“三維協同設計”在葛岙水庫移民安置規劃中的應用研究

周 毅，李 嘯，華 懿

(1.浙江省水利水電勘測設計研究院移民工程院，浙江 杭州 310002；2.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310030)

1 研究背景

在大中型水庫移民過程中，移民人數眾多、實物量調查與統計繁雜、水庫淹沒分析邊界條件多元、移民對安置區規劃建設關注度高且訴求多樣。傳統的通過現場紙筆調查實物、采集移民相關數據，在Excel中進行簡單的數據分析和計算，不僅效率低下、錯誤率高、數據更新困難；而且缺乏大場景視野，移民安置選址等過程中的地理空間分析也嚴重不足，數據利用很不充分，遠遠不能滿足移民安置規劃和移民管理工作的需要。因此，實現高效采集移民數據并進行充分挖掘和展示對于移民安置規劃非常重要。

近年來，基于BIM技術、GIS技術等三維協同設計的模式已被初步應用于水庫移民安置項目中?！叭S協同設計”是全新的設計模式和協同狀態，以團隊高效協作和知識高度集成共享的工作方式使工程設計更加有效[1]。鐘登華等(2004)提出了基于GIS的水利水電工程三維可視化輔助設計基本方法和結構體系[2]；桑國慶等(2009)將地理數據信息化及三維信息模型應用于大型渠道的設計[3]；繆正建等(2015)將Civil 3D應用于水利水電工程施工總布置的三維設計中[4]；陳雪冬等(2004)針對征地移民所涉及的移民安置區選擇，移民安置區環境容量分析，水庫淹沒損失賠償以及移民安置區土地資源評價等問題，通過地理信息系統、遙感等新技術構建數字化三維空間，對基于GIS的移民安置規劃系統進行了開發[5]。王秋儒等(2017)將BIM應用于移民安置點基礎設施工程設計中，建立了場地、道路及管網等設施的三維模型，實現數據動態更新，自動生成各種圖形并計算相應工程量[6]。

在此背景下，本研究以葛岙水庫移民安置項目為例，結合移民安置的業務流程和實際情況，在引進BIM技術的基礎上，嘗試引入傾斜攝影技術和地理信息技術，探索三大技術在移民信息采集、安置區建設、庫區原貌留存等水庫移民領域的應用。

2 “三維協同設計”在水庫移民安置規劃中的技術應用及優勢

本研究中涉及的主要三維協同設計技術分別為建筑信息模型技術(BIM，Building information modeling)、傾斜攝影技術(Tilt photography)、三維地理信息系統平臺(3D GIS platform)。

(1)BIM技術以建筑信息為基礎，對建筑物進行數字化仿真模擬管理，側重于微觀領域的單體模型建立，能為工程項目提供可視化的全生命周期管理[7]。應用于水庫移民安置區設計，不僅能極大地提高設計效率和施工管理水平；而且便于向移民直觀地展示安置區建成效果，讓移民充分參與安置區設計、建設。目前，各大工程軟件公司均推出了BIM工具。其中，Autodesk公司的Civil 3D專門為土木工程開發，依托于傳統的工程制圖軟件Autodesk CAD，在土木工程設計及場地設計等方面更便捷、更智能，在縮短項目的設計周期上具有明顯優勢[8]，也是本研究采用的主要軟件。

(2)傾斜攝影是近年來興起的多角度航空攝影技術，可通過在同一飛行平臺搭載多臺傳感器，從1個垂直、4個傾斜等5個角度同步曝光采集影像，獲取真實的地物信息[9]，對于獲取地物的側面紋理信息具有先天優勢，能夠真實、完整地反映地物的實際情況，有利于全方位模型構建和真實場景感知，從宏觀大場景的視角展現地物信息，能為水庫建設前的庫區風貌三維全景保存及移民安置區的實景效果展示提供技術支撐。此外，傾斜攝影測量技術能快速獲取紋理信息豐富的影像并生產多樣化的數字產品，極大地節約了時間和人力成本。

(3)整合展示上述2種技術建立的三維模型需要一個三維地理信息系統平臺——3D GIS platform。傾斜攝影模型及其相應的矢量信息可直接進入三維GIS平臺；而BIM模型的導入，需要經過BIM平臺數據導出，格式轉換，GIS平臺數據導入3個步驟得以完成。本研究通過在BIM平臺編寫導出插件，再借助第三方數據格式轉換軟件(如FME)生成可被GIS平臺接受的數據格式，同時確保BIM模型的紋理、零部件、構件及屬性信息等數據不丟失，實現BIM模型到GIS的無縫整合。此外，存儲移民數據的二維表、圖片、空間信息文件、文檔等都能夠直接進入GIS平臺，參與后續的統計分析及地理空間分析等。GIS平臺對于水庫移民信息的直觀表達和充分利用具有重要意義，是水庫移民規劃設計的重要輔助平臺。

3 “三維協同設計”在葛岙水庫移民安置項目中的應用

3.1 工程概況

葛岙水庫工程位于浙江省寧波市奉化區尚田鎮東江上游，隸屬于奉化江流域，水庫總庫容4 095萬m3。工程壩址距離奉化主城區直線距離約11 km，距寧波市區直線距離約37 km。葛岙水庫是一座以防洪為主，兼顧供水、灌溉、生態等綜合利用的中型水庫。工程建設征地規劃涉及奉化區1個鄉鎮6個行政村。

