BIM+GIS技术在珠江三角洲水资源配置工程中的应用

杜灿阳 ，邓 鹏，张兆波，朱晓斌

(1.广东粤海珠三角供水有限公司，广东 广州 511455；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 )

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)作为一种管理理念，产生于20 世纪70 年代，目前BIM 在欧美等发达国家的建筑业已得到较好的推广与应用，近年来在中国也得到一定的应用，特别是在建筑工程项目中取得了一定的成效[1]。BIM+GIS技术通过采集、处理、贮存、传输、分析和应用等环节[2]，将传统建设管理过渡到以“智慧化、精益化”管理为核心的基础平台，并提供多种现场的应用场景[3]，最大程度提升建设过程信息的利用价值和使效率最大化，有效保障工程质量与安全，推进参建各方协同管理。

近些年在工程建设领域，BIM+GIS技术在水利工程中的应用主要集中在智慧工地、BIM三维模型创建、工程量统计、施工工艺模拟等[4]单点应用场景当中，虽然面对具有建设期较长、地质条件复杂、建设难度大、参建方多、管理难度大等特点[5]的大型水利工程，BIM+GIS技术也有很大的优势；但是目前针对重大引调水工程建设中存在的困难问题尚未有相对完整的数字化解决方案。

本文以BIM+GIS技术在珠江三角洲水资源配置工程建设过程中的具体应用为例；将BIM+GIS技术如何支撑和服务于点多线长、技术复杂、建设工期长、协调难度大和工程影响因素多的大型引调水水工程，做了全面的分析；可为类似引调水工程项目提供借鉴和参考。本项目搭建的基于BIM+GIS技术的建设管理系统平台具有数据标准统一、工程建设数据融合度高、工程建设数据协同共享速度快、数据可视化程度高等特点；实现了不同层级参与者信息有效交互与业务协同，实现了工程精细化与一体化管理，为管理者多维度掌控工程建设动态及科学决策创造了辅助条件。

1 项目背景

珠江三角洲水资源配置工程是为解决珠三角地区水资源供需矛盾，解决广州、深圳、东莞等地生产生活缺水问题，全面保障粤港澳大湾区供水安全的国家级战略性水利工程，是目前世界上输水压力最高和盾构隧洞最长的调水工程，也是珠江三角洲生态配水工程。工程由1条输水干线、2条分干线、1条支线、3座泵站和4座调蓄水库组成。主要采用地下深埋盾构方式，穿越水文地质条件异常复杂的珠三角地区，输水线路总长度113.2 km，设计年供水量17.08亿m3，建设总工期为60个月，总投资353.99亿元，以“打造新时代生态智慧水利工程”为总体目标[6]。鉴于工程的重要性及复杂性，项目引入了基于BIM+GIS技术的全生命期系统平台。

2 总体架构与标准体系

2.1 总体架构

围绕“打造新时代生态智慧水利工程”建设目标，按照“需求牵引、应用至上、统一规划、分步实施、总体设计、分系统建设”的原则，制定珠三角智慧工程顶层规划,见图1。从工程全生命期出发，以实现工程安全、高效管理为目标，搭建了基于BIM+GIS的全生命期系统平台，规划了两池一中心的智慧工程大数据资源池，实现工程“人、机、料、法、环”的全面感知，服务安全、质量、进度、投资、廉洁等五大控制[7]，推动工程建设管理过程数据的全面汇聚[8]，解决工程建设中参建各方信息交流、资源共享、流程再造、即时信息等问题。

图1 珠三角智慧工程总体架构

2.2 标准体系

在顶层规划指导下，进一步规范珠三角工程信息化建设、管理和应用，采取实践指南先行，理论标准总结的技术路线，为促进BIM模型和业务数据的融合，构建了包括技术标准、管理制度、操作规范的珠三角信息化标准体系。编制并发布BIM模型创建、应用、交付、分类编码，GIS数据交付等一系列设计标准、数据标准、集成标准和应用标准，编制并发布计算机及信息系统管理规定、数据中心管理办法、应用指引等管理制度，实现工程信息化建设的数据统一、集成统一、风格统一、管理统一，形成完整的企业级信息化标准体系,见图2。

