陳 杰 朱學英 徐 彤

（1.安徽省蒙城縣水利局 蒙城 233500 2.中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222）

水利工程具有規(guī)模龐大、施工周期短、施工環(huán)境復雜等特點，給施工過程管控帶來諸多挑戰(zhàn)。同時，水利工程項目管理進入快速發(fā)展階段，但與其對應的信息化發(fā)展水平卻并不匹配，導致工程建設過程中仍存在資料分類混亂、數(shù)據(jù)冗余、參建方協(xié)同性差、溝通困難等現(xiàn)象。目前，BIM 技術作為面向建設項目全生命周期的項目信息管理和集成手段，可解決異構(gòu)工程數(shù)據(jù)之間的交互、關聯(lián)和全局共享性問題，對于水利工程樞紐可實現(xiàn)構(gòu)件級的精細化表達；GIS技術則通過采集大區(qū)域的空間地理數(shù)據(jù)進行分析、運算、顯示和管理，近年來已廣泛運用到包括水利工程的各行各業(yè)。因此將水利工程建設中的多維度業(yè)務管理信息要素與BIM 模型耦合關聯(lián)，并在GIS三維地理場景空間實現(xiàn)可視化表達，搭建符合工程項目管理實際需求的管控平臺，有利于強化水利工程建設過程的信息一體化程度，提高參建各方的工作和溝通效率。

針對上述問題，本文依托渦河蒙城樞紐建設工程，基于BIM、GIS 異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術，以項目劃分、管理層級和流程為邏輯關系，建立進度、質(zhì)量、安全、投資等要素與BIM 模型的雙向鏈接關系，并集成至GIS 三維地理空間場景中，形成了宏微觀信息并舉的地理空間和建筑信息融合模型，最后搭建了B/S 架構(gòu)的BIM+GIS 智慧水利項目管理平臺，為水利工程施工期項目信息化、智慧化管理提供了一套可行的解決方案。

1 基于BIM+GIS 的水利工程施工期項目智慧化管理框架

1.1 水利工程施工期項目管理

水利工程施工期項目管理是以水利工程項目為對象，以施工期為時間周期，以實現(xiàn)建設項目投資效益、進度目標和質(zhì)量目標為目的，對水利工程項目進行策劃、實施、協(xié)調(diào)、控制、動態(tài)調(diào)整的循環(huán)管理過程，是一個多目標、多因素共同作用和決定的系統(tǒng)性工程。

按照參建方角色和工作性質(zhì)不同，項目管理模式通常分為PMC（項目管理總承包）、EPC（施工總承包）、DB（設計-施工總承包）等，其中PMC 以其管理精度、風險承擔、投資控制等方面的優(yōu)勢逐漸在國內(nèi)水利工程建設過程中得到廣泛應用。項目管理總承包任務主要包括設計管理、監(jiān)理管理、施工全過程管理以及與總承包相關的多方協(xié)調(diào)和組織管理工作。

1.2 基于BIM+GIS 的水利工程施工期項目智慧化管理框架搭建

面向水利工程施工期項目管理需求，搭建了水利工程施工期項目智慧化管理框架如圖1所示，整體思路為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集與融合、服務搭建與集成、業(yè)務數(shù)據(jù)關聯(lián)與可視化環(huán)境搭建，共分為數(shù)據(jù)采集處理、業(yè)務邏輯、前端交互顯示三個層次。其中框架的整體服務應用主要分為兩類：（1）基于OGC 規(guī)范的數(shù)據(jù)服務WMS、WMTS 和應用接口WebService 實現(xiàn)建筑模型信息和地理數(shù)據(jù)信息的調(diào)用，并進行相關交互操作。（2）基于Web 服務器將項目建設管理過程中的各類數(shù)據(jù)按業(yè)務邏輯，與模型構(gòu)件按工程項目劃分原則進行單元級精度的綁定，最終實現(xiàn)模塊化的業(yè)務應用。

圖1 基于BIM+GIS 的水利工程施工期項目智慧化管理框架圖

2 平臺關鍵技術研究

2.1 模型解析與轉(zhuǎn)換

本文三維可視化的實現(xiàn)基于Cesium 引擎，若實現(xiàn)原生BIM 數(shù)據(jù)、地理信息宏觀數(shù)據(jù)和傾斜攝影習慣數(shù)據(jù)的加載顯示，需將其轉(zhuǎn)換為Cesium 支持的模型格式。本文開發(fā)了一套模型解析與轉(zhuǎn)換程序，將IFC 和OSGB 模型轉(zhuǎn)換為3DTiles 格式，包括模型解析、文件重組和數(shù)據(jù)裝配三個步驟，具體如下：

（1）模型解析：讀取IFC 和OSGB 文件數(shù)據(jù)并進行遞歸提取。以IFC 為例，首先遍歷IFCLocalPlacement 和IFCPropertySingleValue 獲取頂點坐標屬性值，利用坐標轉(zhuǎn)換獲得構(gòu)件對應的絕對坐標屬性集；其次獲取法線和紋理信息，將解析數(shù)據(jù)以Collada 格式要求重組生成dae 中間文件。同時為保留模型原生屬性信息，通過IFCPropertySet 和IFCPropertySingleValue 遍歷構(gòu)件對應的屬性鍵值對和標識索引guid，存儲于xml 文件中。

