BIM+GIS 技术在水库工程可研阶段勘察设计应用研究

吴文霞，高 恺，刘加龙，高 蔚

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010；3.河海大学大禹学院，江苏 南京 210098）

0 引言

BIM（Building Information Modeling）技术起源于美国，从概念提出到逐步完善再到普遍接受，经过数十年的发展，引领了全球工程建设行业信息化的快速发展［1，2］。目前，BIM 技术广泛应用于城市规划、市政交通、桥梁、机场、风景园林等各类基础设施建设中［3］。

近年来，BIM 技术在水利行业发展十分迅速，但仍处于摸索、提高的阶段［4］。水库工程作为水利水电工程体系中的一个重要组成部分，在防洪、发电、灌溉和水环境、水生态等方面发挥着重要作用。随着社会科技发展，水库工程信息化的要求也越来越高，BIM 技术作为信息化建设重要的一环，对其在工程中的应用研究也是势在必行。蒯鹏程等［5］研究了基于Revit 软件的水利水电工程BIM 全生命周期管理应用，实现三维可视化、信息化、多专业协同设计，信息化运维管理。孙少楠等［6］研究了基于BIM+GIS 的水利工程全生命周期建设管理，将BIM 模型、倾斜摄影数据等多源数据融合接入到三维GIS 平台上进行集成，建立一个三维可视化交互环境。孙瑶等［7］研究了无人机倾斜摄影测量在水库BIM 设计中的应用，获取项目区域的实景三维模型。胡涛［8］研究了基于CIVIL3D 和Revit 软件的大中型水库工程移民专业BIM 技术应用。高英等［9］研究了基于Proji⁃ect Wise 协同管理平台的水库工程全生命周期BIM 技术应用和信息化管理解决方案。

本文以达索3D Experience 云平台为基础，分析和研究了BIM+GIS 技术在水库工程中的应用实践，重点给出了可行性研究阶段BIM +GIS 技术应用的主要流程框架；通过对GJ 水库工程在可研阶段的BIM+GIS 技术应用展开研究，为水库工程的BIM+GIS 技术应用工作开展提供指导，提高项目精细化、信息化管理水平。

1 工程概况

1.1 工程概况

GJ梯级水库位于四川省，是一座大（2）型水库，采用一库两级方式联合开发，总库容1.25 亿m3，总投资51.18 亿元。

水库承担了防洪、城市供水、灌溉等综合利用任务，是流域防洪控制工程、防洪体系的重要组成部分，城市水资源配置的关键水源点。目前，项目处于可行性研究阶段。

1.2 项目特点与难点

本项目属于水资源配置的关键水源项目，采用“一库两级”联合开发方式，在项目勘察设计过程中，对BIM 及信息化应用均提出了较高的要求，具体项目特点与难点如下：

（1）工程勘察设计周期短，新建梯级水库勘察设计任务重，受新冠肺炎疫情影响，本项目管理难度大、基础资料收集效率低，加之同时进行两级水库设计，工作量成倍增加。

（2）本项目涉及一库两级多坝址比选，且需考虑地质、移民、环境3 大制约因素的影响，还需综合正常蓄水位选择，比选方案多。

（3）本项目涉及水文、规划、地质、水工、机电、施工、移民等多专业，项目各专业建模、项目管理等协同难度大。

通过BIM+GIS 技术优化项目管理方式、快速获取基础数据、推进远程协同设计，成为高景关项目设计的客观需求。

2 BIM前期组织与策划

2.1 BIM 应用目标

本项目基于测量、地质、水工、机电、金结、施工、移民等多专业于一体的三维协同设计平台，开展基础资料收集、布置方案比选与论证、水工精细设计与参数化建模、计算分析、工程量自动统计、三维视景仿真、二维出图等多方位三维协同设计及BIM+GIS 应用，能够为业主提供更优质的勘察设计服务，实现本项目可行性研究阶段BIM +GIS技术应用目标。

2.2 软硬件环境配置

在软件配置上，目前主流采用的BIM设计平台有Autodesk、Bentley、Dassault［10］，本项目以达索3D Experience 云平台［11］（以下简称“3DE平台”）为基础，采用“1+X”的设计模式及“客户端+服务器”架构，集设计、管理、出图等一系列软件于一体，集成各专业设计软件的建模或分析成果。项目各专业采用的软件见表1所示。

