“三维协同设计”在葛岙水库移民安置规划中的应用研究

周 毅，李 啸，华 懿

(1.浙江省水利水电勘测设计研究院移民工程院，浙江 杭州 310002；2.浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310030)

1 研究背景

在大中型水库移民过程中，移民人数众多、实物量调查与统计繁杂、水库淹没分析边界条件多元、移民对安置区规划建设关注度高且诉求多样。传统的通过现场纸笔调查实物、采集移民相关数据，在Excel中进行简单的数据分析和计算，不仅效率低下、错误率高、数据更新困难；而且缺乏大场景视野，移民安置选址等过程中的地理空间分析也严重不足，数据利用很不充分，远远不能满足移民安置规划和移民管理工作的需要。因此，实现高效采集移民数据并进行充分挖掘和展示对于移民安置规划非常重要。

近年来，基于BIM技术、GIS技术等三维协同设计的模式已被初步应用于水库移民安置项目中。“三维协同设计”是全新的设计模式和协同状态，以团队高效协作和知识高度集成共享的工作方式使工程设计更加有效[1]。钟登华等(2004)提出了基于GIS的水利水电工程三维可视化辅助设计基本方法和结构体系[2]；桑国庆等(2009)将地理数据信息化及三维信息模型应用于大型渠道的设计[3]；缪正建等(2015)将Civil 3D应用于水利水电工程施工总布置的三维设计中[4]；陈雪冬等(2004)针对征地移民所涉及的移民安置区选择，移民安置区环境容量分析，水库淹没损失赔偿以及移民安置区土地资源评价等问题，通过地理信息系统、遥感等新技术构建数字化三维空间，对基于GIS的移民安置规划系统进行了开发[5]。王秋儒等(2017)将BIM应用于移民安置点基础设施工程设计中，建立了场地、道路及管网等设施的三维模型，实现数据动态更新，自动生成各种图形并计算相应工程量[6]。

在此背景下，本研究以葛岙水库移民安置项目为例，结合移民安置的业务流程和实际情况，在引进BIM技术的基础上，尝试引入倾斜摄影技术和地理信息技术，探索三大技术在移民信息采集、安置区建设、库区原貌留存等水库移民领域的应用。

2 “三维协同设计”在水库移民安置规划中的技术应用及优势

本研究中涉及的主要三维协同设计技术分别为建筑信息模型技术(BIM，Building information modeling)、倾斜摄影技术(Tilt photography)、三维地理信息系统平台(3D GIS platform)。

(1)BIM技术以建筑信息为基础，对建筑物进行数字化仿真模拟管理，侧重于微观领域的单体模型建立，能为工程项目提供可视化的全生命周期管理[7]。应用于水库移民安置区设计，不仅能极大地提高设计效率和施工管理水平；而且便于向移民直观地展示安置区建成效果，让移民充分参与安置区设计、建设。目前，各大工程软件公司均推出了BIM工具。其中，Autodesk公司的Civil 3D专门为土木工程开发，依托于传统的工程制图软件Autodesk CAD，在土木工程设计及场地设计等方面更便捷、更智能，在缩短项目的设计周期上具有明显优势[8]，也是本研究采用的主要软件。

(2)倾斜摄影是近年来兴起的多角度航空摄影技术，可通过在同一飞行平台搭载多台传感器，从1个垂直、4个倾斜等5个角度同步曝光采集影像，获取真实的地物信息[9]，对于获取地物的侧面纹理信息具有先天优势，能够真实、完整地反映地物的实际情况，有利于全方位模型构建和真实场景感知，从宏观大场景的视角展现地物信息，能为水库建设前的库区风貌三维全景保存及移民安置区的实景效果展示提供技术支撑。此外，倾斜摄影测量技术能快速获取纹理信息丰富的影像并生产多样化的数字产品，极大地节约了时间和人力成本。

(3)整合展示上述2种技术建立的三维模型需要一个三维地理信息系统平台——3D GIS platform。倾斜摄影模型及其相应的矢量信息可直接进入三维GIS平台；而BIM模型的导入，需要经过BIM平台数据导出，格式转换，GIS平台数据导入3个步骤得以完成。本研究通过在BIM平台编写导出插件，再借助第三方数据格式转换软件(如FME)生成可被GIS平台接受的数据格式，同时确保BIM模型的纹理、零部件、构件及属性信息等数据不丢失，实现BIM模型到GIS的无缝整合。此外，存储移民数据的二维表、图片、空间信息文件、文档等都能够直接进入GIS平台，参与后续的统计分析及地理空间分析等。GIS平台对于水库移民信息的直观表达和充分利用具有重要意义，是水库移民规划设计的重要辅助平台。

3 “三维协同设计”在葛岙水库移民安置项目中的应用

3.1 工程概况

葛岙水库工程位于浙江省宁波市奉化区尚田镇东江上游，隶属于奉化江流域，水库总库容4 095万m3。工程坝址距离奉化主城区直线距离约11 km，距宁波市区直线距离约37 km。葛岙水库是一座以防洪为主，兼顾供水、灌溉、生态等综合利用的中型水库。工程建设征地规划涉及奉化区1个乡镇6个行政村。

