GIS與BIM技術(shù)在重慶茨竹水庫項(xiàng)目中的應(yīng)用

向 威

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 4300 10）

目前，我國水利行業(yè)處在一個(gè)轉(zhuǎn)型時(shí)期，從傳統(tǒng)向現(xiàn)代科技轉(zhuǎn)變。隨著信息化發(fā)展，2015年水利部正式提出為促進(jìn)水利現(xiàn)代化大力發(fā)展建設(shè)水利信息化的理念。推進(jìn)水利工程信息化建設(shè)，就要結(jié)合BIM技術(shù)和GIS技術(shù)在水利工程的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

1.1 基本情況

茨竹水庫是一座具有農(nóng)業(yè)灌溉及農(nóng)村人畜供水等綜合利用功能的?。↖）型水利工程，位于重慶市秀山縣洪安鎮(zhèn)境內(nèi)，壩址位于洪安鎮(zhèn)猛董村紅巖溪，距離洪安鎮(zhèn)場鎮(zhèn)約 14 k m，距離秀山縣城約37 k m。該工程經(jīng)國家防總批準(zhǔn)列入全國2014—2016年抗旱應(yīng)急水源工程，概算總投資1．17億元，總庫容146．6萬 m3，正常蓄水位庫容131．3萬 m3，正常蓄水位545 m。大壩為埋石混凝土重力壩，壩頂高程547．8 m，壩高45．8 m。茨竹水庫工程建成后可解決猛董、新田溝、平馬、溜沙4個(gè)村3942畝農(nóng)田灌溉難題，同時(shí)解決了7476人、4581頭大牲畜和54471頭小牲畜的生活用水問題。

1.2 GIS與BIM項(xiàng)目應(yīng)用簡介

水利工程具有地形條件復(fù)雜、設(shè)計(jì)選型獨(dú)特、涉及專業(yè)廣等特點(diǎn)，存在圖紙信息繁冗、工程樞紐布置復(fù)雜、土方量計(jì)算不精確等問題。本項(xiàng)目綜合運(yùn)用GIS技術(shù)和BIM技術(shù)，通過繪制水利工程的地形及水利工程建筑物BIM模型，完整實(shí)現(xiàn)水利工程仿真信息的數(shù)字化查詢，完成水利工程的樞紐布置、土方量計(jì)算，用三維模型直觀、生動(dòng)地表達(dá)出水工建筑物的各個(gè)細(xì)節(jié)，有效防止施工過程的返工風(fēng)險(xiǎn)。

茨竹水庫項(xiàng)目采用Autodesk平臺的系列軟件進(jìn)行GIS及BIM相關(guān)應(yīng)用，其中，采用Infraworks軟件進(jìn)行湖泊、河流、臨時(shí)道路等相關(guān)GIS地形建模?；贕IS模型，結(jié)合實(shí)際地形及地質(zhì)情況，完成料場、渣場選擇工作，并對后期開挖及回填進(jìn)行模擬。采用Revit軟件進(jìn)行大壩分倉建模及壩肩開挖體的建模，并通過添加共享參數(shù)的方式，預(yù)先將各分倉模型進(jìn)行編號，方便后期自動(dòng)掛接進(jìn)度信息，形成施工模擬，并進(jìn)行施工時(shí)的進(jìn)度對比分析；施工期間，采用Synchro軟件進(jìn)行工期的模擬對比，實(shí)現(xiàn)對施工進(jìn)度的精確管控；另一方面，將模型與成本信息關(guān)聯(lián)，形成5 D模型，提高各專業(yè)間的信息交流效率，減少信息孤島問題。

2 GI S技術(shù)應(yīng)用方案

運(yùn)用GIS技術(shù)主要處理如地形等宏觀數(shù)據(jù)，地形模型是描述工程施工總布置的基礎(chǔ)，是建筑物及施工活動(dòng)的場所，也是地形開挖的受體。

水利工程地形條件復(fù)雜，挖填土方量大，土方量計(jì)算精度對項(xiàng)目工程量的計(jì)算影響重大，利用數(shù)字地形模型，既可直觀地查看場地的三維效果，也可用于土方計(jì)算、縱橫斷面繪制等設(shè)計(jì)與計(jì)算功能?；贕IS技術(shù)的土方量計(jì)算建立在與實(shí)際地形完全吻合的模型上，首先建立原始地形曲面模型和設(shè)計(jì)曲面模型，這2個(gè)空間三維曲面會(huì)產(chǎn)生交點(diǎn)并連接成線，所包圍的空間體積即為需要開挖或填筑的土方量?；贕IS技術(shù)的原始地形曲面和設(shè)計(jì)地形曲面是動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的，在方案選擇階段可在模型基礎(chǔ)上快速進(jìn)行土方開挖和填筑試驗(yàn)，準(zhǔn)確計(jì)算土方的開挖和填筑量，從而選出最佳土方開挖方案。

