水利工程BIM+GIS与施工进度动态计划关联方法及实现

耿振云，李端阳，刘 珊，于 航，欧阳乐颖

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350)

1 研究背景

近年来，我国社会经济快速发展，水利行业的发展速度也不断提高，部分水利工程建设项目正在向智能化、信息化方向发展[1-2]，传统的施工进度控制方式已经无法满足工程建设进度目标控制的要求，随着GIS、BIM以及互联网等技术逐渐成熟，水利工程施工进度控制与模拟有了新的技术和思想，可以有效控制施工进度目标。

BIM(building information modeling)技术可将建筑工程三维模型与信息库集成于一体。在水利工程中，地形地质条件是影响水工建筑物设计的重要因素之一，但BIM远不能实现三维地理信息的大场景展现，而GIS(geographic information system)技术可以完美的弥补这一缺陷。通过BIM与GIS技术的结合，可以动态、逼真地解决工程数据整合、空间分析、现场进度仿真等问题。

国内大量的研究人员对施工进度控制优化进行了研究，王婷婷等[3]通过Revit、P6等软件，实现了施工进度的动态模拟；陈红杰等[4]通过BIM技术与RFID技术的融合，实现了装配式建筑物的施工进度信息化采集；刘莎莎等[5]提出了一种BIM与室内三维点云相结合的方法，实现了建筑施工进度的半自动核查；曾平镇等[6]基于BIM技术创建了4D-BIM模型，实现在Navisworks中进行进度模拟，从而达到节约成本、缩短工期的目标。

国外许多学者也开展了相关的研究，Zhang等[7]通过将施工现场控制系统与激光扫描系统相连接，实现了智能化控制施工进度；Luthra[8]基于BIM平台制定施工组织方案，使用 BIM集成技术体系平台进行施工进度计划的编制；Wang等[9]将LiDAR技术与BIM技术动态结合，实现了建筑施工现场进度数据的实时采集与施工质量的控制；Tanyer等[10]通过研发基于IFC标准的4D进度模拟软件，实现了根据BIM模型得到施工预算的过程。

整体上看，BIM已广泛应用至工程施工进度目标控制中，但主要应用于建筑行业，不能完全适用于施工工序繁琐、涉及专业广泛、工程量巨大的水利工程；通过将BIM、GIS与互联网等技术结合的方式，实现BIM与进度计划关联的研究较少；大多研究更注重理论，并未实际应用至工程项目中，没有验证其适用性。针对这些问题，本文依托我国某水闸工程，综合运用BIM技术、GIS技术、互联网技术建立施工进度仿真实时交互场景，以B/S(browser/server)为基本架构，开发了一套基于BIM+GIS的水利工程施工进度管理系统，以达到多专业协同、控制决策与优化、高效控制进度的目的，具有一定的实际价值。

2 基于BIM+GIS的水利工程进度管理框架

2.1 研究思路

进度管理的目的是按照合同规定的进度及质量完成施工任务，并且获得合理的利润[11]。因此在水利工程施工进度管理过程中，研究思路可分为信息采集、信息整编、进度控制3个环节[12]，详见图1。

图1 基于BIM+GIS的水利工程施工进度管理研究思路

在信息采集阶段，采集的信息包括施工浇筑信息、分项工程信息、材料使用信息、施工计量信息等。这些信息不仅类型与来源不同，结构也不同。

在本文中，将进度管理信息的存储形式分为3类：

(1)结构化项目信息数据：包含各种采集信息的结构化数据，存储于数据库MySQL中。

(2)结构化信息模型数据：通过采用BIM Server 等[13]服务器，对BIM模型数据进行解释管理[14]。

(3)非结构化数据：采用MongoDB[15]数据库存储施工进度管理中生成的非结构化数据，如文件、计划表、图片等。

信息采集完成之后，进行信息整编，按照上述3类存储形式将采集的信息存储到相应的数据库中，并编制施工进度计划，建立BIM模型，进行施工进度的初步预测。

信息整编完成之后，再以预测的施工进度作为管理标准，通过施工管理系统实时监控施工进度。由相关管理人员完成进度上报，并进行进度检查与纠偏。

2.2 关键技术

2.2.1 Cesium平台与BIM模型集成 GIS地理信息模型与BIM模型的数据标准存在一定差异，因此要对模型格式进行处理后才可以进行GIS与BIM的信息集成。本文中将rvt文件格式的BIM信息模型进行数据格式的转换，实现BIM模型与Cesium[16]平台的集成，图2为处理流程。

