水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺研發(fā)與應(yīng)用

摘 要：水利工程設(shè)計過程中ＢＩＭ 多表現(xiàn)為單體模型，各專業(yè)間缺乏有效的信息共享機制。為了提高信息共享水平和設(shè)計質(zhì)量與效率，以ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術(shù)為基礎(chǔ)，分析水利工程ＢＩＭ 設(shè)計流程以及ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理需求，提出工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維過程中任務(wù)、計劃、人員等多方協(xié)同管理機制，研發(fā)ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)工程全生命周期的信息共享。以銀川都市圈中線供水工程為例，進行平臺實際應(yīng)用。應(yīng)用情況表明：利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺實現(xiàn)了對工程計劃編制與匯總、任務(wù)調(diào)整變更、形象進度控制、設(shè)計方案論證評審等的統(tǒng)一管理；基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)了模型總裝、碰撞檢查、優(yōu)化設(shè)計等；基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的設(shè)計協(xié)同交付實現(xiàn)了工程設(shè)計成果的校審和交付。

關(guān)鍵詞：ＢＩＭ；ＧＩＳ；協(xié)同管理；平臺；水利工程；銀川都市圈中線供水工程

中圖分類號：ＴＶ６２；ＴＰ３９ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１１．０２１

引用格式：蘇強．水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺研發(fā)與應(yīng)用［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１１）：１３３－１３６，１４８．

建筑信息模型（ＢＩＭ）的概念由美國查克·伊斯曼（Ｃｈｕｃｋ Ｅａｓｔｍａｎ）于１９７５ 年提出，他認為ＢＩＭ 將一個建筑項目整個生命周期內(nèi)的所有信息整合到其中，綜合了所有幾何模型的信息、功能要求和構(gòu)件性能，還包括施工進度、維護管理等過程信息［１］ ，引發(fā)了建筑行業(yè)革命性的變化。隨著我國大力推廣和相關(guān)支持政策的出臺，ＢＩＭ 技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展有了極大推進［２］ ，ＢＩＭ 應(yīng)用已經(jīng)涵蓋工程設(shè)計［３］ 、工程造價［４］ 、施工管理［５］ 乃至工程全生命周期［６］ 。精細化ＢＩＭ 與大場景ＧＩＳ 的深度融合，在水利工程中發(fā)揮著越來越重要的作用［７－１４］ 。然而，在應(yīng)用過程中ＢＩＭ 多表現(xiàn)為單體模型，在多個階段之間和專業(yè)之間尚缺乏有效的信息共享機制。對此，筆者基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術(shù)，圍繞水利工程勘測設(shè)計、施工、建設(shè)管理、運維等階段實際需求，分析工程ＢＩＭ 設(shè)計流程，提出相應(yīng)的協(xié)同機制，研發(fā)水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺，并在銀川都市圈中線供水工程進行了實際應(yīng)用。

１ 水利工程ＢＩＭ 設(shè)計流程

１）項目策劃立項。由項目管理部和主管總工選擇項目負責人，編制工作大綱和任務(wù)書，選擇專業(yè)團隊，確定人員角色并劃分權(quán)限。

２）三維協(xié)同設(shè)計。根據(jù)工作大綱和任務(wù)書，組織測繪、地勘專業(yè)設(shè)計人員定位分區(qū)，協(xié)同水工、金結(jié)、電氣、暖通、建筑等各專業(yè)設(shè)計人員進行ＢＩＭ 設(shè)計，之后對模型進行初步總裝，分析比選多個布置方案。

３）方案論證與評審。通過場地建模、場地環(huán)境分析、工程量分析、結(jié)構(gòu)分析等，比較設(shè)計方案，若不滿足工程需求，則返回各專業(yè)設(shè)計人員協(xié)同設(shè)計；若滿足，則補充必要的組件和構(gòu)件，進行模型碰撞分析和優(yōu)化設(shè)計，獲得最終的ＢＩＭ 總裝設(shè)計模型。

