基于BIM+GIS 的水利工程全生命周期建设管理研究

2022-10-27孙少楠宋宜昌

中国农村水利水电 2022年10期

孙少楠，宋宜昌

（华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450046）

0 引言

当前，推进智慧水利建设是实现新阶段水利高质量发展的重要路径之一。如何在水利工程全生命周期建设管理中实现数字化场景展示、提高信息化水平成为目前研究的热点。随着BIM 的快速发展，以其可视化、协调性、优化性、参数化性等特点，已经广泛的应用于水利水电工程的数字建设中，取得了很好的成果。于琦［1］等搭建了水利水电工程BIM 正向设计平台，提高了协同设计效率，实现多源数据共享；荆鹏程［2］等研究了基于BIM 的水利水电工程全生命周期管理研究，实现了三维可视化信息化、多专业协同设计；杨建峰［3］等研究了BIM技术在水利工程运维管理中的应用，建立了数字化管理平台。综合来看，BIM在水利工程中的应用成果显著。

但是随着工程数字化的深入发展，BIM 的局限性被逐渐放大，水利工程是一个由很多单体工程组成的综合体工程，水工建筑物选址困难、水文条件、地形复杂、施工难度大、工期长，而BIM 技术主要应用于单体工程，其应用特点是三维模型单体精确化，而不具有外部环境信息，模型与现实割裂开来，工程之间缺少联系，协同效率低下，单体的BIM 三维模型应用已经不能很好的解决大型水利水电工程建设管理问题。而GIS（地理信息系统）技术，其具有宏观的地理场景信息，可以为BIM 模型提供地形信息和空间分析。目前国内对于GIS+BIM 数据转换融合应用方面已有研究，翟晓卉［4］等研究了BIM 和GIS 在空间和语义上的数据集成方法，避免信息缺失。应用方面主要集中在铁路、公路建设上，石硕［5］等研究了基于GIS+BIM的高铁设计成果综合应用平台，实现BIM 设计成果与真实地形场景的无缝融合。林国涛［6］等基于无人机、GIS 和BIM 技术，实现了道路设计的协同化管理，而针对水利工程的应用较少。

因此本文提出基于BIM＋GIS 技术在水利工程全生命周期的交互应用，拓展BIM 应用维度，以某抽水蓄能电站为例，实现数字化建设管理。

1 BIM+GIS数据集成

1.1 BIM数据

BIM 在3D 模型基础上，集成工程项目的各项相关信息数据，详细记录了建筑物构件的几何、属性信息，包含空间、结构数据，可以用来管理水工建筑物全生命周期的信息。水利工程涉及水工、金结、水机、给排水、测绘、地质等多个专业，采用Autodesk 平台系列的Revit、Navisworks、Civil3D、Inventor 等主流软件分系统建模，产生RVT、NWC、NWF、DWF、IPT 等中间格式文件，执行数据模型标准IFC（Industry Foundation Class），建模精度要求达到LOD3-LOD4，包含几何实体和丰富的建筑语义信息。

1.2 GIS数据

在水利工程规划设计中引入GIS 技术，可以实现流域级别场景的可视化表达［7］。随着无人机RTK 技术的快速发展，倾斜摄影数据成为三维GIS的重要数据来源。通过在飞行平台上搭载多台传感器，从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。本文通过应用多旋翼高精度航测无人机搭载五镜头相机对目标区域进行航测作业，采集地形影像数据，照片包含经纬度、海拔、高度、飞行姿态等信息，采用context capture 软件进行内业处理：①影像数据导入。设置相机型号类型，检查航片完整性导入POS 数据。②空中三角测量加密。计算输入影像的位置、角元素和相加属性（焦距、主点、镜头畸变），山区地形一般采用无人机仿地飞行，造成空三多次迭代失败，需根据参数生成平差区块。③空三检查。检查航片是否交叉。④设置为当地坐标系，导入测量点坐标，刺点。⑤重新提交空中三角测量。⑥新建重建项目。⑦选择生成产品类型（DSM、DOM、三维点云）。倾斜摄影建模流程如图1。

