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。

图1水利工程协同管理机制

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。

图2水利工程BIM+GIS协同管理平台架构

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。

图3 BIM+GIS协同管理平台功能总体构成

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MicroStation,建筑、水机、电气、暖通专业软件均为OpenBuildings Designer,场地、地下管廊软件为OpenRoads Designer,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。

图4黄沙古渡泵站BIM模型数据与GIS数据融合效果

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。

参考文献:

[2]魏锐,张广辉.浅析BIM技术在水利工程施工中的应用[J].人民黄河,2020,42(增刊2):173-174.

[3]张鹏利,崔超,贾宁霄.BIM在黄金峡水利枢纽工程设计中的应用研究[J].人民长江,2022,53(5):149-155.

[4]白一帆,聂常山,田浪,等.BIM在水利工程造价中的应用现状与发展对策[J].人民黄河,2023,45(5):129-132.

[5]徐钰德,王铭岩,杨叶娟.基于BIM的水利工程施工管理模式及应用流程[J].人民黄河,2019,41(8):138-143.

[6]蒯鹏程,赵二峰,杰德尔别克·马迪尼叶提,等.基于BIM的水利水电工程全生命周期管理研究[J].水电能源科学,2018,36(12):133-136.

[7]刘金岩,刘云锋,李浩,等.基于BIM和GIS的数据集成在水利工程中的应用框架[J].工程管理学报,2016,30(4):95-99.

[8]潘飞,张社荣.基于3DWebGIS的土木水利工程BIM集成和管理研究[J].计算机应用与软件,2018,35(4):69-74,136.

[9]刘万斌.基于BIM和GIS的三维建筑信息管理系统研究[D].郑州:华北水利水电大学,2019:43-60.

[10]苏本谦,于德湖,孙宝娣,等.水利工程信息化与BIM+GIS融合应用的研究进展[J].青岛理工大学学报,2020,41(5):126-132.

[11]谢明坤,贺东旭,孔莉莉,等.水利工程视角下的BIM与GIS数据融合研究[J].水利信息化,2023(6):45-50.

[12]唐桂彬,周波.基于BIM与GIS的水利水电工程开发设计应用研究[J].微型电脑应用,2024,40(1):100-102.

[13]姜佩奇,伍杰,刘辉,等.基于BIM的数字孪生水利工程轻量化技术研究[J].人民黄河,2024,46(5):133-137,144.

[14]代进雄,杨晓蕾,李大可,等.BIM轻量化技术在水利工程中的应用[J].人民黄河,2024,46(3):121-125.

基金资助: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);

文章来源: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.