基于BIM的水利工程施工監(jiān)管平臺設(shè)計與實現(xiàn)

楊楚驊，饒凡威，傅志浩，廖祥君

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610)

建筑信息模型(BIM)的概念在 2002 年產(chǎn)生于美國[1]。其定義為“在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此進(jìn)行設(shè)計、施工、運營的過程和結(jié)果的總稱”[2]。BIM技術(shù)應(yīng)用于建設(shè)工程全生命周期，已成為全球業(yè)界的共識。從2011年至今，住建部相繼發(fā)布了《2011—2015 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》《2016—2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》等重要文件，對勘察設(shè)計企業(yè)及施工企業(yè)明確提出了BIM的任務(wù)要求，勘察設(shè)計類企業(yè)應(yīng)加快BIM普及應(yīng)用，實現(xiàn)勘察設(shè)計技術(shù)升級；施工類企業(yè)應(yīng)推進(jìn)管理信息系統(tǒng)升級換代普及項目管理信息系統(tǒng)，開展施工階段的BIM基礎(chǔ)應(yīng)用，有條件的企業(yè)應(yīng)研究BIM應(yīng)用條件下的施工管理模式和協(xié)同工作機制，建立基于BIM的項目管理信息系統(tǒng)。

隨著國家對數(shù)字化轉(zhuǎn)型提出更高要求，BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計與建設(shè)領(lǐng)域也得到了較快發(fā)展，與之相關(guān)的數(shù)字孿生流域、智慧工程等新理念、新技術(shù)在水利行業(yè)也被廣泛接受。李成等[3]在都勻市大河水庫工程施工過程中基于BIM技術(shù)實現(xiàn)了施工階段施工布置及場地規(guī)劃、施工工藝流程模擬、施工4D模擬仿真等方面應(yīng)用。唐崗[4]在廣西柳江防洪控制性工程洋溪水利樞紐中采用低空無人機、無人測量船對工程庫區(qū)進(jìn)行了測繪和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了壩區(qū)高精度地形采集及三維建模，多專業(yè)BIM三維設(shè)計資料及時更新，BIM+GIS數(shù)據(jù)融合分析，深度挖掘潛在價值。國內(nèi)172項重大水利工程也廣泛使用BIM技術(shù)，環(huán)北部灣廣東水資源配置工程、邁灣水利樞紐工程也在初步設(shè)計中大量應(yīng)用BIM技術(shù)，珠三角水資源配置工程在施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)搭建了多維度數(shù)據(jù)管理支撐平臺[5]，而利用BIM技術(shù)在施工期開展進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本、檔案等管理方面還處于探索階段。

1 總體思路與目標(biāo)

1.1 總體思路

為落實新時代治水思路和水利高質(zhì)量發(fā)展的新形勢和新要求[6-7]，進(jìn)一步推進(jìn)水利工程項目標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、信息化、精細(xì)化管理，優(yōu)化資源配置，促進(jìn)實現(xiàn)項目建設(shè)全方位動態(tài)化監(jiān)管，更好的解決水利工程施工過程中各單位協(xié)作難度大、信息采集困難、數(shù)據(jù)共享與一致性差、施工管理效率低等風(fēng)險和問題，建設(shè)基于BIM的水利工程施工監(jiān)管平臺，提升信息傳遞效率、降低數(shù)據(jù)利用損失，提升工程建設(shè)質(zhì)量、安全水平，為工程運營維護(hù)和資產(chǎn)管理打好基礎(chǔ)。

1.2 總體目標(biāo)

利用BIM、大數(shù)據(jù)、3S、三維可視化等新一代信息技術(shù)，以分項工程為精細(xì)化管理對象，接入施工現(xiàn)場監(jiān)控視頻、上下游雨水情監(jiān)測等實時信息，整合工程參建各方的多源、多維度、多時態(tài)項目施工數(shù)據(jù)，進(jìn)行項目進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本、檔案的可視化、集成化、協(xié)同化管理，實現(xiàn)水利工程及其影響區(qū)域三維地理模型和工程BIM模型在平臺中融合及流暢漫游；實現(xiàn)以BIM構(gòu)件為基礎(chǔ)的設(shè)計信息與施工信息集約化管理與協(xié)同；實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享，滿足多層級管理人員對BIM應(yīng)用的需求；實現(xiàn)工藝工法交底、隱蔽工程數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量安全檢查、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等應(yīng)用，為提升水利工程施工管理的能力和水平，提供有效的技術(shù)手段。