４）設(shè)計驗證與交付。協(xié)同設(shè)計優(yōu)化ＢＩＭ 總裝模型后，進行三維模型抽圖、模型輕量化處理，以及ＢＩＭ標準校驗和分類編碼，輸出終版模型、報告、圖紙、歸檔文件，通過ＢＩＭ＋ＧＩＳ 平臺向業(yè)主提交設(shè)計成果。

５）設(shè)計變更。向業(yè)主提交設(shè)計成果后，在施工過程中，業(yè)主、設(shè)計方、施工方發(fā)現(xiàn)問題均可提出設(shè)計變更申請，重大變更須經(jīng)設(shè)計方主管總工、項目負責人、專業(yè)負責人同意，一般變更可直接交由設(shè)計人員完成。設(shè)計變更完成后向業(yè)主提交變更通知單以及最終的竣工ＢＩＭ 模型、報告、圖紙、歸檔文件。

２ ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理需求與機制

２．１ 協(xié)同管理需求

１）制訂專業(yè)模型計劃。在設(shè)計階段，項目負責人根據(jù)不同的專業(yè)制訂模型計劃，指定各任務(wù)負責人，設(shè)定各任務(wù)的完成時間，督促各任務(wù)負責人實時跟蹤設(shè)計進度，查看任務(wù)完成狀態(tài)，分析各項指標，生成可視化報表。

２）專業(yè)設(shè)計協(xié)同交付。水利ＢＩＭ 模型設(shè)計交付往往涉及多個專業(yè)，對不同專業(yè)的設(shè)計成果進行融合交付，避免各專業(yè)設(shè)計成果銜接不到位等問題，減少人工成本，提高模型交付質(zhì)量。

３）專業(yè)模型合模展示。利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術(shù)將不同專業(yè)的設(shè)計成果整合到ＧＩＳ 場景進行合模展示，結(jié)合各類地理空間要素，模擬實際施工現(xiàn)場，直觀了解設(shè)計意圖和工程形態(tài)。

４）部門間協(xié)同及共享。建立基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的項目管理協(xié)同辦公流，實現(xiàn)專業(yè)數(shù)據(jù)的共享交換，提高各部門間的溝通效率，同時為各部門使用公共空間信息提供端口和渠道。

５）可配置的模型交付流程。利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術(shù)對流程各節(jié)點進行審核，并對流程節(jié)點的相關(guān)屬性進行靈活控制。

６）多層級角色權(quán)限控制。水利工程具有規(guī)模大、涉及單位多、專業(yè)廣的特點，需要建立多層級、多角色的權(quán)限控制體系，可按照項目級、地區(qū)級、系統(tǒng)級進行菜單、按鈕、數(shù)據(jù)訪問等權(quán)限的控制。

７）圖紙與模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)展示。利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術(shù)使設(shè)計成果、圖紙成果與模型數(shù)據(jù)相互鏈接，并在ＧＩＳ 場景中進行關(guān)聯(lián)查看，優(yōu)化用戶體驗，為決策層提供數(shù)據(jù)支撐。

２．２ 協(xié)同管理機制

采用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技術(shù)實現(xiàn)水利工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維過程中任務(wù)、計劃、人員等多方協(xié)同，協(xié)同管理機制見圖１。

１）項目管理層面。從項目立項開始，遵循協(xié)同管理機制，以信息數(shù)據(jù)為紐帶，按照管理協(xié)同辦公流，管理人員、設(shè)計人員、施工人員、業(yè)主以及運維人員完成任務(wù)書和計劃要求的各節(jié)點目標任務(wù)。

２）工程設(shè)計層面。各專業(yè)設(shè)計人員使用不同的ＢＩＭ 核心軟件（Ｂｅｎｔｌｅｙ、Ａｕｔｏｄｅｓｋ 等），按照要求并通過共享／ 提資機制實現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計。

３）業(yè)主及施工運維層面?；冢拢桑停牵桑?的成果交付機制，可隨時向業(yè)主提供精細化的ＢＩＭ 模型和大場景的ＧＩＳ 信息，方便業(yè)主從多角度對項目進行分析。ＢＩＭ 模型和ＧＩＳ 信息還可支撐工程施工和運維各階段任務(wù)。