另外，水利工程的樞紐布置直接影響施工場地的布局，合理確定樞紐中各組成建筑物之間的相互位置，對于找到最佳的臨時(shí)設(shè)施位置，使現(xiàn)場人員和設(shè)備運(yùn)距最小化，從而對節(jié)省工程量、方便施工、縮短工期有重要意義。在方案比選階段，建立各水工建筑物的BIM模型，并結(jié)合地形模型形成完整的項(xiàng)目總體沙盤，能使決策人員直觀了解建筑物之間、建筑物與周圍地形條件之間的制約關(guān)系。基于參數(shù)的BIM模型可在GIS數(shù)字沙盤中任意移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一處更改、處處更改，使每種決策方都成為完整可視的沙盤。

2.1 真實(shí)地形建模

建立GIS模型的意義在于，通過在軟件中還原現(xiàn)場真實(shí)情況，布置施工臨時(shí)道路并完成施工臨時(shí)場地布置方案的比選，在項(xiàng)目施工前期相關(guān)人員即可對項(xiàng)目體量及周邊概況有深入了解。

本項(xiàng)目通過Infraworks軟件進(jìn)行GIS地形地貌建模，軟件通過訪問云端數(shù)據(jù)，獲取真實(shí)的地形地貌及高程信息，直觀地還原了施工現(xiàn)場的原始情況。對于精度要求較高的部分，通過導(dǎo)入DOM、DEM、實(shí)測等高線及點(diǎn)云等數(shù)據(jù)，形成更為接近實(shí)際情況的GIS模型（見圖1）?；诖四Ｐ?，完成了施工臨時(shí)道路及臨建設(shè)施的布置，并通過軟件快速計(jì)算出各布置方案的填挖方量，通過綜合考慮得到最優(yōu)方案，完成施工布置的方案比選工作。

2.2 土方調(diào)配

工程施工前設(shè)計(jì)階段必須對土石方量進(jìn)行預(yù)算，它直接關(guān)系到工程概算及方案優(yōu)選。本項(xiàng)目填挖方計(jì)算主要應(yīng)用在臨時(shí)道路邊坡的挖填及施工總平面布置。通過調(diào)整道路走向、高程或施工場地的布置位置、高程，達(dá)到挖填平衡或盡量減少填挖方量的目的，從而減少施工工作量，實(shí)現(xiàn)降本增效。

圖1 真實(shí)地形建模

1）臨時(shí)施工道路布置 基于建立好的GIS模型，在設(shè)置好道路橫斷面后，可直接在合適的位置布置道路，Infraworks軟件可自動(dòng)使道路貼合地形，通過調(diào)整道路控制點(diǎn)的位置及高程，優(yōu)化道路布置，并最終分析填挖方量驗(yàn)證道路布置方案效果。

2）施工總平面布置 施工總平面布置的目的是把場外交通引入現(xiàn)場，因此在滿足施工需要前提下，應(yīng)盡量減少施工用地，不占或少占農(nóng)田，施工現(xiàn)場布置要緊湊合理。本項(xiàng)目通過在Infraworks中框選合理的施工范圍，建立覆蓋區(qū)域，并設(shè)定設(shè)計(jì)平整標(biāo)高，獲得設(shè)計(jì)標(biāo)高上覆蓋區(qū)域內(nèi)的一個(gè)平面，并以此和原有地形求差集，得到填挖方體積，在合理范圍內(nèi)，盡量減少施工用地及填挖方工作量（見圖2）。

圖2 土方調(diào)配

基于BIM技術(shù)的土方量計(jì)算嚴(yán)密科學(xué)，方便修改，彌補(bǔ)了水利工程中傳統(tǒng)土方算量方法的不足，提高了土方量計(jì)算的精度和效率，為項(xiàng)目方案決策奠定基礎(chǔ)。

2.3 與Civil3D交互

由于相關(guān)的設(shè)計(jì)工作都需在Civil3D軟件中進(jìn)行，且．dwg格式文件更具通用性。因此需要將 Infraworks中的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Civil3D軟件中，完成數(shù)據(jù)交互。Infraworks與Civil3D間的交互主要有以下3種方式。

1）通過選擇需要導(dǎo)出的某條路或橋梁模型，將其導(dǎo)出成為．dwg模型，用Civil3D直接打開便可編輯，此種方法的限制只能導(dǎo)出道路或橋梁的曲面模型，不能同時(shí)導(dǎo)出周邊地形。

