BIM+GIS 技术在宿连航道整治一期工程设计中的应用

傅饶，王琦玮

（1.宿迁市港航事业发展中心，安徽 宿迁 223834；2.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210001）

BIM 是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各类相关信息的工程数据模型，是对工程项目建筑实体与功能特性的数字化表达。GIS 是以地理空间数据库为基础，运用系统工程和信息科学理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。近年来，随着三维数字化技术的快速发展，BIM+GIS 集成与应用成为工程行业关注的技术重点之一，对于交通行业，尤其是内河航道工程这类大区域、长线型工程而言更是如此[1]。BIM 数据可以承载建筑物丰富信息，对局部细节表达精确，而GIS 数据适合表达大场景地理空间信息，BIM+GIS 数据集成融合可以实现二者优势互补[2]。

1 工程概况

宿连航道是《江苏省干线航道网规划（2017-2035 年）》“两纵五横”主骨架最北一“横”徐宿连通道的重要组成部分。航道西起京杭运河宿迁城区段，东至连云港疏港航道，规划等级三级，线路全长约124.1km。宿连航道（京杭运河至盐河段）整治工程一期工程起自陆运河与京杭运河交汇处，终于沭新河南船闸下游，工程里程58.5km，沿线需新（改）建陆运河船闸、军屯河枢纽、沭新河南船闸，新（改）建桥梁17 座，建设大型水利配套设施11 座，其中，陆运河船闸、军屯河船闸、沭新河南船闸建设标准均为Ⅲ级船闸，设计最大船舶吨级1000t。工程沿线建设节点众多，设计范围大，参与专业类别广。

2 BIM 模型创建

2.1 BIM 模型创建与组装

基于设计协同流程和要求，各专业设计人员分专业完成BIM 模型创建，并组装形成护岸、船闸、桥梁、地涵、水闸等单体级BIM 模型。军屯河枢纽BIM 模型如图1所示。

图1 军屯河枢纽BIM 模型

船闸单体级BIM总装模型包含船闸主体（上下闸首、闸室、导航墙、靠船墩）、上下游引航道、船闸管理区、附属工程等。

2.2 信息模型分类与编码

统一、准确的信息模型分类编码是BIM 技术高效应用的重要基础[3]。BIM 模型创建过程中，参照《水运工程信息模型应用统一标准》，结合项目实施管理需求，编制项目级信息模型分类编码标准，并采用自动化编码插件对BIM 模型构件进行编码。

3 GIS 三维模型创建

工程大范围卫片影像图采用天地图影像，局部重点区域叠加无人机正射影像。工程大范围三维地形通过数字高程模型（DEM）构建。为真实反映工程周边区域环境要素特征，根据工程建设特点，选择宿连航道整治工程一期工程沿线重要节点区域开展无人机倾斜摄影测量工作，生成三维实景模型，并与卫片影像图、三维地形结合，共同构成工程大范围三维场景环境。模型生成区域主要为工程沿线船闸、桥梁、地涵、水闸等节点建设区域。

倾斜摄影测量及建模工作总体分为外业工作和内业工作两方面，外业工作主要包括航线规划、飞行任务执行、地面控制点布设等步骤，内业工作主要包括数据预处理、空中三角测量、三维重建、成果输出等步骤。外业工作完成后，通过Context Capture 等专业软件进行影像密集匹配、区域网平差、三维TIN 格网构建、三维模型创建、自动纹理映射等处理后，输出三维实景模型[4]。在输出模型基础上，根据项目需要对模型进行适当压平、裁剪和修补等处理，获得最终工程GIS 模型成果。

4 BIM+GIS 集成与应用

4.1 BIM 与GIS 数据融合

项目基于开源技术的二次开发，实现宿连航道整治工程一期工程相关BIM 模型数据和GIS 数据在三维地球场景下的融合。

从BIM、GIS 数据结构分析，并结合项目实际需求，考虑在GIS 环境中融合BIM 模型，通过将BIM 模型转换成与GIS 数据标准兼容的格式，实现在统一场景中集成显示BIM 和GIS 信息。项目选用3D Tiles 作为BIM与GIS 信息融合的三维数据标准。工程BIM 模型创建后，通过开发的数据导出插件实现rvt 等BIM 数据格式转换为3D Tiles 数据格式。3DTiles 数据标准来源于GIS 领域，因此GIS 领域对该数据标准支持较好，Context Capture软件可直接输出3DTiles 数据格式的倾斜摄影三维实景模型。在BIM、GIS 模型数据转换过程中，采用模型三角网压缩、纹理简化、考虑LOD 分级等方式进行模型轻量化，并通过投影系设置和基点定位完成模型位置配置，最终实现宿连航道整治工程一期工程多源异构数据在Web 端三维地球场景下的集成与可视化。BIM+GIS数据融合场景如图2 所示。

