基于BIM和GIS的航道整治建筑物维护分析方法

摘要

本发明公开了一种基于BIM和GIS的航道整治建筑物维护分析方法，该方法利用BIM技术和GIS技术，集成航道整治建筑物前期设计和维护过程中的监测成果，利于整治建筑物损毁分析、河床演变预测分析和整治建筑物评估分析，实现航道整治建筑物三维可视化平台综合展示、系统分析和修复方案快速设计，为航道整治建筑物的维护管理提供有效的手段。

说明书

技术领域

本发明涉及航道整治维护分析技术领域，具体地指一种基于BIM(BuildingInformation Modeling，建筑信息模型)和GIS(Geographic Information System，地理信息系统)的航道整治建筑物维护分析方法。

背景技术

随着内河航道整治工程数量越来越多、体量越来越大，整治工程对保障航道水深和船舶安全通行的作用也越来越重要，因此迫切需要完善航道整治建筑物的分析评估技术体系，并进一步提升建筑物维护分析的准确性。目前，航道整治建筑物日常维护分析手段单一，一般采用两次测图对比，缺乏历史测图的趋势分析，分析时段较片面；航道建筑物级别评估以定性分析为主，且只针对单一建筑物，缺乏定量化指标和所有整治建筑物分析结果的统筹对比，评估系统性不足。由于存在以上问题，在一定程度上影响了整治建筑物维护修复的及时性和经济性。

发明内容

本发明提供一种基于BIM和GIS的航道整治建筑物维护分析方法，该方法利用BIM技术和GIS技术，集成航道整治建筑物前期设计和维护过程中的监测成果，利于整治建筑物损毁分析、河床演变预测分析和整治建筑物评估分析，实现航道整治建筑物三维可视化平台综合展示、系统分析和修复方案快速设计，为航道整治建筑物的维护管理提供有效的手段。

为实现此目的，本发明所设计的一种基于BIM和GIS的航道整治建筑物维护分析方法，它包括如下步骤：

步骤1：构建整治建筑物BIM模型，对于设计或施工期已有BIM模型的整治建筑物，直接进行BIM模型数据对接，实现整治建筑物BIM模型信息的完整传递；对于没有BIM模型的整治建筑物，则需重新进行BIM设计，得到整治建筑物BIM模型；

步骤2：集成整治建筑物地形观测资料，收集整治建筑物BIM模型设计过程中依据的地形测图和工程竣工测图，收集历史多个时期对整治建筑物进行的观测资料，观测资料包括整治工程竣工时的整治建筑物地形高程测图、整治工程竣工后多个选定时间点的整治建筑物地形高程测图、当前的整治建筑物地形高程测图；

步骤3：进行整治建筑物损毁分析，通过自动识别整治建筑物BIM模型的外边界范围，确定整治建筑物损毁分析的地理范围；选取整治工程竣工时的整治建筑物地形高程测图和当前的整治建筑物地形高程测图，在整治建筑物BIM模型的外边界范围内，通过三角网格地形分析方法对河床冲淤进行分析，冲淤分析结果中，治工程竣工时的整治建筑物地形高程测图与当前的整治建筑物地形高程测图相比地形曲面凸起的部分即为地形淤积部位，整治工程竣工时的整治建筑物地形高程测图与当前的整治建筑物地形高程测图相比地形曲面凹陷的部分即为地形冲刷部位；结果分析：地形淤积部位，默认工程达到了预期效果，判断建筑物没有损毁，地形冲刷部位，则认为工程没有达到预期效果，判断建筑物在冲刷部位损毁了，冲刷的体积即是整治建筑物的损毁体积；

步骤4：航道演变分析，首先设定航道演变分析的基础数据和各类边界条件，基础数据包括水道范围内的航道初始地形和地形三角网格，边界条件包括水道范围内的航道演变分析起止地理范围、航道演变分析起止日期、航道出入口水流量以及航道水文泥沙边界条件；对所述边界条件利用压力耦合方程组的半隐式方法和基于有限体积格式的HLLC算法进行演变计算，得到预测的航道地形高程曲面数据，并通过航道地形高程曲面与水流表面高程数据的差值计算，得到航道水深变化情况。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

