基于BIM+GIS的水利工程智慧管理平台原型设计与应用研究

陈 杰 朱学英 徐 彤

（1.安徽省蒙城县水利局 蒙城 233500 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222）

水利工程具有规模庞大、施工周期短、施工环境复杂等特点，给施工过程管控带来诸多挑战。同时，水利工程项目管理进入快速发展阶段，但与其对应的信息化发展水平却并不匹配，导致工程建设过程中仍存在资料分类混乱、数据冗余、参建方协同性差、沟通困难等现象。目前，BIM 技术作为面向建设项目全生命周期的项目信息管理和集成手段，可解决异构工程数据之间的交互、关联和全局共享性问题，对于水利工程枢纽可实现构件级的精细化表达；GIS技术则通过采集大区域的空间地理数据进行分析、运算、显示和管理，近年来已广泛运用到包括水利工程的各行各业。因此将水利工程建设中的多维度业务管理信息要素与BIM 模型耦合关联，并在GIS三维地理场景空间实现可视化表达，搭建符合工程项目管理实际需求的管控平台，有利于强化水利工程建设过程的信息一体化程度，提高参建各方的工作和沟通效率。

针对上述问题，本文依托涡河蒙城枢纽建设工程，基于BIM、GIS 异构数据融合技术，以项目划分、管理层级和流程为逻辑关系，建立进度、质量、安全、投资等要素与BIM 模型的双向链接关系，并集成至GIS 三维地理空间场景中，形成了宏微观信息并举的地理空间和建筑信息融合模型，最后搭建了B/S 架构的BIM+GIS 智慧水利项目管理平台，为水利工程施工期项目信息化、智慧化管理提供了一套可行的解决方案。

1 基于BIM+GIS 的水利工程施工期项目智慧化管理框架

1.1 水利工程施工期项目管理

水利工程施工期项目管理是以水利工程项目为对象，以施工期为时间周期，以实现建设项目投资效益、进度目标和质量目标为目的，对水利工程项目进行策划、实施、协调、控制、动态调整的循环管理过程，是一个多目标、多因素共同作用和决定的系统性工程。

按照参建方角色和工作性质不同，项目管理模式通常分为PMC（项目管理总承包）、EPC（施工总承包）、DB（设计-施工总承包）等，其中PMC 以其管理精度、风险承担、投资控制等方面的优势逐渐在国内水利工程建设过程中得到广泛应用。项目管理总承包任务主要包括设计管理、监理管理、施工全过程管理以及与总承包相关的多方协调和组织管理工作。

1.2 基于BIM+GIS 的水利工程施工期项目智慧化管理框架搭建

面向水利工程施工期项目管理需求，搭建了水利工程施工期项目智慧化管理框架如图1所示，整体思路为多源异构数据的采集与融合、服务搭建与集成、业务数据关联与可视化环境搭建，共分为数据采集处理、业务逻辑、前端交互显示三个层次。其中框架的整体服务应用主要分为两类：（1）基于OGC 规范的数据服务WMS、WMTS 和应用接口WebService 实现建筑模型信息和地理数据信息的调用，并进行相关交互操作。（2）基于Web 服务器将项目建设管理过程中的各类数据按业务逻辑，与模型构件按工程项目划分原则进行单元级精度的绑定，最终实现模块化的业务应用。

图1 基于BIM+GIS 的水利工程施工期项目智慧化管理框架图

2 平台关键技术研究

2.1 模型解析与转换

本文三维可视化的实现基于Cesium 引擎，若实现原生BIM 数据、地理信息宏观数据和倾斜摄影习惯数据的加载显示，需将其转换为Cesium 支持的模型格式。本文开发了一套模型解析与转换程序，将IFC 和OSGB 模型转换为3DTiles 格式，包括模型解析、文件重组和数据装配三个步骤，具体如下：

