BIM+GIS 技術在宿連航道整治一期工程設計中的應用

傅饒，王琦瑋

（1.宿遷市港航事業發展中心，安徽 宿遷 223834；2.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210001）

BIM 是以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各類相關信息的工程數據模型，是對工程項目建筑實體與功能特性的數字化表達。GIS 是以地理空間數據庫為基礎，運用系統工程和信息科學理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據，以提供管理、決策等所需信息的技術系統。近年來，隨著三維數字化技術的快速發展，BIM+GIS 集成與應用成為工程行業關注的技術重點之一，對于交通行業，尤其是內河航道工程這類大區域、長線型工程而言更是如此[1]。BIM 數據可以承載建筑物豐富信息，對局部細節表達精確，而GIS 數據適合表達大場景地理空間信息，BIM+GIS 數據集成融合可以實現二者優勢互補[2]。

1 工程概況

宿連航道是《江蘇省干線航道網規劃（2017-2035 年）》“兩縱五橫”主骨架最北一“橫”徐宿連通道的重要組成部分。航道西起京杭運河宿遷城區段，東至連云港疏港航道，規劃等級三級，線路全長約124.1km。宿連航道（京杭運河至鹽河段）整治工程一期工程起自陸運河與京杭運河交匯處，終于沭新河南船閘下游，工程里程58.5km，沿線需新（改）建陸運河船閘、軍屯河樞紐、沭新河南船閘，新（改）建橋梁17 座，建設大型水利配套設施11 座，其中，陸運河船閘、軍屯河船閘、沭新河南船閘建設標準均為Ⅲ級船閘，設計最大船舶噸級1000t。工程沿線建設節點眾多，設計范圍大，參與專業類別廣。

2 BIM 模型創建

2.1 BIM 模型創建與組裝

基于設計協同流程和要求，各專業設計人員分專業完成BIM 模型創建，并組裝形成護岸、船閘、橋梁、地涵、水閘等單體級BIM 模型。軍屯河樞紐BIM 模型如圖1所示。

圖1 軍屯河樞紐BIM 模型

船閘單體級BIM總裝模型包含船閘主體（上下閘首、閘室、導航墻、靠船墩）、上下游引航道、船閘管理區、附屬工程等。

2.2 信息模型分類與編碼

統一、準確的信息模型分類編碼是BIM 技術高效應用的重要基礎[3]。BIM 模型創建過程中，參照《水運工程信息模型應用統一標準》，結合項目實施管理需求，編制項目級信息模型分類編碼標準，并采用自動化編碼插件對BIM 模型構件進行編碼。

3 GIS 三維模型創建

工程大范圍衛片影像圖采用天地圖影像，局部重點區域疊加無人機正射影像。工程大范圍三維地形通過數字高程模型（DEM）構建。為真實反映工程周邊區域環境要素特征，根據工程建設特點，選擇宿連航道整治工程一期工程沿線重要節點區域開展無人機傾斜攝影測量工作，生成三維實景模型，并與衛片影像圖、三維地形結合，共同構成工程大范圍三維場景環境。模型生成區域主要為工程沿線船閘、橋梁、地涵、水閘等節點建設區域。

傾斜攝影測量及建模工作總體分為外業工作和內業工作兩方面，外業工作主要包括航線規劃、飛行任務執行、地面控制點布設等步驟，內業工作主要包括數據預處理、空中三角測量、三維重建、成果輸出等步驟。外業工作完成后，通過Context Capture 等專業軟件進行影像密集匹配、區域網平差、三維TIN 格網構建、三維模型創建、自動紋理映射等處理后，輸出三維實景模型[4]。在輸出模型基礎上，根據項目需要對模型進行適當壓平、裁剪和修補等處理，獲得最終工程GIS 模型成果。

4 BIM+GIS 集成與應用

4.1 BIM 與GIS 數據融合

項目基于開源技術的二次開發，實現宿連航道整治工程一期工程相關BIM 模型數據和GIS 數據在三維地球場景下的融合。

從BIM、GIS 數據結構分析，并結合項目實際需求，考慮在GIS 環境中融合BIM 模型，通過將BIM 模型轉換成與GIS 數據標準兼容的格式，實現在統一場景中集成顯示BIM 和GIS 信息。項目選用3D Tiles 作為BIM與GIS 信息融合的三維數據標準。工程BIM 模型創建后，通過開發的數據導出插件實現rvt 等BIM 數據格式轉換為3D Tiles 數據格式。3DTiles 數據標準來源于GIS 領域，因此GIS 領域對該數據標準支持較好，Context Capture軟件可直接輸出3DTiles 數據格式的傾斜攝影三維實景模型。在BIM、GIS 模型數據轉換過程中，采用模型三角網壓縮、紋理簡化、考慮LOD 分級等方式進行模型輕量化，并通過投影系設置和基點定位完成模型位置配置，最終實現宿連航道整治工程一期工程多源異構數據在Web 端三維地球場景下的集成與可視化。BIM+GIS數據融合場景如圖2 所示。

