基于 BIM+GIS 的水利工程全生命周期建設管理研究

　　摘 要：針對水利工程項目所處地形環境復雜、涉及專業廣、規劃選址困難等特點，存在地形數據獲取不準確、協同效率低下、進度管理等問題，提出基于 BIM+GIS 技術的全生命周期建設應用框架， 采用 BIM 技術建立精細化模型，GIS 提供真實的三維地形場景信息，分析兩者數據融合難題，研究將 BIM 模型、傾斜攝影數據等多源數據融合接入到三維 GIS 平臺上進行集成的方法，實現微觀與宏觀、虛擬與現實結合的多層次、多維度的信息融合，構建一個三維可視化的交互環境。以某抽水蓄能電站為例，應用于水利工程的規劃、設計、施工、運維等階段，實現進度、成本、質量、安全等項目信息的精準協同化表達，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，提高了水利工程數字化建設水平。

　　關鍵詞：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。于琦等[1]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，實現了三維可視化信息化、多專業協同設計;楊建峰等[3]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。

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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，翟曉卉等[4]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，石碩等[5]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。林國濤等[6]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。

　　2 BIM+GIS 數據集成

　　2.1 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、Civil 、Inventor等主流軟件分系統建模，產生RVT、 WC、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LODLOD ，包含幾何實體和豐富的建筑語義信息。

　　2.2 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 contextcapture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)。

　　2.3 數據集成

　　當前，在 GIS 與 BIM 數據融合集成方面，可主要分為 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。CityGML 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LOD3LOD4，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。

　　3 BIM+GIS 水利工程全生命周期應用方案

　　對于構建的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。

　　4 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120萬千瓦，安裝 臺30萬千瓦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PHANTOM tk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 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。

　　4.2 設計階段

　　4.2.1 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。

　　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supermap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。

　　5 結語

　　( 1)本文針對當前BIM+GIS融合方面存在的問題，研究了BIM主流軟件數據(Revit、civil 、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。

　　參考文獻

　　[1] 于琦, 張社榮, 王超,等. 基于 WebGL 的水電工程 BIM 正向協同設計應用研究[J]. 水電能源科學,2021, 39(8):4.

　　[2] 翟曉卉, 史健勇. BIM 和 GIS 的空間語義數據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技術在水利工程運維管理中的應用[J]. 水利水電技術, 2020(S1):6.

　　[5] 石碩, 倪葦. 基于 BIM+GIS 技術的鐵路工程管理系統研發與應用[J]. 鐵路技術創新, 2020(4):30-34.

　　作者：孫少楠，宋宜昌

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