（1）模型解析：读取IFC 和OSGB 文件数据并进行递归提取。以IFC 为例，首先遍历IFCLocalPlacement 和IFCPropertySingleValue 获取顶点坐标属性值，利用坐标转换获得构件对应的绝对坐标属性集；其次获取法线和纹理信息，将解析数据以Collada 格式要求重组生成dae 中间文件。同时为保留模型原生属性信息，通过IFCPropertySet 和IFCPropertySingleValue 遍历构件对应的属性键值对和标识索引guid，存储于xml 文件中。

（2）文件重组：读取dae 中间文件并进行文本化处理，根据坐标属性集确定模型空间结构和位置，生成索引树并基于四叉树规则进行区域分割和几何误差计算，得到各层级瓦片的索引信息，最后按gltf模型格式生成json 文件存储信息要素。

（3）数据装配：解析json 文件并写入b3dm 二进制块，生成瓦片数据并与URL、BoundingBox、GeometricError 等瓦片索引信息组装为tileset.json 组织文件，最后完成从IFC/OSGB 原生数据格式到3DTiles 格式的转换。

2.2 基于batchid 的构件-属性双向链接

本平台除模型外，还涵盖了附带的业务属性信息。因此除将几何模型进行三维可视化表达外，还需将对应的业务数据信息进行关联。本文提出了一中基于Cesium 模型构件唯一标识符batchid 的构件-属性双向链接方法。其原理是根据鼠标点击的屏幕坐标位置计算对应场景在世界坐标系下的地理坐标，获取对应实体（构件）的唯一标识符，通过调用GIS 和BIM 应用服务接口请求地理空间数据和BIM模型数据，并基于ajax 异步传输技术获取业务数据库中的业务信息，最后与实体的基本属性信息一并返回Web 端，用户可通过预定义的接口进行信息检索查询。

2.3 模型轻量化展示

本平台的模型轻量化展示基于LOD 多细节分层渲染优化技术实现。首先将包括倾斜摄影数据和BIM 三维模型在内的三维场景重构为不同精度的区块，形成多层次瓦片数据，然后根据用户在Web 端交互过程中的视点和场景距离，以四叉树索引方式返回相应数据。

3 平台设计

3.1 架构设计

本平台架构设计共包括三层，其中：

（1）数据层：包括业务信息数据库、BIM 数据库、GIS 数据库和分析数据库，用于存放并管理各种信息，上层（业务逻辑层）通过诸如数据库访问驱动、Web 服务接口以及相关开放标准（例如，WFS，WMS）等进行访问，实现对于各类数据源的调用。

（2）业务逻辑层：包括WEB 服务器和应用服务器以及对应的引擎和脚本，业务逻辑层是本平台的核心部分，它接收并响应来自表示层用户发送的功能请求，是实现各种业务功能（如BIM+GIS 综合管理，进度、成本、质量、安全管理等）的逻辑实体，这些逻辑实体在实现上表现为数据库触发器、数据存储过程以及各类应用功能组件。

（3）表示层：表示层将平台的操作界面与平台的功能实现分离开来，本文开发的是基于HTML5和WebGL 的B/S 可视化平台，包括基于可视化展示平台和业务管理平台以及应用系统集成服务。用户可通过访问浏览器进入应用界面，所有操作均通过H5、CSS 和JS 脚本完成，是无插件的跨平台WEB应用程序。

3.2 流程设计

本平台的依托工程涡河蒙城枢纽建设工程实行“建管处监督检查、项目管理总承包单位管理、监理和设计单位控制、施工单位和供应商保证、政府监督”的项目管理层级。为确保项目建设过程中各项工作实现标准化、流程化管理，在平台设计阶段即进行流程设计。除进行纵向流程设计外，还根据项目管理业务信息关联关系进行流程与数据嵌套、融合，实现对于项目质量、资源、投资、进度等要素的综合管理。

例如隐蔽工程验收管理流程，平台设置了“施工单位上报-监理审批-项目管理总承包方及其他相关方核备-建管处和质量监督站备案”的审批节点，参建各方依据节点及时限要求进行线上审批流转，当平台检测到验收出现滞后情况时会通过App推送信息至参建各方，同时验收数据与BIM 模型构件根据预设规则自动绑定，实现可视化平台的动态更新与交互查询。