2 平臺關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于Cesium的多維空間數(shù)據(jù)融合可視化技術(shù)

Cesium是一款基于WebGL技術(shù)的三維虛擬地球與地圖的開源JavaScript庫[8-11]，可加載海量的二維矢量數(shù)據(jù)和三維模型。本平臺將水利工程及其影響區(qū)域的遙感、DEM、傾斜攝影、水利空間矢量、BIM模型等多源空間數(shù)據(jù)存儲在PostgreSQL數(shù)據(jù)庫中，由于PostgreSQL本身提供的空間數(shù)據(jù)類型和功能不能滿足空間數(shù)據(jù)需求，因此需安裝PostGIS擴展模塊為PostgreSQL提供空間數(shù)據(jù)的增刪改查和存儲能力。存儲的多維空間數(shù)據(jù)通過GeoServer發(fā)布成標(biāo)準(zhǔn)的OGC服務(wù)，供Cesium引擎加載渲染。

對于多維空間數(shù)據(jù)可視化渲染，平臺采用分級分塊分類處理方式，其中對于柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行瓦片分割并構(gòu)建網(wǎng)格，采用四叉樹算法加載渲染；對于矢量數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換為Json格式后貼合地形表面加載渲染；對于BIM模型數(shù)據(jù)，先將Bentley制作的dgn格式模型轉(zhuǎn)換為obj文件，利用Cesium提供的obj2gltf庫將obj轉(zhuǎn)換成glTF，對glTF增加File Head信息生成b3dm瓦片數(shù)據(jù)格式，利用多叉樹算法對b3dm瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行加載調(diào)用。通過對多維空間數(shù)據(jù)融合處理，實現(xiàn)宏觀上形象地展示水利工程及其影響區(qū)域的三維場景、江河湖泊及水利工程分布，微觀上展示水利工程廠房、機電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)等三維信息。

2.2 基于BIM構(gòu)件的信息檢索技術(shù)

在BIM模型加載和渲染前，需對BIM構(gòu)件進(jìn)行分類編碼及命名工作，平臺BIM構(gòu)件分類編碼分為5部分，用17位阿拉伯?dāng)?shù)字表示。前7位編碼是按照水利工程的劃分規(guī)則設(shè)置，分別為單位工程(2位數(shù)字)、分部工程(2位數(shù)字)和單元工程(3位數(shù)字)；中間3位編碼是根據(jù)工程屬性及類別設(shè)置；后7位編碼是根據(jù)位置信息的流水編碼。表1中，在航電樞紐工程中的船閘工程中，以閘室第二結(jié)構(gòu)段左側(cè)底板為例，對BIM構(gòu)件編碼及命名進(jìn)行示例。

表1 BIM構(gòu)件分類編碼

完成構(gòu)件分類編碼和命名后，平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計，為水利工程BIM設(shè)計建設(shè)了構(gòu)件、BIM模型信息、構(gòu)件關(guān)系表等數(shù)據(jù)表，構(gòu)件表中存儲水利工程分項工程建筑物的三維模型；BIM模型信息表中存儲每個建筑物模型的各類信息，如尺寸、特征參數(shù)、進(jìn)度信息、質(zhì)量信息、安全信息和擴展信息等；構(gòu)件關(guān)系表中存儲構(gòu)件模型與模型信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過上述方式將模型和信息解耦，能夠在加載模型和檢索構(gòu)件時更加流暢，也使得BIM構(gòu)件信息檢索成為可能[12-13]。平臺根據(jù)構(gòu)件表生成BIM模型構(gòu)件樹，用戶可通過選擇模型樹節(jié)點進(jìn)行模型定位，平臺自動跳轉(zhuǎn)至所選模型，并在模型外表形成模型輪廓盒，從而高亮提示所選模型，用戶也可通過對模型構(gòu)件進(jìn)行點選操作，查詢當(dāng)前所選構(gòu)件的屬性信息(圖1)。

