廣東省航道工程BIM技術(shù)體系

何 洋 劉夢(mèng)蘭

1 中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 2 武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

1 引言

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)并集成建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程基礎(chǔ)模型，可從根本上解決規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各階段的信息斷層問題。目前，國內(nèi)BIM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域由建筑工程向基礎(chǔ)設(shè)施工程擴(kuò)展，例如水運(yùn)工程等。隨著BIM技術(shù)的集成應(yīng)用程度不斷提高，水運(yùn)工程領(lǐng)域BIM技術(shù)逐漸從設(shè)計(jì)階段向施工、運(yùn)維階段延深，從單業(yè)務(wù)向多業(yè)務(wù)集成協(xié)同應(yīng)用轉(zhuǎn)變。

為解決制約航道工程BIM技術(shù)體系科學(xué)發(fā)展的全局性、系統(tǒng)性問題，以“BIM大數(shù)據(jù)智慧驅(qū)動(dòng)”思維為導(dǎo)引，開展廣東省航道工程BIM技術(shù)需求及應(yīng)用方向研究，梳理廣東省航道事務(wù)的BIM應(yīng)用需求和價(jià)值，有效構(gòu)建廣東省BIM技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，助力廣東省航道信息化建設(shè)。

2 廣東省航道BIM技術(shù)體系方案

2.1 航道項(xiàng)目信息整合方案研究

目前，航道信息系統(tǒng)大多用于實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)過程中底層業(yè)務(wù)、局部功能，而為了追求信息的高質(zhì)量運(yùn)用，可從全局角度出發(fā)，將建筑生命周期管理和BIM理念與技術(shù)應(yīng)用到航道工程項(xiàng)目信息管理中，形成信息化管理的新模式和新機(jī)制，這對(duì)提高航道工程信息化水平及生產(chǎn)效率具有重要意義。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集方案研究

數(shù)據(jù)采集作為整個(gè)數(shù)據(jù)資源體系建設(shè)的基礎(chǔ)，主要利用國家測(cè)繪地理信息局組織完成航攝影像，為地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫、三維模型數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和來源。在分析廣東航道信息化需求的基礎(chǔ)上，將航道信息化系統(tǒng)劃分為航標(biāo)遙測(cè)遙控管理子系統(tǒng)、船閘管理信息子系統(tǒng)、航道電子地圖管理子系統(tǒng)等，分別實(shí)現(xiàn)省航道局與分局等之間的網(wǎng)絡(luò)化分級(jí)管理與實(shí)時(shí)監(jiān)控；對(duì)過往船舶收費(fèi)、調(diào)度進(jìn)行管理和控制，調(diào)節(jié)連江十二座船閘水位；實(shí)現(xiàn)對(duì)航道地理數(shù)據(jù)綜合分析和處理，為航道管理部門業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策支持平臺(tái)。

2.1.2 信息集成模式方案研究

航道工程信息模型系統(tǒng)集成平臺(tái)架構(gòu)(HPIM)應(yīng)提供用戶管理、權(quán)限控制等功能，具有實(shí)時(shí)更新的IFC標(biāo)準(zhǔn)及其擴(kuò)展對(duì)象庫，用于存儲(chǔ)HPIM數(shù)據(jù)的BIM數(shù)據(jù)庫。其功能設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 HPIM集成平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

2.2 各階段BIM技術(shù)實(shí)施體系

2.2.1 設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用

利用野外實(shí)際測(cè)量、三維激光掃描、航空攝影測(cè)量等進(jìn)行多源數(shù)據(jù)采集；通過三維透視及暈渲檢查三維地面模型可靠性；最后采用傳統(tǒng)法、點(diǎn)云法以及傾斜攝影建模法進(jìn)行模型的構(gòu)建，為三維場(chǎng)地模型整編奠定基礎(chǔ)?；贏utodeskCivil3D平臺(tái)，采用文件鏈接或者文件集成的方式進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，并利用Navisworks的強(qiáng)大數(shù)據(jù)接口能力，進(jìn)行模型的集成。

航道整治工程BIM模型檢查在參考現(xiàn)有質(zhì)量檢查技術(shù)方法基礎(chǔ)上，借鑒建筑領(lǐng)域BIM模型檢查實(shí)施方法，完成模型完整性、建模規(guī)范性以及模型協(xié)調(diào)性檢查，進(jìn)而保證模型準(zhǔn)確與完整。