3.3 功能设计

基于BIM+GIS 的水利工程智慧管理平台包括可视化展示平台和业务管理平台两大子平台，具体功能设计如图2。

图2 平台功能设计图

3.3.1 可视化展示子平台

该子平台用于实现BIM 模型和三维地理场景的展示与交互，以及对业务管理平台中各管理要素信息的绑定与查询，包括功能管理、视图管理和数据管理，实现了包括土方平衡计算、工程量统计、进度模拟、碰撞检测、BIM 交底在内的可视化展示与统计分析功能，如图3所示。

图3 可视化展示子平台界面图

3.3.2 业务管理子平台

业务管理子平台以BIM 模型为基础，以PMC模式和业务流程为依托，以业务管理的标准化、科学化和协同化为重点进行设计，由质量、进度、投资、资源、安全、分析管理等模块组成。各模块的关联包括以下两方面：①各模块均预置了与项目划分中的单位、分部、单元工程间的对应业务逻辑关系；②建立工程验收、合同工程量及单价、计划与完成进度、原材料进场管理等数据的关联关系，实现了基于流程和业务逻辑的“进度-质量-资源-投资”联合分析管理。

同时平台将上文①中的模块数据与BIM 模型进行单元级精度的匹配和双向链接，参建各方均可通过进行模型交互，对业务数据进行查看、更新、标记和共享。

4 应用效果

本平台依托涡河蒙城枢纽建设工程进行开发和使用。该工程位于安徽省亳州市蒙城县境内，是涡河上一座集防洪、排涝、蓄水灌溉、交通航运于一体的大型水利工程。工程建设内容包括新建节制闸、船闸和影响处理工程。目前，本平台已在工程上投入使用，运行状况总体良好，具体运行效果如下：

4.1 建立工程BIM 精细化模型

按项目划分建立工程BIM 模型，主体工程包括船闸和节制闸，在Bentley 建模软件中搭建自建族库，通过参数化设计创建单元级精度的BIM 构件并赋予构件几何描述参数信息，最后整合模型并进行碰撞检测，形成工程整体BIM 精细化模型。

4.2 搭建三维可视化场景

平台一方面调用Ceisum 引擎提供的STKWorldTerrain 地形服务和GoogleMap 影像服务，另一方面将倾斜摄影OSGB 数据和BIM 模型导入解析为Cesium 中支持的3DTiles 格式并发布，完成BIM+GIS 三维可视化场景的搭建工作。

4.3 业务信息管理

用户可通过业务管理平台进行质量、投资、进度、资源等模块的信息管理，平台基于项目划分与业务数据的逻辑关系自动将数据与BIM 模型的构件进行单元级精度的双向链接，并在BIM+GIS 平台中实现对于模型数据的交互操作。同时，本平台基于审批流和业务模块基础数据实现了诸如工程量核算、施工强度分析、进度-投资联合控制和预警提醒等统计分析功能，将统计结果通过App 推送至参建各方，为用户决策提供参考依据，形成了一套“数据采集传输-数据处理-统计分析-结果反馈-调整优化”智能分析管理路线。最后，在施工阶段产生的所有数据均与BIM 模型绑定，可用于BIM 竣工交付及作为运维阶段的基础数据。

5 结论

基于BIM+GIS 的水利工程智慧管理平台以PMC项目管理总承包模式为基础，以BIM+GIS 多源异构数据融合为技术依托，以项目划分规则与业务管理流程为逻辑关系，实现了对项目管理过程中各要素与BIM模型的关联耦合和GIS 三维地理空间场景交互，为项目管理人员提供了一个协同开放的管理平台，在一定程度上解决了水利工程建设阶段管理粗放、信息集成与协同困难等问题。为后续水利工程施工期智慧化信息化项目管理提供了合理的技术路线和应用案例■