图2 工程信息化标准体系

3 系统平台搭建

3.1 工程数字门户

根据智慧工程技术架构，自主开发了工程数字门户,见图3、4。工程数字门户包含工程总览，建设看板，待办中心，系统导航，信息公开等，其中系统导航模块集成了应用层所展示的各个系统，业务系统中包含了工区全景、项目管理、智慧监管、安全监测、质量检测、环保监测、政府监管、档案管理等模块，支撑平台包含BIM+GIS支撑平台和电子签章。

图3 工程数字门户1

图4 工程数字门户2

3.2 BIM+GIS支撑平台

构建基于自主的BIM+GIS支撑平台，见图5。实现线上线下相结合的数据审核、多平台模型轻量化交互及剖切、场景漫游、二三维协同等，利用构件库模块，实现各标段通用模型构件的共享与复用，融合不同BIM平台构建的BIM模型，为各参建方搭建BIM+GIS场景提供统一的服务平台，提升了工程中BIM模型标准化管理和应用水平，创新性地实现了“一个平台多方协同，一套数据全过程应用”，为行业BIM创新应用提供了基础[9]。珠三角工程目前已累计完成350余个建筑物BIM模型及工程沿线高精度GIS数据的采集与管理。

图5 BIM+GIS支撑平台

3.3 全生命期工程大数据资源池

系统性地构建全生命期工程大数据资源池，见图6。打通物联监测、智慧监管、生态环保、工程管理各个环节，集成工程建设管理全过程的业务数据、监测数据、管理数据、质检数据等，融合各类工程数据，实现数据的多元汇聚、可视化管理、综合监控和全面治理，为各业务系统提供统一的数据资源服务，实现工程海量多源数据的统一采集、统一治理、统一存储、统一利用，为智慧工程大数据的建设和未来的数据决策提供基础。

图6 工程大数据资源池

3.4 电子签章应用体系

集成实名认证、证书管理、电子印章、文件签署、文件存证功能，为工程参建单位和个人提供实名认证和第三方数字证书颁发，深度融合业务文件审批系统和电子签章系统，打造具有“真实身份、真实意愿、防篡改、司法存证”特征的电子签章应用体系，实现设计图纸审批、施工质量验评、单元工程验收、合同支付审批、上级监督检查、竣工档案归档等工程全阶段、全业务、全流程的电子文件一键签署和一键归档功能。

3.5 态势辅助决策

基于BIM+GIS技术的态势辅助决策采用分级分场景的设计模式，从工程“安全、质量、进度、投资”4个视角(图7),融合工程业务属性与空间属性。通过融合安全、质量、进度、投资4个方面业务信息和BIM+GIS模型信息，构建了全线、标段、工区、构件4个层级的珠三角工程数字化全景。

图7 珠三角工程建设看板

3.5.1工程安全态势

基于国内首创的工程安全指数评价模型，安全态势中可进行人员监管及视频实时监控,通过构建综合评价体系，评估及预警各标段安全风险，见图8；绘制工程安全“一张图”，实现工程“地上地下，多场景，多视角，多层级”全面监管，直观洞察全线、标段、工区安全动态与实时预警信息。

图8 安全态势

3.5.2工程质量态势

以单元工程为最小管理维度，通过BIM与质量验评规范化编码体系,实现质量验评、质量问题、工程原材料等数据与BIM模型自动挂接，实现工程整体质量多维度展示、可视化追溯与分析决策,见图9。质量态势中BIM模型可根据质量验评结果进行颜色区分标识，实现工程整体质量多维度展示、可视化追溯与分析决策。

图9 质量态势

3.5.3工程进度态势

基于BIM+GIS场景与进度数据的深度融合，预演工程计划；基于工程四级进度计划的上传下达，预警滞后线路，推演关键线路，实现全线16个施工标段进度计划动态协同。进度态势中以红、黄、绿，展示进度滞后、工效低或正常完工的节点状态，预警滞后线路，推演关键线路,见图10。