４）數(shù)據(jù)處理和集成層面。通過ＢＩＭ＋ＧＩＳ 引擎和數(shù)據(jù)集成引擎，對設(shè)計人員在不同平臺上創(chuàng)造的設(shè)計成果進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和集成處理，實現(xiàn)全生命周期的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)服務(wù)。

３ ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺開發(fā)

３．１ 平臺設(shè)計框架

采用分層設(shè)計思想構(gòu)建水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺架構(gòu)，其包括數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和展示層，即“１＋１＋Ｎ”（“數(shù)據(jù)中心”＋“ＢＩＭ＋ＧＩＳ 底座”＋“Ｎ 個業(yè)務(wù)應(yīng)用”）的總體架構(gòu)（見圖２），實現(xiàn)水利工程多專業(yè)、多階段ＢＩＭ＋ＧＩＳ 應(yīng)用的統(tǒng)一化和標準化，有助于模塊的解耦和復用，方便后續(xù)功能擴展和維護。

３．１．１ 數(shù)據(jù)中心

１）源數(shù)據(jù)管理。對存放業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫進行管理，源數(shù)據(jù)包括施工管理、安全生產(chǎn)管理、工程管理、物資管理、協(xié)同辦公、綜合應(yīng)用等系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

２）數(shù)據(jù)管理ＥＴＬ。ＥＴＬ 用來描述數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換、裝載過程。用戶從數(shù)據(jù)庫抽取所需數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換，按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，將數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)中樞。

３）數(shù)據(jù)中樞。主要存儲和管理按照業(yè)務(wù)規(guī)則轉(zhuǎn)換的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

４）數(shù)據(jù)分析工具。利用該工具進行多維數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘。多維數(shù)據(jù)分析是按照預(yù)先設(shè)定的主題分析需求進行數(shù)據(jù)整理，產(chǎn)生多維分析立方體；數(shù)據(jù)挖掘是采用機器學習、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)計分析等技術(shù)，自動分析數(shù)據(jù)，進行歸納、推理和聯(lián)想，尋找數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系。

５）可視化展現(xiàn)工具。利用該工具以統(tǒng)計圖、報表等多種形式將數(shù)據(jù)分析結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。

３．１．２ ＢＩＭ＋ＧＩＳ 底座

通過ＢＩＭ 模型管理、ＧＩＳ 場景搭建、ＩＯＴ 物聯(lián)感知提供ＢＩＭ＋ＧＩＳ 模型轉(zhuǎn)換、ＢＩＭ 輕量化、模型分析、模型集成、模型渲染等服務(wù)。

１）ＢＩＭ 模型管理。對ＢＩＭ 模型輕量化處理，包括簡化模型建筑物幾何、空間、材料、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、能源、環(huán)境等方面的信息，減小模型體積、降低模型復雜度，以便在ＢＩＭ＋ＧＩＳ 平臺進行模型三維可視化查看、視角漫游、構(gòu)件標記、模型材質(zhì)切換、設(shè)備關(guān)聯(lián)等。

２）ＧＩＳ 場景搭建?；趦?nèi)置ＧＩＳ 數(shù)據(jù)源和渲染效果，實現(xiàn)場景添加、底圖導入等，利用場景分析工具可實現(xiàn)場景元素分析、視角切換等。

３）ＩＯＴ 物聯(lián)感知。其支持ＨＴＴＰ、ＴＣＰ、ＭＱＴＴ 等多種主流通信協(xié)議，可快速對接各類ＩＯＴ 設(shè)備數(shù)據(jù)，功能包括新增設(shè)備、刪除設(shè)備、新增變量、發(fā)送信息等，提供組態(tài)式配置工具，支持預(yù)警規(guī)則、預(yù)警等級自定義配置，實現(xiàn)工程監(jiān)測異常狀態(tài)的智能化預(yù)警。

