大石峡水利枢纽工程BIM+GIS平台建设

李 梦,孙 阳

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

随着新一代信息技术的不断发展，数字化赋能已成为水利水电工程科技创新的重要手段。借助水利水电工程建设与前沿技术的融合，不断探索数字化、智慧化水利工程建设成为大势所趋。BIM(Building Information Modeling)是通过构造数字化模型在工程建设全寿命阶段进行管理和优化的技术手段，具有视图生成、数据全面丰富、面向对象等特点[1]。地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是一种地理空间有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，可通过倾斜摄影测量实现多视立体覆盖，能快速构建出真实、直观的实景模型，满足工程三维设计对地形地貌信息的需求[2]。

BIM多维度扩展应用的一个重要组成部分就是BIM和三维GIS的融合使用[3]。R.deLaat基于CityGML协议扩展了GeoBIM，实现了IFC的数据信息到GIS场景的转换；谢温祥[4]通过技术探索将BIM模型与GIS资源数据进行融合，实现了BIM和地理信息数据的有机结合，完成了BIM+GIS的基础应用功能建设；严沾谋[5]等人基于BIM+GIS结合应用，实现了工程设计与出图，并完成水利项目数字化移交应用；部分学者也探索了BIM+GIS应用在信息化方面的价值，丁维馨[6]等人，将三维GIS、BIM模型、三维实景模型、监测数据等融合应用，实现了水利工程三维模型、水利工程监测信息展示和分析统计;唐岗[7]通过将地理信息数据、BIM模型数据、勘测结果数据等信息集成到一个平台上，实现了洋溪水利枢纽工程的信息化管理。虽然近年来在BIM+GIS的应用方面取得了一定程度的研究成果，但多为设计成果的展示或在施工过程中局部的应用，尚未能够全面地将数字化技术应用至工程施工过程中，本文将BIM及GIS技术应用至大石峡水利枢纽智慧工程各业务系统中，构建一个可视的水利工程数字化平台为工程建设全过程提供数据支撑及平台保障。

1 项目背景

新疆大石峡水利枢纽工程作为国家172项节水供水重大水利工程之一，是践行“一带一路”倡议、造福边疆地区、增进民族团结的重大水利壮举，具有工程规模大、建设周期长、工程地形地质条件复杂、施工区域气候环境恶劣等特点。为了推进工程智慧化、数字化建设，全面提升智慧工程应用水平，为工程长效安全运行与智慧管控提供科学保障，在传统施工建设的基础上开展了多个智能建设业务系统应用，同时也暴露出各业务系统运行过程中可视化程度低、数据共享不畅通等难题，因此需要建设一个数据互通的数字化平台，实现工程各参建方的互联互通和协同共享。

2 平台设计

2.1 设计理念

平台以BIM+GIS技术集成应用为支撑，以模型数据资源统一为主线，搭建“平台+数据+应用+接口”的功能框架，实现工程建设数字化，项目管控可视化，形成了各业务数据互通、协同共享的工作机制。

2.2 平台架构

基于BIM+GIS技术的数字化平台依据大石峡水利枢纽工程建设阶段各应用需求进行规划，按照数据资源层、服务层与业务应用层进行总体设计，完善以模型数据为核心的运行体系，建立以项目工程数据为基础、模型平台数据交换为手段、项目应用层管控的平台整体架构，实现质量、进度、成本及安全的统筹优化和综合应用。

数据资源层提供结构化数据、非结构化数据、文件数据的持久化及查询检索服务，含项目基础数据，BIM模型文件、GIS资源文件、各阶段属性数据及各业务系统通过数据接口上传的施工数据和文件数据等；服务层包括底层支撑和数据服务，底层支撑提供底层技术支撑，包含BIM+GIS引擎、消息服务引擎等，数据服务提供DEM/DOM数据服务、BIM数据服务和矢量数据服务等；业务应用层是呈现给用户的平台界面，包含BIM中心应用及相关业务应用功能。BIM+GIS平台架构见图1。