图1 倾斜摄影建模Fig.1 Oblique photography modeling

1.3 数据集成

当前，在GIS 与BIM 数据融合集成方面，可主要分为3 种方式，分别是数据格式转换、数据标准扩展和地理本体论［8］。BIM 数据集成到三维GIS 平台上主要有以下方面的问题：①数据格式标准不同。BIM 数据标准为IFC，侧重表达几何信息和丰富的建筑构造语义信息。City GML 更侧重于对城市以及建筑内外地理空间对象的描述，表达空间位置和拓扑属性，采用GML 建模语言。②坐标系不同。BIM 模型一般采用局部坐标或工程坐标，转换到大地坐标时需要进行坐标转换，集成到三维GIS平台上存在位置偏差和形状发生改变。③材质、颜色、构件丢失。BIM 模型包含丰富的属性信息，而材质信息基于本地的材质库中，读取信息需要基于原生数据库。④模型建模精度高。BIM 建模根据不同阶段的设计要求，精度达到了LOD3-LOD4，对于水轮发电机来说，数据转换会引起大量的布尔运算，加载读取模型信息困难。

针对BIM+GIS 融合的技术难题，采用超图研发的export 插件，对于BIM 的主流软件，实现数据的中间格式转换，以配置数据集的方式集成到三维GIS平台，同时针对倾斜数据，支持osgb格式文件的直接读取。为实现两者模型的精确匹配，在BIM 模型作为数据源接入时，查看倾斜摄影数据的坐标点，粗略设置BIM模型坐标原点的经纬度，然后进行三维配准，对模型进行偏移、旋转、镶嵌操作，实现与三维GIS 模型、地形数据的精准融合。同时为保证模型的流畅浏览，对BIM 模型进行轻量化、三角网简化操作。BIM和GIS数据集成流程见图2。

图2 BIM+GIS数据融合Fig.2 Data fusion based on BIM+GIS

2 BIM+GIS水利工程全生命周期应用方案

对于图2 构建的BIM+GIS 三维模型，融合了BIM、倾斜摄影、地形信息等多源异构数据，通过配置统一的数据源，建立一个三维可视化交互环境，进行模型编辑和空间分析。BIM 构建一个由虚拟趋向于现实、GIS 构建一个由现实模拟虚拟的应用方案，集成到三维GIS 平台上相互反馈、融合应用，为水利工程全生命周期建设管理阶段提供信息数据和分析支撑。全生命周期BIM 应用中，涵盖了项目各参与方各阶段产出的全部信息，涉及不同阶段的流转和应用，存在数据溢出、信息管理混乱等情况，如设计、施工等阶段有价值的项目信息不一定适用于运维阶段，因此应建立一个基于BIM 数据的信息管理框架和数据库，对信息进行分类存储管理，设置浏览权限，根据不同阶段的项目需求参与方提取相应的BIM 信息，实现信息的高效传递和共享。同时针对工程项目建设一直处于动态变化中，不同阶段的项目需求、功能需要的侧重点不同，前期的BIM 模型数据不能满足后续阶段的信息需求。需根据后期项目需要、施工变更、工程建设的进展，实时的添加、录入工程信息，对前期的数据进行补充、修改，实现信息动态数字化更新，进行全生命周期的信息集成管理。全生命周期应用流程如图3。

图3 全生命周期应用Fig.3 Full life cycle application

3 实例应用

某抽水蓄能电站由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等建筑物组成，装机容量120 万kW，安装4 台30万kW 可逆式水轮发电机组，属一等大（1）型工程。电站下水库大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高100.60 m，坝顶轴线长度416 m，填筑料量约305.7 万m3。