图2 Cesium平台与BIM模型集成流程

图2所示的处理流程具体如下：

(1)使用Revit建立三维模型，并导出fbx格式的文件。

(2)将fbx格式的文件导入3ds max软件，根据实际浇筑情况对模型进行构件级拆分，合理设置模型颜色与贴图，调整模型坐标系位置，并导出dae格式的文件。

(4)坐标转换后，在Cesium平台中导入gltf文件，完成BIM信息模型到Cesium平台的集成操作。

2.2.2 坐标转换 坐标转换[17]是指建立两个坐标系之间的相互关系，即获得一种坐标系到另一种坐标系的转换法则。一般可通过旋转和平移两种方式进行转换[18]。因此本文定义旋转矩阵R、平移矩阵T来阐述坐标转换。

首先，对局部坐标系定义初始条件：

(1)以垂直地表向上方向为Z轴正方向；

(2)Y轴指向正北方向；

(3)旋转矢量与3个坐标轴的夹角分别为θx、θy、θz。

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假设BIM模型中存在任意一点B0，局部坐标为B0(x0，y0，z0)，将其局部坐标原点放置在球心坐标系的点B(Lon，Lat，Ele)上，将点B在局部坐标系下的对应坐标表示为B1(x1，y1，z1)。

根据以上初始条件与假设，3个坐标轴的旋转矩阵Rx、Ry、Rz分别采用四阶矩阵表示。为了实现两个坐标系之间的转化，利用平移矩阵T将球心坐标系原点移至点B1。转化过程见公式(1)～(5)。

Tr=Rx·Ry·Rz·T

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

3 系统的设计与实现

3.1 系统架构

本文基于B/S架构对施工进度管理系统进行设计，系统构架如图3所示，包含表示层、逻辑层与数据层。

图3 水利工程施工进度管理系统构架

对图3所示的水利工程施工进度管理系统构架解释如下：

(1)数据层位于系统总构架的底层，包含BIM模型数据库、GIS数据库、关系数据库、文档数据库，各种相关信息存储于相应的数据库中，以访问各种数据源。

(2)逻辑层位于系统总构架的中部，基于服务接口或者各种引擎构件的各种功能应用是系统框架的核心与关键部位。

(3)表示层位于系统总构架的顶层，包含进度信息管理平台与BIM+GIS三维交互平台。用户通过进入进度信息管理平台，实现BIM模型构建与进度计划动态关联，从而在三维可视化平台中进行施工进度模拟。

3.2 系统开发环境

本系统主要基于MySQL、Layui、Apache、Cesium、ThinkPHP、Css、Html、JavaScript、Python等开发实现。

(1)客户端。本系统是采用Layui框架、基于Css、Html、JavaScript、Python等语言设计系统界面，三维可视化交互平台采用开源的Cesium三维GIS平台。

(2)服务端。本系统服务端采用ThinkPHP进行开发。

(3)应用服务器。采用Windows操作系统、Apache服务器、MySQL数据库和PHP，以完成系统的Web应用服务器。

3.3 系统功能设计与实现

3.3.1 系统功能介绍 基于BIM+GIS的水利工程施工进度管理系统共包括BIM+GIS可视化管理、模型库管理、项目管理、进度管理、系统管理5大模块，如图4所示。

图4 水利工程施工进度管理系统功能设计

(1)BIM+GIS可视化管理。BIM+GIS可视化平台以Cesium为依托建立GIS场景，将项目管理、进度管理等信息与BIM模型绑定，进行可视化展示，主要包括模型剖切、进度仿真模拟、查询定位等。其中进度仿真模拟可根据进度计划进行施工进度仿真，动态显示当前的施工状态，做到对工程量、材料机械、劳动力等施工资源的查询与监控。

(2)模型库管理。模型库管理模块整合了BIM地质模型、BIM建筑模型以及BIM设备模型等相关数据，包含模型导入与下载、模型分类管理和模型信息关联3个子模块。该模块通过模型ID与进度计划相关联，并且BIM模型所集成的信息与正在变化的进度管理信息保持一致。

(3)项目管理。项目管理模块包含合同管理、工程量管理以及项目进度策划3个子模块。此模块解决了“信息孤岛”问题，使得基于BIM+GIS的水利工程施工进度管理平台与项目和工程信息相整合，通过系统将项目参与方联系起来。