2）通過導(dǎo)出中間格式．imx，再導(dǎo)入 Civil3D軟件中，此種方法的優(yōu)勢在于，可以自己框選導(dǎo)出范圍，導(dǎo)出的文件為．dwg格式的等高線，且涵蓋框選范圍內(nèi)的全部模型，包括道路、橋梁、覆蓋區(qū)域等。

3）在Civil3D軟件中，通過安裝插件可直接開啟Infraworks保存的數(shù)據(jù)庫文件，常用文件格式為．sqlite，便可將 Infraworks軟件內(nèi)所做的編輯交互傳遞到Civil3D軟件中，但此方案對較大的模型支持較差，同一模型用Civil3D軟件打開對計(jì)算機(jī)硬件的要求更高。

本項(xiàng)目采取第2種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，框選水庫及周邊渣場、料場等地塊后，導(dǎo)出．imx交互導(dǎo)入Civil3D軟件。

2.4 道路及橋梁的初步設(shè)計(jì)

Infraworks軟件可進(jìn)行道路或橋梁的初步設(shè)計(jì)，主要是在地形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過繪制線路中心線確定道路或橋梁走向，添加中間點(diǎn)，可將道橋模型分段，從而分別更改各分段的尺寸信息或橋梁的上、下部分的結(jié)構(gòu)形式。本項(xiàng)目主要用于施工臨時(shí)道路的布置，繪制道路中線后，通過調(diào)整各控制點(diǎn)的標(biāo)高和平面位置，以確定道路的縱斷面及走向，如圖3所示。另外，在樣式管理器中設(shè)計(jì)好需要的道路橫斷面形式，設(shè)計(jì)參數(shù)包括道路路面的布置、寬度、型式及尺寸等，完成裝配后即形成臨時(shí)道路模型。

圖3 道路設(shè)計(jì)

2.5 三維場地漫游

相較Civil3D軟件而言，Infraworks有著不錯(cuò)的實(shí)時(shí)渲染功能，通過選取合適的連續(xù)視角，并設(shè)置關(guān)鍵幀，軟件能平滑過渡連接各關(guān)鍵幀，形成漫游路徑。形成漫游動(dòng)畫后，可便捷地展示設(shè)置路徑上項(xiàng)目的概況。另外設(shè)置視頻文件導(dǎo)出參數(shù)后，還可導(dǎo)出視頻文件，方便傳遞給項(xiàng)目參與各方，使相關(guān)人員更快了解項(xiàng)目情況。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用方案

運(yùn)用BIM技術(shù)主要處理如水工建筑物施工單元等微觀數(shù)據(jù)，通過建立一個(gè)真實(shí)描述工程設(shè)計(jì)的數(shù)字信息模型，實(shí)現(xiàn)可視化仿真技術(shù)。水利工程與普通建筑工程特點(diǎn)不同，其建模順序、方法、要求也有所不同。

1）確定建模精度 水利工程模型精度劃分還未有詳細(xì)界定，可參照建筑項(xiàng)目BIM模型精度劃分，按照LOD100～LOD500劃分為5個(gè)等級。

2）搜集資料，劃分施工單元 水工建筑物的形式、構(gòu)造和尺寸，與建筑物所在地的地形、地質(zhì)、水文等條件密切相關(guān)，設(shè)計(jì)選型獨(dú)特，各構(gòu)件不具有通用性。由于軟件本身限制，進(jìn)行族劃分時(shí)應(yīng)盡量分解到最小單元，方便后期施工模擬。

3）模型管理 對于模型進(jìn)行圖形管理和信息管理。圖形管理包括模型配色和線型要求；模型信息管理包括幾何信息和非幾何信息。

4）模型審查 模型建成后要進(jìn)行質(zhì)量審核。審核內(nèi)容包括：模型是否達(dá)到最初設(shè)定的建模標(biāo)準(zhǔn)；構(gòu)件定位是否準(zhǔn)確；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是否與圖紙一致等。

基于建立好的水工建筑物BIM模型，添加進(jìn)度及成本信息后，可完成5 D施工模擬，從而加強(qiáng)對項(xiàng)目各方面的把控，逐步推進(jìn)水利工程從粗放化向精細(xì)化管理轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)施工前可模擬，施工中可記錄，完工后可追溯等BIM目標(biāo)。

3.1 施工模擬

施工進(jìn)度是工程管理的一大重點(diǎn)問題，本項(xiàng)目采用P 6軟件編輯好細(xì)化到單元的進(jìn)度計(jì)劃文件后，將模型與進(jìn)度計(jì)劃文件同時(shí)導(dǎo)入Synchro平臺，通過設(shè)定好的映射規(guī)則，完成三維模型與進(jìn)度計(jì)劃作業(yè)的自動(dòng)掛接，即可形成直觀的4D施工動(dòng)畫，全面了解計(jì)劃中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)項(xiàng)目的完成情況，明確施工順序及工程量，不僅深化、豐富了設(shè)計(jì)階段的進(jìn)度編排成果，更為施工階段的進(jìn)度管理提供了直觀、可靠的依據(jù)。

