基于BIM+GIS的水利工程智慧管理平臺原型設(shè)計與應(yīng)用研究

陳 杰 朱學(xué)英 徐 彤

（1.安徽省蒙城縣水利局 蒙城 233500 2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222）

水利工程具有規(guī)模龐大、施工周期短、施工環(huán)境復(fù)雜等特點，給施工過程管控帶來諸多挑戰(zhàn)。同時，水利工程項目管理進入快速發(fā)展階段，但與其對應(yīng)的信息化發(fā)展水平卻并不匹配，導(dǎo)致工程建設(shè)過程中仍存在資料分類混亂、數(shù)據(jù)冗余、參建方協(xié)同性差、溝通困難等現(xiàn)象。目前，BIM 技術(shù)作為面向建設(shè)項目全生命周期的項目信息管理和集成手段，可解決異構(gòu)工程數(shù)據(jù)之間的交互、關(guān)聯(lián)和全局共享性問題，對于水利工程樞紐可實現(xiàn)構(gòu)件級的精細化表達；GIS技術(shù)則通過采集大區(qū)域的空間地理數(shù)據(jù)進行分析、運算、顯示和管理，近年來已廣泛運用到包括水利工程的各行各業(yè)。因此將水利工程建設(shè)中的多維度業(yè)務(wù)管理信息要素與BIM 模型耦合關(guān)聯(lián)，并在GIS三維地理場景空間實現(xiàn)可視化表達，搭建符合工程項目管理實際需求的管控平臺，有利于強化水利工程建設(shè)過程的信息一體化程度，提高參建各方的工作和溝通效率。

針對上述問題，本文依托渦河蒙城樞紐建設(shè)工程，基于BIM、GIS 異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以項目劃分、管理層級和流程為邏輯關(guān)系，建立進度、質(zhì)量、安全、投資等要素與BIM 模型的雙向鏈接關(guān)系，并集成至GIS 三維地理空間場景中，形成了宏微觀信息并舉的地理空間和建筑信息融合模型，最后搭建了B/S 架構(gòu)的BIM+GIS 智慧水利項目管理平臺，為水利工程施工期項目信息化、智慧化管理提供了一套可行的解決方案。

1 基于BIM+GIS 的水利工程施工期項目智慧化管理框架

1.1 水利工程施工期項目管理

水利工程施工期項目管理是以水利工程項目為對象，以施工期為時間周期，以實現(xiàn)建設(shè)項目投資效益、進度目標和質(zhì)量目標為目的，對水利工程項目進行策劃、實施、協(xié)調(diào)、控制、動態(tài)調(diào)整的循環(huán)管理過程，是一個多目標、多因素共同作用和決定的系統(tǒng)性工程。

按照參建方角色和工作性質(zhì)不同，項目管理模式通常分為PMC（項目管理總承包）、EPC（施工總承包）、DB（設(shè)計-施工總承包）等，其中PMC 以其管理精度、風(fēng)險承擔(dān)、投資控制等方面的優(yōu)勢逐漸在國內(nèi)水利工程建設(shè)過程中得到廣泛應(yīng)用。項目管理總承包任務(wù)主要包括設(shè)計管理、監(jiān)理管理、施工全過程管理以及與總承包相關(guān)的多方協(xié)調(diào)和組織管理工作。

1.2 基于BIM+GIS 的水利工程施工期項目智慧化管理框架搭建

面向水利工程施工期項目管理需求，搭建了水利工程施工期項目智慧化管理框架如圖1所示，整體思路為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集與融合、服務(wù)搭建與集成、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與可視化環(huán)境搭建，共分為數(shù)據(jù)采集處理、業(yè)務(wù)邏輯、前端交互顯示三個層次。其中框架的整體服務(wù)應(yīng)用主要分為兩類：（1）基于OGC 規(guī)范的數(shù)據(jù)服務(wù)WMS、WMTS 和應(yīng)用接口WebService 實現(xiàn)建筑模型信息和地理數(shù)據(jù)信息的調(diào)用，并進行相關(guān)交互操作。（2）基于Web 服務(wù)器將項目建設(shè)管理過程中的各類數(shù)據(jù)按業(yè)務(wù)邏輯，與模型構(gòu)件按工程項目劃分原則進行單元級精度的綁定，最終實現(xiàn)模塊化的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖1 基于BIM+GIS 的水利工程施工期項目智慧化管理框架圖

