水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台研发与应用

摘 要：水利工程设计过程中ＢＩＭ 多表现为单体模型，各专业间缺乏有效的信息共享机制。为了提高信息共享水平和设计质量与效率，以ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技术为基础，分析水利工程ＢＩＭ 设计流程以及ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理需求，提出工程规划、设计、施工、运维过程中任务、计划、人员等多方协同管理机制，研发ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台，实现工程全生命周期的信息共享。以银川都市圈中线供水工程为例，进行平台实际应用。应用情况表明：利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台实现了对工程计划编制与汇总、任务调整变更、形象进度控制、设计方案论证评审等的统一管理；基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的协同设计实现了模型总装、碰撞检查、优化设计等；基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的设计协同交付实现了工程设计成果的校审和交付。

关键词：ＢＩＭ；ＧＩＳ；协同管理；平台；水利工程；银川都市圈中线供水工程

中图分类号：ＴＶ６２；ＴＰ３９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１１．０２１

引用格式：苏强．水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台研发与应用［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（１１）：１３３－１３６，１４８．

建筑信息模型（ＢＩＭ）的概念由美国查克·伊斯曼（Ｃｈｕｃｋ Ｅａｓｔｍａｎ）于１９７５ 年提出，他认为ＢＩＭ 将一个建筑项目整个生命周期内的所有信息整合到其中，综合了所有几何模型的信息、功能要求和构件性能，还包括施工进度、维护管理等过程信息［１］ ，引发了建筑行业革命性的变化。随着我国大力推广和相关支持政策的出台，ＢＩＭ 技术在水利行业的应用和发展有了极大推进［２］ ，ＢＩＭ 应用已经涵盖工程设计［３］ 、工程造价［４］ 、施工管理［５］ 乃至工程全生命周期［６］ 。精细化ＢＩＭ 与大场景ＧＩＳ 的深度融合，在水利工程中发挥着越来越重要的作用［７－１４］ 。然而，在应用过程中ＢＩＭ 多表现为单体模型，在多个阶段之间和专业之间尚缺乏有效的信息共享机制。对此，笔者基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技术，围绕水利工程勘测设计、施工、建设管理、运维等阶段实际需求，分析工程ＢＩＭ 设计流程，提出相应的协同机制，研发水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台，并在银川都市圈中线供水工程进行了实际应用。

１ 水利工程ＢＩＭ 设计流程

１）项目策划立项。由项目管理部和主管总工选择项目负责人，编制工作大纲和任务书，选择专业团队，确定人员角色并划分权限。

２）三维协同设计。根据工作大纲和任务书，组织测绘、地勘专业设计人员定位分区，协同水工、金结、电气、暖通、建筑等各专业设计人员进行ＢＩＭ 设计，之后对模型进行初步总装，分析比选多个布置方案。

３）方案论证与评审。通过场地建模、场地环境分析、工程量分析、结构分析等，比较设计方案，若不满足工程需求，则返回各专业设计人员协同设计；若满足，则补充必要的组件和构件，进行模型碰撞分析和优化设计，获得最终的ＢＩＭ 总装设计模型。

４）设计验证与交付。协同设计优化ＢＩＭ 总装模型后，进行三维模型抽图、模型轻量化处理，以及ＢＩＭ标准校验和分类编码，输出终版模型、报告、图纸、归档文件，通过ＢＩＭ＋ＧＩＳ 平台向业主提交设计成果。

５）设计变更。向业主提交设计成果后，在施工过程中，业主、设计方、施工方发现问题均可提出设计变更申请，重大变更须经设计方主管总工、项目负责人、专业负责人同意，一般变更可直接交由设计人员完成。设计变更完成后向业主提交变更通知单以及最终的竣工ＢＩＭ 模型、报告、图纸、归档文件。

２ ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理需求与机制

２．１ 协同管理需求

１）制订专业模型计划。在设计阶段，项目负责人根据不同的专业制订模型计划，指定各任务负责人，设定各任务的完成时间，督促各任务负责人实时跟踪设计进度，查看任务完成状态，分析各项指标，生成可视化报表。

２）专业设计协同交付。水利ＢＩＭ 模型设计交付往往涉及多个专业，对不同专业的设计成果进行融合交付，避免各专业设计成果衔接不到位等问题，减少人工成本，提高模型交付质量。

３）专业模型合模展示。利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技术将不同专业的设计成果整合到ＧＩＳ 场景进行合模展示，结合各类地理空间要素，模拟实际施工现场，直观了解设计意图和工程形态。

４）部门间协同及共享。建立基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的项目管理协同办公流，实现专业数据的共享交换，提高各部门间的沟通效率，同时为各部门使用公共空间信息提供端口和渠道。

５）可配置的模型交付流程。利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技术对流程各节点进行审核，并对流程节点的相关属性进行灵活控制。

６）多层级角色权限控制。水利工程具有规模大、涉及单位多、专业广的特点，需要建立多层级、多角色的权限控制体系，可按照项目级、地区级、系统级进行菜单、按钮、数据访问等权限的控制。

７）图纸与模型数据关联展示。利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技术使设计成果、图纸成果与模型数据相互链接，并在ＧＩＳ 场景中进行关联查看，优化用户体验，为决策层提供数据支撑。

２．２ 协同管理机制

采用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 技术实现水利工程规划、设计、施工、运维过程中任务、计划、人员等多方协同，协同管理机制见图１。

１）项目管理层面。从项目立项开始，遵循协同管理机制，以信息数据为纽带，按照管理协同办公流，管理人员、设计人员、施工人员、业主以及运维人员完成任务书和计划要求的各节点目标任务。

２）工程设计层面。各专业设计人员使用不同的ＢＩＭ 核心软件（Ｂｅｎｔｌｅｙ、Ａｕｔｏｄｅｓｋ 等），按照要求并通过共享／ 提资机制实现各专业的协同设计。

３）业主及施工运维层面。基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的成果交付机制，可随时向业主提供精细化的ＢＩＭ 模型和大场景的ＧＩＳ 信息，方便业主从多角度对项目进行分析。ＢＩＭ 模型和ＧＩＳ 信息还可支撑工程施工和运维各阶段任务。

４）数据处理和集成层面。通过ＢＩＭ＋ＧＩＳ 引擎和数据集成引擎，对设计人员在不同平台上创造的设计成果进行数据转换和集成处理，实现全生命周期的数据存储和数据服务。

３ ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台开发

３．１ 平台设计框架

采用分层设计思想构建水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台架构，其包括数据层、业务层和展示层，即“１＋１＋Ｎ”（“数据中心”＋“ＢＩＭ＋ＧＩＳ 底座”＋“Ｎ 个业务应用”）的总体架构（见图２），实现水利工程多专业、多阶段ＢＩＭ＋ＧＩＳ 应用的统一化和标准化，有助于模块的解耦和复用，方便后续功能扩展和维护。

３．１．１ 数据中心

１）源数据管理。对存放业务数据的数据库进行管理，源数据包括施工管理、安全生产管理、工程管理、物资管理、协同办公、综合应用等系统的基础数据。

２）数据管理ＥＴＬ。ＥＴＬ 用来描述数据抽取、转换、装载过程。用户从数据库抽取所需数据，经过数据清洗、转换，按照预先设定的规则，将数据加载到数据中枢。

３）数据中枢。主要存储和管理按照业务规则转换的业务数据。

４）数据分析工具。利用该工具进行多维数据分析和数据挖掘。多维数据分析是按照预先设定的主题分析需求进行数据整理，产生多维分析立方体；数据挖掘是采用机器学习、神经网络、统计分析等技术，自动分析数据，进行归纳、推理和联想，寻找数据间的内在联系。

