BIM 技术在珠三角水资源配置工程中的集成应用

杜灿阳 ，张兆波 ，刘 丹 ，朱晓斌

（1. 广东粤海珠三角供水有限公司，广东 广州 510000；2. 上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335；3. 水利部水利水电规划设计总院，北京 100120）

0 引言

依照国家和水利部对水利工程建设补短板和强监管的总体要求，水利工程信息化建设迫在眉睫[1]。随着 BIM 应用的逐步深入，单独应用 BIM 的项目将越来越少，更多的是将 BIM 与其他先进技术或应用系统集成，以期发挥更大的综合价值[2]。新一代信息技术正与水利行业加速融合，对行业发展产生巨大的推动作用，为智慧水利工程创造了可能[3]。以 BIM 技术为基础，结合互联网技术，可以加强信息协作，支持分布式管理模式，扩展工程数据来源，挖掘海量数据中蕴藏的价值，支持智慧型决策[4]。目前水利行业信息化水平还比较低，BIM 集成应用很少，为此以珠江三角洲水资源配置工程（以下简称珠三角工程）为例，依托 BIM 技术与信息化平台，探索研究水利工程全专业、全过程、全参与方的集成应用[5]，以期为珠三角工程创造价值，树立行业先行应用的示范案例，推动行业内 BIM 技术应用进入新业态。

珠三角工程是为优化配置珠三角地区东、西部水资源，从珠三角网河区西部的西江水系向东引水至珠三角东部的，国务院要求加快建设的全国 172 项节水供水重大水利工程之一。工程输水线路总长度为 113.1 km，其中：主干线总长度为 90.3 km，沿线设两级泵站，设计总扬程为 108.0 m；深圳分干线长度为 11.9 km，设一级泵站，设计扬程为 35.5 m，最大扬程为 43.0 m；东莞分干线长度为 3.5 km；南沙支线长度为 7.4 km。多年平均引水量为 17.87 亿 m3，供水量为 17.08 亿 m3。工程等别为Ⅰ等，工程规模为大（1）型，输水线路施工建设主要以盾构掘进方式为主，全线工程分为多个标段进行分段施工。

按照各级管理单位对水利信息化的建设要求及规范[6-9]，对珠三角工程进行全生命周期、全过程的信息化建设，目前已搭建 PMIS 系统（项目管理系统）、智慧监管平台、质量检测信息管理系统、安全监测管理系统等信息化系统。珠三角智慧工程建设充分利用 BIM 和 GIS 等技术构建智慧工程底座，开发 BIM + GIS 工程全生命周期系统平台[10]，开展应用与数据 2 种集成服务，为工程提供全新的信息展现效果，实现工程建设期的三维可视化管控。

1 BIM 应用目标与内容

按照珠三角工程“打造新时代生态智慧水利工程”的建设总目标，遵循“互联网 + 智慧建造”发展新思路[11]，创建三维信息化 BIM 模型，并基于BIM 模型建立 BIM + GIS 系统平台，对珠三角工程的设施、设备状态及环境信息进行全面的数据集成，信息融合，可视化展现，解决供水工程建设期较长、工程线路长、地质条件复杂、建设难度大、参建方多、管理难度大等问题，实现不同层级参与者信息有效交互与业务协同，保障整个工程管理的高效有序，实现工程精细化与一体化管理，辅助管理者多维度掌控工程动态及科学决策。

BIM 技术应用主要包括以下 2 个方面：1）BIM模型的创建及应用。主要包括 BIM 模型创建， BIM基础性应用，施工 BIM 应用等内容。2）基于 BIM +GIS 系统平台的集成应用。主要包括支撑平台与门户搭建，态势感知与辅助决策，以及基于 BIM +GIS 的专题应用。本研究重点论述 BIM 技术在珠三角工程建设管理中的集成应用。

2 BIM 集成应用内容

2.1 BIM + GIS 支撑平台搭建

BIM 集成应用离不开 BIM 平台，珠三角工程建立以 BIM 数据为核心的多维数据管理支撑平台[12]，满足工点、单体及多项目数据管理需要。自主研发的原生数据转换工具（插件形式）将源 BIM 模型格式可控地转换为自主设计的结构化和轻量化的 BIM模型格式，通过基于浏览器的超大体量 BIM，BIM +GIS，以及基于 Unity 3D 深度定制的 VR（虚拟现实）等引擎直接加载中间格式文件，满足同一模型格式支持多个场景应用的要求，实现一模多用。