3 平台数据中心建设

3.1 建设思路

为保证大石峡水利枢纽BIM+GIS平台建设相关设备设施的空间、属性及文档资料的统一、有效管理，建立一个高效率、低冗余的平台数据中心是首要考虑的，这也关系到相关数据的查询、更新与维护等工作。数据中心建设既要充分体现平台业务的特点，利用现有资源合理配置软硬件，又须根据后续业务需求不断进行平滑升级，在确保数据安全性设计的前提下，建立一个完整统一的平台数据库，同时考虑到存储与管理数据的多源性特点，对数据进行规范化处理，针对不同来源的数据，制定一套统一标准进行规范有序管理，最后达到多源数据融合与信息共享的目的。

3.2 数据中心架构

数据中心架构包括数据接入、处理、存储和管理等层级，共同搭建起一个统一的工程信息数据集群，也是将各业务板块有机融为一体的基础和关键。以工程模型的空间对象统一编码、数据统一配置管理、数据库结构统一规划为原则，建立并维护各类信息数据以及之间的关系，并为各业务应用单元提供统一、有序、全面的数据访问服务。平台数据中心架构设计见图2。

3.3 数据管理

BIM+GIS平台数据中心建设管理包括数据接入、数据存储、数据处理、数据管理输出等部分[8]。

(1) 数据接入

基于数据模板建立并维护各类信息数据及相互关系，包括静态数据和动态数据[9]。静态数据库应包括三维信息模型、项目位置分解数据、工程档案、建筑物构件及设备对象数据等。为各类数据预留手动填报上传界面或者批量导入工具；动态数据库应包括大石峡水利枢纽智慧建设系统方的数据，如灌浆系统、智能碾压系统等数据。

图1 BIM+GIS平台架构

图2 平台数据中心架构设计

(2) 数据存储

通过选取业界主流的数据库，以满足大容量存储、高安全性、易维护性和持续稳定可靠运行的要求。同时提供支持多种文件类型，支持数据集中存储、统一管理[10]，能够对数据进行质量检查及支持数据变更管理和版本管理。

(3) 数据处理

BIM+GIS平台数据中心后台采用JAVA语言、利用成熟的开源工作流引擎、报表引擎、安全权限框架、文件文档服务、流媒体服务、BIM三维引擎服务、GIS服务等，搭建整体系统，进行数据比对、数据合并、数据挖掘、各类实时信息计算等处理，对三维模型数据，先转为平台标准BIM格式。其中部分引擎服务将根据实际情况选择合适的编程语言。

(4) 数据管理输出

BIM+GIS平台前端采用HTML5、WEBGL等技术能够将数据内容进行多维度展示，包括三维模型和各类文档在网页端的浏览查询、可视化展示、视频监控、系统管理。提供BIM+GIS平台数据统一访问接口，实现了庞大数据体量的快速访问，对外支持业务系统数据访问需求，对内支持工程建设与决策平台数据使用要求。

4 平台功能实现

4.1 基础功能

通过建立大石峡水利枢纽工程GIS与BIM模型的虚拟场景，实现了工程建设相关集模型、属性、场景的三维展示。平台基础功能主要包括BIM+GIS“一张图”、BIM模型展示、GIS展示、文档关联查询。

(1) BIM+GIS“一张图”：通过在三维GIS上叠加BIM模型，对工程区域场景分级加载或一次性加载，并通过GIS上面点击某个位置的BIM模型无缝启动BIM浏览器，进行相应BIM方案的查看。

(2) BIM模型展示：实现BIM场景中的模型操作功能，如缩放、平移、测量、批注、视图记录、漫游等。BIM窗口下可显示子模型结构树，能够查询构件的属性数据，添加构件的自定义属性，BIM模型展示见图3。

图3 BIM模型展示

(3) GIS展示：实现将GIS公共数据、GIS私有数据、BIM轻量化模型数据等组织成GIS图层索引树，用户可在索引树中勾选数据内容，在GIS场景中叠加查看。三维GIS场景提供视图的移动、旋转、缩放操作，以及对象的显示、隐藏、剖切、漫游等，GIS展示见图4。