2.2.2 施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用

將BIM技術(shù)高效應(yīng)用在航道監(jiān)控量測(cè)，減少人員工作量，為項(xiàng)目提供精準(zhǔn)的航道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)。進(jìn)行模型施工深化，提升模型準(zhǔn)確性和可操作性，使BIM模型符合施工深化設(shè)計(jì)要求。利用施工進(jìn)度管控技術(shù)、預(yù)算和成本管控BIM技術(shù)、施工質(zhì)量與安全管控技術(shù)降低風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)管理者對(duì)施工過程的控制能力。

2.2.3 運(yùn)維管理階段BIM技術(shù)應(yīng)用

通過數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)集成或技術(shù)集成來實(shí)現(xiàn)BIM+GIS(地理信息系統(tǒng)，Geographic Information System)集成應(yīng)用，將BIM應(yīng)用范圍擴(kuò)展到航道整治工程領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)基于BIM精細(xì)管理相結(jié)合的多層次管理。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)與數(shù)字技術(shù)等建設(shè)運(yùn)維管理階段信息化服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源共享、信息收集以及綜合管理。運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)航道相關(guān)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)可視化管理。

3 BIM平臺(tái)系統(tǒng)總體架構(gòu)及其應(yīng)用方案

3.1 邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

BIM平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)自上而下分為基礎(chǔ)設(shè)施層、標(biāo)準(zhǔn)層、平臺(tái)功能層、用戶交互層，著重考慮功能需求(見圖2)。航道工程BIM平臺(tái)業(yè)務(wù)邏輯要滿足航道工程事務(wù)及BIM技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用成果共享，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”思維實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工管理協(xié)同等工作協(xié)同與共享，滿足基于BIM技術(shù)的工程項(xiàng)目全生命期數(shù)據(jù)傳遞訴求。

圖2 邏輯結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)架構(gòu)關(guān)注數(shù)據(jù)持久化和存儲(chǔ)層面問題，分布式架構(gòu)一般把系統(tǒng)分為Saas(軟件即服務(wù)，Software-as-a-Service)、Paas(平臺(tái)即服務(wù)，Platform-as-a-Service)、Iaas(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，Infrastructure as a Service )三層(見圖3)。 微服務(wù)垂直嵌入這三層服務(wù)之中，相互獨(dú)立，并將數(shù)據(jù)架構(gòu)分為Raw Data(原始數(shù)據(jù)) 層、Logic Data inner(內(nèi)部邏輯數(shù)據(jù))層和 Logic Data outer(外部邏輯數(shù)據(jù))層，有利于提高數(shù)據(jù)易用性。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)性能，采用多源數(shù)據(jù)緩存方案，把常用數(shù)據(jù)、最近使用數(shù)據(jù)放到讀取速度更快的內(nèi)存中，提高數(shù)據(jù)系統(tǒng)整體性能。

圖3 數(shù)據(jù)架構(gòu)

3.3 大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)設(shè)計(jì)

航道工程BIM平臺(tái)作為航道工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)傳遞、BIM工作協(xié)同與技術(shù)共享的平臺(tái)勢(shì)必會(huì)積累大量數(shù)據(jù)，因此對(duì)這些大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析與應(yīng)用也是必不可少的。在平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)中，Kafka網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集的多數(shù)據(jù)源統(tǒng)一接入，并利用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)清洗對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓、解密，減輕存儲(chǔ)計(jì)算集群資源壓力，最后在數(shù)據(jù)應(yīng)用層中結(jié)合實(shí)際需求展示采集分析結(jié)果(見圖4)。

圖4 大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)

4 基于BIM的航道工程數(shù)據(jù)資源體系建設(shè)方案

航道工程數(shù)據(jù)資源是指航道事務(wù)相關(guān)部門在履行職能中而產(chǎn)生、加工、使用的數(shù)據(jù)資源。圍繞數(shù)據(jù)資源采集、數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)資源管理等方面形成“邏輯上集中”的航道工程數(shù)據(jù)資源體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的挖掘。主要包含航道設(shè)計(jì)施工過程成本管理、質(zhì)量管理和進(jìn)度管理。

航道設(shè)計(jì)施工過程成本管理BIM數(shù)據(jù)資源體系主要圍繞BIM成本管理應(yīng)用及數(shù)字資源目錄進(jìn)行構(gòu)建，包括基于BIM的造價(jià)管理方式、造價(jià)文檔管理、造價(jià)計(jì)價(jià)管理、造價(jià)數(shù)據(jù)管理。在此基礎(chǔ)上，對(duì)BIM施工圖預(yù)算、施工成本管控進(jìn)行應(yīng)用分析，旨在為工程造價(jià)管理人員提供快速查詢定位，為工作人員及時(shí)、準(zhǔn)確地篩選和調(diào)用工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供可能性。

