大中型水庫工程移民專業(yè)BIM技術應用

胡 濤

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

1 現(xiàn)狀研究

BIM最早起源于20世紀的美國，一般認為是“Building Information Modeling”的縮寫，意為“建筑信息模型”。BIM是工程的數(shù)字表達，將工程全生命周期的幾何、屬性和過程信息集成在一個數(shù)字模型中，在工程仿真、三維展示、數(shù)據(jù)分析、智能管理上應用廣泛。近年來，BIM在水利工程中應用發(fā)展迅速，在設計、施工、運維管理等均應用廣泛，將BIM的理念應用到工程的全生命周期，已是行業(yè)共識。

水利部水利水電規(guī)劃設計總院劉志明[1]教高曾探討了水利水電工程建設中BIM應用現(xiàn)狀及問題，提出了BIM技術應用創(chuàng)新的三原則，助力“數(shù)字”水利向“智慧”水利的轉變；長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司潘菲菲[2]博士介紹了BIM在水庫移民安置點基礎設施設計中的應用，為移民工程安置點設計提供了新思路；中國水利水電BIM設計聯(lián)盟秘書長劉輝[5- 6]也曾指出，BIM是貫穿工程全生命期的水利新機遇，可實現(xiàn)水利工程的可視化、協(xié)同化、參數(shù)化設計。

BIM+GIS是近年來發(fā)展火熱的新型技術，BIM與GIS的融合，使微觀領域的BIM信息和宏觀領域的GIS信息實現(xiàn)交換和相互操作，將GIS從宏觀領域引入了微觀領域，拓展了三維GIS的應用領域。

大中型水庫工程移民工作是一項系統(tǒng)工程，移民安置規(guī)劃設計工作包含了實物調查、農村移民安置、城(集)鎮(zhèn)遷建、專業(yè)項目處理等等，而BIM+GIS的技術融合，正好適應移民專業(yè)大場景、多數(shù)據(jù)、多維度的工作特點。目前，BIM技術在水利水電工程地質、樞紐、機電等專業(yè)應用已較為廣泛，但在移民專業(yè)應用還較少，本文以某水庫工程為例介紹移民安置規(guī)劃設計BIM+GIS的應用，為推動水庫移民專業(yè)BIM技術的創(chuàng)新發(fā)展提供一些新思路。

2 問題提出

重慶市某水庫工程為大(2)型水庫，總庫容約2億m3，工程任務為防洪、城鎮(zhèn)供水、灌溉，兼顧發(fā)電的綜合利用的水庫。該水庫淹沒影響重慶市、貴州省兩省市，移民安置規(guī)劃設計工作難度較大。經初步統(tǒng)計，水庫淹沒影響涉及兩省市5個區(qū)(縣)18個集鎮(zhèn)，總人口約5000人，房屋約33萬m2，土地1.43萬畝，集鎮(zhèn)1座，等級公路34km，橋梁11座。為更好服務于該水庫移民安置規(guī)劃設計工作，規(guī)劃設計團隊將BIM+GIS技術創(chuàng)造性應用于移民專業(yè)，實現(xiàn)了移民工作的三維可視化設計。