３．１．３ Ｎ 個業(yè)務(wù)應(yīng)用

基于數(shù)據(jù)中心和ＢＩＭ＋ＧＩＳ 底座，創(chuàng)建ＢＩＭ＋ＧＩＳ 業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括設(shè)計協(xié)同、裝配式建筑監(jiān)管、協(xié)同審查等，實現(xiàn)水利工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維全生命周期應(yīng)用服務(wù)。

３．２ 平臺功能總體構(gòu)成

ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺功能總體構(gòu)成見圖３。

３．３ 平臺關(guān)鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)方法

１）ＢＩＭ＋ＧＩＳ 數(shù)據(jù)儲存。ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺支持加載ＲＶＴ、ＤＧＮ、ＩＦＣ、ＵＤＢ 等三維ＢＩＭ 模型數(shù)據(jù)，將ＢＩＭ 模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成Ｓ３Ｍ 格式，存入ＭｏｎｇｏＤＢ數(shù)據(jù)庫。采用ＧＰＵ 深度學習算法，實現(xiàn)大規(guī)模ＢＩＭ模型、傾斜攝影、地圖影像等三維數(shù)據(jù)的高效融合處理。

２）ＢＩＭ 模型構(gòu)建與ＧＩＳ 場景搭建。利用Ｂｅｎｔｌｙ 和Ａｕｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ 等軟件，構(gòu)建ＢＩＭ 精細化模型，包含建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、設(shè)備模型、管線模型等。采用超圖軟件搭建直觀的三維ＧＩＳ 場景，包括地形高程、地表覆蓋、交通網(wǎng)絡(luò)等元素。

３）ＢＩＭ＋ＧＩＳ 可視化。基于開源的ＷｅｂＧＩＳ 產(chǎn)品Ｃｅｓｉｕｍ，自主研發(fā)ＢＩＭ＋ＧＩＳ 集成的輕量化ＵＥ 引擎，優(yōu)化ＢＩＭ 重構(gòu)前端三維渲染機制，實現(xiàn)ＢＩＭ 三維模型在線整體縮放、整體平移、局部框選放大等。通過ＷｅｂＧＬ 快速渲染，實現(xiàn)ＢＩＭ＋ＧＩＳ 可視化瀏覽以及場景分屏聯(lián)動分析。

４）ＢＩＭ＋ＧＩＳ 綜合信息可視化駕駛艙。ＢＩＭ＋ＧＩＳ協(xié)同管理平臺后端創(chuàng)建多個專題數(shù)據(jù)庫，平臺前端調(diào)取后端數(shù)據(jù)，在一個或多個ＬＥＤ 大屏系統(tǒng)實現(xiàn)可視化駕駛艙，顯示業(yè)務(wù)關(guān)鍵指標。

４ 平臺應(yīng)用實例

４．１ 工程概況

銀川都市圈中線供水工程主要整合河東灌區(qū)各級泵站，改善取水條件，建設(shè)供輸水管道，改變灌區(qū)沿黃河分散取水現(xiàn)狀，提高灌溉用水保證率。供水區(qū)域包括黃河東岸平羅縣陶樂鎮(zhèn)、高仁鄉(xiāng)、紅崖子鄉(xiāng)，銀川市興慶區(qū)月牙湖鄉(xiāng)。

工程包括骨干工程和配水工程兩部分。骨干工程包括：１）新建黃沙古渡泵站，拆除上八頃、高仁、六頃地、青沙窩、東來點、黃土梁、五堆子及三棵柳８ 座泵站；２）建設(shè)泵站加壓供水管道，即自出水池向平羅縣設(shè)置重力流輸水管道，總干管道至平羅縣三鄉(xiāng)鎮(zhèn)，控制灌溉面積２００ ｋｍ２，管線總長度約為４０ ｋｍ。配水工程包括：１）建設(shè)配水管道，總長度約７０ ｋｍ，控制灌溉面積１３３ ｋｍ２；２）新建蓄水池２１ 座，總調(diào)節(jié)容積約為２８０萬ｍ３。

