BIM 技術在珠三角水資源配置工程中的集成應用

杜燦陽 ，張兆波 ，劉 丹 ，朱曉斌

（1. 廣東粵海珠三角供水有限公司，廣東 廣州 510000；2. 上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335；3. 水利部水利水電規(guī)劃設計總院，北京 100120）

0 引言

依照國家和水利部對水利工程建設補短板和強監(jiān)管的總體要求，水利工程信息化建設迫在眉睫[1]。隨著 BIM 應用的逐步深入，單獨應用 BIM 的項目將越來越少，更多的是將 BIM 與其他先進技術或應用系統(tǒng)集成，以期發(fā)揮更大的綜合價值[2]。新一代信息技術正與水利行業(yè)加速融合，對行業(yè)發(fā)展產生巨大的推動作用，為智慧水利工程創(chuàng)造了可能[3]。以 BIM 技術為基礎，結合互聯(lián)網(wǎng)技術，可以加強信息協(xié)作，支持分布式管理模式，擴展工程數(shù)據(jù)來源，挖掘海量數(shù)據(jù)中蘊藏的價值，支持智慧型決策[4]。目前水利行業(yè)信息化水平還比較低，BIM 集成應用很少，為此以珠江三角洲水資源配置工程（以下簡稱珠三角工程）為例，依托 BIM 技術與信息化平臺，探索研究水利工程全專業(yè)、全過程、全參與方的集成應用[5]，以期為珠三角工程創(chuàng)造價值，樹立行業(yè)先行應用的示范案例，推動行業(yè)內 BIM 技術應用進入新業(yè)態(tài)。

珠三角工程是為優(yōu)化配置珠三角地區(qū)東、西部水資源，從珠三角網(wǎng)河區(qū)西部的西江水系向東引水至珠三角東部的，國務院要求加快建設的全國 172 項節(jié)水供水重大水利工程之一。工程輸水線路總長度為 113.1 km，其中：主干線總長度為 90.3 km，沿線設兩級泵站，設計總揚程為 108.0 m；深圳分干線長度為 11.9 km，設一級泵站，設計揚程為 35.5 m，最大揚程為 43.0 m；東莞分干線長度為 3.5 km；南沙支線長度為 7.4 km。多年平均引水量為 17.87 億 m3，供水量為 17.08 億 m3。工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大（1）型，輸水線路施工建設主要以盾構掘進方式為主，全線工程分為多個標段進行分段施工。

按照各級管理單位對水利信息化的建設要求及規(guī)范[6-9]，對珠三角工程進行全生命周期、全過程的信息化建設，目前已搭建 PMIS 系統(tǒng)（項目管理系統(tǒng)）、智慧監(jiān)管平臺、質量檢測信息管理系統(tǒng)、安全監(jiān)測管理系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)。珠三角智慧工程建設充分利用 BIM 和 GIS 等技術構建智慧工程底座，開發(fā) BIM + GIS 工程全生命周期系統(tǒng)平臺[10]，開展應用與數(shù)據(jù) 2 種集成服務，為工程提供全新的信息展現(xiàn)效果，實現(xiàn)工程建設期的三維可視化管控。

1 BIM 應用目標與內容

按照珠三角工程“打造新時代生態(tài)智慧水利工程”的建設總目標，遵循“互聯(lián)網(wǎng) + 智慧建造”發(fā)展新思路[11]，創(chuàng)建三維信息化 BIM 模型，并基于BIM 模型建立 BIM + GIS 系統(tǒng)平臺，對珠三角工程的設施、設備狀態(tài)及環(huán)境信息進行全面的數(shù)據(jù)集成，信息融合，可視化展現(xiàn)，解決供水工程建設期較長、工程線路長、地質條件復雜、建設難度大、參建方多、管理難度大等問題，實現(xiàn)不同層級參與者信息有效交互與業(yè)務協(xié)同，保障整個工程管理的高效有序，實現(xiàn)工程精細化與一體化管理，輔助管理者多維度掌控工程動態(tài)及科學決策。