3.1 水利工程规划阶段

抽水蓄能电站所在处地形起伏大，无人机航测作业中信号易受到干扰，影响数据采集的精度。基于此问题采用精灵PHANTOM4Rtk 多旋翼高精度航测无人机，通过基站自带静态采集功能，如果差分信号受到干扰，可关闭精灵4 的RTK 功能，通过CGO2.0 PPK 后差分解算，保证数据精度。航测作业前，基于SDK 遥控器搭载的APP 进行航线规划，采用井字飞行，共获得531组影像数据，导入Context Capture，进行空三加密处理（连接点精度如图4），生成DSM、DOM、三维点云模型（见图5）等数字产品。对于生成的数字产品精度分析，GPS-RTK 测量得到8个像控点的真实坐标与实景模型查询得到的坐标进行x、y、z方向的误差计算（计算结果见表1），统计残差的中误差来进行精度评价。计算方法如下：

图4 空中三角测量连接点分布Fig.4 Air triangulation connection point distribution

图5 三维点云模型Fig.5 3D point cloud model

表1 误差计算Tab.1 Error calculation

式中：m为中误差；Δ为观测值与真值之间的差值；n为观测值的个数。

基于以上统计计算可知：x方向最大误差为1.8 cm，中误差为0.6 cm；y方向最大误差为3.0 cm，中误差为1.0 cm；z方向最大误差为3.6 cm，中误差为3.6 cm。平面最大误差为3.2 cm，中误差为2.2 cm。精度达到厘米级，将影像数据导入EPS 进行三维测图处理，可以生成数字线划地图DLG，为前期测量资料、规划选址、移民工作提供精确的数据支持。

3.2 设计阶段

3.2.1 模型创建

下水库为面板堆石坝，由堆石体和防渗系统组成，分成面板、趾板、垫层、过渡区、主堆石区、次堆石区、底部反滤层、排水棱体。模型创建前，将项目目标分解成对应较小的工作单元，采用Revit参数化建模，包含几何、材料等属性参数，快速准确生成三维仿真模型，后期需要对模型进行修改时，只需要改动参数便可以实现对模型的快速修改，建立新的信息模型，极大的提高了建模效率。基于生成的信息模型可快速生成大坝的分区材料明细表，方便工程量统计、成本控制等。下水库面板堆石坝模型见图6。

图6 面板堆石坝模型Fig.6 Face rockfill dam model

BIM 模型完成后，通过export 转换插件，将模型导出为中间格式，导入到三维GIS 平台super map中，实现BIM 模型与倾斜摄影模型的精准匹配，同时可添加卫星地图数据，赋予BIM 模型宏观的地理场景，将抽水蓄能电站的分部、分项工程联系起来，建立水利水电工程项目的集群工作环境。面板堆石坝BIM模型与倾斜摄影模型在三维GIS平台上结合效果如图7。

图7 BIM+GIS模型融合Fig.7 BIM+GIS 3D model fusion

3.2.2 土方量计算

基于规划阶段生成的高精度三维地形数据，由于水利工程项目所在处植被较多，无人机航测得到的数据不能直接使用，将三维点云数据导入global mapper，对数据进行分层滤波。先确定山体表层和地面层，估计一个植被层的高度，将选择出来的数据过滤掉，生成tin 网格、所需的点云数据，进行土方量计算。采用如下方法：①将高精度的DEM数字产品和三维点云数据导入civil3D，将地形曲面作为基准曲面，目标完成曲面作为对照曲面，“对照曲面”-“基准曲面”即体积曲面，生成填挖方计量报告。②基于Cloud compare实现土方量计算（如图8）。导入三维点云数据，在测量区域生成随机高程点坐标。从软件中导出XYZ 点文件，TXT 格式，利用VISUAL STUDIO 编制的不规则三角网法体积计算程序计算土方量。相较于传统计算方式，可随时进行填挖方分析，便于控制项目成本。

图8 地形曲面Fig.8 Terrain surface

3.2.3 隧洞管线规划

水利施工场地及周边地下管线错综复杂，需要考虑地形地质条件，基于无人机RTK 技术，采集真实的地理测绘信息，建立三维地形场景。在三维GIS 平台上模拟管线布置方案，加载BIM 管道模型，辅助论证方案的可行性，减少土石方填挖方量，加快项目进度。

