水利工程BIM+GIS與施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)計(jì)劃關(guān)聯(lián)方法及實(shí)現(xiàn)

耿振云，李端陽，劉 珊，于 航，歐陽樂穎

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

1 研究背景

近年來，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，水利行業(yè)的發(fā)展速度也不斷提高，部分水利工程建設(shè)項(xiàng)目正在向智能化、信息化方向發(fā)展[1-2]，傳統(tǒng)的施工進(jìn)度控制方式已經(jīng)無法滿足工程建設(shè)進(jìn)度目標(biāo)控制的要求，隨著GIS、BIM以及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)逐漸成熟，水利工程施工進(jìn)度控制與模擬有了新的技術(shù)和思想，可以有效控制施工進(jìn)度目標(biāo)。

BIM(building information modeling)技術(shù)可將建筑工程三維模型與信息庫(kù)集成于一體。在水利工程中，地形地質(zhì)條件是影響水工建筑物設(shè)計(jì)的重要因素之一，但BIM遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)三維地理信息的大場(chǎng)景展現(xiàn)，而GIS(geographic information system)技術(shù)可以完美的彌補(bǔ)這一缺陷。通過BIM與GIS技術(shù)的結(jié)合，可以動(dòng)態(tài)、逼真地解決工程數(shù)據(jù)整合、空間分析、現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度仿真等問題。

國(guó)內(nèi)大量的研究人員對(duì)施工進(jìn)度控制優(yōu)化進(jìn)行了研究，王婷婷等[3]通過Revit、P6等軟件，實(shí)現(xiàn)了施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)模擬；陳紅杰等[4]通過BIM技術(shù)與RFID技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了裝配式建筑物的施工進(jìn)度信息化采集；劉莎莎等[5]提出了一種BIM與室內(nèi)三維點(diǎn)云相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了建筑施工進(jìn)度的半自動(dòng)核查；曾平鎮(zhèn)等[6]基于BIM技術(shù)創(chuàng)建了4D-BIM模型，實(shí)現(xiàn)在Navisworks中進(jìn)行進(jìn)度模擬，從而達(dá)到節(jié)約成本、縮短工期的目標(biāo)。

國(guó)外許多學(xué)者也開展了相關(guān)的研究，Zhang等[7]通過將施工現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)與激光掃描系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)了智能化控制施工進(jìn)度；Luthra[8]基于BIM平臺(tái)制定施工組織方案，使用 BIM集成技術(shù)體系平臺(tái)進(jìn)行施工進(jìn)度計(jì)劃的編制；Wang等[9]將LiDAR技術(shù)與BIM技術(shù)動(dòng)態(tài)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了建筑施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與施工質(zhì)量的控制；Tanyer等[10]通過研發(fā)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的4D進(jìn)度模擬軟件，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)BIM模型得到施工預(yù)算的過程。

整體上看，BIM已廣泛應(yīng)用至工程施工進(jìn)度目標(biāo)控制中，但主要應(yīng)用于建筑行業(yè)，不能完全適用于施工工序繁瑣、涉及專業(yè)廣泛、工程量巨大的水利工程；通過將BIM、GIS與互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)BIM與進(jìn)度計(jì)劃關(guān)聯(lián)的研究較少；大多研究更注重理論，并未實(shí)際應(yīng)用至工程項(xiàng)目中，沒有驗(yàn)證其適用性。針對(duì)這些問題，本文依托我國(guó)某水閘工程，綜合運(yùn)用BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立施工進(jìn)度仿真實(shí)時(shí)交互場(chǎng)景，以B/S(browser/server)為基本架構(gòu)，開發(fā)了一套基于BIM+GIS的水利工程施工進(jìn)度管理系統(tǒng)，以達(dá)到多專業(yè)協(xié)同、控制決策與優(yōu)化、高效控制進(jìn)度的目的，具有一定的實(shí)際價(jià)值。

2 基于BIM+GIS的水利工程進(jìn)度管理框架

2.1 研究思路

進(jìn)度管理的目的是按照合同規(guī)定的進(jìn)度及質(zhì)量完成施工任務(wù)，并且獲得合理的利潤(rùn)[11]。因此在水利工程施工進(jìn)度管理過程中，研究思路可分為信息采集、信息整編、進(jìn)度控制3個(gè)環(huán)節(jié)[12]，詳見圖1。

圖1 基于BIM+GIS的水利工程施工進(jìn)度管理研究思路

在信息采集階段，采集的信息包括施工澆筑信息、分項(xiàng)工程信息、材料使用信息、施工計(jì)量信息等。這些信息不僅類型與來源不同，結(jié)構(gòu)也不同。

