基于 BIM+GIS 的水利工程全生命周期建设管理研究

　　摘 要：针对水利工程项目所处地形环境复杂、涉及专业广、规划选址困难等特点，存在地形数据获取不准确、协同效率低下、进度管理等问题，提出基于 BIM+GIS 技术的全生命周期建设应用框架， 采用 BIM 技术建立精细化模型，GIS 提供真实的三维地形场景信息，分析两者数据融合难题，研究将 BIM 模型、倾斜摄影数据等多源数据融合接入到三维 GIS 平台上进行集成的方法，实现微观与宏观、虚拟与现实结合的多层次、多维度的信息融合，构建一个三维可视化的交互环境。以某抽水蓄能电站为例，应用于水利工程的规划、设计、施工、运维等阶段，实现进度、成本、质量、安全等项目信息的精准协同化表达，为大型水利工程的全生命周期管理应用提供了一种新的思路，提高了水利工程数字化建设水平。

　　关键词：BIM;GIS;水利工程;全生命周期管理;倾斜摄影

　　1 引言

　　当前，推进智慧水利建设是实现新阶段水利高质量发展的重要路径之一。如何在水利工程全生命周期建设管理中实现数字化场景展示、提高信息化水平成为目前研究的热点。随着BIM的快速发展，以其可视化、协调性、优化性、参数化性等特点，已经广泛的应用于水利水电工程的数字建设中，取得了很好的成果。于琦等[1]搭建了水利水电工程BIM正向设计平台，提高了协同设计效率，实现多源数据共享;荆鹏程等[2]研究了基于BIM的水利水电工程全生命周期管理研究，实现了三维可视化信息化、多专业协同设计;杨建峰等[3]研究了BIM技术在水利工程运维管理中的应用，建立了数字化管理平台。

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　　综合来看，BIM在水利工程中的应用成果显著。但是随着工程数字化的深入发展，BIM的局限性被逐渐放大，水利工程是一个由很多单体工程组成的综合体工程，水工建筑物选址困难、水文条件、地形复杂、施工难度大、工期长，而BIM技术主要应用于单体工程，其应用特点是三维模型单体精确化，而不具有外部环境信息，模型与现实割裂开来，工程之间缺少联系，协同效率低下，单体的BIM三维模型应用已经不能很好的解决大型水利水电工程建设管理问题。而GIS(地理信息系统)技术，其具有宏观的地理场景信息，可以为BIM模型提供地形信息和空间分析。

　　目前国内对于GIS+BIM数据转换融合应用方面已有研究，翟晓卉等[4]研究了BIM和GIS在空间和语义上的数据集成方法，避免信息缺失。应用方面主要集中在铁路、公路建设上，石硕等[5]研究了基于GIS BIM的高铁设计成果综合应用平台，实现 BIM 设计成果与真实地形场景的无缝融合。林国涛等[6]基于无人机、GIS和BIM技术，实现了道路设计的协同化管理，而针对水利工程的应用较少。因此本文提出基于BIM+GIS技术在水利工程全生命周期的交互应用，拓展BIM应用维度，以某抽水蓄能电站为例，实现数字化建设管理。

　　2 BIM+GIS 数据集成

　　2.1 BIM 数据

　　BIM在3D模型基础上，集成工程项目的各项相关信息数据，详细记录了建筑物构件的几何、属性信息，包含空间、结构数据，可以用来管理水工建筑物全生命周期的信息。水利工程涉及水工、金结、水机、给排水、测绘、地质等多个专业，采用Autodesk平台系列的Revit、Navisworks、Civil 、Inventor等主流软件分系统建模，产生RVT、 WC、NWF、DWF、IPT等中间格式文件，执行数据模型标准IFC(Industry Foundation Class)，建模精度要求达到LODLOD ，包含几何实体和丰富的建筑语义信息。

　　2.2 GIS 数据

　　在水利工程规划设计中引入GIS技术，可以实现流域级别场景的可视化表达[7]。随着无人机RTK技术的快速发展，倾斜摄影数据成为三维GIS的重要数据来源。通过在飞行平台上搭载多台传感器，从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。本文通过应用多旋翼高精度航测无人机搭载五镜头相机对目标区域进行航测作业，采集地形影像数据，照片包含经纬度、海拔、高度、飞行姿态等信息，采用 contextcapture软件进行内业处理：

　　(1 )影像数据导入。设置相机型号类型，检查航片完整性导入POS数据。(2 )空中三角测量加密。计算输入影像的位置、角元素和相加属性(焦距、主点、镜头畸变)，山区地形一般采用无人机仿地飞行，造成空三多次迭代失败，需根据参数生成平差区块。(3 )空三检查。检查航片是否交叉。(4 )设置为当地坐标系，导入测量点坐标，刺点。( 5)重新提交空中三角测量。( 6)新建重建项目。( 7)选择生成产品类型(DSM、DOM、三维点云)。

　　2.3 数据集成

　　当前，在 GIS 与 BIM 数据融合集成方面，可主要分为 种方式，分别是数据格式转换、数据标准扩展和地理本体论[8]。BIM数据集成到三维GIS平台上主要有以下方面的问题：

　　( 1)数据格式标准不同。BIM数据标准为IFC，侧重表达几何信息和丰富的建筑构造语义信息。CityGML 更侧重于对城市以及建筑内外地理空间对象的描述，表达空间位置和拓扑属性，采用GML建模语言。