５）可视化展现工具。利用该工具以统计图、报表等多种形式将数据分析结果呈现给用户。

３．１．２ ＢＩＭ＋ＧＩＳ 底座

通过ＢＩＭ 模型管理、ＧＩＳ 场景搭建、ＩＯＴ 物联感知提供ＢＩＭ＋ＧＩＳ 模型转换、ＢＩＭ 轻量化、模型分析、模型集成、模型渲染等服务。

１）ＢＩＭ 模型管理。对ＢＩＭ 模型轻量化处理，包括简化模型建筑物几何、空间、材料、设备、结构、能源、环境等方面的信息，减小模型体积、降低模型复杂度，以便在ＢＩＭ＋ＧＩＳ 平台进行模型三维可视化查看、视角漫游、构件标记、模型材质切换、设备关联等。

２）ＧＩＳ 场景搭建。基于内置ＧＩＳ 数据源和渲染效果，实现场景添加、底图导入等，利用场景分析工具可实现场景元素分析、视角切换等。

３）ＩＯＴ 物联感知。其支持ＨＴＴＰ、ＴＣＰ、ＭＱＴＴ 等多种主流通信协议，可快速对接各类ＩＯＴ 设备数据，功能包括新增设备、删除设备、新增变量、发送信息等，提供组态式配置工具，支持预警规则、预警等级自定义配置，实现工程监测异常状态的智能化预警。

３．１．３ Ｎ 个业务应用

基于数据中心和ＢＩＭ＋ＧＩＳ 底座，创建ＢＩＭ＋ＧＩＳ 业务应用，包括设计协同、装配式建筑监管、协同审查等，实现水利工程规划、设计、施工、运维全生命周期应用服务。

３．２ 平台功能总体构成

ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台功能总体构成见图３。

３．３ 平台关键环节实现方法

１）ＢＩＭ＋ＧＩＳ 数据储存。ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台支持加载ＲＶＴ、ＤＧＮ、ＩＦＣ、ＵＤＢ 等三维ＢＩＭ 模型数据，将ＢＩＭ 模型数据统一转换成Ｓ３Ｍ 格式，存入ＭｏｎｇｏＤＢ数据库。采用ＧＰＵ 深度学习算法，实现大规模ＢＩＭ模型、倾斜摄影、地图影像等三维数据的高效融合处理。

２）ＢＩＭ 模型构建与ＧＩＳ 场景搭建。利用Ｂｅｎｔｌｙ 和Ａｕｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ 等软件，构建ＢＩＭ 精细化模型，包含建筑模型、结构模型、设备模型、管线模型等。采用超图软件搭建直观的三维ＧＩＳ 场景，包括地形高程、地表覆盖、交通网络等元素。

３）ＢＩＭ＋ＧＩＳ 可视化。基于开源的ＷｅｂＧＩＳ 产品Ｃｅｓｉｕｍ，自主研发ＢＩＭ＋ＧＩＳ 集成的轻量化ＵＥ 引擎，优化ＢＩＭ 重构前端三维渲染机制，实现ＢＩＭ 三维模型在线整体缩放、整体平移、局部框选放大等。通过ＷｅｂＧＬ 快速渲染，实现ＢＩＭ＋ＧＩＳ 可视化浏览以及场景分屏联动分析。

４）ＢＩＭ＋ＧＩＳ 综合信息可视化驾驶舱。ＢＩＭ＋ＧＩＳ协同管理平台后端创建多个专题数据库，平台前端调取后端数据，在一个或多个ＬＥＤ 大屏系统实现可视化驾驶舱，显示业务关键指标。

４ 平台应用实例

４．１ 工程概况

银川都市圈中线供水工程主要整合河东灌区各级泵站，改善取水条件，建设供输水管道，改变灌区沿黄河分散取水现状，提高灌溉用水保证率。供水区域包括黄河东岸平罗县陶乐镇、高仁乡、红崖子乡，银川市兴庆区月牙湖乡。