（2）文件重組：讀取dae 中間文件并進行文本化處理，根據(jù)坐標屬性集確定模型空間結(jié)構(gòu)和位置，生成索引樹并基于四叉樹規(guī)則進行區(qū)域分割和幾何誤差計算，得到各層級瓦片的索引信息，最后按gltf模型格式生成json 文件存儲信息要素。

（3）數(shù)據(jù)裝配：解析json 文件并寫入b3dm 二進制塊，生成瓦片數(shù)據(jù)并與URL、BoundingBox、GeometricError 等瓦片索引信息組裝為tileset.json 組織文件，最后完成從IFC/OSGB 原生數(shù)據(jù)格式到3DTiles 格式的轉(zhuǎn)換。

2.2 基于batchid 的構(gòu)件-屬性雙向鏈接

本平臺除模型外，還涵蓋了附帶的業(yè)務屬性信息。因此除將幾何模型進行三維可視化表達外，還需將對應的業(yè)務數(shù)據(jù)信息進行關聯(lián)。本文提出了一中基于Cesium 模型構(gòu)件唯一標識符batchid 的構(gòu)件-屬性雙向鏈接方法。其原理是根據(jù)鼠標點擊的屏幕坐標位置計算對應場景在世界坐標系下的地理坐標，獲取對應實體（構(gòu)件）的唯一標識符，通過調(diào)用GIS 和BIM 應用服務接口請求地理空間數(shù)據(jù)和BIM模型數(shù)據(jù)，并基于ajax 異步傳輸技術獲取業(yè)務數(shù)據(jù)庫中的業(yè)務信息，最后與實體的基本屬性信息一并返回Web 端，用戶可通過預定義的接口進行信息檢索查詢。

2.3 模型輕量化展示

本平臺的模型輕量化展示基于LOD 多細節(jié)分層渲染優(yōu)化技術實現(xiàn)。首先將包括傾斜攝影數(shù)據(jù)和BIM 三維模型在內(nèi)的三維場景重構(gòu)為不同精度的區(qū)塊，形成多層次瓦片數(shù)據(jù)，然后根據(jù)用戶在Web 端交互過程中的視點和場景距離，以四叉樹索引方式返回相應數(shù)據(jù)。

3 平臺設計

3.1 架構(gòu)設計

本平臺架構(gòu)設計共包括三層，其中：

（1）數(shù)據(jù)層：包括業(yè)務信息數(shù)據(jù)庫、BIM 數(shù)據(jù)庫、GIS 數(shù)據(jù)庫和分析數(shù)據(jù)庫，用于存放并管理各種信息，上層（業(yè)務邏輯層）通過諸如數(shù)據(jù)庫訪問驅(qū)動、Web 服務接口以及相關開放標準（例如，WFS，WMS）等進行訪問，實現(xiàn)對于各類數(shù)據(jù)源的調(diào)用。

（2）業(yè)務邏輯層：包括WEB 服務器和應用服務器以及對應的引擎和腳本，業(yè)務邏輯層是本平臺的核心部分，它接收并響應來自表示層用戶發(fā)送的功能請求，是實現(xiàn)各種業(yè)務功能（如BIM+GIS 綜合管理，進度、成本、質(zhì)量、安全管理等）的邏輯實體，這些邏輯實體在實現(xiàn)上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器、數(shù)據(jù)存儲過程以及各類應用功能組件。

（3）表示層：表示層將平臺的操作界面與平臺的功能實現(xiàn)分離開來，本文開發(fā)的是基于HTML5和WebGL 的B/S 可視化平臺，包括基于可視化展示平臺和業(yè)務管理平臺以及應用系統(tǒng)集成服務。用戶可通過訪問瀏覽器進入應用界面，所有操作均通過H5、CSS 和JS 腳本完成，是無插件的跨平臺WEB應用程序。

3.2 流程設計

本平臺的依托工程渦河蒙城樞紐建設工程實行“建管處監(jiān)督檢查、項目管理總承包單位管理、監(jiān)理和設計單位控制、施工單位和供應商保證、政府監(jiān)督”的項目管理層級。為確保項目建設過程中各項工作實現(xiàn)標準化、流程化管理，在平臺設計階段即進行流程設計。除進行縱向流程設計外，還根據(jù)項目管理業(yè)務信息關聯(lián)關系進行流程與數(shù)據(jù)嵌套、融合，實現(xiàn)對于項目質(zhì)量、資源、投資、進度等要素的綜合管理。

例如隱蔽工程驗收管理流程，平臺設置了“施工單位上報-監(jiān)理審批-項目管理總承包方及其他相關方核備-建管處和質(zhì)量監(jiān)督站備案”的審批節(jié)點，參建各方依據(jù)節(jié)點及時限要求進行線上審批流轉(zhuǎn)，當平臺檢測到驗收出現(xiàn)滯后情況時會通過App推送信息至參建各方，同時驗收數(shù)據(jù)與BIM 模型構(gòu)件根據(jù)預設規(guī)則自動綁定，實現(xiàn)可視化平臺的動態(tài)更新與交互查詢。

