GIS和BIM集成平台架构设计在水利工程管理中的应用探讨

李名哲

（长江空间信息技术工程有限公司，湖北 武汉 430010）

1 引言

由于需要面对大量复杂且高度分散的信息，在施工的每个阶段，有效的沟通和信息共享都十分必要。过去十年，采用建筑信息模型（BIM）成为建筑行业信息管理的主要趋势，为整个建设项目周期进行信息管理和项目管理提供了一种先进的数字工具和信息共享平台[1]。BIM 集成了建筑物和设施的图形和非图形数据，依托生成的虚拟现实模型，引入流程管理概念，减少了规划、设计、施工和运营中的信息遗漏，提供了对象级协调功能，允许查询、上传、更新、传输和管理模型数据，并支持多种应用程序集，适合与相关技术进行集成[2]。

随着地理信息系统（GIS）技术的不断发展，GIS的应用日益广泛，很多应用是基于Web 创建，提供多种Web Services 服务，改变了传统GIS 数据应用的访问和传输方式。这些应用提供各种标准接口，成为多源异构数据的空间承载，使GIS 真正成为可以被公众使用的工具[3]。

近年来，GIS 和BIM 不断走向融合，两者融合的益处在实际应用中得到了证明：将BIM 信息融入GIS空间场景，采用信息化和空间化的技术手段，对改进复杂建筑工程结构的设计和设施管理尤为重要[4]。

2 技术流程

水利水电工程项目的特点是需要集成运用不同信息管理技术，本文提出集成GIS 地理空间模型、BIM和3D 可视化技术，实现对水利水电工程项目和地理环境的智能化建模，将BIM 和GIS 异构数据集成到统一环境，无需转换标准或导出中间格式。技术流程如图1 所示。

图1 BIM和GIS集成模型和方法

数据融合主要包括四个关键技术：（1）模型数据、地形数据和地图数据的3D 可视化；（2）坐标转换，将BIM 和GIS 数据进行坐标基准统一，确保建筑模型在地理环境中的准确定位；（3）模型绘制，用于解决统一场景中大型模型的实时绘制问题；（4）信息显示和检索，用于检索建筑模型信息和地理空间元素信息。

3 系统架构

系统采用B/S 开发架构，主要包括表示层、应用层和数据层。系统架构如图2 所示。

3.1 表达层

表达层是指为最终用户提供的用于交互式数据可视化、检索和操作的用户界面，是系统的顶层，基于HTML5、JavaScript 和Cascade 样 式 表（CSS）开发，支持在Web 浏览器（如Google Chrome、Mozilla Firefox、Safari 和Opera）上显示3D 内容。

图2 系统架构

3.2 应用层

应用层包含JavaScript 函数和Web 应用程序，采用PHP 编写并部署在ThinkPHP Web 框架中。Apache HTTP Server 用于处理各种用户的业务请求，并将响应信息发送回客户端。JavaScript 函数和Web 应用程序是关键部分，涉及四个主要功能组件 ：可视化查询、对象级数据管理、分析工具和设施管理，构成系统体系结构的核心。

3.3 数据层

数据层位于最底层，主要用于数据的存储和访问。数据存储部分由关系数据库、BIM 模型数据库、地理空间数据库和文档组成。关系数据库是一个由关系变量组成的数据库，直接通过数据表来管理数据；地理空间数据集和用于空间数据分析的算法位于地理空间数据库；通过数据库访问接口，Web 服务接口以及使用开放地理空间联盟（OGC）制定的开放标准（如Web功能服务或Web 地图服务）来访问数据。

4 案例分析

系统在云南省某水电站项目管理中得到了应用，该电站于2014 年建成并投入生产，总装机容量为5850MW，包括一座261.5 米高的堆石坝、一条露天溢洪道、两条泄洪隧道和一个地下动力系统，以及其他结构。为了支持与应用程序的互操作性，已基于IFC标准建立了电站的BIM 模型。水电站项目布局如图3所示。

水利水电项目具有复杂的地形条件，涉及广泛的专业领域，需要处理工程枢纽的复杂布局以及异构信息源等各种问题。根据云南某水利水电项目的特点，通过将3D BIM 模型集成到GIS 3D 大场景中，实现工程宏信息和微观信息的集成，进而实现地理空间3D 导航和建筑模型的动态浏览和虚拟仿真，主要功能包括缩放、平移、旋转、定位和动态场景漫游显示等。除了基本3D 内容的可视化和查询，系统还集成了安全监视和分析、设施管理等其他功能。集成BIM 和GIS 的优点主要体现在以下几个方面：

图3 云南某水电站项目布局

4.1 可视化和查询

在WebGL 的支持下，客户端可以可视化3D 建筑模型、地形和各种专题图。使用Cesium API 提供的一些基本功能，将其添加到查看器中，利用缩放、平移、旋转，以及提供实时动态可视化的特殊功能，让用户能够创建数据驱动的动态场景。

基于真实地形建模环境，集成平台可以对设计和施工道路进行优化，也可以使用BIMQL 提取所有列的查询，生动展示设计思路，从而便于选择施工技术方案，大大提高工作效率和设计质量，平台可视化查询如图4 所示。

图4 平台可视化查询

4.2 对象级数据管理

对象级数据管理是BIM 的天然优势，可以确保平台清楚显示基础结构的层次结构，并直接维护对象上的数据。此外，用户可以执行诸如隐藏、隔离、显示和透明化等操作。

4.3 分析功能

分析功能主要包括：（1）轮廓分析，用于对空间中的分散数据进行插值计算；（2）缓冲分析，用于计算一个要素的影响范围；（3）网络分析，用于路由选择、资源分配和网络流量分析；（4）安全监测与分析，用于大坝安全稳定计算。大坝安全分析如图5 所示。

图5 大坝安全分析

4.4 设施管理

BIM 和GIS 的集成为设施管理提供了可靠的工作平台，记录了统一、完整的模型、属性和地理位置等信息。利用设施管理模块，用户可以查询相关设备信息，包括设备状态、用户手册和维护记录。如果发生紧急情况，可以快速识别和定位故障设备。同时，可以从平台上查询设备维护计划、工单分配和账户记录，提高了工作效率。

5 结论

近年来，随着区域经济一体化的发展和深化，跨区域互联互通基础设施的需求日益增长，全球基础设施建设正迎来一轮发展新机遇。BIM、GIS、多源数据融合等信息技术正成为这一浪潮的催化剂。本文提出了一种集成BIM 和GIS 的方法，将基础设施项目的BIM 数据集成应用于真实大场景GIS 环境中，通过实际案例验证了可行性，为相似的工程项目提供了参考借鉴。