BIM 技術應用主要包括以下 2 個方面：1）BIM模型的創(chuàng)建及應用。主要包括 BIM 模型創(chuàng)建， BIM基礎性應用，施工 BIM 應用等內容。2）基于 BIM +GIS 系統(tǒng)平臺的集成應用。主要包括支撐平臺與門戶搭建，態(tài)勢感知與輔助決策，以及基于 BIM +GIS 的專題應用。本研究重點論述 BIM 技術在珠三角工程建設管理中的集成應用。

2 BIM 集成應用內容

2.1 BIM + GIS 支撐平臺搭建

BIM 集成應用離不開 BIM 平臺，珠三角工程建立以 BIM 數(shù)據(jù)為核心的多維數(shù)據(jù)管理支撐平臺[12]，滿足工點、單體及多項目數(shù)據(jù)管理需要。自主研發(fā)的原生數(shù)據(jù)轉換工具（插件形式）將源 BIM 模型格式可控地轉換為自主設計的結構化和輕量化的 BIM模型格式，通過基于瀏覽器的超大體量 BIM，BIM +GIS，以及基于 Unity 3D 深度定制的 VR（虛擬現(xiàn)實）等引擎直接加載中間格式文件，滿足同一模型格式支持多個場景應用的要求，實現(xiàn)一模多用。

BIM + GIS 支撐平臺在數(shù)據(jù)收集時對 BIM 模型數(shù)據(jù)進行了結構化組織，并具有獨立的圖形引擎，解決了與業(yè)務系統(tǒng)交互中最核心的結構化數(shù)據(jù)的關聯(lián)問題，滿足了業(yè)務系統(tǒng)中顯示和操作 BIM 模型數(shù)據(jù)的需求。BIM 數(shù)據(jù)和 GIS 數(shù)據(jù)在支撐平臺上的統(tǒng)一，共同構成管理數(shù)據(jù)的各項目業(yè)務信息化系統(tǒng)和項目大數(shù)據(jù)管理的 BIM + GIS 應用環(huán)境的基礎，實現(xiàn) BIM + GIS + VR，二維 + 三維，模型 + 業(yè)務的多維關聯(lián)。

2.2 四大態(tài)勢分析與輔助決策

項目態(tài)勢分析與輔助決策主要呈現(xiàn)形式為數(shù)據(jù)駕駛艙，即在業(yè)務數(shù)據(jù)積累的基礎之上，摘錄出與工程相關的關鍵性指標和信息，通過匯總統(tǒng)計的方式進行數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)，同時基于 BIM + GIS 支撐平臺將數(shù)據(jù)與三維場景集成，總體把握項目進展情況。珠三角工程四大態(tài)勢（進度、質量、安全、資金態(tài)勢）分析與輔助決策業(yè)務數(shù)據(jù)流程如圖 1 所示。

圖 1 四大態(tài)勢分析與輔助決策業(yè)務流程圖

2.2.1 進度態(tài)勢分析與輔助決策

進度態(tài)勢分析與輔助決策，即進度駕駛艙，基于 BIM + GIS 創(chuàng)建三維可視化的進度場景[13]，根據(jù)珠三角工程項目管理信息系統(tǒng)中的目標計劃和進度跟蹤反饋情況，對設計、土建及安裝施工、設備的交付進度，以及專項進度等進展情況進行分析。進度駕駛艙將根據(jù)各級用戶對進度管理業(yè)務的需求，采用逐級深入的方式從全線級、標段級、單位工程級 3 個層次對施工進度管理信息進行統(tǒng)計分析，并采用數(shù)據(jù)展示、GIS 展示、綜合統(tǒng)計 3 種不同的方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。具體功能結構如圖 2 所示。

全線級主要采用基于 GIS 的全線工程業(yè)務圖層，展示整個工程全線的進度情況；標段級主要采用基于 GIS + 標段級工程的業(yè)務圖層，展示各個標段級別的進度情況；單位工程級進度態(tài)勢分析，主要以 GIS 工程業(yè)務圖層 + BIM 模型建立三維場景，以本標段工程項目全景 GIS + BIM 圖及 BIM 構件級方式，可視化展現(xiàn)本標段工程的進度態(tài)勢，開發(fā)界面如圖 3 所示（質量、安全、資金態(tài)勢感知分析開發(fā)界面與其類似）。