3.2 應用技術路線

應用路線主要為“數據采集—BIM模型參數化建立—三維GIS平臺整合—地理空間分析及數據可視化”4個步驟。具體應用路線如圖1所示。

圖1 應用技術路線示意

3.3 主要成果及其應用

3.3.1 移民信息采集

采集到的數據成果包括：①傾斜攝影的影像數據及控制點數據；②BIM單體模型數據；③移民相關數據包括實物調查的各項指標等結構化的二維表數據，照片、掃描件、視頻、訪問日志等非結構化

數據，以及CAD地形圖、GIS底圖和在線地圖等圖形、地圖數據等。傾斜影像數據來源于無人機航拍(見圖2)，BIM單體模型數據直接來源于BIM參數化建模，移民相關數據則通過收集、整理項目相關資料、現場調查獲得。

圖2 葛岙水庫傾斜攝影模型

其中傾斜影像數據經過處理，生成DOM、DEM和DLG等數字產品，然后建立了傾斜攝影模型[10-11]。傾斜攝影模型進行動態單體化處理，提取單體房屋、土地、道路等地物的矢量屬性信息并附著于傾斜攝影模型，形成矢量化的房屋數據庫[12](見圖3)。

圖3 傾斜攝影模型單體化

3.3.2 水庫淹沒動態分析

數據信息進入GIS平臺后，基于庫區三維模型動態單體化處理數據構建了葛岙水庫移民信息數據庫，利用有源漲水模型，針對不同水位方案，自動判定淹沒對象[13]，生成水庫淹沒實物匯總成果，實現水淹動態仿真模擬和水庫淹沒分析功能(見圖4)，為水庫建設規模比選、蓄水方案確定、庫底清理實施方案等工程建設重要節點提供技術支撐。

圖4 淹沒動態仿真模擬

本研究為葛岙水庫設定了50～64 m多個不同水位進行分析計算，利用時間控件動態模擬出葛岙水庫的蓄水過程，并用圖表聯動的方式展示受淹房屋、土地、人口等實物數據的變化。本項目實現了水庫淹沒過程的仿真模擬，極大地降低了設計人員的計算難度和工作強度，提高了淹沒可視化程度(見圖5)。

圖5 50～64 m的水位淹沒分析

3.3.3 安置區BIM設計

利用已采集的移民相關資料，根據社會經濟條件和地形、耕地資源等進行安置區擇址；在城市控制性規劃和城鎮規劃的基礎上，運用Civil 3D生成三維地形曲面；通過放坡、曲面生成等功能進行場地平整設計，用“體積面板”快速計算安置區挖、填方量(見圖6)；然后，進行安置區場地范圍、邊坡設計和工程量統計等場地及豎向設計[14]；再對市政管網及通信管路等進行碰撞檢測設計，避免不同基礎設施管線重疊、碰撞等情況出現。

圖6 C3D軟件處理實測地圖生成地圖曲面

安置區的總平面布置及3D戶型圖設計運用Revit軟件，規劃了26.7萬m2安置用地，進行道路、住宅及景觀等設計，共布設了30幢高層住宅，大中小戶型結合，配備村民活動中心、幼兒園和底層商鋪，優化設計花園、水池等景觀設施，立體呈現規劃效果，方便了移民參與新家園的建設，事先感知安置區建成效果(見圖7)。借助三維虛擬現實功能，可更好地滿足移民在戶型、采光、通風等方面的差異化需求，讓移民能身臨其境地體驗入住效果，大大地提高了移民的安置滿意度，促進移民安置工作的順利實施；同時，通過參數化建模，對樓、板、柱等構件定義材質、體積等參數，實現工程量的自動統計，提高投資概算的準確性和便捷性[15]。

圖7 葛岙水庫移民安置區的總體規劃和住宅設計

3.3.4 庫區道路規劃

利用C3D路線設計工具進行葛岙水庫環庫道路A線和B線的“平、縱、橫”可視化設計，并導入Infraworks軟件中進行前期方案設計和庫區道路規劃，模擬人流、車流，優化道路坡度和轉彎半徑設計，合理布置橋梁管涵等道路配套設施[16-17]。從而直觀反映庫區的規劃道路的走向及方案，形成4D施工模擬，實現精準地計算規劃道路的工程量、工期及投資，為項目決策提供依據(見圖8)。

圖8 C3D和Infraworks進行道路規劃設計

4 結 語

三維協同設計技術在葛岙水庫移民工程中的應用使得移民安置規劃及實施更為高效、便捷、智能。本應用研究是原有BIM技術體系、GIS技術體系的融合和創新，結合傾斜攝影技術，提高了移民安置規劃的工作效率，無紙化的交付便于移民信息的快速傳遞和應用；水庫淹沒動態模擬，提高了水庫規模比選及蓄水方案確定的智能化程度；安置區BIM可視化設計，實現了移民事先感知新家園建成效果；庫區道路規劃，為庫周交通改復建提供更直觀的解決方案；傾斜攝影技術帶來的三維大場景效果，有利于業主結合實際環境開展移民安置工作，降低移民工作難度。本應用研究是以BIM技術為核心、多元融合GIS技術、傾斜攝影技術在移民領域應用的一次成功探索。通過本次探索，更加證明了三維移民管理平臺符合行業發展趨勢，可廣泛應用于各類

水庫移民項目；同時，多源數據的融合應用及發布，能促進水庫移民領域的信息集成和公開，滿足不同用戶的使用需求，具有良好的社會效益。