BIM + GIS 支撑平台在数据收集时对 BIM 模型数据进行了结构化组织，并具有独立的图形引擎，解决了与业务系统交互中最核心的结构化数据的关联问题，满足了业务系统中显示和操作 BIM 模型数据的需求。BIM 数据和 GIS 数据在支撑平台上的统一，共同构成管理数据的各项目业务信息化系统和项目大数据管理的 BIM + GIS 应用环境的基础，实现 BIM + GIS + VR，二维 + 三维，模型 + 业务的多维关联。

2.2 四大态势分析与辅助决策

项目态势分析与辅助决策主要呈现形式为数据驾驶舱，即在业务数据积累的基础之上，摘录出与工程相关的关键性指标和信息，通过汇总统计的方式进行数据可视化展现，同时基于 BIM + GIS 支撑平台将数据与三维场景集成，总体把握项目进展情况。珠三角工程四大态势（进度、质量、安全、资金态势）分析与辅助决策业务数据流程如图 1 所示。

图 1 四大态势分析与辅助决策业务流程图

2.2.1 进度态势分析与辅助决策

进度态势分析与辅助决策，即进度驾驶舱，基于 BIM + GIS 创建三维可视化的进度场景[13]，根据珠三角工程项目管理信息系统中的目标计划和进度跟踪反馈情况，对设计、土建及安装施工、设备的交付进度，以及专项进度等进展情况进行分析。进度驾驶舱将根据各级用户对进度管理业务的需求，采用逐级深入的方式从全线级、标段级、单位工程级 3 个层次对施工进度管理信息进行统计分析，并采用数据展示、GIS 展示、综合统计 3 种不同的方式呈现数据。具体功能结构如图 2 所示。

全线级主要采用基于 GIS 的全线工程业务图层，展示整个工程全线的进度情况；标段级主要采用基于 GIS + 标段级工程的业务图层，展示各个标段级别的进度情况；单位工程级进度态势分析，主要以 GIS 工程业务图层 + BIM 模型建立三维场景，以本标段工程项目全景 GIS + BIM 图及 BIM 构件级方式，可视化展现本标段工程的进度态势，开发界面如图 3 所示（质量、安全、资金态势感知分析开发界面与其类似）。

2.2.2 质量态势分析与辅助决策

质量态势分析与辅助决策基于 BIM + GIS 创建三维可视化的质量场景，是以质量验收与评价为主线，按质量计划对质量控制点进行识别、控制、检查、不符项处理、整改管理，以及最后验收关闭的过程。采用逐级深入的方式从全线级、标段级、单位工程级 3 个维度，对质量目标、验评、事故、预警、考核，以及原材料追溯流程等内容进行汇总统计，满足各级用户对质量业务的需求，其功能结构如图 4 所示。

图 2 进度态势功能结构图

图 3 单位工程级进度态势界面

全线级主要采用基于 GIS 的业务地图形式，展示整个工程的质量情况；标段级主要采用基于 GIS +标段级工程的业务图层形式，展示各个标段的质量情况；单位工程级主要基于 BIM，展示各层级构件质量情况。

2.2.3 安全态势分析与辅助决策

安全态势分析与辅助决策基于 BIM + GIS 创建三维可视化的安全场景，对工程安全进行可视化、

可量化和精准化管理。采用逐级深入的方式从全线级、管理部级、标段级、工区级、单位工程级 5 个维度对安全态势进行统计分析，满足各级用户对安全业务的需求，其中全线级与管理部级，工区级与单位工程级主要功能相同，仅数据统计范围有所差异，其功能结构如图 5 所示。

图 5 安全态势功能结构图

全线级（管理部级）以 GIS 底图为主体背景（以标段为单位划分 GIS 底图），展现整个工程全线安全管理情况；标段级以 GIS 底图（标段范围）为主体背景图（以工区为单位划分 GIS 底图），结合 BIM模型三维展示各标段的安全情况；单位工程级（工区级）以标段工程项目全景 GIS + BIM 图及 BIM 构件级方式，可视化展现本工区工程的安全态势。