表1 项目各专业软件配置情况Tab.1 Software configuration of each discipline of the project

在硬件配置上，为满足3DE 云平台应用需求，全部数据存储于云端，配置3DE 平台总服务器，项目部人员可使用工作站计算机或进入云平台使用总服务器开展工作，通过加入企业局域网，与云平台连接，保证数据安全传输。

2.3 团队组织

项目团队由项目经理牵头，设立项目BIM 总监，设计团队由勘察组、设计组组成，均为一线勘察设计人员，且具备专业设计与三维技术应用的双重能力。BIM 实施团队架构如图1所示。

图1 项目BIM 实施团队架构Fig.1 Project BIM implementation team structure

2.4 项目BIM协同设计管理

在管理策划的过程中，细化分解管理及业务流程，以业务应用为切入点，结合质量管理体系，整理BIM 协同设计过程总体管理工作程序，明确BIM 应用重点开展环节责任主体［12］。随着项目的推进，各个角色的权限在校审流程中不断转移、提升和释放，使三维设计工作协调有序开展，确保三维设计的质量成果。项目BIM协同设计管理程序见图2所示。

图2 项目管理程序图Fig.2 Project management procedure chart

2.5 可研阶段三维协同设计流程

新建水库可研阶段重点需快速收集前期基础数据，制定合理的项目策划，根据项目地质、移民、环境等制约条件，合理选择坝址、坝型、正常蓄水位，并快速完成各比选方案布置。

运用BIM+GIS 技术，在前期乏信息情况下，可快速获取基础数据供前期分析；进行各专业的协同设计，避免多专业错、漏、碰、缺问题，提高方案合理性，减少设计变更；提高设计质量和效率，缩短设计周期；可视化、形象直观的展示工程，便于项目参与方的沟通和交流，辅助决策；利用强大的信息统计和模型的计算分析功能，快速完成结构仿真计算，并根据结果快速调整方案；开展施工仿真模拟，快速优化建设方案、场地规划分析等方面。

固化基于3DE 平台的三维协同设计流程及项目管理程序，通过ENOVIA规范协同管理，转变管理模式，实现设计文件云端共享、实时跟踪项目进度和状态、设计全过程数据管理。可研阶段三维协同设计流程见图3所示。

图3 可研阶段三维协同设计流程Fig.3 Project management procedure diagram 3D collaborative design process in feasibility study stage

3 BIM+GIS正向协同设计应用

GJ 水库工程在可研阶段BIM +GIS 技术研究应用主要有快速获取基础数据、多专业协同设计、模型创建、算量优化、计算分析、施工仿真、模型出图等内容，利用BIM+GIS 技术解决了工程前期比选方案多及参与专业多等难题，给出了更合理、经济的设计方案。

3.1 GIS+无人机技术快速获取基础数据

3.1.1 水文专业

利用ArcGIS 快速获取流域参数。借助SWAT 工具，进行流向计算，详见图4 所示。再通过ArcGIS 完成河网水系构建，快速提取流域水系。具体为通过利用等高线数据转换获得DEM，经过洼地填平、水流方向计算、水流积聚计算和河网矢量转化等步骤，提取河网水系，详见图5所示。

图4 SWAT工具进行流向计算Fig.4 SWAT tool for flow direction calculation

图5 ArcGIS快速获取流域水系图Fig.5 Rapid acquisition of watershed water system map by ArcGIS

3.1.2 规划专业

在前期获取流域地形模型基础上，通过ArcGIS可快速获取不同特征水位对应的库容（见图6），进而获取水位～库容关系曲线。结合3DE 平台，可快速获取不同特征水位对应的移民淹没范围。综合各特征水位对应的库容和移民淹没范围对应的投资、移民等多方面因素，快速拟定水库正常蓄水位，初拟开发方案。

图6 Arcgis快速进行水位库容初拟Fig.6 Rapid preliminary drawing of water level and storage capacity using ArcGIS

