GIS + BIM 的水利工程兩層級架構(gòu)智能建造系統(tǒng)研究

孔 蘭 ，蔡一堅 ，王東陽 ，張 帥 ，林瀚文

（1. 海南省水利電力集團有限公司，海南 海口 571126；2. 中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610；3. 中國電力建設(shè)集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

2021 年初，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和 2035 年遠景目標(biāo)綱要》正式提出要“加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國”，其中數(shù)字化應(yīng)用場景之一就是構(gòu)建智慧水利體系。為務(wù)實推進“三對標(biāo)、一規(guī)劃”專項行動，滿足水利改革發(fā)展需求，在水利信息化建設(shè)上提檔升級，抓好智慧水利頂層設(shè)計，以網(wǎng)絡(luò)安全、透徹感知、全面互聯(lián)、整合共享、智能應(yīng)用為重點，構(gòu)建安全實用、智慧高效的水利信息大系統(tǒng)，實現(xiàn)以水利信息化驅(qū)動水利現(xiàn)代化。水利部出臺印發(fā)了《水利業(yè)務(wù)需求分析報告》《智慧水利總體方案》《加快推進智慧水利的指導(dǎo)意見》《水利網(wǎng)信能力提升三年行動方案（2019—2021 年）》等一系列研究成果，對水利業(yè)務(wù)信息化進行了細化和要求，出臺了水利行業(yè) BIM 應(yīng)用指導(dǎo)意見和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，推進 BIM 在水利工程全生命周期的試點與應(yīng)用。

GIS 結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)及遙感和計算機科學(xué)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，可以對空間信息進行分析和處理。BIM 是集成了工程各項信息的綜合型模型，是一種可以用于設(shè)計、建造、管理的數(shù)字化方法，通過構(gòu)建可視化模型，能服務(wù)于水利工程的整個生命周期和所有參與方[1-3]?；?BIM 的水利工程信息化建設(shè)目前已成為新時代水利工程發(fā)展的主流。

近年來，各大水利工程圍繞 GIS 和 BIM 等技術(shù)的可視化模型的數(shù)字化建造系統(tǒng)進行了積極探索，徐錫用等[4]研究實現(xiàn)了基于 GIS 技術(shù)的水利水電工程施工可視化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了施工場地布置及其動態(tài)變化過程的可視化分析及施工進度的形象展示。隨著 4D 模型[5]更加普遍地應(yīng)用于水利水電工程：鐘登華等[6]提出引入時間維度的堆石壩 4D 多源施工信息模型，為堆石壩現(xiàn)場施工控制與管理提供了重要參考；王曉玲等[7]也提出引水隧洞模型的施工進度仿真數(shù)學(xué)模型；水利工程可視化展示由傳統(tǒng)的主體工程的建筑三維設(shè)計模型向結(jié)合地理和多源施工等信息的模型轉(zhuǎn)變，工程應(yīng)用也由單一的模型展示轉(zhuǎn)變?yōu)榧晒δ芙ü芷脚_的一部分。

目前水利工程建設(shè)信息化管理相關(guān)的研究成果已經(jīng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)水利工程施工信息的可視化集成展示，并在各大工程的施工建設(shè)管理系統(tǒng)中進行了一定應(yīng)用[8]。然而各項目在應(yīng)用時卻往往忽視其平臺和模型對于項目管理的實際應(yīng)用意義，信息來源單一、維護困難的施工信息模型，無法滿足水利工程管理組織機構(gòu)復(fù)雜、監(jiān)管層級多、檢查頻繁的管理需求，難以真正發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)越性，導(dǎo)致很多工程管理人員覺得施工信息模型缺乏實用性，在平時的管理過程中不去主動使用，信息模型就喪失了原有的意義，在建設(shè)過程中不能發(fā)揮作用。