2.2.4 资金态势分析与辅助决策

资金态势分析与辅助决策，基于 BIM + GIS 创建三维可视化的进度场景，以项目概算为执行抓手，实现对项目的资金全过程控制和工程过程结算费用及中标合同价款的统计分析，进行项目的投资完成比例分析，获取总体资金动态，实现预付、支付执行情况的跟踪，把控项目成本，辅助资金管理决策。采用逐级深入的方式从全线级、标段级、单位工程级 3 个维度对资金管理信息进行统计分析，满足用户对资金管理业务的各个层级的需求，其功能结构如图 6 所示。

图 6 资金态势功能结构图

资金态势主界面为全线级态势总览；标段级为第 2 级界面，通过 GIS 的方式在地图上可展开进入；单位工程级为第 3 级，在标段级界面中以 BIM方式展现，可进入查看具体信息。

2.3 四大专题应用

2.3.1 盾构机与 TBM 设备状态跟踪与高效运行可视化应用场景

基于 BIM + GIS 支撑平台的盾构机与 TBM（全断面硬岩隧道掘进机）设备状态跟踪系统集成，以BIM 地质模型和 GIS 数据为载体，在可视化三维系统下，依靠智慧监管系统接入施工单位和设备厂家：通过设备自动感知、盾构机与 TBM 设备的状态监测等数据，实时反馈盾构机的掘进姿态及设备的运行状态，指导地下掘进，同时辅助地面工程师调配生产资源；分析设备的高效运行数据区间，及时预存提供备品备件，保障设备低损耗高效运行，为掘进工作提供安全、快速、直观的调度和监管平台。可视化场景架构如图 7 所示。

图 7 盾构机与 TBM 可视化场景架构

在此可视化场景架构的基础上，充分结合项目实际情况调整功能分级，按照用户操作习惯，将盾构机与 TBM 可视化场景分为以下 3 个可视化应用场景进行设计：

1）项目全线级。在 BIM + GIS 支撑平台提供的可视化应用场景基础上，表现项目全线盾构机路径、位置、状态、基础信息等内容。

2）标段级。在项目全线级的可视化内容基础上，结合 BIM + GIS 支撑平台，由全线级的三维可视化场景向标段级的三维可视化内容变化，同时盾构机路径表现形式由矢量线变为隧洞模型表示。

3）区间级。区间级的盾构机与 TBM 可视化应用，是在 BIM + GIS 支撑平台提供的 BIM 可视化应用的基础上，综合表现盾构机实时参数、监控系统内容。

2.3.2 地下工程与地面设施影响监控保障可视化应用场景

因珠三角工程穿越珠三角核心区，地下、地面建筑物类型多，设施复杂多样，影响监控保障，故对项目施工安全要求高，基于 BIM + GIS 的可视化应用场景，能够辅助建设方、施工单位分析地面环境和地下施工区域间的关系，可为安全风险提前预判和各标段开工建设前的施工方案论证提供辅助决策作用。

通过地面监测设备提供的数据，结合预警监控方案，及时在可视化应用场景中进行告警，做到地下施工与地面防范双向结合，防止突发事件，为工程安全高效运行提供决策支持。可视化场景架构如图 8 所示。

图 8 地下工程与地面设施可视化场景架构

地下工程与地面设施可视化内容是从全线到局部地上、地下可视化信息内容的连续性钻取，信息内容多样，信息载体丰富。

在功能架构的基础上，结合项目实际情况调整功能分级，按照项目施工管理区块的划分，将地下工程与地面设施可视化场景分为以下 2 个可视化应用场景进行设计：

1）项目全线级。在 BIM + GIS 支撑平台提供的可视化应用场景基础上，表现项目全线已知风险、隧洞监测、工作井监测、渗流等信息内容。

2）标段级。在项目全线级的可视化内容基础上，结合 BIM + GIS 支撑平台可视化的三维模型变化，表现标段级地下工程与地面设施的可视化内容。

2.3.3 地面场景 720 全景图像虚拟现实呈现

将 720 全景图像点作为一个空间元素，同标段、设备、危险源等信息在一个 BIM + GIS 场景中进行融合。以三维 BIM + GIS 场景作为 720 全景图像的空间底图，通过空间地理坐标的对齐，综合呈现虚拟场景与现实环境的对比查看；同时通过三维空间标签，实现同场景中多个 720 全景图像点位的导航和空间相对关系表达。