在本文中，將進(jìn)度管理信息的存儲(chǔ)形式分為3類：

(1)結(jié)構(gòu)化項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)：包含各種采集信息的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL中。

(2)結(jié)構(gòu)化信息模型數(shù)據(jù)：通過采用BIM Server 等[13]服務(wù)器，對(duì)BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋管理[14]。

(3)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)：采用MongoDB[15]數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)施工進(jìn)度管理中生成的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如文件、計(jì)劃表、圖片等。

信息采集完成之后，進(jìn)行信息整編，按照上述3類存儲(chǔ)形式將采集的信息存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并編制施工進(jìn)度計(jì)劃，建立BIM模型，進(jìn)行施工進(jìn)度的初步預(yù)測(cè)。

信息整編完成之后，再以預(yù)測(cè)的施工進(jìn)度作為管理標(biāo)準(zhǔn)，通過施工管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控施工進(jìn)度。由相關(guān)管理人員完成進(jìn)度上報(bào)，并進(jìn)行進(jìn)度檢查與糾偏。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 Cesium平臺(tái)與BIM模型集成 GIS地理信息模型與BIM模型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，因此要對(duì)模型格式進(jìn)行處理后才可以進(jìn)行GIS與BIM的信息集成。本文中將rvt文件格式的BIM信息模型進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)BIM模型與Cesium[16]平臺(tái)的集成，圖2為處理流程。

圖2 Cesium平臺(tái)與BIM模型集成流程

圖2所示的處理流程具體如下：

(1)使用Revit建立三維模型，并導(dǎo)出fbx格式的文件。

(2)將fbx格式的文件導(dǎo)入3ds max軟件，根據(jù)實(shí)際澆筑情況對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)件級(jí)拆分，合理設(shè)置模型顏色與貼圖，調(diào)整模型坐標(biāo)系位置，并導(dǎo)出dae格式的文件。

(4)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，在Cesium平臺(tái)中導(dǎo)入gltf文件，完成BIM信息模型到Cesium平臺(tái)的集成操作。

2.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[17]是指建立兩個(gè)坐標(biāo)系之間的相互關(guān)系，即獲得一種坐標(biāo)系到另一種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換法則。一般可通過旋轉(zhuǎn)和平移兩種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換[18]。因此本文定義旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T來闡述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

首先，對(duì)局部坐標(biāo)系定義初始條件：

(1)以垂直地表向上方向?yàn)閆軸正方向；

(2)Y軸指向正北方向；

(3)旋轉(zhuǎn)矢量與3個(gè)坐標(biāo)軸的夾角分別為θx、θy、θz。

110 Preliminary experience of laparoscopic partial nephrectomy in patients with adherent perinephric fat

假設(shè)BIM模型中存在任意一點(diǎn)B0，局部坐標(biāo)為B0(x0，y0，z0)，將其局部坐標(biāo)原點(diǎn)放置在球心坐標(biāo)系的點(diǎn)B(Lon，Lat，Ele)上，將點(diǎn)B在局部坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)表示為B1(x1，y1，z1)。

根據(jù)以上初始條件與假設(shè)，3個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)矩陣Rx、Ry、Rz分別采用四階矩陣表示。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化，利用平移矩陣T將球心坐標(biāo)系原點(diǎn)移至點(diǎn)B1。轉(zhuǎn)化過程見公式(1)～(5)。

Tr=Rx·Ry·Rz·T

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于B/S架構(gòu)對(duì)施工進(jìn)度管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示，包含表示層、邏輯層與數(shù)據(jù)層。

圖3 水利工程施工進(jìn)度管理系統(tǒng)構(gòu)架

對(duì)圖3所示的水利工程施工進(jìn)度管理系統(tǒng)構(gòu)架解釋如下：

(1)數(shù)據(jù)層位于系統(tǒng)總構(gòu)架的底層，包含BIM模型數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、文檔數(shù)據(jù)庫(kù)，各種相關(guān)信息存儲(chǔ)于相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以訪問各種數(shù)據(jù)源。

(2)邏輯層位于系統(tǒng)總構(gòu)架的中部，基于服務(wù)接口或者各種引擎構(gòu)件的各種功能應(yīng)用是系統(tǒng)框架的核心與關(guān)鍵部位。

(3)表示層位于系統(tǒng)總構(gòu)架的頂層，包含進(jìn)度信息管理平臺(tái)與BIM+GIS三維交互平臺(tái)。用戶通過進(jìn)入進(jìn)度信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)BIM模型構(gòu)建與進(jìn)度計(jì)劃動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，從而在三維可視化平臺(tái)中進(jìn)行施工進(jìn)度模擬。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)主要基于MySQL、Layui、Apache、Cesium、ThinkPHP、Css、Html、JavaScript、Python等開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