图4 GIS展示

(4) 文档关联查询：通过构件ID与文档ID绑定，实现在平台上传的文档与模型构件的关联关系，并可以双向操作实现通过文档查找对应构件，或通过构件查找对应文档。

4.2 管理功能

通过建立工程数据管理目录，对各类数据进行统筹管理，并将所有数据均与BIM模型关联管理。提供基于BIM模型的工程全过程数据管理，重点实现以下功能：

(1) 基础信息管理：根据实际工程概况对项目基础信息(包括项目名称、类别、简介、参建单位等)进行配置管理。

(2) 模型管理：提供项目模型文件结构书的管理功能，用户可按项目划分、专业等层级建立模型文件目录，并在目录中上传轻量化模型。

(3) 文件管理：提供项目资料文件管理功能，用户可按项目需求建立资料文件夹目录，并在文件夹目录中上传文件数据。

(4) 版本管理：对录入系统中的二、三维数据信息进行版本管理，可追溯历史版本、变更时间、变更人等信息，系统默认呈现给用户的是最新版本信息数据。

(5) 权限管理：实现平台组织结构、人员、角色、权限信息管理，以及用户访问或者操作系统数据和应用功能的授权管理。

4.3 接口功能

BIM+GIS平台除了为自身用户提供服务外，同时通过开放性接口为外部系统提供服务。每个外部系统具有专有的AppKey及AppSecret，平台可控制每个外部系统的接口权限，具体服务包含：

(1) 数据查询：通过数据查询服务，外部系统可从平台获取项目BIM模型文件、GIS资源数据、模型构件属性数据等平台数据。

(2) 数据上传：通过数据上传服务，外部系统可按照业务规则组织业务数据上传至平台[11]。

(3) 实时数据：按照业务规则定义数据协议，对实时数据提供MQ接入服务，实现所有系统间实时数据的即时传输共享。

(4) 模型处理：提供专用模型动态处理服务，由各业务子系统通过开放服务发起请求，实现对指定的模型动态切割并返回结果等功能。

4.4 应用展示

基于BIM+GIS的水利工程数字化平台在工程项目中应用效果良好，基于平台用户的实际需求定位，综合系统整体的性能、可靠、安全、便捷等各方面因素，打造一个统一传输的高安全、高效率、易用平台。以BIM轻量化模型为信息载体，以数据信息对象编码为纽带，开展全过程数字化移交，形成基于一套模型、一个数据库的可视化数模成果管理系统，构建了数据全面、组织有序、服务于工程全生命周期的数据中心，大石峡BIM+GIS平台设计数据管理界面见图5。

平台应用方式包含网页端和移动端两种，以网页端应用为主，主要实现平台所有模型浏览、GIS展示、关联文档查询、模型管理、资料录入、系统维护等功能；移动端主要实现平台文档和数据快速浏览、查询等功能，大石峡BIM+GIS平台主界面见图6。

图5 大石峡BIM+GIS平台设计数据管理界面

图6 大石峡BIM+GIS平台设计主界面

5 结 论

本文以大石峡水利枢纽工程为背景，研究构建了一个可视的水利工程数字化平台，展现了BIM+GIS技术在水利工程智慧化管理方面的实施思路和应用效果，结论如下：

(1) 通过利用BIM+GIS技术，以模型为载体，以数据信息对象为纽带，将BIM模型与各类工程建设数据进行关联，形成基于一个模型、一套数据、一个数据库的可视化系统平台。

(2) 大石峡BIM+GIS平台发挥了BIM的最大价值。随着工程施工的推进，持续动态更新BIM模型及相关数据信息。

(3) 作为模型数据中心，统筹各业务单元应用数据，消除数据孤岛。依据施工任务对设计移交BIM模型进行深化分解，为建设期各相关智能业务系统应用提供基础数据信息。

大石峡BIM+GIS平台将作为智慧工程管理的数据基础，实现大石峡工程在建设过程中基于BIM+GIS技术的工程设计、建设及运行的全过程精益化管理，实现质量、进度、成本及安全的统筹优化，助力打造新时代的智慧水利示范精品。