3.2 应用技术路线

应用路线主要为“数据采集—BIM模型参数化建立—三维GIS平台整合—地理空间分析及数据可视化”4个步骤。具体应用路线如图1所示。

图1 应用技术路线示意

3.3 主要成果及其应用

3.3.1 移民信息采集

采集到的数据成果包括：①倾斜摄影的影像数据及控制点数据；②BIM单体模型数据；③移民相关数据包括实物调查的各项指标等结构化的二维表数据，照片、扫描件、视频、访问日志等非结构化

数据，以及CAD地形图、GIS底图和在线地图等图形、地图数据等。倾斜影像数据来源于无人机航拍(见图2)，BIM单体模型数据直接来源于BIM参数化建模，移民相关数据则通过收集、整理项目相关资料、现场调查获得。

图2 葛岙水库倾斜摄影模型

其中倾斜影像数据经过处理，生成DOM、DEM和DLG等数字产品，然后建立了倾斜摄影模型[10-11]。倾斜摄影模型进行动态单体化处理，提取单体房屋、土地、道路等地物的矢量属性信息并附着于倾斜摄影模型，形成矢量化的房屋数据库[12](见图3)。

图3 倾斜摄影模型单体化

3.3.2 水库淹没动态分析

数据信息进入GIS平台后，基于库区三维模型动态单体化处理数据构建了葛岙水库移民信息数据库，利用有源涨水模型，针对不同水位方案，自动判定淹没对象[13]，生成水库淹没实物汇总成果，实现水淹动态仿真模拟和水库淹没分析功能(见图4)，为水库建设规模比选、蓄水方案确定、库底清理实施方案等工程建设重要节点提供技术支撑。

图4 淹没动态仿真模拟

本研究为葛岙水库设定了50～64 m多个不同水位进行分析计算，利用时间控件动态模拟出葛岙水库的蓄水过程，并用图表联动的方式展示受淹房屋、土地、人口等实物数据的变化。本项目实现了水库淹没过程的仿真模拟，极大地降低了设计人员的计算难度和工作强度，提高了淹没可视化程度(见图5)。

图5 50～64 m的水位淹没分析

3.3.3 安置区BIM设计

利用已采集的移民相关资料，根据社会经济条件和地形、耕地资源等进行安置区择址；在城市控制性规划和城镇规划的基础上，运用Civil 3D生成三维地形曲面；通过放坡、曲面生成等功能进行场地平整设计，用“体积面板”快速计算安置区挖、填方量(见图6)；然后，进行安置区场地范围、边坡设计和工程量统计等场地及竖向设计[14]；再对市政管网及通信管路等进行碰撞检测设计，避免不同基础设施管线重叠、碰撞等情况出现。

图6 C3D软件处理实测地图生成地图曲面

安置区的总平面布置及3D户型图设计运用Revit软件，规划了26.7万m2安置用地，进行道路、住宅及景观等设计，共布设了30幢高层住宅，大中小户型结合，配备村民活动中心、幼儿园和底层商铺，优化设计花园、水池等景观设施，立体呈现规划效果，方便了移民参与新家园的建设，事先感知安置区建成效果(见图7)。借助三维虚拟现实功能，可更好地满足移民在户型、采光、通风等方面的差异化需求，让移民能身临其境地体验入住效果，大大地提高了移民的安置满意度，促进移民安置工作的顺利实施；同时，通过参数化建模，对楼、板、柱等构件定义材质、体积等参数，实现工程量的自动统计，提高投资概算的准确性和便捷性[15]。

图7 葛岙水库移民安置区的总体规划和住宅设计

3.3.4 库区道路规划

利用C3D路线设计工具进行葛岙水库环库道路A线和B线的“平、纵、横”可视化设计，并导入Infraworks软件中进行前期方案设计和库区道路规划，模拟人流、车流，优化道路坡度和转弯半径设计，合理布置桥梁管涵等道路配套设施[16-17]。从而直观反映库区的规划道路的走向及方案，形成4D施工模拟，实现精准地计算规划道路的工程量、工期及投资，为项目决策提供依据(见图8)。

图8 C3D和Infraworks进行道路规划设计

4 结 语

三维协同设计技术在葛岙水库移民工程中的应用使得移民安置规划及实施更为高效、便捷、智能。本应用研究是原有BIM技术体系、GIS技术体系的融合和创新，结合倾斜摄影技术，提高了移民安置规划的工作效率，无纸化的交付便于移民信息的快速传递和应用；水库淹没动态模拟，提高了水库规模比选及蓄水方案确定的智能化程度；安置区BIM可视化设计，实现了移民事先感知新家园建成效果；库区道路规划，为库周交通改复建提供更直观的解决方案；倾斜摄影技术带来的三维大场景效果，有利于业主结合实际环境开展移民安置工作，降低移民工作难度。本应用研究是以BIM技术为核心、多元融合GIS技术、倾斜摄影技术在移民领域应用的一次成功探索。通过本次探索，更加证明了三维移民管理平台符合行业发展趋势，可广泛应用于各类

水库移民项目；同时，多源数据的融合应用及发布，能促进水库移民领域的信息集成和公开，满足不同用户的使用需求，具有良好的社会效益。