(1)客戶端。本系統(tǒng)是采用Layui框架、基于Css、Html、JavaScript、Python等語言設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面，三維可視化交互平臺(tái)采用開源的Cesium三維GIS平臺(tái)。

(2)服務(wù)端。本系統(tǒng)服務(wù)端采用ThinkPHP進(jìn)行開發(fā)。

(3)應(yīng)用服務(wù)器。采用Windows操作系統(tǒng)、Apache服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和PHP，以完成系統(tǒng)的Web應(yīng)用服務(wù)器。

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.3.1 系統(tǒng)功能介紹 基于BIM+GIS的水利工程施工進(jìn)度管理系統(tǒng)共包括BIM+GIS可視化管理、模型庫(kù)管理、項(xiàng)目管理、進(jìn)度管理、系統(tǒng)管理5大模塊，如圖4所示。

圖4 水利工程施工進(jìn)度管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

(1)BIM+GIS可視化管理。BIM+GIS可視化平臺(tái)以Cesium為依托建立GIS場(chǎng)景，將項(xiàng)目管理、進(jìn)度管理等信息與BIM模型綁定，進(jìn)行可視化展示，主要包括模型剖切、進(jìn)度仿真模擬、查詢定位等。其中進(jìn)度仿真模擬可根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行施工進(jìn)度仿真，動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前的施工狀態(tài)，做到對(duì)工程量、材料機(jī)械、勞動(dòng)力等施工資源的查詢與監(jiān)控。

(2)模型庫(kù)管理。模型庫(kù)管理模塊整合了BIM地質(zhì)模型、BIM建筑模型以及BIM設(shè)備模型等相關(guān)數(shù)據(jù)，包含模型導(dǎo)入與下載、模型分類管理和模型信息關(guān)聯(lián)3個(gè)子模塊。該模塊通過模型ID與進(jìn)度計(jì)劃相關(guān)聯(lián)，并且BIM模型所集成的信息與正在變化的進(jìn)度管理信息保持一致。

(3)項(xiàng)目管理。項(xiàng)目管理模塊包含合同管理、工程量管理以及項(xiàng)目進(jìn)度策劃3個(gè)子模塊。此模塊解決了“信息孤島”問題，使得基于BIM+GIS的水利工程施工進(jìn)度管理平臺(tái)與項(xiàng)目和工程信息相整合，通過系統(tǒng)將項(xiàng)目參與方聯(lián)系起來。

(4)進(jìn)度管理。進(jìn)度管理模塊包含進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入、進(jìn)度上報(bào)、進(jìn)度檢查與糾偏3個(gè)子模塊。該模塊的進(jìn)度計(jì)劃與BIM模型構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，根據(jù)月工程量上報(bào)與工程量及產(chǎn)值查詢核查各標(biāo)段工程量及產(chǎn)值完成情況。根據(jù)計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度的差異程度，適時(shí)進(jìn)行檢查與糾偏操作。

(5)系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理模塊對(duì)用戶、角色、菜單以及相關(guān)權(quán)限進(jìn)行管理。并基于角色的權(quán)限控制訪問內(nèi)容，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行與管理。

3.3.2 施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)

(1)進(jìn)度計(jì)劃的編制。進(jìn)度計(jì)劃的編制包括手動(dòng)編制與系統(tǒng)導(dǎo)入兩種方式，其中系統(tǒng)導(dǎo)入可基于P6進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入工程量，將合同工程量信息與P6軟件編制的進(jìn)度計(jì)劃相關(guān)聯(lián)，為進(jìn)度分析提供基礎(chǔ)。

(2)建立模型構(gòu)件庫(kù)。根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃構(gòu)建劃分，分割BIM模型，創(chuàng)建BIM模型構(gòu)件庫(kù)，并為每個(gè)模型構(gòu)件賦予模型構(gòu)件唯一標(biāo)識(shí)model_id、分項(xiàng)工程sub_project_id、澆筑開始時(shí)間start_date、澆筑結(jié)束時(shí)間end_date等信息。

(3)進(jìn)度計(jì)劃與模型構(gòu)件綁定。根據(jù)每條進(jìn)度分解計(jì)劃與相應(yīng)的模型構(gòu)件唯一標(biāo)識(shí)model_id綁定，實(shí)現(xiàn)BIM模型構(gòu)件的進(jìn)度信息集成，使其具有所屬分項(xiàng)工程、澆筑開始時(shí)間、澆筑結(jié)束時(shí)間等進(jìn)度信息。