圖1 構(gòu)件檢索

3 平臺特點

a)一站式的工程信息管理。平臺接入施工現(xiàn)場監(jiān)控視頻、上下游雨水情監(jiān)測等實時信息，預(yù)設(shè)水利工程施工涉及的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計圖紙等資料，并為施工管理過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資源提供分級管理以及增刪改查接口，實現(xiàn)信息與BIM模型掛接和三維場景下的可視化展示。

b)精細(xì)化的工程進(jìn)度管理?；贐IM技術(shù)，平臺實現(xiàn)計劃進(jìn)度信息、實際進(jìn)度信息與BIM模型關(guān)聯(lián)；實現(xiàn)精細(xì)到構(gòu)件級別的工程進(jìn)度管理，并利用橫道圖、BIM構(gòu)件分類渲染等形式，實現(xiàn)計劃進(jìn)度與實際進(jìn)度的對比，為用戶直觀展示工程進(jìn)度。

c)科學(xué)的質(zhì)量安全管理。通過對從設(shè)計、施工等各個階段的質(zhì)量和安全風(fēng)險源的錄入，實現(xiàn)風(fēng)險源與BIM構(gòu)件綁定，及時查詢各風(fēng)險源的位置、描述與施工時的注意事項，從而實現(xiàn)更為科學(xué)的質(zhì)量安全管理。

d)直觀的工程投資管理。平臺實現(xiàn)了工程量信息管理、投資事前事后管理、投資進(jìn)度展示與分析、設(shè)計工程量與施工工程量對比等內(nèi)容。更直觀的體現(xiàn)出建筑工程項目的三維空間模型、時間、成本的五維建設(shè)信息，從而為工程造價管理提供了有利條件，使項目按照施工圖設(shè)計的思路進(jìn)行人力資源、機械設(shè)備、物料的有效配置，從而降低工程投資。

4 平臺設(shè)計

4.1 總體設(shè)計

平臺開發(fā)前后端采用React+SpringBoot的微服務(wù)架構(gòu)，通過基于React的前端組件式開發(fā)能夠提升開發(fā)效率，提高功能組件的復(fù)用率，并且頁面具有響應(yīng)速度快、跨瀏覽器兼容性好的特點；微服務(wù)架構(gòu)是將單體服務(wù)程序拆分為一組小型服務(wù)，每個小型服務(wù)運行在獨立進(jìn)程中，采用 Rest/Json等更加輕量級通信機制，具有獨立部署、動態(tài)擴展、快速迭代等優(yōu)勢，可使開發(fā)者短時間內(nèi)構(gòu)建高可部署性、高可擴展性的應(yīng)用[14-15]，本文利用SpringBoot實現(xiàn)。平臺采用Cesium三維圖形引擎，調(diào)用計算機GPU資源進(jìn)行三維場景渲染，實現(xiàn)BIM模型輕量化以及GIS+BIM場景可視化展示。

平臺總體架構(gòu)分為：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)層、應(yīng)用層、政策法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全保障與運維保障體系(圖2)。