　　(2 )坐标系不同。BIM模型一般采用局部坐标或工程坐标，转换到大地坐标时需要进行坐标转换，集成到三维GIS平台上存在位置偏差和形状发生改变。

　　( 3)材质、颜色、构件丢失。BIM模型包含丰富的属性信息，而材质信息基于本地的材质库中，读取信息需要基于原生数据库。

　　(4 )模型建模精度高。BIM建模根据不同阶段的设计要求，精度达到了LOD3LOD4，对于水轮发电机来说，数据转换会引起大量的布尔运算，加载读取模型信息困难。针对BIM+GIS融合的技术难题，采用超图研发的export插件，对于BIM的主流软件，实现数据的中间格式转换，以配置数据集的方式集成到三维GIS平台，同时针对倾斜数据，支持osgb格式文件的直接读取。

　　为实现两者模型的精确匹配，在BIM模型作为数据源接入时，查看倾斜摄影数据的坐标点，粗略设置BIM模型坐标原点的经纬度，然后进行三维配准，对模型进行偏移、旋转、镶嵌操作，实现与三维GIS模型、地形数据的精准融合。同时为保证模型的流畅浏览，对BIM模型进行轻量化、三角网简化操作。

　　3 BIM+GIS 水利工程全生命周期应用方案

　　对于构建的BIM+GIS三维模型，融合了BIM、倾斜摄影、地形信息等多源异构数据，通过配置统一的数据源，建立一个三维可视化交互环境，进行模型编辑和空间分析。BIM构建一个由虚拟趋向于现实、GIS构建一个由现实模拟虚拟的应用方案，集成到三维GIS平台上相互反馈、融合应用，为水利工程全生命周期建设管理阶段提供信息数据和分析支撑。

　　全生命周期BIM应用中，涵盖了项目各参与方各阶段产出的全部信息，涉及不同阶段的流转和应用，存在数据溢出、信息管理混乱等情况，如设计、施工等阶段有价值的项目信息不一定适用于运维阶段，因此应建立一个基于BIM数据的信息管理框架和数据库，对信息进行分类存储管理，设置浏览权限，根据不同阶段的项目需求参与方提取相应的BIM信息，实现信息的高效传递和共享。

　　同时针对工程项目建设一直处于动态变化中，不同阶段的项目需求、功能需要的侧重点不同，前期的BIM模型数据不能满足后续阶段的信息需求。需根据后期项目需要、施工变更、工程建设的进展，实时的添加、录入工程信息，对前期的数据进行补充、修改，实现信息动态数字化更新，进行全生命周期的信息集成管理。

　　4 实例应用

　　某抽水蓄能电站由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等建筑物组成，装机容量120万千瓦，安装 台30万千瓦可逆式水轮发电机组，属一等大(1)型工程。电站下水库大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高100.60米，坝顶轴线长度416米，填筑料量约305.7万方。

　　4.1 水利工程规划阶段

　　抽水蓄能电站所在处地形起伏大，无人机航测作业中信号易受到干扰，影响数据采集的精度。基于此问题采用精灵PHANTOM tk多旋翼高精度航测无人机，通过基站自带静态采集功能，如果差分信号受到干扰，可关闭精灵 的RTK功能，通过CGO2.0 PPK后差分解算，保证数据精度。航测作业前，基于SDK遥控器搭载的APP进行航线规划，采用井字飞行，共获得531组影像数据。

　　4.2 设计阶段

　　4.2.1 模型创建

　　下水库为面板堆石坝，由堆石体和防渗系统组成，分成面板、趾板、垫层、过渡区、主堆石区、次堆石区、底部反滤层、排水棱体。模型创建前，将项目目标分解成对应较小的工作单元，采用Revit参数化建模，包含几何、材料等属性参数，快速准确生成三维仿真模型，后期需要对模型进行修改时，只需要改动参数便可以实现对模型的快速修改，建立新的信息模型，极大的提高了建模效率。基于生成的信息模型可快速生成大坝的分区材料明细表，方便工程量统计、成本控制等。

　　BIM模型完成后，通过export转换插件，将模型导出为中间格式，导入到三维GIS平台supermap中，实现BIM模型与倾斜摄影模型的精准匹配，同时可添加卫星地图数据，赋予BIM模型宏观的地理场景，将抽水蓄能电站的分部、分项工程联系起来，建立水利水电工程项目的集群工作环境。

　　5 结语

　　( 1)本文针对当前BIM+GIS融合方面存在的问题，研究了BIM主流软件数据(Revit、civil 、inventor)和倾斜摄影数据、地形数据在三维GIS平台上的融合方法，建立一个三维可视化交互环境。

　　( 2)将BIM+GIS技术应用于水利工程的规划、设计、施工、运维阶段，为全生命周期建设管理应用提供了一种新的思路，在传统BIM精细化模型应用基础上，结合GIS数据、倾斜摄影数据实现了水利工程的可视化场景表达。

　　参考文献

　　[1] 于琦, 张社荣, 王超,等. 基于 WebGL 的水电工程 BIM 正向协同设计应用研究[J]. 水电能源科学,2021, 39(8):4.

　　[2] 翟晓卉, 史健勇. BIM 和 GIS 的空间语义数据集成方法及应用研究[J]. 图学学报, 2020, 41(1):10.

　　[3] 蒯鹏程, 赵二峰, 李培聪,等. 基于 BIM 的水利水电工程全生命周期管理研究[J]. 水电能源科学,2018, 36(12):4.

　　[4] 杨建峰, 陈云, 王铁力,等. BIM技术在水利工程运维管理中的应用[J]. 水利水电技术, 2020(S1):6.

　　[5] 石硕, 倪苇. 基于 BIM+GIS 技术的铁路工程管理系统研发与应用[J]. 铁路技术创新, 2020(4):30-34.

　　作者：孙少楠，宋宜昌