查。檢查航片是否交叉。(4 )設(shè)置為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，導(dǎo)入測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，刺點(diǎn)。( 5)重新提交空中三角測(cè)量。( 6)新建重建項(xiàng)目。( 7)選擇生成產(chǎn)品類型(DSM、DOM、三維點(diǎn)云)。

　　2.3 數(shù)據(jù)集成

　　當(dāng)前，在 GIS 與 BIM 數(shù)據(jù)融合集成方面，可主要分為 種方式，分別是數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展和地理本體論[8]。BIM數(shù)據(jù)集成到三維GIS平臺(tái)上主要有以下方面的問題：

　　( 1)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)不同。BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為IFC，側(cè)重表達(dá)幾何信息和豐富的建筑構(gòu)造語(yǔ)義信息。CityGML 更側(cè)重于對(duì)城市以及建筑內(nèi)外地理空間對(duì)象的描述，表達(dá)空間位置和拓?fù)鋵傩�，采用GML建模語(yǔ)言。

　　(2 )坐標(biāo)系不同。BIM模型一般采用局部坐標(biāo)或工程坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)時(shí)需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，集成到三維GIS平臺(tái)上存在位置偏差和形狀發(fā)生改變。

　　( 3)材質(zhì)、顏色、構(gòu)件丟失。BIM模型包含豐富的屬性信息，而材質(zhì)信息基于本地的材質(zhì)庫(kù)中，讀取信息需要基于原生數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　(4 )模型建模精度高。BIM建模根據(jù)不同階段的設(shè)計(jì)要求，精度達(dá)到了LOD3LOD4，對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)來說，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換會(huì)引起大量的布爾運(yùn)算，加載讀取模型信息困難。針對(duì)BIM+GIS融合的技術(shù)難題，采用超圖研發(fā)的export插件，對(duì)于BIM的主流軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的中間格式轉(zhuǎn)換，以配置數(shù)據(jù)集的方式集成到三維GIS平臺(tái)，同時(shí)針對(duì)傾斜數(shù)據(jù)，支持osgb格式文件的直接讀取。

　　為實(shí)現(xiàn)兩者模型的精確匹配，在BIM模型作為數(shù)據(jù)源接入時(shí)，查看傾斜攝影數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點(diǎn)，粗略設(shè)置BIM模型坐標(biāo)原點(diǎn)的經(jīng)緯度，然后進(jìn)行三維配準(zhǔn)，對(duì)模型進(jìn)行偏移、旋轉(zhuǎn)、鑲嵌操作，實(shí)現(xiàn)與三維GIS模型、地形數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)融合。同時(shí)為保證模型的流暢瀏覽，對(duì)BIM模型進(jìn)行輕量化、三角網(wǎng)簡(jiǎn)化操作。

　　3 BIM+GIS 水利工程全生命周期應(yīng)用方案

　　對(duì)于構(gòu)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(gòu)數(shù)據(jù)，通過配置統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，建立一個(gè)三維可視化交互環(huán)境，進(jìn)行模型編輯和空間分析。BIM構(gòu)建一個(gè)由虛擬趨向于現(xiàn)實(shí)、GIS構(gòu)建一個(gè)由現(xiàn)實(shí)模擬虛擬的應(yīng)用方案，集成到三維GIS平臺(tái)上相互反饋、融合應(yīng)用，為水利工程全生命周期建設(shè)管理階段提供信息數(shù)據(jù)和分析支撐。

　　全生命周期BIM應(yīng)用中，涵蓋了項(xiàng)目各參與方各階段產(chǎn)出的全部信息，涉及不同階段的流轉(zhuǎn)和應(yīng)用，存在數(shù)據(jù)溢出、信息管理混亂等情況，如設(shè)計(jì)、施工等階段有價(jià)值的項(xiàng)目信息不一定適用于運(yùn)維階段，因此應(yīng)建立一個(gè)基于BIM數(shù)據(jù)的信息管理框架和數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)信息進(jìn)行分類存儲(chǔ)管理，設(shè)置瀏覽權(quán)限，根據(jù)不同階段的項(xiàng)目需求參與方提取相應(yīng)的BIM信息，實(shí)現(xiàn)信息的高效傳遞和共享。

