余青容，郭 濤，宋成果

(長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢430040)

隨著內(nèi)河航道整治工程數(shù)量越來越多、體量越來越大，其對(duì)保障航道水深和船舶安全通行的作用也越來越重要，因此迫切需要完善航道整治建筑物的分析方法，進(jìn)一步提升建筑物維護(hù)分析的準(zhǔn)確性。目前，航道整治建筑物日常維護(hù)分析手段單一，一般采用2次測(cè)圖對(duì)比，分析時(shí)段較片面，缺乏歷史測(cè)圖的趨勢(shì)分析；航道建筑物級(jí)別評(píng)估以定性分析為主，且只針對(duì)單一建筑物，缺乏定量化指標(biāo)和所有整治建筑物分析結(jié)果的統(tǒng)籌對(duì)比，評(píng)估系統(tǒng)性不足[1]。以上存在的問題一定程度上影響了整治建筑物維護(hù)修復(fù)的及時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性。

BIM技術(shù)以信息模型為載體，在項(xiàng)目全生命期過程中進(jìn)行信息共享和傳遞，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化建設(shè)目標(biāo)。近年來，BIM技術(shù)在航道工程領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，已成功應(yīng)用于多個(gè)航道整治工程的設(shè)計(jì)和施工階段，并取得一定成效，如長江下游安慶河段航道整治二期工程、長江干線武漢—安慶段6 m水深航道整治工程等，并嘗試在戴家洲水道、黑沙洲水道的整治建筑物維護(hù)中對(duì)BIM技術(shù)應(yīng)用開展更深入的探索[2-3]。

筆者在梳理航道整治建筑物維護(hù)管理流程及需求的基礎(chǔ)上，提出了一種基于BIM和GIS的航道整治建筑物維護(hù)分析方法。利用BIM和GIS技術(shù)，集成航道整治建筑物前期設(shè)計(jì)和維護(hù)過程中的監(jiān)測(cè)成果，有利于整治建筑物損毀分析、河床演變預(yù)測(cè)分析和整治建筑物狀況分析。以界牌水道為例，應(yīng)用該方法基本解決了航道整治建筑物狀況維護(hù)分析的問題，可為航道整治建筑物的維護(hù)管理提供有效的手段。

1 BIM+GIS在航道工程中的應(yīng)用

隨著BIM技術(shù)向工程全生命周期的完整應(yīng)用擴(kuò)展，在航道工程維護(hù)階段應(yīng)用BIM技術(shù)是必然趨勢(shì)[4]。BIM與GIS集成應(yīng)用可提高長線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力。目前，長江干線已竣工航道整治建筑物約400多處，且今后建筑物數(shù)量還將不斷增加，數(shù)量龐大，維護(hù)管理難度大。為便于今后精確、科學(xué)地實(shí)施建筑物維護(hù)，最好的辦法便是深度融合BIM數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)，將大場(chǎng)景和精細(xì)化的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)基于GIS的全線宏觀管理、基于BIM的精細(xì)管理相結(jié)合的多層次管理。

2 基于BIM和GIS的航道整治建筑物維護(hù)分析方法構(gòu)建

結(jié)合新時(shí)期長江干線航道整治建筑物維護(hù)管理的業(yè)務(wù)需求，提出了基于BIM和GIS的航道整治建筑物維護(hù)分析方法，見圖1?；贐IM+GIS平臺(tái)，集成航道整治建筑物前期設(shè)計(jì)和維護(hù)過程中的監(jiān)測(cè)成果，實(shí)現(xiàn)了整治建筑物三維展示、損毀分析、河床演變預(yù)測(cè)分析和整治建筑物狀況分析等功能[5]。

圖1 基于BIM和GIS的航道整治建筑物維護(hù)分析方法流程

2.1 構(gòu)建整治建筑物BIM模型

對(duì)于設(shè)計(jì)或施工期已有BIM模型的整治建筑物，直接進(jìn)行BIM模型數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)整治建筑物BIM模型信息的完整傳遞；對(duì)于沒有BIM模型的整治建筑物，則需重新進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，得到整治建筑物BIM模型。