2 平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 模型解析與轉(zhuǎn)換

本文三維可視化的實現(xiàn)基于Cesium 引擎，若實現(xiàn)原生BIM 數(shù)據(jù)、地理信息宏觀數(shù)據(jù)和傾斜攝影習(xí)慣數(shù)據(jù)的加載顯示，需將其轉(zhuǎn)換為Cesium 支持的模型格式。本文開發(fā)了一套模型解析與轉(zhuǎn)換程序，將IFC 和OSGB 模型轉(zhuǎn)換為3DTiles 格式，包括模型解析、文件重組和數(shù)據(jù)裝配三個步驟，具體如下：

（1）模型解析：讀取IFC 和OSGB 文件數(shù)據(jù)并進行遞歸提取。以IFC 為例，首先遍歷IFCLocalPlacement 和IFCPropertySingleValue 獲取頂點坐標屬性值，利用坐標轉(zhuǎn)換獲得構(gòu)件對應(yīng)的絕對坐標屬性集；其次獲取法線和紋理信息，將解析數(shù)據(jù)以Collada 格式要求重組生成dae 中間文件。同時為保留模型原生屬性信息，通過IFCPropertySet 和IFCPropertySingleValue 遍歷構(gòu)件對應(yīng)的屬性鍵值對和標識索引guid，存儲于xml 文件中。

（2）文件重組：讀取dae 中間文件并進行文本化處理，根據(jù)坐標屬性集確定模型空間結(jié)構(gòu)和位置，生成索引樹并基于四叉樹規(guī)則進行區(qū)域分割和幾何誤差計算，得到各層級瓦片的索引信息，最后按gltf模型格式生成json 文件存儲信息要素。

（3）數(shù)據(jù)裝配：解析json 文件并寫入b3dm 二進制塊，生成瓦片數(shù)據(jù)并與URL、BoundingBox、GeometricError 等瓦片索引信息組裝為tileset.json 組織文件，最后完成從IFC/OSGB 原生數(shù)據(jù)格式到3DTiles 格式的轉(zhuǎn)換。

2.2 基于batchid 的構(gòu)件-屬性雙向鏈接

本平臺除模型外，還涵蓋了附帶的業(yè)務(wù)屬性信息。因此除將幾何模型進行三維可視化表達外，還需將對應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息進行關(guān)聯(lián)。本文提出了一中基于Cesium 模型構(gòu)件唯一標識符batchid 的構(gòu)件-屬性雙向鏈接方法。其原理是根據(jù)鼠標點擊的屏幕坐標位置計算對應(yīng)場景在世界坐標系下的地理坐標，獲取對應(yīng)實體（構(gòu)件）的唯一標識符，通過調(diào)用GIS 和BIM 應(yīng)用服務(wù)接口請求地理空間數(shù)據(jù)和BIM模型數(shù)據(jù)，并基于ajax 異步傳輸技術(shù)獲取業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中的業(yè)務(wù)信息，最后與實體的基本屬性信息一并返回Web 端，用戶可通過預(yù)定義的接口進行信息檢索查詢。

2.3 模型輕量化展示

本平臺的模型輕量化展示基于LOD 多細節(jié)分層渲染優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)。首先將包括傾斜攝影數(shù)據(jù)和BIM 三維模型在內(nèi)的三維場景重構(gòu)為不同精度的區(qū)塊，形成多層次瓦片數(shù)據(jù)，然后根據(jù)用戶在Web 端交互過程中的視點和場景距離，以四叉樹索引方式返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3 平臺設(shè)計