本水庫工程建設征地涉及貴州、重慶兩省市，淹沒影響范圍廣(如圖1所示)，涉及專業(yè)多，移民安置規(guī)劃設計工作難度大，具體表現(xiàn)有以下幾點：

(1)水庫建設征地淹沒影響兩省市，移民安置涉及行政單元多、實物量大、工作任務繁重。

(2)水庫建設征地淹沒對象復雜，不同正常蓄水位方案淹沒影響移民投資大小，對水庫規(guī)模方案論證影響較大。

(3)水庫建設征地整體淹沒一個集鎮(zhèn)，集鎮(zhèn)搬遷規(guī)劃約4000人，安置規(guī)劃難度大。

(4)水庫建設征地位于山嶺重丘區(qū)，移民專項工程復建，如公路橋梁工程，復建難度大，需進行多方案比選。

(5)水庫建設征地移民安置規(guī)劃設計工作具有大場景、多數(shù)據(jù)、多維度的工作特點，移民信息和后期移安置管理工作難度較大。

圖1 水庫工程淹沒范圍示意圖

3 BIM+GIS應用技術路線

3.1 傾斜攝影技術

傾斜攝影技術是近年來發(fā)展迅速的高新技術，通過無人機搭載多臺傳感器，從正射和傾斜的角度采集數(shù)據(jù)影像，從而真實地反映地物情況，高精度獲取地物紋理信息，生成真實的三維場景模型(如圖2所示)。傾斜攝影技術可以生產豐富的數(shù)字產品，如DOM、DEM、DSM等，此類產品在水利水電工程移民安置規(guī)劃設計中應用優(yōu)勢十分明顯，主要有：①該技術可呈現(xiàn)地物真實情況并且支持對地物進行量測，傾斜攝影模型可真實表達地物位置、高度、面積等不同屬性，十分貼合移民實物調查工作需求。②該技術可實現(xiàn)低成本高產出，工作效率大大提高。傾斜攝影技術可實現(xiàn)一次外業(yè)采集，多種測繪數(shù)字產品輸出，并提供三維模型，能有效降低移民實物調查外業(yè)成本。

圖2 無人機傾斜攝影航測

針對本水庫工程整體淹沒集鎮(zhèn)的移民實物成果調查，規(guī)劃設計團隊利用無人機進行淹沒集鎮(zhèn)的傾斜攝影航測，外業(yè)工作包括實地踏勘、收集資料、方案和航線設計、航攝準備、影像采集；內業(yè)工作包括影像預處理、空三測量、點云處理、ContextCapture軟件建模、成果提交等。通過以上外業(yè)和內業(yè)工作，可建立高質量、高精度的三維傾斜攝影模型(如圖3所示)。

傳統(tǒng)的移民信息采集主要靠人工現(xiàn)場調查，往往需要大量人力和時間投入，相關成果表格分類復雜、數(shù)據(jù)整理繁瑣，存在成本高、效率低、統(tǒng)計難等缺點；在本水庫工程實物調查過程中，技術團隊使用無人機傾斜攝影技術，可有效提取房屋、土地、專項工程等地物信息，實現(xiàn)了實物指標采集的精準化和有效化(如圖3—5所示)。

圖3 貴州坡渡集鎮(zhèn)無人機傾斜攝影高清照片

圖4 傳統(tǒng)外業(yè)調查工作調查效率低

圖5 集鎮(zhèn)淹沒區(qū)域三維傾斜攝影模型

傾斜攝影數(shù)據(jù)直觀全面，可快速獲取水庫移民房屋、土地等實物指標數(shù)據(jù)，工作效率高且更直觀全面，方便工程技術人員理解水庫淹沒影響區(qū)域地形地貌情況(如圖6所示)。經過對比，通過傾斜攝影采集的坡渡集鎮(zhèn)實物指標，與現(xiàn)場實物調查成果吻合度高達95%，數(shù)據(jù)差異在5%以內，數(shù)據(jù)相關性較高，滿足移民實物調查精度的需求。同時，傾斜攝影獲取的三維模型，可以真實完整地反映受淹老集鎮(zhèn)的風貌，為水庫庫區(qū)移民留下了重要的歲月記憶和歷史憑證(見表1和圖7)。

圖6 傾斜攝影技術房屋和土地測量

表1 集鎮(zhèn)房屋實物成果傾斜攝影與現(xiàn)場調查對比

圖7 傾斜攝影與現(xiàn)場調查房屋實物成果相關性分析

3.2 水庫淹沒動態(tài)模擬

基于庫區(qū)三維模型，移民規(guī)劃團隊建立了水庫BIM+GIS三維電子沙盤，針對不同正常蓄水位方案，進行水庫淹沒影響動態(tài)仿真模擬。通過對淹沒影響房屋、人口、土地等實物成果進行快速、準確匯總，確定征地移民影響程度和投資大小，為規(guī)劃方案比選、水庫規(guī)模論證和投資控制提供了重要的技術支撐(如圖8—9所示)。

圖8 水庫樞紐工程水庫區(qū)建設征地三維電子沙盤

圖9 樞紐工程水庫區(qū)工程淹沒動態(tài)模擬

3.3 集鎮(zhèn)遷建規(guī)劃

為將遷建新集鎮(zhèn)打造為生態(tài)宜居的山地鄉(xiāng)村旅游示范鎮(zhèn)，建設“棲山望水，康養(yǎng)綠林”的移民新家園，通過3D-MAX軟件BIM建模，對新集鎮(zhèn)進行三維設計。通過BIM建模，直觀清晰地表達了集鎮(zhèn)“一核兩心三軸四區(qū)”的總體規(guī)劃效果，對安置區(qū)的住宅、道路、景觀設計進行了三維可視化設計，讓移民提前感知新家園優(yōu)美的居住環(huán)境，大大提高了移民搬遷意愿和集鎮(zhèn)安置滿意度(如圖10所示)。