為切實提升水利工程建設(shè)施工期管理效率，做到精細化管理，在海南省邁灣水利樞紐、天角潭水利樞紐、瓊西北供水和南繁基地（樂東、三亞片）水利設(shè)施建設(shè)等工程中，采取施工期工程數(shù)字化建設(shè)管理一體化平臺，結(jié)合項目管理特點，對 4 個項目統(tǒng)籌管理，引入 GIS + BIM 技術(shù)的項目群智能建造管理模式的概念，提出水利工程兩層級（集團級和項目級）架構(gòu)智能建造系統(tǒng)，對多個項目聯(lián)動建設(shè)管理進行了創(chuàng)新，實現(xiàn)傳統(tǒng)建設(shè)模式到數(shù)字化智能建造模式的轉(zhuǎn)變。

1 智能建造系統(tǒng)思路

海南省重大水利工程智能建造系統(tǒng)（以下簡稱智能建造系統(tǒng)），是以數(shù)據(jù)庫、三維 GIS + BIM、自動控制、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化移交等技術(shù)為基礎(chǔ)進行開發(fā)建設(shè)的，為工程建設(shè)期提供服務(wù)的一體化綜合應(yīng)用平臺，可通過 PC 端和移動端 App 操作，結(jié)合工程建設(shè)期內(nèi)各建設(shè)、監(jiān)理、施工、設(shè)計及其他參建單位的工程建設(shè)管理需求，實現(xiàn) GIS + BIM 可視化模型，覆蓋混凝土碾壓監(jiān)控、溫控、拌合等智能建造技術(shù)應(yīng)用，以及工程進度、質(zhì)量、投資、安全等全要素的智能化管控[9-10]。

海南省邁灣和天角潭水利工程都屬于國務(wù)院確定的 172 項重大節(jié)水供水項目中的大（2）型水庫工程項目，瓊西北供水和南繁基地（樂東、三亞片）水利設(shè)施建設(shè) 2 個工程是完善海南省水網(wǎng)的重要供水工程，這些水利工程都具有規(guī)模大、周期長、投資大、參建單位多等工程特點，同時各個項目和集團公司之間采用矩陣式組織結(jié)構(gòu)和職能式組織結(jié)構(gòu)相結(jié)合的管理模式，若采取傳統(tǒng)的單個項目獨立管理的管理模式，除了各參建單位間易形成信息孤島，建設(shè)單位對各項目的把控也勢必會面臨信息收集流轉(zhuǎn)效率低下、管理無法深入、指令發(fā)生和執(zhí)行易混亂的問題[11]。要進行全局性、系統(tǒng)性的協(xié)同管理，快速處理海量的工程信息，就必須在本項目群的集團級層面打通各個項目的施工管理信息，消除其中的信息孤島，既要做到建設(shè)單位集團公司對項目群的統(tǒng)籌管理和宏觀監(jiān)控，又要做到各工程建設(shè)管理部門對單個項目建設(shè)過程的有效管控。

GIS + BIM 的兩層級功能架構(gòu)體系的智能建造系統(tǒng)，即面向建設(shè)單位集團公司用戶的集團級功能和面向各工程參建方用戶的項目級功能框架體系。對于集團公司用戶，可實現(xiàn)總體管控、監(jiān)控各項目進展和指令執(zhí)行落實，如：在 GIS + BIM 的三維模型上對各項目的進度、質(zhì)量、安全、投資等關(guān)鍵管控內(nèi)容的宏觀數(shù)據(jù)進行展示與分析，為集團公司領(lǐng)導(dǎo)決策提供技術(shù)支撐；在個人辦公板塊可追蹤已處理文件的流轉(zhuǎn)情況等。對于各個工程項目，項目級功能可滿足其內(nèi)部各參建單位對項目管理的需求，如文件、進度、質(zhì)量、安全，以及大壩混凝土溫控、碾壓、灌漿、拌合等管理要素的信息化和數(shù)字化；結(jié)合可視化模型和工程信息目錄樹，對原有的管理制度和流程進行梳理和簡化，提高項目管理效率和水平，提升工程建設(shè)安全保障，促進投資節(jié)約，進度可控，質(zhì)量可靠，智能建造。