3.1 架構(gòu)設(shè)計

本平臺架構(gòu)設(shè)計共包括三層，其中：

（1）數(shù)據(jù)層：包括業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)庫、BIM 數(shù)據(jù)庫、GIS 數(shù)據(jù)庫和分析數(shù)據(jù)庫，用于存放并管理各種信息，上層（業(yè)務(wù)邏輯層）通過諸如數(shù)據(jù)庫訪問驅(qū)動、Web 服務(wù)接口以及相關(guān)開放標準（例如，WFS，WMS）等進行訪問，實現(xiàn)對于各類數(shù)據(jù)源的調(diào)用。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層：包括WEB 服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器以及對應(yīng)的引擎和腳本，業(yè)務(wù)邏輯層是本平臺的核心部分，它接收并響應(yīng)來自表示層用戶發(fā)送的功能請求，是實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)功能（如BIM+GIS 綜合管理，進度、成本、質(zhì)量、安全管理等）的邏輯實體，這些邏輯實體在實現(xiàn)上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器、數(shù)據(jù)存儲過程以及各類應(yīng)用功能組件。

（3）表示層：表示層將平臺的操作界面與平臺的功能實現(xiàn)分離開來，本文開發(fā)的是基于HTML5和WebGL 的B/S 可視化平臺，包括基于可視化展示平臺和業(yè)務(wù)管理平臺以及應(yīng)用系統(tǒng)集成服務(wù)。用戶可通過訪問瀏覽器進入應(yīng)用界面，所有操作均通過H5、CSS 和JS 腳本完成，是無插件的跨平臺WEB應(yīng)用程序。

3.2 流程設(shè)計

本平臺的依托工程渦河蒙城樞紐建設(shè)工程實行“建管處監(jiān)督檢查、項目管理總承包單位管理、監(jiān)理和設(shè)計單位控制、施工單位和供應(yīng)商保證、政府監(jiān)督”的項目管理層級。為確保項目建設(shè)過程中各項工作實現(xiàn)標準化、流程化管理，在平臺設(shè)計階段即進行流程設(shè)計。除進行縱向流程設(shè)計外，還根據(jù)項目管理業(yè)務(wù)信息關(guān)聯(lián)關(guān)系進行流程與數(shù)據(jù)嵌套、融合，實現(xiàn)對于項目質(zhì)量、資源、投資、進度等要素的綜合管理。

例如隱蔽工程驗收管理流程，平臺設(shè)置了“施工單位上報-監(jiān)理審批-項目管理總承包方及其他相關(guān)方核備-建管處和質(zhì)量監(jiān)督站備案”的審批節(jié)點，參建各方依據(jù)節(jié)點及時限要求進行線上審批流轉(zhuǎn)，當平臺檢測到驗收出現(xiàn)滯后情況時會通過App推送信息至參建各方，同時驗收數(shù)據(jù)與BIM 模型構(gòu)件根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則自動綁定，實現(xiàn)可視化平臺的動態(tài)更新與交互查詢。

3.3 功能設(shè)計

基于BIM+GIS 的水利工程智慧管理平臺包括可視化展示平臺和業(yè)務(wù)管理平臺兩大子平臺，具體功能設(shè)計如圖2。

圖2 平臺功能設(shè)計圖

3.3.1 可視化展示子平臺

該子平臺用于實現(xiàn)BIM 模型和三維地理場景的展示與交互，以及對業(yè)務(wù)管理平臺中各管理要素信息的綁定與查詢，包括功能管理、視圖管理和數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)了包括土方平衡計算、工程量統(tǒng)計、進度模擬、碰撞檢測、BIM 交底在內(nèi)的可視化展示與統(tǒng)計分析功能，如圖3所示。

