BIM+GIS技术在洋溪水利枢纽工程中的应用

唐 岗

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 工程概况

洋溪水利枢纽工程位于广西三江县洋溪乡境内，是国务院确定的172 项节水供水重大水利工程之一，是广西防洪体系规划中八大控制性防洪工程之一，是柳江流域总体规划中以防洪为主，兼顾航运、发电及其他综合利用的大型骨干工程，与落久水利枢纽联合防御可以保证柳州市的防洪能力提高至100年一遇。洋溪水利枢纽工程的建设是柳江防洪体系建设的需要，也是电力发展和柳江航运建设的需要。

洋溪水利枢纽工程大坝为重力式混凝土坝，最大坝高76 m，坝顶总长455.2 m，工程主要建筑物包括左右岸重力坝、鱼道、坝后式电站、溢流坝、船闸等。水库汛限水位153 m，正常蓄水位163 m，校核洪水位186.94 m，水库库容8.5 亿m3，水电站装机3台共100 MW，多年平均年发电量3.089 亿kW·h。工程规模为大（2）型，工程等别为Ⅱ等，工程静态总投资约135亿元。

2 工程应用难度和需求

水利枢纽工程的设计和建造过程非常复杂，涉及的部门和专业众多，生产组织机构庞大，协调困难，很难达到计划的精确管理。任何一个专业数据精度和方案变更都会影响到相关的其他各专业，从而直接影响整个枢纽工程的设计质量和进度，进行多方案优化比选时工作量大而繁琐、重复劳动多、耗时长且校核难度大，传统设计技术和流程在一定程度上制约了水利水电勘察设计业务的发展，而BIM技术的应用可以很大程度上解决这些难题和特殊需求。

洋溪水利枢纽工程库区范围大，涉及淹没的地类图斑数据庞大，设计周期短、工作量大，采用传统方法进行地类图斑分析统计、库区淹没分析、移民安置点规划设计及库区复建公路设计等内容需耗费大量的人力和时间，无法满足进度要求，而采用GIS 技术建立洋溪水利枢纽地理信息系统，形成各专业大数据资源整合并充分利用，可以很大程度上解决这些问题。

洋溪水利枢纽工程全面贯彻水利部要求的“水利工程补短板、水利行业强监管”总基调，依靠“云、大、物、智、移”等新时代信息技术进行信息化建设，以“一张网、一个中心、一个平台、三类应用”为项目重点建设任务，要求从信息采集、资源共享服务、联合防洪调度、BIM+GIS 技术综合应用等多角度为洋溪水利枢纽现代化管理提供有力保障。其中，洋溪水利枢纽工程采用全过程BIM协同设计与GIS技术应用是枢纽信息化建设的基础，BIM+GIS 技术的应用成为枢纽智慧建设、数字运维的基础支撑。

3 应用技术特点

本项目成果采用BIM技术和GIS技术相结合的总体技术方案。

（1）BIM技术特点。采用三维协同设计从微观上构建枢纽及附属建筑物BIM模型，利用模型进行工程展示、工程量快速统计、二维出图、有限元计算、碰撞检测、渲染效果、视频制作等工程应用。

（2）GIS 技术特点。采用无人飞机航测技术进行航测，通过外业像控、空三测量、外业调绘、内业数据采集与编辑，形成DOM、DEM、DLG、DSM 测绘产品；获取测区的实景三维模型，处理为动态三维模型和VR；根据水库设计水位不同方案进行库区动态水位淹没分析三维演示、三维动态漫游；将实景三维模型等成果应用于洋溪水利枢纽BIM+GIS、大数据平台、信息化建设等方面。

4 工程应用范围及深度

洋溪水利枢纽工程BIM+GIS 技术应用范围涵盖了测量、地质、水工、施工、机电、金结等全部专业，实现了多专业三维协同设计（见图1），主要应用包括：多方案快速比选、工程量统计、二维出图、碰撞检测、CAD/CAE 一体化分析、水库淹没面积统计分析、地类图斑统计分析、空间信息分析查询等三维设计应用。结合GIS技术将应用范围扩展至水库淹没统计分析、地类图斑统计分析、空间信息分析查询、三维地形精细化建模、三维实景建模、三维实景应用（见图2）等领域。同时，开展了基于BIM+GIS的项目管理系统、征地移民系统的开发，为工程全生命周期管理应用、征地移民的高效顺利实施提供了应用平台。

图1 多专业三维协同设计

图2 工程效果图

4.1 三维地形精细化建模

采集的数据经过空三处理、解算、外业调绘、内业采集，形成DLGDOMDSM4D 测绘产品，数据影像清晰，测绘精度符合规范要求。

三维地面精细模型可查看公路、旱地、陡坎、水工建筑物等信息，相关数据可直接用于工程设计，经过三维数据处理后的DEM 可按高差分色渲染展示（见图3）。

图3 三维地形精细化建模

4.2 三维实景建模

获取测区的实景三维模型（见图4），处理为动态三维模型和VR；进行库区动态水位淹没分析三维演示、三维动态漫游；将实景三维模型等成果应用于BIM+GIS、大数据平台、信息化建设、抢险救灾等方面。

