BIM+GIS技術(shù)在洋溪水利樞紐工程中的應(yīng)用

唐 崗

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況

洋溪水利樞紐工程位于廣西三江縣洋溪鄉(xiāng)境內(nèi)，是國務(wù)院確定的172 項節(jié)水供水重大水利工程之一，是廣西防洪體系規(guī)劃中八大控制性防洪工程之一，是柳江流域總體規(guī)劃中以防洪為主，兼顧航運(yùn)、發(fā)電及其他綜合利用的大型骨干工程，與落久水利樞紐聯(lián)合防御可以保證柳州市的防洪能力提高至100年一遇。洋溪水利樞紐工程的建設(shè)是柳江防洪體系建設(shè)的需要，也是電力發(fā)展和柳江航運(yùn)建設(shè)的需要。

洋溪水利樞紐工程大壩為重力式混凝土壩，最大壩高76 m，壩頂總長455.2 m，工程主要建筑物包括左右岸重力壩、魚道、壩后式電站、溢流壩、船閘等。水庫汛限水位153 m，正常蓄水位163 m，校核洪水位186.94 m，水庫庫容8.5 億m3，水電站裝機(jī)3臺共100 MW，多年平均年發(fā)電量3.089 億kW·h。工程規(guī)模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，工程靜態(tài)總投資約135億元。

2 工程應(yīng)用難度和需求

水利樞紐工程的設(shè)計和建造過程非常復(fù)雜，涉及的部門和專業(yè)眾多，生產(chǎn)組織機(jī)構(gòu)龐大，協(xié)調(diào)困難，很難達(dá)到計劃的精確管理。任何一個專業(yè)數(shù)據(jù)精度和方案變更都會影響到相關(guān)的其他各專業(yè)，從而直接影響整個樞紐工程的設(shè)計質(zhì)量和進(jìn)度，進(jìn)行多方案優(yōu)化比選時工作量大而繁瑣、重復(fù)勞動多、耗時長且校核難度大，傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)和流程在一定程度上制約了水利水電勘察設(shè)計業(yè)務(wù)的發(fā)展，而BIM技術(shù)的應(yīng)用可以很大程度上解決這些難題和特殊需求。

洋溪水利樞紐工程庫區(qū)范圍大，涉及淹沒的地類圖斑數(shù)據(jù)龐大，設(shè)計周期短、工作量大，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行地類圖斑分析統(tǒng)計、庫區(qū)淹沒分析、移民安置點規(guī)劃設(shè)計及庫區(qū)復(fù)建公路設(shè)計等內(nèi)容需耗費(fèi)大量的人力和時間，無法滿足進(jìn)度要求，而采用GIS 技術(shù)建立洋溪水利樞紐地理信息系統(tǒng)，形成各專業(yè)大數(shù)據(jù)資源整合并充分利用，可以很大程度上解決這些問題。

洋溪水利樞紐工程全面貫徹水利部要求的“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”總基調(diào)，依靠“云、大、物、智、移”等新時代信息技術(shù)進(jìn)行信息化建設(shè)，以“一張網(wǎng)、一個中心、一個平臺、三類應(yīng)用”為項目重點建設(shè)任務(wù)，要求從信息采集、資源共享服務(wù)、聯(lián)合防洪調(diào)度、BIM+GIS 技術(shù)綜合應(yīng)用等多角度為洋溪水利樞紐現(xiàn)代化管理提供有力保障。其中，洋溪水利樞紐工程采用全過程BIM協(xié)同設(shè)計與GIS技術(shù)應(yīng)用是樞紐信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，BIM+GIS 技術(shù)的應(yīng)用成為樞紐智慧建設(shè)、數(shù)字運(yùn)維的基礎(chǔ)支撐。