工程包括骨干工程和配水工程两部分。骨干工程包括：１）新建黄沙古渡泵站，拆除上八顷、高仁、六顷地、青沙窝、东来点、黄土梁、五堆子及三棵柳８ 座泵站；２）建设泵站加压供水管道，即自出水池向平罗县设置重力流输水管道，总干管道至平罗县三乡镇，控制灌溉面积２００ ｋｍ２，管线总长度约为４０ ｋｍ。配水工程包括：１）建设配水管道，总长度约７０ ｋｍ，控制灌溉面积１３３ ｋｍ２；２）新建蓄水池２１ 座，总调节容积约为２８０万ｍ３。

４．２ 基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的协同管理

利用ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台对工程全过程进行管理，包括计划编制与汇总、任务变更、形象进度控制、设计方案论证评审等。结合空间信息，绘制基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的银川都市圈中线供水工程规划图，并标注任务和计划节点。

４．３ 基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的协同设计

按照任务书以及各专业设计计划，专业设计人员在平台选择相应的ＢＩＭ 设计软件，遵循统一标准，提交各阶段设计模型。在银川都市圈中线供水工程设计中，各专业设计涉及ＢＩＭ 软件如下：基础软件为Ｍｉ⁃ｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ，建筑、水机、电气、暖通专业软件均为Ｏｐｅｎ⁃Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ，场地、地下管廊软件为ＯｐｅｎＲｏａｄｓＤｅｓｉｇｎｅｒ，地质专业软件为ＧｅｏＳｔａｔｉｏｎ，实景建模软件为ＣｅｔｅｘｔＣａｐｔｕｒｅｓ，渲染、动画软件为ＬｕｍｅｎＲＴ，水锤计算软件为ｈａｍｍｅｒ，施工模拟软件为Ｓｙｎｃｈｒｏ 等。

项目协同设计过程中，通过配置底层文件，进行工作空间托管，根据专业ＢＩＭ 任务授予权限，专业人员按照进度依次调取ＢＩＭ 文件，进行模型总装、碰撞检查、优化设计，最终成果归档。黄沙古渡泵站ＢＩＭ 模型数据与ＧＩＳ 数据融合效果见图４。

４．４ 基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的设计协同交付

基于平台实现工程设计成果的校审和交付，包括问题批注、图纸预览、问题报告生成等。完成ＢＩＭ 模型总装和碰撞优化后，项目负责人进行方案筛选，将总装模型与ＧＩＳ 数据融合，形成模型总装场景；再将总装场景分享给业主，业主可预览所有模型成果，将意见无障碍反馈设计方，线上进行模型接收或退回；最后对接收成果进行打包下载，完成设计成果交付。

５ 结束语

笔者开发的水利工程ＢＩＭ＋ＧＩＳ 协同管理平台，可对微观ＢＩＭ 模型数据和宏观ＧＩＳ 数据轻量化处理，实现ＢＩＭ＋ＧＩＳ 的数据融合，通过场景搭建和数据配置，形成轻量化的业务应用场景； 利用ＷｅｂＧＩＳ 开源Ｃｅｓｉｕｍ，优化ＢＩＭ 重构前端三维渲染机制，可实现ＢＩＭ三维模型在线整体缩放、整体平移、局部框选放大等；利用ＷｅｂＧＬ 快速渲染，可实现ＢＩＭ＋ＧＩＳ 模型可视化浏览和场景浏览分析，以及ＢＩＭ 和ＧＩＳ 场景分屏联动分析；通过模型设计过程协同，可避免设计冲突，减少频繁修改，避免重大设计缺陷；通过设计成果交付协同，可规范输出设计成果文件，把控模型交付质量。

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【责任编辑 栗 铭】

基金项目：国家重点研发计划项目（２０１８ＢＢＦ０２０２２）；宁夏回族自治区自然科学基金资助项目（２０２２ＡＡＣ０３７２６）