2 智能建造系統(tǒng)框架設(shè)計

智能建造系統(tǒng)主要用戶為建設(shè)、施工、監(jiān)理、設(shè)計等各參建單位，可進行流程發(fā)起、信息錄入、進度更新、質(zhì)量表格驗評、計量結(jié)算、危險源風(fēng)險動態(tài)管控、每日上下班打卡、視頻監(jiān)控查詢等工作；上級監(jiān)管單位如業(yè)主總公司、水務(wù)廳用戶可查看各項目信息，通過角色權(quán)限分層、分塊管理，根據(jù)需求調(diào)整平臺功能。針對項目群的建設(shè)特點及管理需要，智能建造系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能建造系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

智能建造系統(tǒng)總體架構(gòu)主要分為以下 4 個層次：

1）用戶交互層。各參建方通過 PC 端、移動端進行協(xié)同辦公：PC 端可報審文件，錄入項目劃分、進度、安全監(jiān)測、合同等信息，申報工程量，結(jié)算進度款，查看信息、地質(zhì)等模型；移動端可進行文件審批、工程質(zhì)量驗評、安全驗收、隱患巡視排查、質(zhì)量問題檢查、上下班打卡、防疫信息填報、常用管理制度和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范查詢等操作。

2）業(yè)務(wù)應(yīng)用層?；谟脩艉徒巧芾砑皺?quán)限控制等通用功能，充分根據(jù)各工程項目管理需求，分別對各業(yè)務(wù)管理模塊進行詳盡的功能與交互設(shè)計，模塊之間可拆分組合。同時，智能建造系統(tǒng)充分考慮項目群的管理特點，在平臺功能設(shè)計上采用兩層級功能框架，形成自下而上的數(shù)據(jù)匯總及自上而下的項目全局管控體系。目前智能建造系統(tǒng)平穩(wěn)運行，內(nèi)有幾千條數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)保障工程項目建設(shè)管理工作的高效開展。

3）技術(shù)支撐層。技術(shù)支撐層是整個智能建造系統(tǒng)的技術(shù)核心，也是業(yè)務(wù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)保障。采用模型輕量化處理技術(shù)，將建筑和地理信息等模型在網(wǎng)頁上進行發(fā)布，用戶可查看和查詢信息；采用統(tǒng)一身份認證與多層級權(quán)限體系，為整個系統(tǒng)用戶的數(shù)據(jù)安全提供強有力的保障；采用電子簽章技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)所有文檔數(shù)據(jù)能夠在線蓋章；容災(zāi)恢復(fù)和數(shù)據(jù)留痕與備份能確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)在歷經(jīng)計算機故障（包括機器和介質(zhì)故障及誤操作等）后，通過備份快速恢復(fù)數(shù)據(jù)。

4）數(shù)據(jù)資源層。用戶通過移動端、PC 端人工錄入數(shù)據(jù)，利用傳感器、攝像頭等設(shè)備自動采集并上傳數(shù)據(jù)。智能建造方面，充分研究熱帶地域碾壓混凝土筑壩質(zhì)量控制特點，在樞紐工程開展智能拌合樓 + 碾壓 + 溫控的研究。

3 智能建造系統(tǒng)工程應(yīng)用

智能建造系統(tǒng)主要功能可分為基礎(chǔ)功能、核心功能和智能建造三大類，其中核心功能又分為項目級和集團級 2 個功能層級，相應(yīng)層級根據(jù)權(quán)限和角色控制分工和責(zé)任。

3.1 基礎(chǔ)功能

智能建造系統(tǒng)基礎(chǔ)功能可分為項目主頁、個人辦公和系統(tǒng)設(shè)置等功能，是個人登錄、處理任務(wù)、查看文件、管理用戶和權(quán)限的基礎(chǔ)，管理員還可導(dǎo)出系統(tǒng)審計日志，監(jiān)控系統(tǒng)操作，查看操作痕跡。目前，智能建造系統(tǒng)用戶已達 641 人，進行過約17 700 條操作。

3.2 核心功能

智能建造系統(tǒng)充分考慮項目群的管理特點，在平臺功能設(shè)計上采用集團級和項目級兩層級功能框架。智能建造系統(tǒng)共包含綜合展示，以及文件、質(zhì)量、安全、進度、合同、文檔管理，視頻監(jiān)控、安全監(jiān)測、水土保持、人員管理、制度標(biāo)準(zhǔn)、工程大事記、疫情防控和施工標(biāo)準(zhǔn)化等核心功能模塊。主要實現(xiàn)以下幾方面的功能：