圖10 水庫遷建集鎮(zhèn)三維設計

3.4 BIM精細化建模

利用CIVIL3D軟件和INFRAWORKS軟件，規(guī)劃團隊搭建庫區(qū)交通工程的BIM模型和三維可視化展示，利用CIVIL3D軟件，開展道路的“平縱橫”設計，并導入INFRAWORKS軟件，生成三維可視化場景，直觀地表達不同方案的路線走向，地理位置關系等，并可進行三維可視化調整，進一步優(yōu)化方案，為庫區(qū)交通工程復建方案比選提供依據(jù)。同時，對庫區(qū)特大橋進行了BIM建模，并將BIM模型交互式地導入GIS場景，建立庫區(qū)BIM+GIS多數(shù)據(jù)融合的三維大場景，通過對大橋A方案和B方案進行了比選，直觀的表達了橋梁和周圍環(huán)境的相互關系，對方案的優(yōu)劣情況進行了清晰的三維展現(xiàn)，對移民安置規(guī)劃設計多方案比選和優(yōu)化具有重要指導意義(如圖11所示)。

圖11 水庫交通工程三維可視化設計

規(guī)劃團隊利用REVIT軟件，通過參數(shù)化建模，對農村居民點房屋樓、板、柱、基礎、配筋等進行參數(shù)化設計，實現(xiàn)了工程量的自動統(tǒng)計，可快速準確計算移民投資概算，實現(xiàn)了BIM模型的清晰準確的表達(如圖12所示)。

圖12 水庫農村居民點BIM建模

3.5 移民信息平臺開發(fā)

由于傳統(tǒng)移民工作涉及的數(shù)據(jù)來源廣、格式雜、標準不一，影響了業(yè)務協(xié)同和數(shù)據(jù)共享利用的效率。為更高效服務移民信息的采集和管理，移民規(guī)劃團隊融合BIM+GIS，按照“平臺+應用”的技術架構，技術團隊自主研發(fā)了”1+3+6移民信息平臺”。該信息平臺可整合各類數(shù)據(jù)資源，存儲和管理水庫工程建設征地移民工作涉及的多種來源的基礎數(shù)據(jù)，以及多方位的業(yè)務數(shù)據(jù)；同時，該信息平臺實現(xiàn)移民信息的互聯(lián)共享、業(yè)務協(xié)同聯(lián)動，促進精準管理，提高移民管理水平。依托該移民信息平臺，形成移民信息“一張圖”，提供空間、時間、管理三個維度的信息，為監(jiān)理、評估、設計、業(yè)主、政府、移民六方提供服務。目前，該平臺已在30余個國內外大中型項目得到應用，顯著提高了工作效率和成果質量，得到各方好評，取得顯著經濟和社會效益(如圖13—14所示)。

圖13 水庫移民信息平臺架構示意

圖14 水庫移民信息管理應用

4 結語

本文通過總結大中型水庫工程移民安置規(guī)劃設計中BIM+GIS技術應用情況，探討了開展水庫工程移民專業(yè)工作新思路，主要結論如下：

(1)無人機傾斜攝影應用，改變了傳統(tǒng)移民實物調查的工作方式，大大減少了外業(yè)工作量，提高了工作效率。

(2)BIM實現(xiàn)多源信息集成設計，實現(xiàn)信息的集成與傳遞，而無人機傾斜攝影技術增添了更精準真實的三維地理信息數(shù)據(jù)。

(3)BIM+GIS實現(xiàn)移民專業(yè)可視化三維設計，形成庫區(qū)淹沒實物可視化的基礎數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了水庫淹沒動態(tài)模擬，為水庫工程規(guī)模論證提供了有力支撐。

(4)BIM+GIS高度匹配移民專業(yè)的工作特點，BIM的精細化建模適應了單項工程設計的需要；GIS的大場景的融合，使得移民安置規(guī)劃設計方案的優(yōu)化和比選更加直觀、便捷。

(5)移民信息平臺開發(fā)，建立了移民信息采集和管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了“一張圖”的信息集成管理與服務模式，并在全過程提供應用支撐和信息服務，是移民專業(yè)工作的重要創(chuàng)新。