图10 进度态势

3.5.4工程投资态势

基于BIM模型，融合贯通资金管理各环节，实现工程全线、标段、工区全方位，总投资、年度投资、月投资全过程监管。投资态势中通过数据报表加BIM模型渲染的方式实现动态展示投资完成情况,见图11。

图11 投资态势

4 工程项目应用点

4.1 全面感知可视

4.1.1掘进一览可视化

通过搭建工程掘进可视化场景，采集工程全线48台盾构机、5条钻爆隧洞的掘进状态、进度、危险源等数据，实现风险预警、进度预测，为全线隧洞的安全、高效掘进提供辅助决策,见图12。

图12 工程掘进一览

4.1.2安全监测可视化

对全线37个工作井、154 km隧洞、7个水工建筑物和141处地表建筑物进行实时数据监测，利用物联网、BIM+GIS技术实现秒级的数据更新。建设全线级、标段级、工区级的场景展示。通过BIM模型对测点的空间信息、报警信息进行可视化展示，实时预警地质风险,见图13。

图13 工程安全监测

4.1.3工区全景可视化

通过构建BIM+GIS+720°的全要素可视化场景，实现视频监控与720°全景的交互浏览，使管理决策者能够随时随地720°、“穿越时空”掌控施工现场,见图14。

图14 工区全景展示

4.1.4VR/AR应用

通过BIM+VR应用，实现沉浸式安全教育培训、工艺交底；通过AR技术，实现现实工区场景和规划建筑场景的对比[10],见图15。

图15 BIM+VR展示

4.2 辅助施工管理

4.2.1施工场布管理

在工程建设期，利用采集的GIS倾斜影像数据，开展施工场地临设、进场道路等布置及优化工作，通过场布模型漫游，开展巡检路线预演、安全应急演练等应用，见图16。

图16 巡检路线预演

4.2.2辅助施工技术交底

基于BIM模型，开展三维有限元仿真分析，进行施工方案比选，如优化了SD10#工作井环梁结构，节省了施工工期、消除高空拆除安全隐患，见图17。

a)有限元分析

4.2.3施工BIM模型管理

珠三角工程目前已累计完成350余个建筑物BIM模型及工程沿线高精度GIS数据的采集与管理[11]，为PC端、移动端、大屏端、VR/AR设备端中的各类业务系统提供了统一的BIM+GIS场景服务，工程施工过程中利用BIM轻量化平台，见图18,开展多专业碰撞检测，发现多处机电设备与建筑结构的碰撞，优化了设计方案，避免了工程返工，降低了工程成本。

图18 BIM轻量化应用

4.2.4施工模拟

利用工程模型进行深基坑开挖、盾构机吊装、盾构机掘进、预应力混凝土浇筑等模拟应用，为施工人员提供可视化交底，保障施工安全，提升施工质量与效率[12]。

4.2.5工程量统计

通过深化后的建筑物模型，可快速统计每个构件混凝土方量，并与设计概算进行对比，为现场物料管理及结算提供依据。

5 应用效益

针对珠三角工程管理模式打造的基于BIM+GIS技术的全生命周期系统平台，实现了工程建设信息的可追溯性，加强了对现场施工过程的动态控制力，实现了可视化的项目管理，为工程带来了一定的经济效益，节约了时间成本，对工程的建设发挥了重要作用[13]。

基于BIM+GIS技术的全生命周期系统平台在珠三角工程中的成功应用，形成基于BIM+GIS的智慧水利整体解决方案，为国内乃至世界水利工程信息化建设提供了成功的、可复制、可借鉴的成熟方案。

6 结语

随着GIS、BIM、物联网、移动互联网、人工智能等先进信息化技术的广泛应用，水利工程的建设将全面迈进智慧管理时代[14]。BIM+GIS技术将对传统行业进行改造优化，使得传统行业呈现出新的行业形态[15]。基于BIM+GIS的全生命期智慧系统平台在珠三角工程建设管理中的成功应用，为水利工程智慧建设提供了成功的、可复制、可借鉴的解决方案，具有较高的社会经济价值；对推动水利水电行业信息化、数字化技术发展具有重大影响。