3 應(yīng)用技術(shù)特點

本項目成果采用BIM技術(shù)和GIS技術(shù)相結(jié)合的總體技術(shù)方案。

（1）BIM技術(shù)特點。采用三維協(xié)同設(shè)計從微觀上構(gòu)建樞紐及附屬建筑物BIM模型，利用模型進(jìn)行工程展示、工程量快速統(tǒng)計、二維出圖、有限元計算、碰撞檢測、渲染效果、視頻制作等工程應(yīng)用。

（2）GIS 技術(shù)特點。采用無人飛機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行航測，通過外業(yè)像控、空三測量、外業(yè)調(diào)繪、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集與編輯，形成DOM、DEM、DLG、DSM 測繪產(chǎn)品；獲取測區(qū)的實景三維模型，處理為動態(tài)三維模型和VR；根據(jù)水庫設(shè)計水位不同方案進(jìn)行庫區(qū)動態(tài)水位淹沒分析三維演示、三維動態(tài)漫游；將實景三維模型等成果應(yīng)用于洋溪水利樞紐BIM+GIS、大數(shù)據(jù)平臺、信息化建設(shè)等方面。

4 工程應(yīng)用范圍及深度

洋溪水利樞紐工程BIM+GIS 技術(shù)應(yīng)用范圍涵蓋了測量、地質(zhì)、水工、施工、機(jī)電、金結(jié)等全部專業(yè)，實現(xiàn)了多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計（見圖1），主要應(yīng)用包括：多方案快速比選、工程量統(tǒng)計、二維出圖、碰撞檢測、CAD/CAE 一體化分析、水庫淹沒面積統(tǒng)計分析、地類圖斑統(tǒng)計分析、空間信息分析查詢等三維設(shè)計應(yīng)用。結(jié)合GIS技術(shù)將應(yīng)用范圍擴(kuò)展至水庫淹沒統(tǒng)計分析、地類圖斑統(tǒng)計分析、空間信息分析查詢、三維地形精細(xì)化建模、三維實景建模、三維實景應(yīng)用（見圖2）等領(lǐng)域。同時，開展了基于BIM+GIS的項目管理系統(tǒng)、征地移民系統(tǒng)的開發(fā)，為工程全生命周期管理應(yīng)用、征地移民的高效順利實施提供了應(yīng)用平臺。

圖1 多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計

圖2 工程效果圖

4.1 三維地形精細(xì)化建模

采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過空三處理、解算、外業(yè)調(diào)繪、內(nèi)業(yè)采集，形成DLGDOMDSM4D 測繪產(chǎn)品，數(shù)據(jù)影像清晰，測繪精度符合規(guī)范要求。

三維地面精細(xì)模型可查看公路、旱地、陡坎、水工建筑物等信息，相關(guān)數(shù)據(jù)可直接用于工程設(shè)計，經(jīng)過三維數(shù)據(jù)處理后的DEM 可按高差分色渲染展示（見圖3）。

圖3 三維地形精細(xì)化建模

4.2 三維實景建模

獲取測區(qū)的實景三維模型（見圖4），處理為動態(tài)三維模型和VR；進(jìn)行庫區(qū)動態(tài)水位淹沒分析三維演示、三維動態(tài)漫游；將實景三維模型等成果應(yīng)用于BIM+GIS、大數(shù)據(jù)平臺、信息化建設(shè)、搶險救災(zāi)等方面。

圖4 三維實景建模

4.3 多方案快速比選

采用BIM+GIS技術(shù)進(jìn)行方案比選，包括壩址比選、樞紐布置方案比選（見圖5、圖6）等，快捷、直觀進(jìn)行各方案樞紐布置格局、投資等方面的優(yōu)劣對比。

圖5 樞紐布置比較方案（左航右廠）

圖6 樞紐布置推薦方案（左廠右航）

4.4 工程量快速統(tǒng)計

傳統(tǒng)的工程量計算方法過程繁瑣、效率低，采用BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)，可快速、高效、準(zhǔn)確的實現(xiàn)不同部位、不同種類的工程量統(tǒng)計（見表1）。