提供 BIM + GIS 俯视、平视 2 种视角，用以实现 720 全景图像与 BIM + GIS 场景的融合。俯视视角以 GIS 正射影像为主，表现数据内容虽然单一，但可为对项目认识不清楚的客户提供对项目整体的直观体现的平面场景；平视视角以 GIS 地形、倾斜影像及地面 BIM 模型内容为主，为用户深入了解项目本身和周边环境提供虚拟现实的直观感受场景。在 BIM + GIS 场景中添加 720 全景图像专用三维空间锚点和名称显示，可实现真实空间位置的 720 全景图像点位导航和切换。

2.3.4 VR/AR 培训体验

结合 BIM + GIS 支撑平台数据，为 VR/AR（虚拟现实/增强现实）培训提供培训场景，辅助进行施工标准化培训、工艺仿真、安全培训等。BIM 与VR/AR 集成的重点难点是：BIM 模型如何快速、准确、稳定地导入 VR/AR 的平台中[14]，并能够对接构件的属性及外部数据。只有解决模型转换和属性的问题，才是真正意义上的 BIM + VR/AR 应用。通过在 Unity 平台中的高度定制，可直接将轻量化的BIM 模型导入 Unity 中，实现从 BIM 到 VR/AR 的一键应用，技术路线如图 9 所示。

图 9 BIM + VR/AR 技术路线

3 BIM 应用价值

BIM 技术在珠三角工程集成应用中获得的应用价值如下：

1）先行先试，树立示范。BIM 技术在珠三角工程的深基坑（工作井）、钻爆隧洞、TBM 隧洞、盾构隧道、水库、泵、闸等众多类型建筑物中，开展了全专业、全方位应用，应用范围广，技术要求高，参与单位多，在国内几乎无可供借鉴的案例。紧紧围绕 BIM + GIS 系统平台，通过 BIM 实施办法政策的强制推行，统一的 BIM 标准体系支撑，轻量化 BIM 平台的打造，基于 BIM 的可视化数据流管理，以及全面系统的基础、技术、使用、管理等方面的培训，可全新实践水利领域的 BIM 技术应用方式方法，打造水利行业 BIM 集成应用标志性工程。

2）创新施工管理模式。项目执行过程基础数据的采集和利用是决定管理水平高低的主要因素，当前传统的管理过程数据还是基于文档、表单、隐形数据的流转。本工程提出实施基于 BIM 的建设管理，将 BIM 技术与管理进行融合，BIM 技术的引入，从源头解决了工程基础数据结构化的问题，发掘了 BIM 技术应用的最终价值，BIM 也只有与管理深度融合才能创造工程效益，破解 BIM 应用的瓶颈，开创新的数字化、可视化管理，引领建设管理的新趋势，开创建设管理的新高度。

3）提升新时代治水、管水的现代化水平。在建水利工程全面实施智能感知系统及统一平台的建设，以互联网感知技术和智能应用，推动水利工程由传统管理模式向标准化、科学化、精细化和高效化的管理模式转变，为广东省水利工程建设、管理、监督提供有力支撑，通过智慧水利理念建设全面提升新时代广东省治水、管水的现代化水平。

4 结语

本研究以珠三角工程为对象，以“BIM + 互联网”为基础，从 BIM 平台搭建、四大态势感知、四大专题应用等方面对 BIM 集成应用内容进行归纳，并阐述 BIM 的集成应用发挥的价值。这一应用经验标志着水利行业 BIM 应用从过去的单项、单点应用向 BIM 集成应用新业态发展的转折性巨变。

目前，四大态势感知分析与专题应用已经可以做到帮助业主利用 BIM 技术进行项目可视化管理与分析，大大提高了工作效率与工程质量。由于国内相关的应用经验较少，在应用过程中还有一些待解决的问题，如：在质量态势中，原材料追溯因运输、施工管理等方面问题，导则追溯环节容易中断，需进一步规划完善管控措施；在安全态势中，传统危险源通常定位为危险区域，难以做到与模型进行构件级关联从而实现精确预警预测，需进一步细化危险源颗粒度；在地下工程与地面设施影响监控保障可视化专题中，对所有交叉建筑物部位的地上和地下影响范围、监测力度和措施等，需进一步开展深入研究方可做到精准的可视化监控保障等。计划下一阶段就上述问题继续进行深入研究，为实现精细化的 BIM 集成应用，切实发挥 BIM 作用打下基础。