3.3 施工阶段

抽水蓄能电站涉及上下水库的修建，施工战线长、施工作业区分散、建设工程规模大、地形条件复杂，不可控性因素较多，造成规定的项目节点不能按时完成进度。因此进行合理的场地布置、施工模拟、优化运输路线、建立安全的管理制度对于工程的高效完工是非常重要的，应用BIM+GIS 技术从以下四方面针对性的提供解决方案。

3.3.1 场地布置

施工场地布置是项目施工的前提，合理的布置方案能够在项目开始之初，从源头减少安全隐患，方便后续施工管理，降低项目成本［9］。结合GIS 倾斜摄影模型，在三维地形的基础上建立对应的场布BIM 模型，生成沙盘体系，进行可视化模拟布置，综合成本、环境、安全等因素，合理规划施工营地、金结拼装厂、加工厂、弃渣场的位置分布。

3.3.2 进度控制

基于面板堆石坝的施工特点和合同中规定的节点目标，围绕关键线路和节点目标采用P6编制施工进度计划，与BIM模型关联起来，分层分阶段进行物料填筑和混凝土碾压，导入Navisworks 进行进度模拟，工程人员基于不同的施工状况模拟多种施工方案，进行方案优化，实时更新进度计划，方便参与方的沟通交流和协作。在施工过程中，采用无人机进行定期航测，以周或月为单位对施工场地进行影像采集，建立实时倾斜摄影模型，与BIM 模拟建造进度进行直观性对比，实现实际进度信息的可视化表达，分析进度偏差原因，然后反馈于BIM 模型，更改工作计划，整体上把控项目进度。

3.3.3 路线规划

抽水蓄能电站相对于传统的房建、市政项目，涉及上下两库，相隔距离远、地形条件复杂。修建运输公路往往需要开凿隧洞，为减少土石方开挖量，同时保证运输简便安全，利用GIS+BIM 信息集成技术，将BIM 模型导入到3D 地形模型中，通过更为直观的可视化表现，了解周边环境情况，充分发挥BIM 与GIS 的技术特点，BIM 采用参数化建模，Revit 确定项目所需构件、材料数量，生成详细的物料清单［10］，金结专业Inventor 可生成对应的Bom材料表，GIS 根据拓扑结构分析确定物料的最佳、最短运输路线，针对特殊的情况变化进行相应的动态调整。路线规划流程如图9。

图9 路线规划Fig.9 Route planning

3.3.4 安全管控

施工难度大、安全隐患多、从业者安全意识差、防护措施不到位等问题是水利水电工程在安全管控中共同面临的问题，智能化的安全管控体系尚未形成［11］。目前大部分水利工程的施工安全管理工作基本上就是采用布置监控、配备安全员、建立各项管理制度，真正实施起来，效率低下，很多危险源不能及时发现、及时处理，造成安全事故的发生。针对于此，采用BIM+GIS技术从以下两方面来进行高效率、规范化的安全管控。

（1）传统监控布置往往是按照经验布置，出现视频监控盲区，给施工安全管理工作造成一定的困难。基于倾斜摄影实景模型和BIM 的场布模型，在GIS平台上进行可视域分析，对于一个或者多个监控观察点，基于一定的相对高度，提取范围内所能看到的区域，将分析结果输出为一个栅格数据集，应用在监控点的布置上，可以监控到最大区域，减少视频盲区的存在。

（2）采用无人机实时巡检代替人工巡检。传统人工巡检花费时间长、效率低下，无人机航拍施工场地从不同高度、不同角度对现场进行航拍，将视频和图像资料实时回传到管理人员的面前，减少巡检时间，提高工作效率。而且无人机小型轻便，可以从空中巡视施工盲区，识别隐蔽危险源，进行全方位的安全隐患排查工作。