基于BIM的水利工程施工监管平台设计与实现

杨楚骅，饶凡威，傅志浩，廖祥君

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

建筑信息模型(BIM)的概念在 2002 年产生于美国[1]。其定义为“在建设工程及设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此进行设计、施工、运营的过程和结果的总称”[2]。BIM技术应用于建设工程全生命周期，已成为全球业界的共识。从2011年至今，住建部相继发布了《2011—2015 年建筑业信息化发展纲要》《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》《2016—2020 年建筑业信息化发展纲要》等重要文件，对勘察设计企业及施工企业明确提出了BIM的任务要求，勘察设计类企业应加快BIM普及应用，实现勘察设计技术升级；施工类企业应推进管理信息系统升级换代普及项目管理信息系统，开展施工阶段的BIM基础应用，有条件的企业应研究BIM应用条件下的施工管理模式和协同工作机制，建立基于BIM的项目管理信息系统。

随着国家对数字化转型提出更高要求，BIM技术在水利工程设计与建设领域也得到了较快发展，与之相关的数字孪生流域、智慧工程等新理念、新技术在水利行业也被广泛接受。李成等[3]在都匀市大河水库工程施工过程中基于BIM技术实现了施工阶段施工布置及场地规划、施工工艺流程模拟、施工4D模拟仿真等方面应用。唐岗[4]在广西柳江防洪控制性工程洋溪水利枢纽中采用低空无人机、无人测量船对工程库区进行了测绘和数据采集，实现了坝区高精度地形采集及三维建模，多专业BIM三维设计资料及时更新，BIM+GIS数据融合分析，深度挖掘潜在价值。国内172项重大水利工程也广泛使用BIM技术，环北部湾广东水资源配置工程、迈湾水利枢纽工程也在初步设计中大量应用BIM技术，珠三角水资源配置工程在施工阶段应用BIM技术搭建了多维度数据管理支撑平台[5]，而利用BIM技术在施工期开展进度、质量、安全、成本、档案等管理方面还处于探索阶段。

1 总体思路与目标

1.1 总体思路

为落实新时代治水思路和水利高质量发展的新形势和新要求[6-7]，进一步推进水利工程项目标准化、规范化、信息化、精细化管理，优化资源配置，促进实现项目建设全方位动态化监管，更好的解决水利工程施工过程中各单位协作难度大、信息采集困难、数据共享与一致性差、施工管理效率低等风险和问题，建设基于BIM的水利工程施工监管平台，提升信息传递效率、降低数据利用损失，提升工程建设质量、安全水平，为工程运营维护和资产管理打好基础。

1.2 总体目标

利用BIM、大数据、3S、三维可视化等新一代信息技术，以分项工程为精细化管理对象，接入施工现场监控视频、上下游雨水情监测等实时信息，整合工程参建各方的多源、多维度、多时态项目施工数据，进行项目进度、质量、安全、成本、档案的可视化、集成化、协同化管理，实现水利工程及其影响区域三维地理模型和工程BIM模型在平台中融合及流畅漫游；实现以BIM构件为基础的设计信息与施工信息集约化管理与协同；实现远程数据共享，满足多层级管理人员对BIM应用的需求；实现工艺工法交底、隐蔽工程数据采集、质量安全检查、远程视频监控等应用，为提升水利工程施工管理的能力和水平，提供有效的技术手段。

2 平台关键技术

2.1 基于Cesium的多维空间数据融合可视化技术

Cesium是一款基于WebGL技术的三维虚拟地球与地图的开源JavaScript库[8-11]，可加载海量的二维矢量数据和三维模型。本平台将水利工程及其影响区域的遥感、DEM、倾斜摄影、水利空间矢量、BIM模型等多源空间数据存储在PostgreSQL数据库中，由于PostgreSQL本身提供的空间数据类型和功能不能满足空间数据需求，因此需安装PostGIS扩展模块为PostgreSQL提供空间数据的增删改查和存储能力。存储的多维空间数据通过GeoServer发布成标准的OGC服务，供Cesium引擎加载渲染。

对于多维空间数据可视化渲染，平台采用分级分块分类处理方式，其中对于栅格数据进行瓦片分割并构建网格，采用四叉树算法加载渲染；对于矢量数据通过转换为Json格式后贴合地形表面加载渲染；对于BIM模型数据，先将Bentley制作的dgn格式模型转换为obj文件，利用Cesium提供的obj2gltf库将obj转换成glTF，对glTF增加File Head信息生成b3dm瓦片数据格式，利用多叉树算法对b3dm瓦片数据进行加载调用。通过对多维空间数据融合处理，实现宏观上形象地展示水利工程及其影响区域的三维场景、江河湖泊及水利工程分布，微观上展示水利工程厂房、机电设备、金属结构等三维信息。