3.1.3 移民专业

利用BIM+GIS 快速提取移民淹没信息。在3DE 模型中快速获取不同特征水位时水库淹没范围，将范围线导入Arcgis 快速提取淹没区土地数据（见图7），导出实物指标统计表，相关数据、范围可导入CAD 中成图，结合现场抽样调查验证，可大幅度压缩移民土地调查时间，提升移民信息获取效率。

图7 Arcgis快速提取淹没区地类Fig.7 Rapid extraction of land types in inundated areas using ArcGIS

3.1.4 测量地质专业

通过无人机快速采集地形数据，仅需少量测量点校准控制，极大地缩短了野外工作时间；采用智能设备对野外地质测绘、钻孔及平硐编录等数据采集，录入地质信息数据库管理系统（见图8），减少内业入库时间，避免二次录入带来的数据误差，有效提高工作效率；工程地质数据库采用SQL Server 数据库，实现了多工程数据的存储、管理、查询、统计和绘图等功能。

图8 地质信息数据库管理系统Fig.8 Geological information database management system

从数据库获取原始数据，运用基于CATIA 的“三维地质建模及其可视化系统”，面向工程地质勘察，结合工程地质特点，提供地形、地层、断层等地质体的三维建模、可视化，方便及时地建立三维地质实体模型（见图9），快速剖切地质剖面及输出等功能，方便进行三维地质体的展示和三维地质分析，及时提供设计所需的成果资料，很好地解决了方案研究阶段繁重的地质分析工作，大大缩短了设计工作进程，为下游专业提供设计依据。

图9 三维地形地质模型Fig.9 3D topographical geological model

3.2 三维正向协同设计应用

3.2.1 三维正向协同设计流程标准化

将三维正向协同设计流程标准化，形成“设计策划→合作区创建→结构树搭建→工作包分解→定位设计→协同设计及细部设计→输出设计成果” 的固化设计流程，并同步建设标准参数化模板库，实现三维正向协同设计。

3.2.2 协同设计结构树优化

在创建结构树时，进行结构树优化，方便可研阶段多坝址多坝型方案比较，总体骨架布置要便于三维模型快速调整、并为下阶段高精度深化设计预留接口，便于后续工作开展，为全生命周期BIM应用奠定基础。

3.2.3 水工专业BIM 应用

水工专业正向协同设计主要过程包括总体布置协调、坝址比选、骨架定位以便多专业协同，以此为基础开展坝型比选及建筑物结构深化设计。坝址及骨架均采用参数化设计，可通过调整关键坐标或长度等数据，快速调整坝址及骨架。以骨架定位为基础，导入大坝、进水塔、隧洞、溢洪道、消力池等参数化建筑物模板，根据设计方案调整相关参数，完成快速建模。

优化建筑物模板设计与引用方式，其亮点在于优化各建筑物输入条件（见图10），如可以轴线、起点、终点为输入条件，便于后期修改关键控制性参数便可快速修改方案布置；通过骨架装配建筑物模板，在确定好建筑物骨架布置后，可快速组装建筑物模板库各部件，并可通过修改骨架参数快速调整建筑物布置，如调整起终点坐标、调整轴线骨架参数，以快速调整建筑物布置；在确定方案时，可根据建筑物与地形、水位间的关系，通过修改建筑物起点、终点参数，自动调整建筑物轴线，快速调整建筑物布置（见图11）。

图10 优化各建筑物输入条件Fig.10 Optimize input conditions of each building

图11 根据地形、水位快速调整建筑物布置Fig.11 Quickly adjust the building layout according to the terrain and water level

3.2.4 快速统计工程量

基于3DE 平台，可在三维模型中快速、高精度一次性精确读取建筑物各种参数，如体积、质量、形心、数量等（见图12），通过开发相关插件，可快速统计主体结构工程量表，提高设计效率及精准度，节省设计校审时间。

图12 三维模型快速读取工程量Fig.12 3D model quick reading quantities

3.2.5 一体化有限元计算分析

可将建筑物三维模型在3DE 平台计算模块中开展有限元计算分析，或直接导入Ansys等有限元分析软件，快速进行一体化计算分析（见图13）。当计算结果不满足要求时，可快速调整建筑物三维模型，并进行计算分析，直至满足设计规范要求，计算分析结果还可作为结构配筋依据。