(4)基于Clock控件設(shè)置時(shí)間范圍。根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃，采用viewer.clock.stratTime 函數(shù)定義開始時(shí)間，viewer.clock.currentTime函數(shù)定義當(dāng)前時(shí)間，viewer.clock.stopTime函數(shù)定義終止時(shí)間。

(5)模型構(gòu)件動(dòng)態(tài)加載。基于Python腳本生成JSON架構(gòu)的czml文件，用于在Cesium可視化平臺(tái)中隨時(shí)間變化動(dòng)態(tài)顯示BIM模型構(gòu)件。當(dāng)模型構(gòu)件的澆筑結(jié)束時(shí)間stopTime晚于當(dāng)前時(shí)間currentTime時(shí)，滿足條件的構(gòu)件信息將被存儲(chǔ)于czml文件中，在可視化平臺(tái)中加載出來，同時(shí)模型構(gòu)件的澆筑結(jié)束時(shí)間stopTime早于當(dāng)前時(shí)間currentTime時(shí)，不在可視化平臺(tái)中加載，從而實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的模擬。

4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

某水閘工程是位于安徽省蒙城縣城北關(guān)渦河上的一座集交通航運(yùn)、灌溉、排澇、防洪等功能于一體的大型水利樞紐。此水閘包含船閘、節(jié)制閘、分洪閘3個(gè)部分。船閘布置于左岸，節(jié)制閘布置于中部，在右岸老河道預(yù)留泵站的位置，節(jié)制閘、船閘上閘首及兩岸堤防形成完全封閉的防洪體系，工程等別為Ⅲ等大(2)型，建設(shè)工期為30個(gè)月。目前該施工進(jìn)度管理系統(tǒng)已應(yīng)用于此水閘工程中，運(yùn)行情況良好，應(yīng)用效果如下：

(1)創(chuàng)建BIM+GIS三維交互環(huán)境。基于Cesium平臺(tái)，使用Cesium.createWorldTerrain函數(shù)加載在線Terrain地形圖數(shù)據(jù)，使用Cesium.UrlTemplateImageryProvider函數(shù)加載谷歌影像，通過地形數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的疊加，展現(xiàn)三維GIS大場(chǎng)景；將BIM模型發(fā)布在BIM服務(wù)器上，從而完成BIM+GIS三維交互環(huán)境的創(chuàng)建(如圖5所示)。加載該水閘工程BIM模型后，可實(shí)現(xiàn)詳細(xì)信息、基本信息的查看，并可查看場(chǎng)地分析與工程算量的結(jié)果。例如可在詳細(xì)信息中查看前期規(guī)劃、項(xiàng)目管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等信息。

圖5 BIM+GIS三維交互環(huán)境界面

(2)進(jìn)度管理。進(jìn)度管理包含進(jìn)度計(jì)劃管理、進(jìn)度上報(bào)、進(jìn)度檢查與糾偏，并可以在三維可視化平臺(tái)中進(jìn)行進(jìn)度模擬(如圖6所示)。根據(jù)既定施工進(jìn)度計(jì)劃與進(jìn)度上報(bào)中的月工程量、填筑進(jìn)度以及進(jìn)度計(jì)劃監(jiān)控等信息進(jìn)行比較分析，及時(shí)進(jìn)行進(jìn)度檢查與糾偏工作，執(zhí)行相關(guān)預(yù)案以解決進(jìn)度偏差問題。

圖6 進(jìn)度管理界面

(3)施工進(jìn)度仿真。通過在可視化平臺(tái)中加載czml文件，根據(jù)BIM模型構(gòu)件的時(shí)間屬性信息，動(dòng)態(tài)加載構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的模擬仿真。在某水閘工程中，單擊開始按鈕，可按照時(shí)間順序?qū)λl的施工進(jìn)度進(jìn)行模擬，并可通過拖拽下側(cè)時(shí)間軸，查看指定時(shí)間的施工進(jìn)度詳情(如圖7所示)。

圖7 施工進(jìn)度仿真界面

5 結(jié) 論

(1)提出了水利工程施工進(jìn)度管理過程中BIM模型與施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)解決方案，分析了其原理與具體實(shí)現(xiàn)方法。并依此提出基于BIM+GIS的水利工程施工進(jìn)度管理系統(tǒng)框架，為BIM技術(shù)在水利工程施工進(jìn)度管理中的應(yīng)用提供參考路線。

(2)基于BIM+GIS的水利工程施工進(jìn)度管理系統(tǒng)提高了水利工程建設(shè)中施工進(jìn)度與工程量的管理水平，在一定程度上解決了水利工程項(xiàng)目在施工管理過程中多專業(yè)交流和控制的難題。