2.2.2 質量態(tài)勢分析與輔助決策

質量態(tài)勢分析與輔助決策基于 BIM + GIS 創(chuàng)建三維可視化的質量場景，是以質量驗收與評價為主線，按質量計劃對質量控制點進行識別、控制、檢查、不符項處理、整改管理，以及最后驗收關閉的過程。采用逐級深入的方式從全線級、標段級、單位工程級 3 個維度，對質量目標、驗評、事故、預警、考核，以及原材料追溯流程等內容進行匯總統(tǒng)計，滿足各級用戶對質量業(yè)務的需求，其功能結構如圖 4 所示。

圖 2 進度態(tài)勢功能結構圖

圖 3 單位工程級進度態(tài)勢界面

全線級主要采用基于 GIS 的業(yè)務地圖形式，展示整個工程的質量情況；標段級主要采用基于 GIS +標段級工程的業(yè)務圖層形式，展示各個標段的質量情況；單位工程級主要基于 BIM，展示各層級構件質量情況。

2.2.3 安全態(tài)勢分析與輔助決策

安全態(tài)勢分析與輔助決策基于 BIM + GIS 創(chuàng)建三維可視化的安全場景，對工程安全進行可視化、

可量化和精準化管理。采用逐級深入的方式從全線級、管理部級、標段級、工區(qū)級、單位工程級 5 個維度對安全態(tài)勢進行統(tǒng)計分析，滿足各級用戶對安全業(yè)務的需求，其中全線級與管理部級，工區(qū)級與單位工程級主要功能相同，僅數(shù)據(jù)統(tǒng)計范圍有所差異，其功能結構如圖 5 所示。

圖 5 安全態(tài)勢功能結構圖

全線級（管理部級）以 GIS 底圖為主體背景（以標段為單位劃分 GIS 底圖），展現(xiàn)整個工程全線安全管理情況；標段級以 GIS 底圖（標段范圍）為主體背景圖（以工區(qū)為單位劃分 GIS 底圖），結合 BIM模型三維展示各標段的安全情況；單位工程級（工區(qū)級）以標段工程項目全景 GIS + BIM 圖及 BIM 構件級方式，可視化展現(xiàn)本工區(qū)工程的安全態(tài)勢。

2.2.4 資金態(tài)勢分析與輔助決策

資金態(tài)勢分析與輔助決策，基于 BIM + GIS 創(chuàng)建三維可視化的進度場景，以項目概算為執(zhí)行抓手，實現(xiàn)對項目的資金全過程控制和工程過程結算費用及中標合同價款的統(tǒng)計分析，進行項目的投資完成比例分析，獲取總體資金動態(tài)，實現(xiàn)預付、支付執(zhí)行情況的跟蹤，把控項目成本，輔助資金管理決策。采用逐級深入的方式從全線級、標段級、單位工程級 3 個維度對資金管理信息進行統(tǒng)計分析，滿足用戶對資金管理業(yè)務的各個層級的需求，其功能結構如圖 6 所示。

圖 6 資金態(tài)勢功能結構圖

資金態(tài)勢主界面為全線級態(tài)勢總覽；標段級為第 2 級界面，通過 GIS 的方式在地圖上可展開進入；單位工程級為第 3 級，在標段級界面中以 BIM方式展現(xiàn)，可進入查看具體信息。

2.3 四大專題應用

2.3.1 盾構機與 TBM 設備狀態(tài)跟蹤與高效運行可視化應用場景

基于 BIM + GIS 支撐平臺的盾構機與 TBM（全斷面硬巖隧道掘進機）設備狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)集成，以BIM 地質模型和 GIS 數(shù)據(jù)為載體，在可視化三維系統(tǒng)下，依靠智慧監(jiān)管系統(tǒng)接入施工單位和設備廠家：通過設備自動感知、盾構機與 TBM 設備的狀態(tài)監(jiān)測等數(shù)據(jù)，實時反饋盾構機的掘進姿態(tài)及設備的運行狀態(tài)，指導地下掘進，同時輔助地面工程師調配生產資源；分析設備的高效運行數(shù)據(jù)區(qū)間，及時預存提供備品備件，保障設備低損耗高效運行，為掘進工作提供安全、快速、直觀的調度和監(jiān)管平臺?？梢暬瘓鼍凹軜嬋鐖D 7 所示。