1、本发明集成了航道整治建筑物维护分析所需信息内容，并简化了分析流程，维护分析操作更便捷高效。

2、本发明实现了整治建筑物损毁和所处水域河床冲淤演变的定量分析，基于指标体系实现了整治建筑物健康度的定量评估，与定性评估相比，评估结果更全面、科学。

3、本发明实现了护滩、筑坝、高滩守护三种种常见型式整治建筑物的快速自动生成和方量计算，修复方案前期设计更加高效。

附图说明

图1为本发明基于BIM和GIS的航道整治建筑物维护分析方法的流程图；

图2为整治建筑物健康度评估流程图；

图3为整治建筑物快速修复方案设计流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所设计的一种基于BIM和GIS的航道整治建筑物维护分析方法，如图1所示，它包括如下步骤：

步骤1：构建整治建筑物BIM模型，对于设计或施工期已有BIM模型的整治建筑物，直接进行BIM模型数据对接，实现整治建筑物BIM模型信息的完整传递；对于没有BIM模型的整治建筑物，则需重新进行BIM设计，得到整治建筑物BIM模型；

步骤2：集成整治建筑物地形观测资料，收集整治建筑物BIM模型设计过程中依据的地形测图和工程竣工测图，收集历史多个时期对整治建筑物进行的观测资料，观测资料包括整治工程竣工时的整治建筑物地形高程测图、整治工程竣工后多个选定时间点的整治建筑物地形高程测图、当前的整治建筑物地形高程测图；

步骤3：进行整治建筑物损毁分析，通过自动识别整治建筑物BIM模型的外边界范围，确定整治建筑物损毁分析的地理范围；选取整治工程竣工时的整治建筑物地形高程测图和当前的整治建筑物地形高程测图，在整治建筑物BIM模型的外边界范围内，通过三角网格地形分析方法对河床冲淤进行分析，冲淤分析结果中，治工程竣工时的整治建筑物地形高程测图与当前的整治建筑物地形高程测图相比地形曲面凸起的部分即为地形淤积部位，整治工程竣工时的整治建筑物地形高程测图与当前的整治建筑物地形高程测图相比地形曲面凹陷的部分即为地形冲刷部位；结果分析：地形淤积部位，默认工程达到了预期效果，判断建筑物没有损毁，地形冲刷部位，则认为工程没有达到预期效果，判断建筑物在冲刷部位损毁了，冲刷的体积即是整治建筑物的损毁体积；整治建筑物损毁分析可直观反映建筑物的损毁量，与传统人工分析相比，自动化程度更高、分析范围更精确，显著提升分析效率和准确度；

步骤4：航道演变分析，首先设定航道演变分析的基础数据和各类边界条件，基础数据包括水道范围(河流中的一个断面到另一个断面的水域范围)内的航道初始地形和地形三角网格，边界条件包括水道范围内的航道演变分析起止地理范围、航道演变分析起止日期、航道出入口水流量以及航道水文泥沙边界条件；对所述边界条件利用压力耦合方程组的半隐式方法(SIMPLE算法)和基于有限体积格式的HLLC算法进行演变计算，得到预测的航道地形高程曲面数据(1～10年内)，并通过航道地形高程曲面与水流表面高程数据(水流表面高程数据在一个水道内为定值)的差值计算，得到航道水深变化情况，若航道水深较初始时期变小，则航道尺度条件变坏，否则航道尺度条件变好；利用航道演变分析结果，一方面可基于GIS平台动态展示地形及水深的变化过程，另一方面也可为建筑物修复等级评估提供航道条件定量指标；

