基于 BIM+GIS 的水利工程全生命周期建設(shè)管理研究

　　摘 要：針對水利工程項目所處地形環(huán)境復雜、涉及專業(yè)廣、規(guī)劃選址困難等特點，存在地形數(shù)據(jù)獲取不準確、協(xié)同效率低下、進度管理等問題，提出基于 BIM+GIS 技術(shù)的全生命周期建設(shè)應用框架， 采用 BIM 技術(shù)建立精細化模型，GIS 提供真實的三維地形場景信息，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 平臺上進行集成的方法，實現(xiàn)微觀與宏觀、虛擬與現(xiàn)實結(jié)合的多層次、多維度的信息融合，構(gòu)建一個三維可視化的交互環(huán)境。以某抽水蓄能電站為例，應用于水利工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維等階段，實現(xiàn)進度、成本、質(zhì)量、安全等項目信息的精準協(xié)同化表達，為大型水利工程的全生命周期管理應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

　　當前，推進智慧水利建設(shè)是實現(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)管理中實現(xiàn)數(shù)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(fā)展，以其可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、參數(shù)化性等特點，已經(jīng)廣泛的應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)計平臺，提高了協(xié)同設(shè)計效率，實現(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，實現(xiàn)了三維可視化信息化、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計;楊建峰等[3]研究了BIM技術(shù)在水利工程運維管理中的應用，建立了數(shù)字化管理平臺。

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　　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(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(shù)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(huán)境信息，模型與現(xiàn)實割裂開來，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景信息，可以為BIM模型提供地形信息和空間分析。

　　目前國內(nèi)對于GIS+BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換融合應用方面已有研究，翟曉卉等[4]研究了BIM和GIS在空間和語義上的數(shù)據(jù)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(shè)上，石碩等[5]研究了基于GIS BIM的高鐵設(shè)計成果綜合應用平臺，實現(xiàn) BIM 設(shè)計成果與真實地形場景的無縫融合。林國濤等[6]基于無人機、GIS和BIM技術(shù)，實現(xiàn)了道路設(shè)計的協(xié)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(shù)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(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，集成工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)，詳細記錄了建筑物構(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、給排水、測繪、地質(zhì)等多個專業(yè)，采用Autodesk平臺系列的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)模型標準IFC(Industry Foundation Class)，建模精度要求達到LODLOD ，包含幾何實體和豐富的建筑語義信息。

　　2.2 GIS 數(shù)據(jù)

　　在水利工程規(guī)劃設(shè)計中引入GIS技術(shù)，可以實現(xiàn)流域級別場景的可視化表達[7]。隨著無人機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(cè)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(qū)域進行航測作業(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軟件進行內(nèi)業(yè)處理：

　　(1 )影像數(shù)據(jù)導入。設(shè)置相機型號類型，檢查航片完整性導入POS數(shù)據(jù)。(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(qū)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(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?shù)刈鴺讼�，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(chǎn)品類型(DSM、DOM、三維點云)。

　　2.3 數(shù)據(jù)集成

　　當前，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)標準擴展和地理本體論[8]。BIM數(shù)據(jù)集成到三維GIS平臺上主要有以下方面的問題：

　　( 1)數(shù)據(jù)格式標準不同。BIM數(shù)據(jù)標準為IFC，側(cè)重表達幾何信息和豐富的建筑構(gòu)造語義信息。CityGML 更側(cè)重于對城市以及建筑內(nèi)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(zhuǎn)換到大地坐標時需要進行坐標轉(zhuǎn)換，集成到三維GIS平臺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)庫中，讀取信息需要基于原生數(shù)據(jù)庫。

　　(4 )模型建模精度高。BIM建模根據(jù)不同階段的設(shè)計要求，精度達到了LOD3LOD4，對于水輪發(fā)電機來說，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)難題，采用超圖研發(fā)的export插件，對于BIM的主流軟件，實現(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，同時針對傾斜數(shù)據(jù)，支持osgb格式文件的直接讀取。

　　為實現(xiàn)兩者模型的精確匹配，在BIM模型作為數(shù)據(jù)源接入時，查看傾斜攝影數(shù)據(jù)的坐標點，粗略設(shè)置BIM模型坐標原點的經(jīng)緯度，然后進行三維配準，對模型進行偏移、旋轉(zhuǎn)、鑲嵌操作，實現(xiàn)與三維GIS模型、地形數(shù)據(jù)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(wǎng)簡化操作。

　　3 BIM+GIS 水利工程全生命周期應用方案

　　對于構(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，建立一個三維可視化交互環(huán)境，進行模型編輯和空間分析。BIM構(gòu)建一個由虛擬趨向于現(xiàn)實、GIS構(gòu)建一個由現(xiàn)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(shè)管理階段提供信息數(shù)據(jù)和分析支撐。

　　全生命周期BIM應用中，涵蓋了項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)和應用，存在數(shù)據(jù)溢出、信息管理混亂等情況，如設(shè)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(shù)據(jù)的信息管理框架和數(shù)據(jù)庫，對信息進行分類存儲管理，設(shè)置瀏覽權(quán)限，根據(jù)不同階段的項目需求參與方提取相應的BIM信息，實現(xiàn)信息的高效傳遞和共享。

　　同時針對工程項目建設(shè)一直處于動態(tài)變化中，不同階段的項目需求、功能需要的側(cè)重點不同，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)后期項目需要、施工變更、工程建設(shè)的進展，實時的添加、錄入工程信息，對前期的數(shù)據(jù)進行補充、修改，實現(xiàn)信息動態(tài)數(shù)字化更新，進行全生命周期的信息集成管理。

　　4 實例應用

　　某抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫及地面開關(guān)站等建筑物組成，裝機容量120萬千瓦，安裝 臺30萬千瓦可逆式水輪發(fā)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米，壩頂軸線長度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，無人機航測作業(yè)中信號易受到干擾，影響數(shù)據(jù)采集的精度�；诖藛栴}采用精靈PHANTOM tk多旋翼高精度航測無人機，通過基站自帶靜態(tài)采集功能，如果差分信號受到干擾，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。航測作業(yè)前，基于SDK遙控器搭載的APP進行航線規(guī)劃，采用井字飛行，共獲得531組影像數(shù)據(jù)。

　　4.2 設(shè)計階段

　　4.2.1 模型創(chuàng)建

　　下水庫為面板堆石壩，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，將項目目標分解成對應較小的工作單元，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(shù)便可以實現(xiàn)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�；谏傻男畔⒛Ｐ涂煽焖偕纱髩蔚姆謪^(qū)材料明細表，方便工程量統(tǒng)計、成本控制等。

　　BIM模型完成后，通過export轉(zhuǎn)換插件，將模型導出為中間格式，導入到三維GIS平臺supermap中，實現(xiàn)BIM模型與傾斜攝影模型的精準匹配，同時可添加衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)，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(lián)系起來，建立水利水電工程項目的集群工作環(huán)境。

　　5 結(jié)語

　　( 1)本文針對當前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平臺上的融合方法，建立一個三維可視化交互環(huán)境。

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

　　參考文獻

　　[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)計應用研究[J]. 水電能源科學,2021, 39(8):4.

　　[2] 翟曉卉, 史健勇. BIM 和 GIS 的空間語義數(shù)據(jù)集成方法及應用研究[J]. 圖學學報, 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,2018, 36(12):4.

　　[4] 楊建峰, 陳云, 王鐵力,等. BIM技術(shù)在水利工程運維管理中的應用[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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