圖2 平臺總體設(shè)計

a)基礎(chǔ)設(shè)施層。采用云計算技術(shù)構(gòu)建，為上層提供敏捷、可靠、安全、彈性的IT基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。通過對現(xiàn)有水利信息化關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行升級改造和安全加固，提升數(shù)據(jù)存儲和云計算能力，通過對計算資源和存儲資源的邏輯整合，提升資源的使用率，為平臺提供統(tǒng)一的管理、計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全、災(zāi)備等服務(wù)。

b)數(shù)據(jù)資源層。主要將施工過程中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫、存儲、發(fā)布等。其中數(shù)據(jù)庫包括了地理空間庫、BIM模型庫、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、工程知識庫等。

c)服務(wù)層?；跀?shù)據(jù)資源層搭建，綜合各種信息資源形成數(shù)據(jù)資源服務(wù)和資源服務(wù)目錄，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐。

d)應(yīng)用層。包括BIM施工監(jiān)管平臺門戶及所有功能，并提供多終端訪問。

e)政策法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。為確保本平臺建設(shè)順利進(jìn)行和運行期間能正常工作，參照或新建一套規(guī)范體系，涉及運行環(huán)境搭建、數(shù)據(jù)匯集接入、平臺開發(fā)、運行管理等各方面內(nèi)容，為平臺順利運行提供技術(shù)保障。

f)安全保障與運維保障體系。結(jié)合水利工程施工特點，建設(shè)安全和運維保障體系，全面提升網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知和應(yīng)急處置能力，滿足網(wǎng)絡(luò)安全等級保護(hù)2.0標(biāo)準(zhǔn)基本要求，為施工數(shù)據(jù)保駕護(hù)航。

4.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

平臺涉及水利工程施工全過程，信息量較大，包括工程基本信息、項目基本信息、BIM模型信息、進(jìn)度信息、質(zhì)量信息、安全信息、監(jiān)測實時信息等。通過對平臺功能點數(shù)據(jù)存儲需求分析與抽象，利用PowerDesigner軟件畫出平臺ER圖。圖3中，BIM構(gòu)件與月報基礎(chǔ)信息、月安全問題、月質(zhì)量問題等實體之間存在一對多關(guān)系(1∶N)。

圖3 實體關(guān)系(ER圖)

5 平臺功能實現(xiàn)

平臺主要包括施工監(jiān)管信息管理駕駛艙、施工進(jìn)度管理、工程投資管理、施工質(zhì)量管理、施工安全管理、知識中心等六大核心模塊。

a)施工監(jiān)管信息管理駕駛艙。獲取地質(zhì)、DEM、遙感、BIM模型、交通、居民地、施工設(shè)施、棄渣場、鉆孔等地圖圖層數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS+BIM技術(shù)，直觀展示施工區(qū)域狀況(圖4，通過傾斜攝影測量數(shù)據(jù)直觀展示施工區(qū)域情況)以及施工總體布置情況；同時通過項目概況、項目相關(guān)圖片、視頻等項目信息的展示，宏觀上了解項目的基本狀況；借助地圖上的測量距離、測量面積、放大、縮小、點選、圖層控制等功能，用戶可以方便查看自己關(guān)注的信息；從工程資料管理中抽取項目文件并進(jìn)行匯總，建立項目文件樹，能夠便捷查看項目文件。

圖4 施工區(qū)域展示

b)施工進(jìn)度管理。通過對進(jìn)度計劃的導(dǎo)入、編輯，以及實際進(jìn)度的上報、跟蹤，對進(jìn)度進(jìn)行全方位管理。結(jié)合BIM技術(shù)，平臺實現(xiàn)精細(xì)到構(gòu)件級別的工程進(jìn)度管理，并利用橫道圖(圖5)、BIM構(gòu)件分類渲染等形式，實現(xiàn)計劃進(jìn)度與實際進(jìn)度的對比(圖6，圖中綠色表示進(jìn)度提前、黃色表示進(jìn)度正常、紅色表示進(jìn)度滯后)，為用戶直觀展示工程進(jìn)度，使業(yè)主更容易把控工程進(jìn)度，分析各工序安排是否合理，協(xié)助管理者對不妥之處及時調(diào)整，為施工提供指導(dǎo)；實現(xiàn)施工進(jìn)度仿真模擬，以BIM模型為展示基礎(chǔ)，整合計劃進(jìn)度和實際進(jìn)度信息，采用分類顏色渲染方式，動態(tài)仿真模擬施工過程(圖7，按照實際進(jìn)度動態(tài)模擬施工過程，并用紅、黃、綠不同顏色表示施工進(jìn)度狀態(tài))。