圖 7 盾構機與 TBM 可視化場景架構

在此可視化場景架構的基礎上，充分結合項目實際情況調整功能分級，按照用戶操作習慣，將盾構機與 TBM 可視化場景分為以下 3 個可視化應用場景進行設計：

1）項目全線級。在 BIM + GIS 支撐平臺提供的可視化應用場景基礎上，表現(xiàn)項目全線盾構機路徑、位置、狀態(tài)、基礎信息等內容。

2）標段級。在項目全線級的可視化內容基礎上，結合 BIM + GIS 支撐平臺，由全線級的三維可視化場景向標段級的三維可視化內容變化，同時盾構機路徑表現(xiàn)形式由矢量線變?yōu)樗矶茨Ｐ捅硎尽?/p>

3）區(qū)間級。區(qū)間級的盾構機與 TBM 可視化應用，是在 BIM + GIS 支撐平臺提供的 BIM 可視化應用的基礎上，綜合表現(xiàn)盾構機實時參數(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)內容。

2.3.2 地下工程與地面設施影響監(jiān)控保障可視化應用場景

因珠三角工程穿越珠三角核心區(qū)，地下、地面建筑物類型多，設施復雜多樣，影響監(jiān)控保障，故對項目施工安全要求高，基于 BIM + GIS 的可視化應用場景，能夠輔助建設方、施工單位分析地面環(huán)境和地下施工區(qū)域間的關系，可為安全風險提前預判和各標段開工建設前的施工方案論證提供輔助決策作用。

通過地面監(jiān)測設備提供的數(shù)據(jù)，結合預警監(jiān)控方案，及時在可視化應用場景中進行告警，做到地下施工與地面防范雙向結合，防止突發(fā)事件，為工程安全高效運行提供決策支持?？梢暬瘓鼍凹軜嬋鐖D 8 所示。

圖 8 地下工程與地面設施可視化場景架構

地下工程與地面設施可視化內容是從全線到局部地上、地下可視化信息內容的連續(xù)性鉆取，信息內容多樣，信息載體豐富。

在功能架構的基礎上，結合項目實際情況調整功能分級，按照項目施工管理區(qū)塊的劃分，將地下工程與地面設施可視化場景分為以下 2 個可視化應用場景進行設計：

1）項目全線級。在 BIM + GIS 支撐平臺提供的可視化應用場景基礎上，表現(xiàn)項目全線已知風險、隧洞監(jiān)測、工作井監(jiān)測、滲流等信息內容。

2）標段級。在項目全線級的可視化內容基礎上，結合 BIM + GIS 支撐平臺可視化的三維模型變化，表現(xiàn)標段級地下工程與地面設施的可視化內容。

2.3.3 地面場景 720 全景圖像虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)

將 720 全景圖像點作為一個空間元素，同標段、設備、危險源等信息在一個 BIM + GIS 場景中進行融合。以三維 BIM + GIS 場景作為 720 全景圖像的空間底圖，通過空間地理坐標的對齊，綜合呈現(xiàn)虛擬場景與現(xiàn)實環(huán)境的對比查看；同時通過三維空間標簽，實現(xiàn)同場景中多個 720 全景圖像點位的導航和空間相對關系表達。

提供 BIM + GIS 俯視、平視 2 種視角，用以實現(xiàn) 720 全景圖像與 BIM + GIS 場景的融合。俯視視角以 GIS 正射影像為主，表現(xiàn)數(shù)據(jù)內容雖然單一，但可為對項目認識不清楚的客戶提供對項目整體的直觀體現(xiàn)的平面場景；平視視角以 GIS 地形、傾斜影像及地面 BIM 模型內容為主，為用戶深入了解項目本身和周邊環(huán)境提供虛擬現(xiàn)實的直觀感受場景。在 BIM + GIS 場景中添加 720 全景圖像專用三維空間錨點和名稱顯示，可實現(xiàn)真實空間位置的 720 全景圖像點位導航和切換。

2.3.4 VR/AR 培訓體驗

結合 BIM + GIS 支撐平臺數(shù)據(jù)，為 VR/AR（虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實）培訓提供培訓場景，輔助進行施工標準化培訓、工藝仿真、安全培訓等。BIM 與VR/AR 集成的重點難點是：BIM 模型如何快速、準確、穩(wěn)定地導入 VR/AR 的平臺中[14]，并能夠對接構件的屬性及外部數(shù)據(jù)。只有解決模型轉換和屬性的問題，才是真正意義上的 BIM + VR/AR 應用。通過在 Unity 平臺中的高度定制，可直接將輕量化的BIM 模型導入 Unity 中，實現(xiàn)從 BIM 到 VR/AR 的一鍵應用，技術路線如圖 9 所示。