圖3 可視化展示子平臺界面圖

3.3.2 業(yè)務(wù)管理子平臺

業(yè)務(wù)管理子平臺以BIM 模型為基礎(chǔ)，以PMC模式和業(yè)務(wù)流程為依托，以業(yè)務(wù)管理的標準化、科學(xué)化和協(xié)同化為重點進行設(shè)計，由質(zhì)量、進度、投資、資源、安全、分析管理等模塊組成。各模塊的關(guān)聯(lián)包括以下兩方面：①各模塊均預(yù)置了與項目劃分中的單位、分部、單元工程間的對應(yīng)業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系；②建立工程驗收、合同工程量及單價、計劃與完成進度、原材料進場管理等數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了基于流程和業(yè)務(wù)邏輯的“進度-質(zhì)量-資源-投資”聯(lián)合分析管理。

同時平臺將上文①中的模塊數(shù)據(jù)與BIM 模型進行單元級精度的匹配和雙向鏈接，參建各方均可通過進行模型交互，對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行查看、更新、標記和共享。

4 應(yīng)用效果

本平臺依托渦河蒙城樞紐建設(shè)工程進行開發(fā)和使用。該工程位于安徽省亳州市蒙城縣境內(nèi)，是渦河上一座集防洪、排澇、蓄水灌溉、交通航運于一體的大型水利工程。工程建設(shè)內(nèi)容包括新建節(jié)制閘、船閘和影響處理工程。目前，本平臺已在工程上投入使用，運行狀況總體良好，具體運行效果如下：

4.1 建立工程BIM 精細化模型

按項目劃分建立工程BIM 模型，主體工程包括船閘和節(jié)制閘，在Bentley 建模軟件中搭建自建族庫，通過參數(shù)化設(shè)計創(chuàng)建單元級精度的BIM 構(gòu)件并賦予構(gòu)件幾何描述參數(shù)信息，最后整合模型并進行碰撞檢測，形成工程整體BIM 精細化模型。

4.2 搭建三維可視化場景

平臺一方面調(diào)用Ceisum 引擎提供的STKWorldTerrain 地形服務(wù)和GoogleMap 影像服務(wù)，另一方面將傾斜攝影OSGB 數(shù)據(jù)和BIM 模型導(dǎo)入解析為Cesium 中支持的3DTiles 格式并發(fā)布，完成BIM+GIS 三維可視化場景的搭建工作。

4.3 業(yè)務(wù)信息管理

用戶可通過業(yè)務(wù)管理平臺進行質(zhì)量、投資、進度、資源等模塊的信息管理，平臺基于項目劃分與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系自動將數(shù)據(jù)與BIM 模型的構(gòu)件進行單元級精度的雙向鏈接，并在BIM+GIS 平臺中實現(xiàn)對于模型數(shù)據(jù)的交互操作。同時，本平臺基于審批流和業(yè)務(wù)模塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實現(xiàn)了諸如工程量核算、施工強度分析、進度-投資聯(lián)合控制和預(yù)警提醒等統(tǒng)計分析功能，將統(tǒng)計結(jié)果通過App 推送至參建各方，為用戶決策提供參考依據(jù)，形成了一套“數(shù)據(jù)采集傳輸-數(shù)據(jù)處理-統(tǒng)計分析-結(jié)果反饋-調(diào)整優(yōu)化”智能分析管理路線。最后，在施工階段產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)均與BIM 模型綁定，可用于BIM 竣工交付及作為運維階段的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

基于BIM+GIS 的水利工程智慧管理平臺以PMC項目管理總承包模式為基礎(chǔ)，以BIM+GIS 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合為技術(shù)依托，以項目劃分規(guī)則與業(yè)務(wù)管理流程為邏輯關(guān)系，實現(xiàn)了對項目管理過程中各要素與BIM模型的關(guān)聯(lián)耦合和GIS 三維地理空間場景交互，為項目管理人員提供了一個協(xié)同開放的管理平臺，在一定程度上解決了水利工程建設(shè)階段管理粗放、信息集成與協(xié)同困難等問題。為后續(xù)水利工程施工期智慧化信息化項目管理提供了合理的技術(shù)路線和應(yīng)用案例■