2.2 集成地形觀測(cè)資料

收集整治建筑物BIM模型設(shè)計(jì)過程中依據(jù)的地形測(cè)圖和工程竣工測(cè)圖；收集歷史多個(gè)時(shí)期的整治建筑物觀測(cè)資料，包括整治工程竣工時(shí)的整治建筑物地形高程測(cè)圖、整治工程竣工后多個(gè)選定時(shí)間點(diǎn)的整治建筑物地形高程測(cè)圖、當(dāng)前的整治建筑物地形高程測(cè)圖。基于GIS平臺(tái)，集成整治建筑物多個(gè)歷史時(shí)期的地形觀測(cè)資料。

2.3 整治建筑物損毀分析

首先，通過自動(dòng)識(shí)別整治建筑物BIM模型的外邊界范圍，確定損毀分析的地理范圍。然后，選取整治工程竣工時(shí)的建筑物地形高程測(cè)圖和當(dāng)前測(cè)圖，在BIM模型的外邊界范圍內(nèi)，通過三角網(wǎng)格地形分析方法對(duì)河床沖淤進(jìn)行分析，將竣工時(shí)的建筑物地形高程測(cè)圖與當(dāng)前測(cè)圖相比，地形曲面凸起的部分即為地形淤積部位，凹陷的部分即為地形沖刷部位。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果得出：地形淤積部位，默認(rèn)工程達(dá)到了預(yù)期效果，判斷建筑物沒有損毀；地形沖刷部位，則認(rèn)為工程沒有達(dá)到預(yù)期效果，判斷建筑物在沖刷部位有損毀，沖刷的體積即是整治建筑物的損毀體積。整治建筑物損毀分析可直觀反映建筑物的損毀量，與傳統(tǒng)人工分析相比，自動(dòng)化程度更高、分析范圍更精確，可顯著提升分析效率和準(zhǔn)確度。

2.4 航道演變分析

首先設(shè)定航道演變分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和各類邊界條件?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括水道范圍(河流中的一個(gè)斷面到另一個(gè)斷面的水域范圍)內(nèi)的航道初始地形和地形三角網(wǎng)格；邊界條件包括水道范圍內(nèi)的航道演變分析起止地理范圍、航道演變分析起止日期、航道出入口水流量以及航道水文泥沙邊界條件。

對(duì)上述邊界條件，利用壓力耦合方程組的半隱式方法SIMPLE算法和基于有限體積格式的HLLC算法進(jìn)行演變計(jì)算，得到預(yù)測(cè)的航道地形高程曲面數(shù)據(jù)，通過航道地形高程曲面與水流表面高程數(shù)據(jù)(水流表面高程數(shù)據(jù)在一個(gè)水道內(nèi)為定值)的差值，得到航道水深變化情況，若航道水深較初始時(shí)期變小，則航道尺度條件變壞，否則航道尺度條件變好。利用航道演變分析結(jié)果，一方面可基于GIS平臺(tái)動(dòng)態(tài)展示地形及水深的變化過程，另一方面也可為建筑物修復(fù)等級(jí)評(píng)估提供航道條件定量指標(biāo)。

3 案例應(yīng)用

3.1 水道概況

界牌河段上起楊林山、下至石碼頭，全長38 km，為順直放寬分汊型河段，目前枯水期最小維護(hù)水深為4.2 m。界牌河段歷史上為典型的長順直河段，遵循順直河段交錯(cuò)邊灘平行下移的周期性演變規(guī)律，在歷史上主流擺動(dòng)頻繁，航道條件極為惡劣。為解決水道的通航問題，先后實(shí)施了界牌河段綜合治理工程、界牌河段航道整治二期工程，修建丁壩14座，新淤洲魚嘴1處，護(hù)灘帶3條，左岸護(hù)岸工程1處。

對(duì)界牌水道采用BIM和GIS的航道維護(hù)分析方法，研發(fā)了整治建筑物維護(hù)分析示范平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了三維展示、建筑物損毀分析、航道演變分析、建筑物技術(shù)狀況分析等功能，探索長江航道整治建筑物全壽命周期信息化管理應(yīng)用流程，為實(shí)現(xiàn)全線航道整治建筑物基于BIM+GIS技術(shù)進(jìn)行維護(hù)分析管理奠定基礎(chǔ)。

3.2 三維場(chǎng)景的構(gòu)建

三維場(chǎng)景的構(gòu)建需要集成BIM模型數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)。BIM模型數(shù)據(jù)是指使用Auto desk civil 3D軟件構(gòu)建整治建筑物BIM模型，見圖2。GIS數(shù)據(jù)包括工程周邊的DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)根據(jù)工程設(shè)計(jì)過程中的地形測(cè)圖、工程竣工測(cè)圖以及多個(gè)時(shí)期工程周邊區(qū)域維護(hù)性測(cè)圖所生成，包括不同時(shí)期的工程周邊DEM，用于建筑物損毀分析和航道演變分析；DOM數(shù)據(jù)多采用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，通過格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法，實(shí)現(xiàn)整治建筑物BIM模型數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的集成，構(gòu)建航道三維場(chǎng)景，見圖3。