圖 9 BIM + VR/AR 技術路線

3 BIM 應用價值

BIM 技術在珠三角工程集成應用中獲得的應用價值如下：

1）先行先試，樹立示范。BIM 技術在珠三角工程的深基坑（工作井）、鉆爆隧洞、TBM 隧洞、盾構隧道、水庫、泵、閘等眾多類型建筑物中，開展了全專業(yè)、全方位應用，應用范圍廣，技術要求高，參與單位多，在國內幾乎無可供借鑒的案例。緊緊圍繞 BIM + GIS 系統(tǒng)平臺，通過 BIM 實施辦法政策的強制推行，統(tǒng)一的 BIM 標準體系支撐，輕量化 BIM 平臺的打造，基于 BIM 的可視化數(shù)據(jù)流管理，以及全面系統(tǒng)的基礎、技術、使用、管理等方面的培訓，可全新實踐水利領域的 BIM 技術應用方式方法，打造水利行業(yè) BIM 集成應用標志性工程。

2）創(chuàng)新施工管理模式。項目執(zhí)行過程基礎數(shù)據(jù)的采集和利用是決定管理水平高低的主要因素，當前傳統(tǒng)的管理過程數(shù)據(jù)還是基于文檔、表單、隱形數(shù)據(jù)的流轉。本工程提出實施基于 BIM 的建設管理，將 BIM 技術與管理進行融合，BIM 技術的引入，從源頭解決了工程基礎數(shù)據(jù)結構化的問題，發(fā)掘了 BIM 技術應用的最終價值，BIM 也只有與管理深度融合才能創(chuàng)造工程效益，破解 BIM 應用的瓶頸，開創(chuàng)新的數(shù)字化、可視化管理，引領建設管理的新趨勢，開創(chuàng)建設管理的新高度。

3）提升新時代治水、管水的現(xiàn)代化水平。在建水利工程全面實施智能感知系統(tǒng)及統(tǒng)一平臺的建設，以互聯(lián)網(wǎng)感知技術和智能應用，推動水利工程由傳統(tǒng)管理模式向標準化、科學化、精細化和高效化的管理模式轉變，為廣東省水利工程建設、管理、監(jiān)督提供有力支撐，通過智慧水利理念建設全面提升新時代廣東省治水、管水的現(xiàn)代化水平。

4 結語

本研究以珠三角工程為對象，以“BIM + 互聯(lián)網(wǎng)”為基礎，從 BIM 平臺搭建、四大態(tài)勢感知、四大專題應用等方面對 BIM 集成應用內容進行歸納，并闡述 BIM 的集成應用發(fā)揮的價值。這一應用經(jīng)驗標志著水利行業(yè) BIM 應用從過去的單項、單點應用向 BIM 集成應用新業(yè)態(tài)發(fā)展的轉折性巨變。

目前，四大態(tài)勢感知分析與專題應用已經(jīng)可以做到幫助業(yè)主利用 BIM 技術進行項目可視化管理與分析，大大提高了工作效率與工程質量。由于國內相關的應用經(jīng)驗較少，在應用過程中還有一些待解決的問題，如：在質量態(tài)勢中，原材料追溯因運輸、施工管理等方面問題，導則追溯環(huán)節(jié)容易中斷，需進一步規(guī)劃完善管控措施；在安全態(tài)勢中，傳統(tǒng)危險源通常定位為危險區(qū)域，難以做到與模型進行構件級關聯(lián)從而實現(xiàn)精確預警預測，需進一步細化危險源顆粒度；在地下工程與地面設施影響監(jiān)控保障可視化專題中，對所有交叉建筑物部位的地上和地下影響范圍、監(jiān)測力度和措施等，需進一步開展深入研究方可做到精準的可視化監(jiān)控保障等。計劃下一階段就上述問題繼續(xù)進行深入研究，為實現(xiàn)精細化的 BIM 集成應用，切實發(fā)揮 BIM 作用打下基礎。