2.2 基于BIM构件的信息检索技术

在BIM模型加载和渲染前，需对BIM构件进行分类编码及命名工作，平台BIM构件分类编码分为5部分，用17位阿拉伯数字表示。前7位编码是按照水利工程的划分规则设置，分别为单位工程(2位数字)、分部工程(2位数字)和单元工程(3位数字)；中间3位编码是根据工程属性及类别设置；后7位编码是根据位置信息的流水编码。表1中，在航电枢纽工程中的船闸工程中，以闸室第二结构段左侧底板为例，对BIM构件编码及命名进行示例。

表1 BIM构件分类编码

完成构件分类编码和命名后，平台进行数据库设计，为水利工程BIM设计建设了构件、BIM模型信息、构件关系表等数据表，构件表中存储水利工程分项工程建筑物的三维模型；BIM模型信息表中存储每个建筑物模型的各类信息，如尺寸、特征参数、进度信息、质量信息、安全信息和扩展信息等；构件关系表中存储构件模型与模型信息的关联关系。通过上述方式将模型和信息解耦，能够在加载模型和检索构件时更加流畅，也使得BIM构件信息检索成为可能[12-13]。平台根据构件表生成BIM模型构件树，用户可通过选择模型树节点进行模型定位，平台自动跳转至所选模型，并在模型外表形成模型轮廓盒，从而高亮提示所选模型，用户也可通过对模型构件进行点选操作，查询当前所选构件的属性信息(图1)。

图1 构件检索

3 平台特点

a)一站式的工程信息管理。平台接入施工现场监控视频、上下游雨水情监测等实时信息，预设水利工程施工涉及的标准规范、设计图纸等资料，并为施工管理过程中产生的数据资源提供分级管理以及增删改查接口，实现信息与BIM模型挂接和三维场景下的可视化展示。

b)精细化的工程进度管理。基于BIM技术，平台实现计划进度信息、实际进度信息与BIM模型关联；实现精细到构件级别的工程进度管理，并利用横道图、BIM构件分类渲染等形式，实现计划进度与实际进度的对比，为用户直观展示工程进度。

c)科学的质量安全管理。通过对从设计、施工等各个阶段的质量和安全风险源的录入，实现风险源与BIM构件绑定，及时查询各风险源的位置、描述与施工时的注意事项，从而实现更为科学的质量安全管理。

d)直观的工程投资管理。平台实现了工程量信息管理、投资事前事后管理、投资进度展示与分析、设计工程量与施工工程量对比等内容。更直观的体现出建筑工程项目的三维空间模型、时间、成本的五维建设信息，从而为工程造价管理提供了有利条件，使项目按照施工图设计的思路进行人力资源、机械设备、物料的有效配置，从而降低工程投资。

4 平台设计

4.1 总体设计

平台开发前后端采用React+SpringBoot的微服务架构，通过基于React的前端组件式开发能够提升开发效率，提高功能组件的复用率，并且页面具有响应速度快、跨浏览器兼容性好的特点；微服务架构是将单体服务程序拆分为一组小型服务，每个小型服务运行在独立进程中，采用 Rest/Json等更加轻量级通信机制，具有独立部署、动态扩展、快速迭代等优势，可使开发者短时间内构建高可部署性、高可扩展性的应用[14-15]，本文利用SpringBoot实现。平台采用Cesium三维图形引擎，调用计算机GPU资源进行三维场景渲染，实现BIM模型轻量化以及GIS+BIM场景可视化展示。

平台总体架构分为：基础设施层、数据资源层、服务层、应用层、政策法规与标准规范体系、安全保障与运维保障体系(图2)。

图2 平台总体设计

a)基础设施层。采用云计算技术构建，为上层提供敏捷、可靠、安全、弹性的IT基础设施服务。通过对现有水利信息化关键基础设施进行升级改造和安全加固，提升数据存储和云计算能力，通过对计算资源和存储资源的逻辑整合，提升资源的使用率，为平台提供统一的管理、计算、存储、网络、安全、灾备等服务。

b)数据资源层。主要将施工过程中的结构化数据与非结构化数据进行入库、存储、发布等。其中数据库包括了地理空间库、BIM模型库、生产数据库、工程知识库等。

c)服务层。基于数据资源层搭建，综合各种信息资源形成数据资源服务和资源服务目录，为应用层提供数据支撑。

d)应用层。包括BIM施工监管平台门户及所有功能，并提供多终端访问。

e)政策法规与标准规范体系。为确保本平台建设顺利进行和运行期间能正常工作，参照或新建一套规范体系，涉及运行环境搭建、数据汇集接入、平台开发、运行管理等各方面内容，为平台顺利运行提供技术保障。

f)安全保障与运维保障体系。结合水利工程施工特点，建设安全和运维保障体系，全面提升网络安全态势感知和应急处置能力，满足网络安全等级保护2.0标准基本要求，为施工数据保驾护航。