步骤5：航道整治建筑物修复等级评估，首先，构建评估指标体系，如图2所示，评估指标体系采用层次分析法，第一层指标包括整治建筑物指标和航道条件指标，其中，建筑物指标包括建筑物空间尺度、建筑物损毁量两项；第二层指标，航道条件指标包括航道维护尺度指标、预测航道尺度变化指标，第一层指标中，整治建筑物指标是分析建筑物自身的内部指标，航道条件指标是指整治建筑物所在航道的外部指标，建筑物空间尺度是指建筑物自身的几何尺寸，以反映建筑物的体量；建筑物损毁量是指通过建筑物损毁分析得到的损毁量结果，以反映建筑物损毁程度；第二层指标中，航道维护尺度指标是指整治建筑物所在航道的维护尺度条件；预测航道尺度变化指标是指通过航道演变分析得到的航道水深条件变化结果，然后次，明确第一层和第二层各个指标的权重，指标权重采用专家调查法(Delphi法)确定；

最后，采用层次分析法计算得到各层指标分值，整治建筑物指标分值为建筑物损毁量占建筑物空间尺度总量的百分比，航道条件指标分值为预测航道尺度变化量占航道维护尺度量的百分比，对两项指标分别乘以权重并求和，得到最终评估分值，估分值越大，越需要修复，按照分值大小排序，建筑物修复程度进一步划分为若干等级；整治建筑物维护管理部门运用该方法，可促进整治建筑物修复等级评估由传统定性分析升级为定量分析，为修复决策提供更加科学的依据；

步骤6：基于GIS平台提出护滩、筑坝、高滩守护三种典型整治建筑物BIM模型构建方法，并根据整治建筑物BIM模型设计参数(长、宽、高、坡比、厚度)形成修复方案。

上述技术方案的步骤1中对于没有BIM模型的整治建筑物，则需重新进行BIM设计的设计方法有两种：一种是基于BIM商业软件直接设计，另一种是基于GIS平台利用护滩、筑坝、高滩守护三种典型整治建筑物BIM模型构建方法设计。

上述技术方案中，护滩、筑坝、高滩守护三种典型整治建筑物BIM模型构建方法设计的流程为：如图3所示，首先选择设计地形(选择当前地形)；然后选择模型类型，即在护滩、筑坝和高滩守护中选择；然后绘制建筑物路线(沿着这条线扫略断面)；然后输入整治建筑物BIM模型设计参数(长、宽、高、坡比、厚度)，然后明确整治建筑物BIM模型材质，最后按选择的地形、模型类型、建筑物路线、BIM模型设计参数和BIM模型材质生成整治建筑物BIM模型，并将整治建筑物BIM模型在GIS平台中呈现和计算土方量，典型整治建筑物BIM模型的快速构建，不仅可以基于GIS平台快速直观展现修复方案效果，还可初步估算修复方案的工程量，将显著提升修复方案前期设计效率并降低方案修改难度，有利于多种修复方案的选择。

上述技术方案中，所述整治建筑物水下地形扫测图的数据类型为点文本数据，整治建筑物陆上航拍高程测图的数据类型为DEM格栅数据，整治建筑物人工手动测量图的数据类型为CAD测图数据。这些数据反映了地形高程的变化，为整治建筑物损毁分析提供数据支撑，整治建筑物测图数据在传统只有水下测图的基础上增加了陆上航拍高程测图，改变了传统陆上维护靠人工观测的落后模式，陆上测图更加全面准确；

在上述技术方案中，在三维GIS平台中利用整治建筑物损毁分析技术和整治建筑物定量评估技术，实现整治建筑物及其周边环境信息、分析过程和分析结果的可视化展示，实现整治建筑物维护周期中损毁情况、河床冲淤变化趋势、水流水态的模拟分析，实现基于损毁情况、演变趋势等定量评估指标及其评估方法的整治建筑物健康程度评级，实现修复方案的快速构建和评估，辅助道整治建筑物评估和修复的决策，通过构建上述整治建筑物维护分析成套方法，将改变传统以人工操作为主的维护分析模式，维护分析流程系统化、自动化，分析结果定量化，不仅分析效率更高，基于GIS平台的展现形式也更加直观，将显著提升整治建筑物维护分析的科学性。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。