另外，通過導(dǎo)入合同數(shù)據(jù)，還可同時(shí)展示出項(xiàng)目的成本管控狀況，將進(jìn)度及成本數(shù)據(jù)可視化，提高數(shù)據(jù)的直觀性及可讀性。

3.2 進(jìn)度對比分析

本項(xiàng)目通過錄入實(shí)際施工進(jìn)展情況，可實(shí)現(xiàn)計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)度對比，并將延期及超前的模型單元通過顏色區(qū)分，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度的精確管控。項(xiàng)目從以下2方面對進(jìn)度進(jìn)行跟蹤及迭代優(yōu)化。

1）通過導(dǎo)入多個(gè)進(jìn)度計(jì)劃，利用 Synchro軟件對多個(gè)方案做對比分析，并以報(bào)表的形式統(tǒng)計(jì)2個(gè)方案的不同之處，為進(jìn)度優(yōu)化提供一個(gè)參考。

2）將計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度進(jìn)行對比，Synchro軟件可展開多個(gè)3D窗口，并將每個(gè)3D窗口關(guān)聯(lián)一個(gè)不同的進(jìn)度計(jì)劃，這樣就可在同一時(shí)間下進(jìn)行多個(gè)進(jìn)度計(jì)劃的4D模擬對比，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化迭代的目的。

通過4D模擬，將施工計(jì)劃細(xì)化到一周以內(nèi)，將原施工計(jì)劃中不合理的地方顯現(xiàn)出來，提前預(yù)判施工中的各種進(jìn)度及資金風(fēng)險(xiǎn)（見圖4）。

圖4 進(jìn)度對比分析

3.3 進(jìn)度成本報(bào)表

本項(xiàng)目導(dǎo)入模型、計(jì)劃進(jìn)度、成本信息形成5 D模型后，可導(dǎo)出豐富的 Excel報(bào)表，如進(jìn)度比對、資源分析、掙值曲線等，用于匯總形成周報(bào)文件或提取工程量等方面。通用性較強(qiáng)的Excel文件，使未安裝Synchro軟件的參與人員更為直觀詳細(xì)了解項(xiàng)目各單項(xiàng)指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理與進(jìn)度優(yōu)化提供支持（見圖5）。

圖5 掙值曲線報(bào)表

3.4 3D-PDF文件

由于模型的通用性問題，對于未安裝 Revit軟件的協(xié)同參與方，查看．rvt格式的模型文件較為困難。為解決此通用性問題，本項(xiàng)目采用插件導(dǎo)出3D-PDF文件，此文件使用 Adobe Reader即可打開，可供模型查看，不需安裝專業(yè)軟件，降低溝通成本，提高溝通效率。

4 結(jié)語

水利工程有著施工條件復(fù)雜、工程量大、施工難點(diǎn)多等特點(diǎn)。BIM作為一種對建筑物物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字描述的信息庫，其模型在工程設(shè)計(jì)、施工等過程中支持多種應(yīng)用，對于一個(gè)完整使用BIM技術(shù)的工程來說，不僅包括虛擬的三維可視化模型，也應(yīng)包括可視化的施工任務(wù)和施工順序。建立水利工程的BIM 3D模型，可對工程建造中的成本、質(zhì)量、進(jìn)度和安全進(jìn)行精細(xì)化控制，實(shí)現(xiàn)了施工前可模擬、施工中可記錄、完工后可追溯等BIM目標(biāo)。但BIM技術(shù)更偏重于微觀管理，集成GIS技術(shù)后，則可提高長線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維管理能力。GIS技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用已經(jīng)相對成熟，但是BIM技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步。推進(jìn)水利工程建設(shè)的信息化程度，融合以上2種信息技術(shù)是關(guān)鍵。

雖然BIM技術(shù)還處于應(yīng)用尚不成熟，但項(xiàng)目證明應(yīng)用BIM技術(shù)對整個(gè)項(xiàng)目管理流程有極大應(yīng)用意義，可合理控制成本和工期，在確定了BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)后，相信BIM技術(shù)將給建筑業(yè)帶來一次新的革命。同時(shí)BIM和GIS的整合，為不同設(shè)計(jì)專業(yè)人員之間的合作提供橋梁，使得設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，參數(shù)更精確，也為后期的運(yùn)營維護(hù)奠定良好的基礎(chǔ)。