(4)进度管理。进度管理模块包含进度计划导入、进度上报、进度检查与纠偏3个子模块。该模块的进度计划与BIM模型构件相关联，根据月工程量上报与工程量及产值查询核查各标段工程量及产值完成情况。根据计划进度与实际进度的差异程度，适时进行检查与纠偏操作。

(5)系统管理。系统管理模块对用户、角色、菜单以及相关权限进行管理。并基于角色的权限控制访问内容，保障系统的正常运行与管理。

3.3.2 施工进度动态关联的实现

(1)进度计划的编制。进度计划的编制包括手动编制与系统导入两种方式，其中系统导入可基于P6进度计划导入工程量，将合同工程量信息与P6软件编制的进度计划相关联，为进度分析提供基础。

(2)建立模型构件库。根据进度计划构建划分，分割BIM模型，创建BIM模型构件库，并为每个模型构件赋予模型构件唯一标识model_id、分项工程sub_project_id、浇筑开始时间start_date、浇筑结束时间end_date等信息。

(3)进度计划与模型构件绑定。根据每条进度分解计划与相应的模型构件唯一标识model_id绑定，实现BIM模型构件的进度信息集成，使其具有所属分项工程、浇筑开始时间、浇筑结束时间等进度信息。

(4)基于Clock控件设置时间范围。根据进度计划，采用viewer.clock.stratTime 函数定义开始时间，viewer.clock.currentTime函数定义当前时间，viewer.clock.stopTime函数定义终止时间。

(5)模型构件动态加载。基于Python脚本生成JSON架构的czml文件，用于在Cesium可视化平台中随时间变化动态显示BIM模型构件。当模型构件的浇筑结束时间stopTime晚于当前时间currentTime时，满足条件的构件信息将被存储于czml文件中，在可视化平台中加载出来，同时模型构件的浇筑结束时间stopTime早于当前时间currentTime时，不在可视化平台中加载，从而实现施工进度的模拟。

4 系统实际应用

某水闸工程是位于安徽省蒙城县城北关涡河上的一座集交通航运、灌溉、排涝、防洪等功能于一体的大型水利枢纽。此水闸包含船闸、节制闸、分洪闸3个部分。船闸布置于左岸，节制闸布置于中部，在右岸老河道预留泵站的位置，节制闸、船闸上闸首及两岸堤防形成完全封闭的防洪体系，工程等别为Ⅲ等大(2)型，建设工期为30个月。目前该施工进度管理系统已应用于此水闸工程中，运行情况良好，应用效果如下：

(1)创建BIM+GIS三维交互环境。基于Cesium平台，使用Cesium.createWorldTerrain函数加载在线Terrain地形图数据，使用Cesium.UrlTemplateImageryProvider函数加载谷歌影像，通过地形数据与影像数据的叠加，展现三维GIS大场景；将BIM模型发布在BIM服务器上，从而完成BIM+GIS三维交互环境的创建(如图5所示)。加载该水闸工程BIM模型后，可实现详细信息、基本信息的查看，并可查看场地分析与工程算量的结果。例如可在详细信息中查看前期规划、项目管理、运营维护等信息。

图5 BIM+GIS三维交互环境界面

(2)进度管理。进度管理包含进度计划管理、进度上报、进度检查与纠偏，并可以在三维可视化平台中进行进度模拟(如图6所示)。根据既定施工进度计划与进度上报中的月工程量、填筑进度以及进度计划监控等信息进行比较分析，及时进行进度检查与纠偏工作，执行相关预案以解决进度偏差问题。

图6 进度管理界面

(3)施工进度仿真。通过在可视化平台中加载czml文件，根据BIM模型构件的时间属性信息，动态加载构件，实现施工进度的模拟仿真。在某水闸工程中，单击开始按钮，可按照时间顺序对水闸的施工进度进行模拟，并可通过拖拽下侧时间轴，查看指定时间的施工进度详情(如图7所示)。

图7 施工进度仿真界面

5 结 论

(1)提出了水利工程施工进度管理过程中BIM模型与施工进度动态关联解决方案，分析了其原理与具体实现方法。并依此提出基于BIM+GIS的水利工程施工进度管理系统框架，为BIM技术在水利工程施工进度管理中的应用提供参考路线。

(2)基于BIM+GIS的水利工程施工进度管理系统提高了水利工程建设中施工进度与工程量的管理水平，在一定程度上解决了水利工程项目在施工管理过程中多专业交流和控制的难题。