圖2 界牌水道魚嘴整治建筑物BIM模型

圖3 界牌水道魚嘴整治建筑物周邊GIS數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場(chǎng)景

3.3 整治建筑物損毀分析

選取2003—2018年5個(gè)不同時(shí)期的地形測(cè)圖，選定計(jì)算區(qū)域，通過三角網(wǎng)格地形分析方法，對(duì)新淤洲魚嘴工程周邊區(qū)域的損毀情況進(jìn)行沖淤對(duì)比分析，計(jì)算沖淤面積和最大水深，推算建筑物損毀量，計(jì)算結(jié)果見表1；并根據(jù)沖淤分析結(jié)果進(jìn)行地形著色，在三維GIS場(chǎng)景上可直觀展示損毀情況[6]，見圖4 。結(jié)果顯示：魚嘴頭部及兩側(cè)受沖態(tài)勢(shì)明顯，受常年水流的淘刷已形成局部較大的沖刷坑，并逐年增大，該處整治建筑物損毀趨勢(shì)明顯。

表1 不同時(shí)期新淤洲魚嘴建筑物損毀計(jì)算結(jié)果

圖4 不同時(shí)期新淤洲魚嘴整治建筑物損毀效果

3.4 航道演變分析

針對(duì)有損毀的新淤洲魚嘴整治建筑物，采用數(shù)模分析預(yù)測(cè)航道地形高程曲面數(shù)據(jù)。根據(jù)分析結(jié)果，在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)三維河床演變動(dòng)態(tài)展示，分析演變后航道水深變化情況，以及建筑物損毀對(duì)航道條件的影響程度。預(yù)測(cè)結(jié)果(圖5)顯示：支汊沖刷發(fā)展，主航道分流減小，航道條件惡化，一旦貫穿，左汊(新堤夾)口門過水?dāng)嗝鎸⒓眲U(kuò)大，進(jìn)流更順暢，分流增大，不僅破壞魚嘴完整性，還將導(dǎo)致岸灘崩退，影響灘槽穩(wěn)定。

圖5 整治建筑物損毀預(yù)測(cè)結(jié)果

3.5 整治建筑物技術(shù)狀況分析

根據(jù)近年測(cè)圖與最后一次維修完工后測(cè)圖以及上年度的對(duì)比分析，魚嘴外圍護(hù)坡水上情況總體較完整，但受水流沖刷作用影響，魚嘴頭部水域河床仍有下切，水下岸坡明顯變陡。魚嘴內(nèi)部水凼內(nèi)沖刷坑有淤有沖，并向下游側(cè)沖刷發(fā)展。

結(jié)合圖4中2017—2018年的損毀分析結(jié)果可以看出，靠新堤夾一側(cè)水凼上角出現(xiàn)一處垮塌變形，已形成貫穿，并有發(fā)展擴(kuò)大趨勢(shì)；該處整治建筑物損壞較明顯，尚能發(fā)揮整治功能，但需及時(shí)修復(fù)。經(jīng)綜合考慮，技術(shù)狀況建議評(píng)定為三類，該分析結(jié)果與當(dāng)年的工程實(shí)際相符。

4 結(jié)論

1)通過梳理航道整治建筑物維護(hù)管理流程及需求，提出了一種基于BIM和GIS的航道整治建筑物維護(hù)分析方法，集成了航道整治建筑物維護(hù)分析所需信息內(nèi)容，并簡化了分析流程，維護(hù)分析操作更便捷高效。

2)研究成果在界牌水道整治建筑物維護(hù)管理中開展應(yīng)用，研發(fā)了整治建筑物維護(hù)分析示范平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了三維展示、建筑物損毀分析、航道演變分析、整治建筑物狀況分析等功能，驗(yàn)證了BIM和GIS技術(shù)在整治建筑物維護(hù)管理應(yīng)用的可行性，解決了整治建筑物維護(hù)分析手段單一、系統(tǒng)性評(píng)估不足的問題，可為航道整治建筑物的維護(hù)管理提供有效的手段。