图13 建筑物三维模型有限元计算分析Fig.13 Finite element analysis of 3D model of building

3.2.6 机电金结专业BIM应用

机电及金结设备随建筑物定位，方案比选中随时调用机电、金属结构模板库（见图14），引用水工专业发布的机电及金结设备定位轴系，将启闭机、闸门、涵管等设备装配到建筑物中，完成水轮机、闸门及启闭机设计。碰撞检测实时分析并修改，信息传递及时、准确。

图14 机电及金结设备三维模板Fig.14 3D template of electromechanical andmetal structure equipment

3.2.7 基于仿真分析的施工专业BIM 应用

将三维模型导入施工仿真软件中，关联施工进度计划及工程造价信息，对主体工程进行施工仿真（见图15），模拟计划进度和实际进度施工过程，实现3D 模型+1D 进度+1D 造价的5D BIM应用。

图15 施工仿真视频模拟Fig.15 Construction simulation video simulation

3.2.8 安全监测专业BIM 应用

本项目针对大坝、溢洪道、取水洞等建筑物的特点，系统研究了安全监测专业设备模板库，建立了变形监测、渗流渗压监测、应力应变及温度监测、机器人站房等模板，如图16所示。

图16 安全监测设备三维模板Fig.16 3D template of safety monitoring equipment

安全监测设施随建筑物定位。根据安全监测专业要求上游水工专业发布安全监测布置线或轴系，安全监测专业调用设备模板库，快速完成设备布置。实现专业间信息的准确、及时传递。后期可基于该模型开发安全监测信息管理系统。

3.2.9 三维展示

将三维模型导入lumion，真实还原各建筑物、库区完整的场地模型，可进行三维漫游（见图17），对工程整体及全库区进行浏览，各建筑物内部可通过人行视角检验工程设计是否合理。结合VR 技术，三维可视化浏览工程布置，切换不同的天气场景及浏览模式，逼真展现工程完建场景，通过人机交互进行场景漫游，身临其境，提高各方对工程整体认识［13］。

图17 三维漫游Fig.17 3D walkthrough

3.2.10 结构出图

3DE 平台中工程图模块可直接生成典型剖面、轴侧图及三维总体布置图（见图18），利用Drafting 模块快速进行工程图标注，完成建筑物结构三维及二维出图，提高出图效率。

图18 三维总体布置图Fig.18 3D general layout

4 结语

本项目以BIM+GIS 技术为正向协同设计应用核心，有效解决可研阶段收集资料难度大、一库两级比选方案多、各专业协同难度大等难点，快速完成可研方案确定，为工程创造了显著的应用价值，主要包括：

（1）提升管理效率。运用基于BIM 的项目管理模式，通过3DE 平台中ENOVIA 模块规范协同管理，实现设计文件云端共享，实时跟踪项目进度和状态，设计全过程数据管理，大幅提升管理效率。项目管理好、策划好、才能协同设计好。

（2）提升勘察设计工作效率。本项目为新建梯级水库，包含两个水库，工作量翻倍，且参与专业多，应用BIM+GIS，在3个月内完成项目两个水库6个专题成果，大幅度提高工作效率，生产力明显。

（3）提升前期数据收集及提取效率。新建水库前期乏信息条件下需收集测量地勘、水文、规划、移民等资料多，数据处理工作量大，利用GIS获取的数据，完全可满足水利前期项目可研阶段设计深度要求，并大幅提升数据处理效率。

（4）优化三维模型提升设计效率。好的三维模型应具备引用简单、可根据实际地形快速调整、正向设计的特性，并可便捷开展后续BIM 应用，为初步设计阶段深化设计提供方便快捷接口。通过项目建立完善水工、施工、金结、安全监测等多专业标准参数化模板库，可实现快速调用建模，并供后续其他项目使用。

后续设计中，本项目将把全生命周期理念贯穿始终，从可研、初设、施工详图到运维阶段，满足一次建模、全生命周期运用的要求，提高模型附加值。