圖5 施工進(jìn)度管理

圖6 施工實際進(jìn)度與計劃進(jìn)度對比

圖7 基于BIM的施工進(jìn)度仿真模擬

c)工程投資管理。平臺實現(xiàn)工程量信息管理、投資事前事中事后管理、投資進(jìn)度展示、設(shè)計工程量與施工工程量對比等內(nèi)容，更直觀地體現(xiàn)出建筑工程項目的三維空間模型、時間、成本的五維建設(shè)信息，從而為工程造價全過程動態(tài)管理提供了有利條件，使項目按照施工圖設(shè)計的思路進(jìn)行人力資源的有效配置、時間的合理安排、機械設(shè)備的有效使用、材料的有效管理。

d)施工質(zhì)量管理。實現(xiàn)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)管理、質(zhì)量風(fēng)險源管理、質(zhì)量隱患管理，以及匯總與統(tǒng)計分析等功能。平臺實現(xiàn)不同階段、不同專業(yè)質(zhì)量風(fēng)險源辨識，由各參建方輸入可能存在的風(fēng)險源，用不同色標(biāo)分類顯示；根據(jù)質(zhì)量管理相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實現(xiàn)質(zhì)量隱患處理方案查詢與輸入；實現(xiàn)各專業(yè)、各類型風(fēng)險源、質(zhì)量隱患等數(shù)據(jù)匯總與統(tǒng)計分析，全面掌握風(fēng)險源、質(zhì)量隱患分布狀態(tài)，輔助施工質(zhì)量管理決策應(yīng)用。

e)施工安全管理。實現(xiàn)安全標(biāo)準(zhǔn)管理、安全風(fēng)險源管理、安全風(fēng)險分級管控和隱患排查治理以及匯總與統(tǒng)計分析等功能。平臺整合安全管理相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的查詢和下載；實時監(jiān)控重點施工部位及危險性較大工程，進(jìn)行安全風(fēng)險源識別，用不同色標(biāo)分類顯示。對需要進(jìn)行安全整改的項目進(jìn)行清單管理(整改內(nèi)容、閉合時間、標(biāo)準(zhǔn)化要求比對等)，協(xié)助落實隱患排查和整改閉合工作。對安全防護(hù)措施、安全標(biāo)識等按照標(biāo)準(zhǔn)化的要求進(jìn)行比對，反映未達(dá)標(biāo)情況；對安全風(fēng)險源內(nèi)容、類型、排查時間等數(shù)據(jù)以圖表形式匯總與統(tǒng)計。

f)知識中心。平臺通過錄入工程相關(guān)的各類質(zhì)量、安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，建立強大的工程知識庫，實現(xiàn)項目知識的共享與檢索；同時通過建立工程資料目錄樹，對各類工程資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的管理，使用戶能夠便捷、高效的使用工程資料，進(jìn)而為電子檔案移交打下堅實的基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

隨著BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于水利工程施工過程，使得原本需要通過紙質(zhì)文件作為傳遞媒介的信息，通過BIM模型準(zhǔn)確、高效、豐富的流轉(zhuǎn)在建造過程的每個環(huán)節(jié)和各參建單位中?；贐IM的水利工程施工監(jiān)管平臺研發(fā)和投入使用，降低了BIM模型使用要求，各參建單位使用瀏覽器即可輕松查看BIM模型及信息，并在線仿真模擬施工場地布置方案和施工進(jìn)度方案，有利于提高工程的施工效率。但該系統(tǒng)在設(shè)計和使用過程中也存在一定的不足：①平臺過度依賴施工BIM模型的深化設(shè)計，保持與實際施工工序同步，需要頻繁更新BIM模型，導(dǎo)致平臺維護(hù)工作量大；②工程量統(tǒng)計和計價過于精細(xì)，使得系統(tǒng)使用率不高。綜上在今后對平臺升級維護(hù)中還需進(jìn)一步優(yōu)化BIM模型更新和工程量統(tǒng)計方式。