圖2 BIM+GIS 數據融合場景

圖3 系統場景沙盤模塊界面

圖4 系統船閘BIM 模塊界面

4.2 基于BIM+GIS 的設計方案比選優化

宿連航道整治工程一期工程里程較長，沿線節點眾多，設計限制因素復雜。基于BIM+GIS 數據融合場景，可助力本項目設計方案比選優化。通過在線三維可視化場景環境的便捷展示，項目參建方可通過可視化、沉浸式漫游等方式直觀查看各設計方案并精確識別工程周邊環境因素、自然條件及限制因素等，在此基礎上進行設計方案比選優化，從而使得項目方案的溝通、討論、決策可以更容易地進行，實現項目設計方案決策的直觀和高效。

4.3 碰撞檢查

基于工程整合模型可進行碰撞檢查及三維校審，根據設計要求設定專業間、專業內碰撞規則并檢查，能夠及時發現模型中的硬碰撞問題（直接接觸或交叉等）與軟碰撞問題（凈空間距保障等），快速定位設計錯誤或遺漏。通過及時反饋碰撞問題并修改完善，能夠顯著減少設計過程中錯漏碰缺等問題，從而提高設計效率和設計質量。

4.4 工程量統計

BIM 是對建筑物物理和功能特性的數字化表達，包含了設計過程必備的幾何信息和非幾何信息。基于精確的BIM 模型，結合項目實際需求，可快速、準確地生成工程量統計表，提升設計效率和質量。此外，GIS 三維模型也可輔助工程總體特征數據的分析與統計工作。

4.5 三維可視化渲染漫游

集成工程相關模型成果后，可通過可視化的方式進行設計交底。利用Twinmotion 軟件對模型進行加工與渲染，實現基于三維可視化模型的渲染、全景漫游和其他效果表現，并輸出全景圖片、視頻動畫等。通過該方式可直觀地對設計成果進行展示與檢查，從而發現可能的設計缺陷或問題，進行設計方案優化，為參建各方搭建了高效的溝通橋梁，并可輔助設計交底工作更直觀、高效開展。

4.6 基于BIM+GIS 的工程可視化管理系統開發

基于WebGL 技術，開發基于BIM+GIS 的宿連航道工程可視化管理系統，充分整合工程BIM 模型、GIS 模型等多源異構數據及設計相關信息，提供基于BIM+GIS的三維可視化數據管理能力。

系統采用B/S 架構，數據庫采用SQL Server，后端采用spring boot 框架，獲取前端傳遞的數據并進行業務邏輯處理和接口封裝。前端采用layui 框架和HTML5+CSS3 開發用戶交互網頁，使用javaScript 和JQuery 對用戶操作進行預處理和響應。

系統共劃分五大功能模塊，其中，工程總覽模塊主要基于二維地圖場景，集成與展示項目特征信息、工程重要節點位置及單體基本信息；場景沙盤模塊基于Cesium 引擎開發，主要實現三維地球場景下的工程相關多源異構數據融合及可視化管理；船閘BIM 模塊基于Three.js 引擎開發，主要實現以信息模型分類編碼體系為依托的船閘工程構件與設備精細化管理；文檔管理模塊主要用于管理工程相關文件數據；用戶管理模塊主要用于管理用戶賬號并設置賬號權限。

5 結語

本項目創建宿連航道整治工程一期工程沿線護岸、船閘、橋梁等BIM 模型，采用無人機傾斜攝影技術創建工程區域三維實景模型，通過開源技術二次開發，基于3D Tiles 數據標準實現BIM 模型數據和GIS 數據在三維地球場景下的融合。在BIM+GIS數據融合場景基礎上，開展工程設計階段各項應用，并開發了基于BIM+GIS的宿連航道工程可視化管理系統，使設計效率和質量得到提升，同時為工程后續階段系統開發提供高精度三維數字底座支撐。