表1 工程量統(tǒng)計表果

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31紫銅止水片(厚1.5 mm，寬300 mm)/m填縫瀝青木板，厚20 m/m2壩體標(biāo)準(zhǔn)平面鋼模板/m2壩體懸臂組合鋼模板/m2壩體曲而木模板/m2鍵槽鋼模板/m2壩基帷幕灌漿（基巖透水率3 Lu）/m帷幕灌槳鉆孔(含檢查孔)（壩基，平均孔深22 m，孔徑Φ60 mm)/m帷幕灌槳鉆孔(含檢查孔)（現(xiàn)體，平均孔深10 m，孔徑Φ60 mm)/m帷幕灌槳檢查孔鉆孔（壩基，平均孔深22 m，孔徑Φ60 mm)/m帷幕灌槳檢查孔鉆孔（壩體，平均孔深10%，孔徑Φ660 mn)/m帷幕灌漿檢查孔檢查試驗(壩基)/試段壩基固結(jié)灌漿（基巖透水率3 Lu)/m固結(jié)灌漿鉆孔(含檢查孔)（壩基，平均孔深8 m，孔徑Φ60 m)/m固結(jié)灌漿鉆孔(含檢查孔)（壩體，平均孔深7 m，孔徑Φ60 mm)/m固結(jié)灌漿檢查孔鉆孔（壩基，平均孔深8 m，孔徑Φ60 mm)/m固結(jié)灌漿檢查孔站孔（壩體，平均孔深7m，孔徑Φ60 mm)/m 435.85 4 321.49 6 264.94 538.06 156 6.24 1 798.77 1 978.65 727.49 490 4900 0 7100 610 1780 2170 2390 880 000 4 151.76 6 073.94 3 996.07 457.64 4 537.57 0.00 6 578.19 564.96 1 644.55 1 888.71 2 077.58 763.87 0.00 0.00 0.00 4 359.35 6 377.64 4 195.87 0.00 0.00 1.08 1.08 1.08 1.08 1.08 1.08 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 5010 7330 4830 00

4.5 二維出圖

在完成所有專業(yè)三維建模并總裝后，直接由三維模型抽取二維圖紙，圖紙實現(xiàn)了“一鍵式”輸出、批量更新，實現(xiàn)三維到二維的轉(zhuǎn)換，三維出圖可達(dá)到設(shè)計出圖質(zhì)量要求。出圖方式上實現(xiàn)了三維軸測圖（見圖8、圖9）和二維圖（見圖10、圖11）結(jié)合的出圖方式，大大提高了圖紙會審的可讀性。

圖8 廠房進(jìn)水口及機(jī)組中心剖面圖（三維軸測剖視圖）

圖9 廠房進(jìn)水口及機(jī)組中心剖面圖（二維出圖）

圖10 溢流壩剖面圖（三維軸測剖視圖）

圖11 溢流壩剖面圖（二維出圖）

4.6 碰撞檢測

利用軟件自身的碰撞檢測功能，進(jìn)行機(jī)電專業(yè)模型與水工等專業(yè)模型之間的快速自動碰撞檢測（見圖12），共發(fā)現(xiàn)、修復(fù)27處，提高了設(shè)計質(zhì)量，有效減少了設(shè)計錯誤。

圖12 管線與樓板碰撞檢測

4.7 CAD/CAE一體化分析

CAD 模型與CAE 模型的重用一直是工程設(shè)計中減少重復(fù)勞動、優(yōu)化設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵點。本項目充分利用三維CAD 軟件能快速準(zhǔn)確的建立幾何信息模型優(yōu)勢，與CAE 軟件集成進(jìn)行設(shè)計校驗，實現(xiàn)模型互導(dǎo)、數(shù)據(jù)互通、成果分析處理及展示查詢功能，實現(xiàn)CAD、CAE軟件的優(yōu)勢互補(bǔ)，將二者更好地應(yīng)用于工程實際，幫助設(shè)計人員提高設(shè)計效率、優(yōu)化設(shè)計成果。