图2 BIM+GIS 数据融合场景

图3 系统场景沙盘模块界面

图4 系统船闸BIM 模块界面

4.2 基于BIM+GIS 的设计方案比选优化

宿连航道整治工程一期工程里程较长，沿线节点众多，设计限制因素复杂。基于BIM+GIS 数据融合场景，可助力本项目设计方案比选优化。通过在线三维可视化场景环境的便捷展示，项目参建方可通过可视化、沉浸式漫游等方式直观查看各设计方案并精确识别工程周边环境因素、自然条件及限制因素等，在此基础上进行设计方案比选优化，从而使得项目方案的沟通、讨论、决策可以更容易地进行，实现项目设计方案决策的直观和高效。

4.3 碰撞检查

基于工程整合模型可进行碰撞检查及三维校审，根据设计要求设定专业间、专业内碰撞规则并检查，能够及时发现模型中的硬碰撞问题（直接接触或交叉等）与软碰撞问题（净空间距保障等），快速定位设计错误或遗漏。通过及时反馈碰撞问题并修改完善，能够显著减少设计过程中错漏碰缺等问题，从而提高设计效率和设计质量。

4.4 工程量统计

BIM 是对建筑物物理和功能特性的数字化表达，包含了设计过程必备的几何信息和非几何信息。基于精确的BIM 模型，结合项目实际需求，可快速、准确地生成工程量统计表，提升设计效率和质量。此外，GIS 三维模型也可辅助工程总体特征数据的分析与统计工作。

4.5 三维可视化渲染漫游

集成工程相关模型成果后，可通过可视化的方式进行设计交底。利用Twinmotion 软件对模型进行加工与渲染，实现基于三维可视化模型的渲染、全景漫游和其他效果表现，并输出全景图片、视频动画等。通过该方式可直观地对设计成果进行展示与检查，从而发现可能的设计缺陷或问题，进行设计方案优化，为参建各方搭建了高效的沟通桥梁，并可辅助设计交底工作更直观、高效开展。

4.6 基于BIM+GIS 的工程可视化管理系统开发

基于WebGL 技术，开发基于BIM+GIS 的宿连航道工程可视化管理系统，充分整合工程BIM 模型、GIS 模型等多源异构数据及设计相关信息，提供基于BIM+GIS的三维可视化数据管理能力。

系统采用B/S 架构，数据库采用SQL Server，后端采用spring boot 框架，获取前端传递的数据并进行业务逻辑处理和接口封装。前端采用layui 框架和HTML5+CSS3 开发用户交互网页，使用javaScript 和JQuery 对用户操作进行预处理和响应。

系统共划分五大功能模块，其中，工程总览模块主要基于二维地图场景，集成与展示项目特征信息、工程重要节点位置及单体基本信息；场景沙盘模块基于Cesium 引擎开发，主要实现三维地球场景下的工程相关多源异构数据融合及可视化管理；船闸BIM 模块基于Three.js 引擎开发，主要实现以信息模型分类编码体系为依托的船闸工程构件与设备精细化管理；文档管理模块主要用于管理工程相关文件数据；用户管理模块主要用于管理用户账号并设置账号权限。

5 结语

本项目创建宿连航道整治工程一期工程沿线护岸、船闸、桥梁等BIM 模型，采用无人机倾斜摄影技术创建工程区域三维实景模型，通过开源技术二次开发，基于3D Tiles 数据标准实现BIM 模型数据和GIS 数据在三维地球场景下的融合。在BIM+GIS数据融合场景基础上，开展工程设计阶段各项应用，并开发了基于BIM+GIS的宿连航道工程可视化管理系统，使设计效率和质量得到提升，同时为工程后续阶段系统开发提供高精度三维数字底座支撑。