航道設(shè)計(jì)施工過程質(zhì)量管理BIM數(shù)據(jù)資源體系，可通過比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工情況與模型進(jìn)而提高質(zhì)量檢查效率，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目質(zhì)量管控目標(biāo)。該體系可用于構(gòu)建施工質(zhì)量管理模型、制成檢驗(yàn)批質(zhì)量檢驗(yàn)記錄表以及施工質(zhì)量分析報(bào)告。

航道設(shè)計(jì)施工進(jìn)度管理BIM技術(shù)應(yīng)用，主要包括進(jìn)度計(jì)劃編制BIM技術(shù)應(yīng)用和施工進(jìn)度控制BIM技術(shù)應(yīng)用兩個(gè)方面?？蓪?duì)進(jìn)度計(jì)劃方案進(jìn)行仿真模擬，預(yù)先判斷計(jì)劃結(jié)果并進(jìn)行實(shí)際進(jìn)度和計(jì)劃進(jìn)度跟蹤對(duì)比分析。

5 基于BIM的航道工程監(jiān)控量測(cè)技術(shù)方案

航道工程監(jiān)控量測(cè)對(duì)象一般是指對(duì)航道水位、水深、能見度、航道整治建筑物狀態(tài)等信息感知與監(jiān)控量測(cè)。其核心是航標(biāo)遙測(cè)遙控、船舶監(jiān)控、水位監(jiān)測(cè)等功能，可實(shí)現(xiàn)航道工程安全、高效、便捷和智能的建養(yǎng)運(yùn)維，促進(jìn)航道工程智能化、數(shù)字化發(fā)展。

5.1 BIM空間化可視化

BIM空間化是指將監(jiān)控點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)三維模型基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)空間化。BIM通過對(duì)航道工程各監(jiān)控要素進(jìn)行三維可視化建模，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與監(jiān)控點(diǎn)各BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、融合與集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、查詢、更新等管理，避免信息孤島。

5.2 航道水位感知方案

目前，水位監(jiān)測(cè)主要采用插補(bǔ)方法依靠現(xiàn)有水位、水文測(cè)站進(jìn)行水尺布設(shè)。因此，結(jié)合廣東省干線航道水位變化特性，制定水位感知點(diǎn)布設(shè)原則及方法，設(shè)計(jì)基于BIM的水位監(jiān)控量測(cè)技術(shù)方案具有重要意義。在該方案中需搭建BIM施工管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、維護(hù)以及集成與交互。而這些數(shù)據(jù)來源于包含水位自動(dòng)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)、應(yīng)答查詢、自動(dòng)加報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)處參數(shù)設(shè)置等模塊的基于BIM水位監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)。最后在該方案中BIM施工管控平臺(tái)還可與搭建好的基于BIM+GIS的航道監(jiān)控要素感知融合平臺(tái)進(jìn)行資源信息交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智慧化的航道監(jiān)控量測(cè)。具體航道水位感知方案見圖5。

圖5 航道水位感知方案

5.3 航道能見度采集方案

目前，河流能見度采集主要依靠目測(cè)或氣象部門的氣象預(yù)警信息，航道部門不能及時(shí)獲取山區(qū)河流能見度情況。從航道管理實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)能見度自動(dòng)采集及其信息BIM空間化方案。測(cè)量能見度主要有目測(cè)法和器測(cè)法，而河流霧區(qū)較多，能見度不良，受霧影響較大，可以利用能見度儀和霧滴譜儀進(jìn)行測(cè)量。將采集數(shù)據(jù)整合到BIM施工管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)河流能見度信息的及時(shí)采集和發(fā)布，同時(shí)預(yù)報(bào)主要霧區(qū)二十四小時(shí)能見度信息。此外，還可以結(jié)合GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息BIM化。具體方案見圖6。

圖6 航道能見度采集方案

6 結(jié)語

廣東航道作為綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，圍繞廣東省航道智慧生態(tài)需求，合理制定廣東省航道BIM技術(shù)體系方案；結(jié)合航道工程全生命周期管理理念，將航道要素中的宏觀地理環(huán)境和微觀結(jié)構(gòu)映射到BIM數(shù)字化結(jié)構(gòu)上，推動(dòng)航道基礎(chǔ)設(shè)施全要素、全周期數(shù)字化，構(gòu)建廣東省航道綜合化的智能應(yīng)用服務(wù)體系。