4.8 水庫淹沒面積統(tǒng)計分析

利用GIS技術(shù)，快速、準(zhǔn)確的分析各方案比選中淹沒的人口、土地面積等指標(biāo)（見圖13），直觀、明了展示各方案的優(yōu)劣情況，為高效、科學(xué)的水庫蓄水位多方案比選、防洪指揮調(diào)度和洪澇災(zāi)害損失評估提供最有力的支撐。比傳統(tǒng)方法更為高效、準(zhǔn)確、直觀。

圖13 水庫淹沒面積統(tǒng)計分析

4.9 空間信息分析查詢

采用無人機(jī)航測結(jié)合人工采集數(shù)據(jù)，建立了洋溪GIS 地理信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)，快捷地查詢和定位任一圖斑的屬性信息（見圖14），如圖斑的地類、面積、周長、所在圖幅、所屬村屯等。極大地提高了傳統(tǒng)手段的效率和信息化水平。

圖14 空間信息分析查詢

5 應(yīng)用效益

（1）采用無人機(jī)航測結(jié)合人工采集數(shù)據(jù)，獲得洋溪水利樞紐空間信息，建立了GIS地理信息系統(tǒng)，利用GIS地理信息系統(tǒng)對洋溪水利樞紐工程進(jìn)行淹沒損失分類統(tǒng)計及查詢，面積分類統(tǒng)計、淹沒動畫模擬，任意點水深查詢、庫容計算等，能夠更準(zhǔn)確、科學(xué)地確定洪水淹沒范圍和水深分布，為洪水風(fēng)險評估、防洪指揮調(diào)度和洪澇災(zāi)害的損失評估提供準(zhǔn)確的評判依據(jù)。

（2）采用BIM+GIS 技術(shù)，減少了工程的反復(fù)修改和變更，明顯降低生產(chǎn)成本和外業(yè)強(qiáng)度，縮短設(shè)計周期，可以使設(shè)計方案做到最優(yōu)，避免出現(xiàn)不科學(xué)的方案，造成反復(fù)修改和變更，減少各專業(yè)的無價值勞動和成本支出。BIM+GIS 的多方協(xié)同，解決了空間沖突和時間沖突，同時，三維模型與數(shù)據(jù)信息聯(lián)動，實現(xiàn)了空間分析計算、統(tǒng)計。

（3）在本項目完成所有專業(yè)三維建模及總裝后，直接由三維模型抽取二維圖紙，圖紙實現(xiàn)了“一鍵式”輸出、批量更新，實現(xiàn)三維到二維的轉(zhuǎn)換，二、三維出圖提高了出圖質(zhì)量，且出圖效率提高了20%～30%，差錯率減少約80%，也大大減少了圖紙會簽時間。出圖方式上實現(xiàn)了三維軸測圖和二維圖結(jié)合的出圖方式，大大提高了圖紙會審的可讀性。

（4）測量、地質(zhì)、水工、施工、機(jī)電、金結(jié)等專業(yè)基于BIM+GIS技術(shù)進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計，同時基于該技術(shù)進(jìn)行校審流程，提升傳統(tǒng)設(shè)計手段。

（5）BIM 產(chǎn)品直觀、準(zhǔn)確、高效、工程全生命周期的多維度延伸應(yīng)用等優(yōu)點得到了項目建設(shè)單位的高度認(rèn)同，為項目后續(xù)BIM技術(shù)的實施打下了堅實基礎(chǔ)。

（6）BIM 新技術(shù)的應(yīng)用完善了產(chǎn)品維度，提高了工程設(shè)計的數(shù)字化、信息化水平，提高了設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量，比傳統(tǒng)二維勘察設(shè)計提升了美譽(yù)度和競爭力。