４．２ 基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的協(xié)同管理

利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺對工程全過程進行管理，包括計劃編制與匯總、任務(wù)變更、形象進度控制、設(shè)計方案論證評審等。結(jié)合空間信息，繪制基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的銀川都市圈中線供水工程規(guī)劃圖，并標注任務(wù)和計劃節(jié)點。

４．３ 基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的協(xié)同設(shè)計

按照任務(wù)書以及各專業(yè)設(shè)計計劃，專業(yè)設(shè)計人員在平臺選擇相應(yīng)的ＢＩＭ 設(shè)計軟件，遵循統(tǒng)一標準，提交各階段設(shè)計模型。在銀川都市圈中線供水工程設(shè)計中，各專業(yè)設(shè)計涉及ＢＩＭ 軟件如下：基礎(chǔ)軟件為Ｍｉ?ｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ，建筑、水機、電氣、暖通專業(yè)軟件均為Ｏｐｅｎ?Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ，場地、地下管廊軟件為ＯｐｅｎＲｏａｄｓＤｅｓｉｇｎｅｒ，地質(zhì)專業(yè)軟件為ＧｅｏＳｔａｔｉｏｎ，實景建模軟件為ＣｅｔｅｘｔＣａｐｔｕｒｅｓ，渲染、動畫軟件為ＬｕｍｅｎＲＴ，水錘計算軟件為ｈａｍｍｅｒ，施工模擬軟件為Ｓｙｎｃｈｒｏ 等。

項目協(xié)同設(shè)計過程中，通過配置底層文件，進行工作空間托管，根據(jù)專業(yè)ＢＩＭ 任務(wù)授予權(quán)限，專業(yè)人員按照進度依次調(diào)取ＢＩＭ 文件，進行模型總裝、碰撞檢查、優(yōu)化設(shè)計，最終成果歸檔。黃沙古渡泵站ＢＩＭ 模型數(shù)據(jù)與ＧＩＳ 數(shù)據(jù)融合效果見圖４。

４．４ 基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的設(shè)計協(xié)同交付

基于平臺實現(xiàn)工程設(shè)計成果的校審和交付，包括問題批注、圖紙預(yù)覽、問題報告生成等。完成ＢＩＭ 模型總裝和碰撞優(yōu)化后，項目負責人進行方案篩選，將總裝模型與ＧＩＳ 數(shù)據(jù)融合，形成模型總裝場景；再將總裝場景分享給業(yè)主，業(yè)主可預(yù)覽所有模型成果，將意見無障礙反饋設(shè)計方，線上進行模型接收或退回；最后對接收成果進行打包下載，完成設(shè)計成果交付。

５ 結(jié)束語

筆者開發(fā)的水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 協(xié)同管理平臺，可對微觀ＢＩＭ 模型數(shù)據(jù)和宏觀ＧＩＳ 數(shù)據(jù)輕量化處理，實現(xiàn)ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的數(shù)據(jù)融合，通過場景搭建和數(shù)據(jù)配置，形成輕量化的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景； 利用ＷｅｂＧＩＳ 開源Ｃｅｓｉｕｍ，優(yōu)化ＢＩＭ 重構(gòu)前端三維渲染機制，可實現(xiàn)ＢＩＭ三維模型在線整體縮放、整體平移、局部框選放大等；利用ＷｅｂＧＬ 快速渲染，可實現(xiàn)ＢＩＭ＋ＧＩＳ 模型可視化瀏覽和場景瀏覽分析，以及ＢＩＭ 和ＧＩＳ 場景分屏聯(lián)動分析；通過模型設(shè)計過程協(xié)同，可避免設(shè)計沖突，減少頻繁修改，避免重大設(shè)計缺陷；通過設(shè)計成果交付協(xié)同，可規(guī)范輸出設(shè)計成果文件，把控模型交付質(zhì)量。

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【責任編輯 栗 銘】

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（２０１８ＢＢＦ０２０２２）；寧夏回族自治區(qū)自然科學基金資助項目（２０２２ＡＡＣ０３７２６）