4.2 数据库设计

平台涉及水利工程施工全过程，信息量较大，包括工程基本信息、项目基本信息、BIM模型信息、进度信息、质量信息、安全信息、监测实时信息等。通过对平台功能点数据存储需求分析与抽象，利用PowerDesigner软件画出平台ER图。图3中，BIM构件与月报基础信息、月安全问题、月质量问题等实体之间存在一对多关系(1∶N)。

图3 实体关系(ER图)

5 平台功能实现

平台主要包括施工监管信息管理驾驶舱、施工进度管理、工程投资管理、施工质量管理、施工安全管理、知识中心等六大核心模块。

a)施工监管信息管理驾驶舱。获取地质、DEM、遥感、BIM模型、交通、居民地、施工设施、弃渣场、钻孔等地图图层数据，结合GIS+BIM技术，直观展示施工区域状况(图4，通过倾斜摄影测量数据直观展示施工区域情况)以及施工总体布置情况；同时通过项目概况、项目相关图片、视频等项目信息的展示，宏观上了解项目的基本状况；借助地图上的测量距离、测量面积、放大、缩小、点选、图层控制等功能，用户可以方便查看自己关注的信息；从工程资料管理中抽取项目文件并进行汇总，建立项目文件树，能够便捷查看项目文件。

图4 施工区域展示

b)施工进度管理。通过对进度计划的导入、编辑，以及实际进度的上报、跟踪，对进度进行全方位管理。结合BIM技术，平台实现精细到构件级别的工程进度管理，并利用横道图(图5)、BIM构件分类渲染等形式，实现计划进度与实际进度的对比(图6，图中绿色表示进度提前、黄色表示进度正常、红色表示进度滞后)，为用户直观展示工程进度，使业主更容易把控工程进度，分析各工序安排是否合理，协助管理者对不妥之处及时调整，为施工提供指导；实现施工进度仿真模拟，以BIM模型为展示基础，整合计划进度和实际进度信息，采用分类颜色渲染方式，动态仿真模拟施工过程(图7，按照实际进度动态模拟施工过程，并用红、黄、绿不同颜色表示施工进度状态)。

图5 施工进度管理

图6 施工实际进度与计划进度对比

图7 基于BIM的施工进度仿真模拟

c)工程投资管理。平台实现工程量信息管理、投资事前事中事后管理、投资进度展示、设计工程量与施工工程量对比等内容，更直观地体现出建筑工程项目的三维空间模型、时间、成本的五维建设信息，从而为工程造价全过程动态管理提供了有利条件，使项目按照施工图设计的思路进行人力资源的有效配置、时间的合理安排、机械设备的有效使用、材料的有效管理。

d)施工质量管理。实现质量控制标准管理、质量风险源管理、质量隐患管理，以及汇总与统计分析等功能。平台实现不同阶段、不同专业质量风险源辨识，由各参建方输入可能存在的风险源，用不同色标分类显示；根据质量管理相关技术标准和规范，实现质量隐患处理方案查询与输入；实现各专业、各类型风险源、质量隐患等数据汇总与统计分析，全面掌握风险源、质量隐患分布状态，辅助施工质量管理决策应用。

e)施工安全管理。实现安全标准管理、安全风险源管理、安全风险分级管控和隐患排查治理以及汇总与统计分析等功能。平台整合安全管理相关技术标准和规范，实现技术标准和规范的查询和下载；实时监控重点施工部位及危险性较大工程，进行安全风险源识别，用不同色标分类显示。对需要进行安全整改的项目进行清单管理(整改内容、闭合时间、标准化要求比对等)，协助落实隐患排查和整改闭合工作。对安全防护措施、安全标识等按照标准化的要求进行比对，反映未达标情况；对安全风险源内容、类型、排查时间等数据以图表形式汇总与统计。

f)知识中心。平台通过录入工程相关的各类质量、安全标准和规范，建立强大的工程知识库，实现项目知识的共享与检索；同时通过建立工程资料目录树，对各类工程资料进行标准化的管理，使用户能够便捷、高效的使用工程资料，进而为电子档案移交打下坚实的基础。

6 结语

随着BIM技术广泛应用于水利工程施工过程，使得原本需要通过纸质文件作为传递媒介的信息，通过BIM模型准确、高效、丰富的流转在建造过程的每个环节和各参建单位中。基于BIM的水利工程施工监管平台研发和投入使用，降低了BIM模型使用要求，各参建单位使用浏览器即可轻松查看BIM模型及信息，并在线仿真模拟施工场地布置方案和施工进度方案，有利于提高工程的施工效率。但该系统在设计和使用过程中也存在一定的不足：①平台过度依赖施工BIM模型的深化设计，保持与实际施工工序同步，需要频繁更新BIM模型，导致平台维护工作量大；②工程量统计和计价过于精细，使得系统使用率不高。综上在今后对平台升级维护中还需进一步优化BIM模型更新和工程量统计方式。