　　同時(shí)針對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)一直處于動(dòng)態(tài)變化中，不同階段的項(xiàng)目需求、功能需要的側(cè)重點(diǎn)不同，前期的BIM模型數(shù)據(jù)不能滿足后續(xù)階段的信息需求。需根據(jù)后期項(xiàng)目需要、施工變更、工程建設(shè)的進(jìn)展，實(shí)時(shí)的添加、錄入工程信息，對(duì)前期的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充、修改，實(shí)現(xiàn)信息動(dòng)態(tài)數(shù)字化更新，進(jìn)行全生命周期的信息集成管理。

　　4 實(shí)例應(yīng)用

　　某抽水蓄能電站由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫(kù)及地面開關(guān)站等建筑物組成，裝機(jī)容量120萬千瓦，安裝 臺(tái)30萬千瓦可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，屬一等大(1)型工程。電站下水庫(kù)大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高100.60米，壩頂軸線長(zhǎng)度416米，填筑料量約305.7萬方。

　　4.1 水利工程規(guī)劃階段

　　抽水蓄能電站所在處地形起伏大，無人機(jī)航測(cè)作業(yè)中信號(hào)易受到干擾，影響數(shù)據(jù)采集的精度�；�于此問題采用精靈PHANTOM tk多旋翼高精度航測(cè)無人機(jī)，通過基站自帶靜態(tài)采集功能，如果差分信號(hào)受到干擾，可關(guān)閉精靈 的RTK功能，通過CGO2.0 PPK后差分解算，保證數(shù)據(jù)精度。航測(cè)作業(yè)前，基于SDK遙控器搭載的APP進(jìn)行航線規(guī)劃，采用井字飛行，共獲得531組影像數(shù)據(jù)。

　　4.2 設(shè)計(jì)階段

　　4.2.1 模型創(chuàng)建

　　下水庫(kù)為面板堆石壩，由堆石體和防滲系統(tǒng)組成，分成面板、趾板、墊層、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、底部反濾層、排水棱體。模型創(chuàng)建前，將項(xiàng)目目標(biāo)分解成對(duì)應(yīng)較小的工作單元，采用Revit參數(shù)化建模，包含幾何、材料等屬性參數(shù)，快速準(zhǔn)確生成三維仿真模型，后期需要對(duì)模型進(jìn)行修改時(shí)，只需要改動(dòng)參數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qū)材料明細(xì)表，方便工程量統(tǒng)計(jì)、成本控制等。

　　BIM模型完成后，通過export轉(zhuǎn)換插件，將模型導(dǎo)出為中間格式，導(dǎo)入到三維GIS平臺(tái)supermap中，實(shí)現(xiàn)BIM模型與傾斜攝影模型的精準(zhǔn)匹配，同時(shí)可添加衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)，賦予BIM模型宏觀的地理場(chǎng)景，將抽水蓄能電站的分部、分項(xiàng)工程聯(lián)系起來，建立水利水電工程項(xiàng)目的集群工作環(huán)境。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　( 1)本文針對(duì)當(dāng)前BIM+GIS融合方面存在的問題，研究了BIM主流軟件數(shù)據(jù)(Revit、civil 、inventor)和傾斜攝影數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)在三維GIS平臺(tái)上的融合方法，建立一個(gè)三維可視化交互環(huán)境。

　　( 2)將BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用于水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段，為全生命周期建設(shè)管理應(yīng)用提供了一種新的思路，在傳統(tǒng)BIM精細(xì)化模型應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了水利工程的可視化場(chǎng)景表達(dá)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 于琦, 張社榮, 王超,等. 基于 WebGL 的水電工程 BIM 正向協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[J]. 水電能源科學(xué),2021, 39(8):4.

　　[2] 翟曉卉, 史健勇. BIM 和 GIS 的空間語(yǔ)義數(shù)據(jù)集成方法及應(yīng)用研究[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 41(1):10.

　　[3] 蒯鵬程, 趙二峰, 李培聰,等. 基于 BIM 的水利水電工程全生命周期管理研究[J]. 水電能源科學(xué),2018, 36(12):4.

　　[4] 楊建峰, 陳云, 王鐵力,等. BIM技術(shù)在水利工程運(yùn)維管理中的應(yīng)用[J]. 水利水電技術(shù), 2020(S1):6.

　　[5] 石碩, 倪葦. 基于 BIM+GIS 技術(shù)的鐵路工程管理系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J]. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新, 2020(4):30-34.

　　作者：孫少楠，宋宜昌

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