图4 三维实景建模

4.3 多方案快速比选

采用BIM+GIS技术进行方案比选，包括坝址比选、枢纽布置方案比选（见图5、图6）等，快捷、直观进行各方案枢纽布置格局、投资等方面的优劣对比。

图5 枢纽布置比较方案（左航右厂）

图6 枢纽布置推荐方案（左厂右航）

4.4 工程量快速统计

传统的工程量计算方法过程繁琐、效率低，采用BIM 技术和GIS 技术，可快速、高效、准确的实现不同部位、不同种类的工程量统计（见表1）。

表1 工程量统计表果

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31紫铜止水片(厚1.5 mm，宽300 mm)/m填缝沥青木板，厚20 m/m2坝体标准平面钢模板/m2坝体悬臂组合钢模板/m2坝体曲而木模板/m2键槽钢模板/m2坝基帷幕灌浆（基岩透水率3 Lu）/m帷幕灌桨钻孔(含检查孔)（坝基，平均孔深22 m，孔径Φ60 mm)/m帷幕灌桨钻孔(含检查孔)（现体，平均孔深10 m，孔径Φ60 mm)/m帷幕灌桨检查孔钻孔（坝基，平均孔深22 m，孔径Φ60 mm)/m帷幕灌桨检查孔钻孔（坝体，平均孔深10%，孔径Φ660 mn)/m帷幕灌浆检查孔检查试验(坝基)/试段坝基固结灌浆（基岩透水率3 Lu)/m固结灌浆钻孔(含检查孔)（坝基，平均孔深8 m，孔径Φ60 m)/m固结灌浆钻孔(含检查孔)（坝体，平均孔深7 m，孔径Φ60 mm)/m固结灌浆检查孔钻孔（坝基，平均孔深8 m，孔径Φ60 mm)/m固结灌浆检查孔站孔（坝体，平均孔深7m，孔径Φ60 mm)/m 435.85 4 321.49 6 264.94 538.06 156 6.24 1 798.77 1 978.65 727.49 490 4900 0 7100 610 1780 2170 2390 880 000 4 151.76 6 073.94 3 996.07 457.64 4 537.57 0.00 6 578.19 564.96 1 644.55 1 888.71 2 077.58 763.87 0.00 0.00 0.00 4 359.35 6 377.64 4 195.87 0.00 0.00 1.08 1.08 1.08 1.08 1.08 1.08 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 5010 7330 4830 00

4.5 二维出图

在完成所有专业三维建模并总装后，直接由三维模型抽取二维图纸，图纸实现了“一键式”输出、批量更新，实现三维到二维的转换，三维出图可达到设计出图质量要求。出图方式上实现了三维轴测图（见图8、图9）和二维图（见图10、图11）结合的出图方式，大大提高了图纸会审的可读性。

图8 厂房进水口及机组中心剖面图（三维轴测剖视图）

图9 厂房进水口及机组中心剖面图（二维出图）

图10 溢流坝剖面图（三维轴测剖视图）

图11 溢流坝剖面图（二维出图）

4.6 碰撞检测

利用软件自身的碰撞检测功能，进行机电专业模型与水工等专业模型之间的快速自动碰撞检测（见图12），共发现、修复27处，提高了设计质量，有效减少了设计错误。

图12 管线与楼板碰撞检测

4.7 CAD/CAE一体化分析

CAD 模型与CAE 模型的重用一直是工程设计中减少重复劳动、优化设计质量的关键点。本项目充分利用三维CAD 软件能快速准确的建立几何信息模型优势，与CAE 软件集成进行设计校验，实现模型互导、数据互通、成果分析处理及展示查询功能，实现CAD、CAE软件的优势互补，将二者更好地应用于工程实际，帮助设计人员提高设计效率、优化设计成果。

4.8 水库淹没面积统计分析

利用GIS技术，快速、准确的分析各方案比选中淹没的人口、土地面积等指标（见图13），直观、明了展示各方案的优劣情况，为高效、科学的水库蓄水位多方案比选、防洪指挥调度和洪涝灾害损失评估提供最有力的支撑。比传统方法更为高效、准确、直观。

图13 水库淹没面积统计分析

4.9 空间信息分析查询

采用无人机航测结合人工采集数据，建立了洋溪GIS 地理信息系统信息系统，快捷地查询和定位任一图斑的属性信息（见图14），如图斑的地类、面积、周长、所在图幅、所属村屯等。极大地提高了传统手段的效率和信息化水平。

图14 空间信息分析查询

5 应用效益

（1）采用无人机航测结合人工采集数据，获得洋溪水利枢纽空间信息，建立了GIS地理信息系统，利用GIS地理信息系统对洋溪水利枢纽工程进行淹没损失分类统计及查询，面积分类统计、淹没动画模拟，任意点水深查询、库容计算等，能够更准确、科学地确定洪水淹没范围和水深分布，为洪水风险评估、防洪指挥调度和洪涝灾害的损失评估提供准确的评判依据。

（2）采用BIM+GIS 技术，减少了工程的反复修改和变更，明显降低生产成本和外业强度，缩短设计周期，可以使设计方案做到最优，避免出现不科学的方案，造成反复修改和变更，减少各专业的无价值劳动和成本支出。BIM+GIS 的多方协同，解决了空间冲突和时间冲突，同时，三维模型与数据信息联动，实现了空间分析计算、统计。

（3）在本项目完成所有专业三维建模及总装后，直接由三维模型抽取二维图纸，图纸实现了“一键式”输出、批量更新，实现三维到二维的转换，二、三维出图提高了出图质量，且出图效率提高了20%～30%，差错率减少约80%，也大大减少了图纸会签时间。出图方式上实现了三维轴测图和二维图结合的出图方式，大大提高了图纸会审的可读性。

（4）测量、地质、水工、施工、机电、金结等专业基于BIM+GIS技术进行三维协同设计，同时基于该技术进行校审流程，提升传统设计手段。

（5）BIM 产品直观、准确、高效、工程全生命周期的多维度延伸应用等优点得到了项目建设单位的高度认同，为项目后续BIM技术的实施打下了坚实基础。

（6）BIM 新技术的应用完善了产品维度，提高了工程设计的数字化、信息化水平，提高了设计产品的质量，比传统二维勘察设计提升了美誉度和竞争力。