3.3 功能設計

基于BIM+GIS 的水利工程智慧管理平臺包括可視化展示平臺和業(yè)務管理平臺兩大子平臺，具體功能設計如圖2。

圖2 平臺功能設計圖

3.3.1 可視化展示子平臺

該子平臺用于實現(xiàn)BIM 模型和三維地理場景的展示與交互，以及對業(yè)務管理平臺中各管理要素信息的綁定與查詢，包括功能管理、視圖管理和數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)了包括土方平衡計算、工程量統(tǒng)計、進度模擬、碰撞檢測、BIM 交底在內(nèi)的可視化展示與統(tǒng)計分析功能，如圖3所示。

圖3 可視化展示子平臺界面圖

3.3.2 業(yè)務管理子平臺

業(yè)務管理子平臺以BIM 模型為基礎，以PMC模式和業(yè)務流程為依托，以業(yè)務管理的標準化、科學化和協(xié)同化為重點進行設計，由質(zhì)量、進度、投資、資源、安全、分析管理等模塊組成。各模塊的關聯(lián)包括以下兩方面：①各模塊均預置了與項目劃分中的單位、分部、單元工程間的對應業(yè)務邏輯關系；②建立工程驗收、合同工程量及單價、計劃與完成進度、原材料進場管理等數(shù)據(jù)的關聯(lián)關系，實現(xiàn)了基于流程和業(yè)務邏輯的“進度-質(zhì)量-資源-投資”聯(lián)合分析管理。

同時平臺將上文①中的模塊數(shù)據(jù)與BIM 模型進行單元級精度的匹配和雙向鏈接，參建各方均可通過進行模型交互，對業(yè)務數(shù)據(jù)進行查看、更新、標記和共享。

4 應用效果

本平臺依托渦河蒙城樞紐建設工程進行開發(fā)和使用。該工程位于安徽省亳州市蒙城縣境內(nèi)，是渦河上一座集防洪、排澇、蓄水灌溉、交通航運于一體的大型水利工程。工程建設內(nèi)容包括新建節(jié)制閘、船閘和影響處理工程。目前，本平臺已在工程上投入使用，運行狀況總體良好，具體運行效果如下：

4.1 建立工程BIM 精細化模型

按項目劃分建立工程BIM 模型，主體工程包括船閘和節(jié)制閘，在Bentley 建模軟件中搭建自建族庫，通過參數(shù)化設計創(chuàng)建單元級精度的BIM 構(gòu)件并賦予構(gòu)件幾何描述參數(shù)信息，最后整合模型并進行碰撞檢測，形成工程整體BIM 精細化模型。

4.2 搭建三維可視化場景

平臺一方面調(diào)用Ceisum 引擎提供的STKWorldTerrain 地形服務和GoogleMap 影像服務，另一方面將傾斜攝影OSGB 數(shù)據(jù)和BIM 模型導入解析為Cesium 中支持的3DTiles 格式并發(fā)布，完成BIM+GIS 三維可視化場景的搭建工作。

4.3 業(yè)務信息管理

用戶可通過業(yè)務管理平臺進行質(zhì)量、投資、進度、資源等模塊的信息管理，平臺基于項目劃分與業(yè)務數(shù)據(jù)的邏輯關系自動將數(shù)據(jù)與BIM 模型的構(gòu)件進行單元級精度的雙向鏈接，并在BIM+GIS 平臺中實現(xiàn)對于模型數(shù)據(jù)的交互操作。同時，本平臺基于審批流和業(yè)務模塊基礎數(shù)據(jù)實現(xiàn)了諸如工程量核算、施工強度分析、進度-投資聯(lián)合控制和預警提醒等統(tǒng)計分析功能，將統(tǒng)計結(jié)果通過App 推送至參建各方，為用戶決策提供參考依據(jù)，形成了一套“數(shù)據(jù)采集傳輸-數(shù)據(jù)處理-統(tǒng)計分析-結(jié)果反饋-調(diào)整優(yōu)化”智能分析管理路線。最后，在施工階段產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)均與BIM 模型綁定，可用于BIM 竣工交付及作為運維階段的基礎數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

基于BIM+GIS 的水利工程智慧管理平臺以PMC項目管理總承包模式為基礎，以BIM+GIS 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合為技術依托，以項目劃分規(guī)則與業(yè)務管理流程為邏輯關系，實現(xiàn)了對項目管理過程中各要素與BIM模型的關聯(lián)耦合和GIS 三維地理空間場景交互，為項目管理人員提供了一個協(xié)同開放的管理平臺，在一定程度上解決了水利工程建設階段管理粗放、信息集成與協(xié)同困難等問題。為后續(xù)水利工程施工期智慧化信息化項目管理提供了合理的技術路線和應用案例■