1）綜合展示方面。施工信息可視化展示，即多源施工信息模型展示。通過點擊工程劃分目錄樹或直接選取工程部位模型，可查看相應(yīng)工程部位的工程信息?？删C合展示的內(nèi)容包括單元工程質(zhì)量驗收評定表單與結(jié)果時間、施工時段、驗收人員等質(zhì)量信息，也包括工程部位對應(yīng)的設(shè)計圖紙、設(shè)計修改通知、變更指示、現(xiàn)場簽證等技術(shù)文件，還包括危險源辨識、風(fēng)險值動態(tài)、隱患排查等安全信息，以及相應(yīng)部位的工程量清單、投資變化等投資信息。

2）質(zhì)量方面。對于單元工程、工序的質(zhì)量驗收評定，質(zhì)檢員、監(jiān)理在現(xiàn)場用平板電腦填寫質(zhì)量評定表加電子簽章，電子表單填好后，數(shù)據(jù)同步到系統(tǒng)。質(zhì)量驗評資料會按照檔案規(guī)范自動組件，組卷歸檔，提高工程檔案管理效率。

3）施工期安全方面。圍繞安全隱患排查和風(fēng)險管控的“雙控”核心理念，引入風(fēng)險值的算法，建立不同等級風(fēng)險管控措施庫，對不同等級危險源進行分級管理。

4）進度方面。根據(jù)職責(zé)分工，對不同用戶和系統(tǒng)采用分級進度角色設(shè)計，由指定人選進行錄入工程量、審批和查看等操作。智能建造系統(tǒng)基于單元工程開展，并結(jié)合模型進行二維圖、橫道圖和三維模型展示等。

5）投資管理方面。建立標(biāo)準(zhǔn)化工程量清單，在線上實現(xiàn)變更、調(diào)差、索賠、合同支付結(jié)算等的精細化管理，自動導(dǎo)出生成各類臺賬和圖表。

6）文檔管理方面?？蓪崿F(xiàn)文件處理流程標(biāo)準(zhǔn)化，梳理工程建設(shè)管理各部門、各類業(yè)務(wù)流程，建立各類流程的規(guī)范化電子表單庫。

7）工程檔案全過程歸集方面。工程檔案全過程歸集，包括檔案從產(chǎn)生、報審、簽章，再到導(dǎo)出、歸檔的整個檔案文控管理過程。

此外，還對公司和項目管理需求進行考察，定制如施工期安全監(jiān)測、水土保持、人員管理、制度標(biāo)準(zhǔn)、工程大事記、疫情防控和施工標(biāo)準(zhǔn)化等功能模塊。

3.3 智能建造功能

通過智能拌和樓系統(tǒng)，實時監(jiān)控拌合樓混凝土生產(chǎn)數(shù)據(jù)；智能碾壓系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控倉面碾壓次數(shù)、激振力狀態(tài)等碾壓參數(shù)，為工程質(zhì)量控制提供技術(shù)支撐；智能溫控系統(tǒng)可自動收集骨料、出機口、入倉、澆筑的溫度，自動監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度等信息，實現(xiàn)自動通水調(diào)節(jié)，對碾壓混凝土進行有效的溫度實時監(jiān)控。

4 結(jié)語

水利工程兩層級架構(gòu)智能建造系統(tǒng)探索提出了項目群的智能建造理念，采用集團級和項目級兩層級功能框架，多個項目聯(lián)動管理，實現(xiàn)對海南邁灣水利樞紐工程等項目群的可視化、智慧化、扁平化和精細化建設(shè)管理。模塊之間可根據(jù)實際需要拆分組合，保證后續(xù)工程引入的開放性和可拓展性。

智能建造系統(tǒng)，在 GIS + BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了建管方式從分建專用向共建共享轉(zhuǎn)變的一次嘗試，是信息化作用從支撐保障到驅(qū)動引領(lǐng)的重要探索。本研究成果不僅可以為大型水利工程項目群施工期的建設(shè)管理提供參考，還進一步豐富了水利信息化理論。