鐵路勘測設計BIM應用基礎研究

金 星

(中鐵一院蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州 730000)

鐵路勘測設計是鐵路建設中一項重要的統(tǒng)領(lǐng)全局的工作。伴隨著工程認知和技術(shù)條件的發(fā)展，鐵路選線經(jīng)歷了實地選線、沙盤選線和目前通用的二維投影選線技術(shù)作業(yè)模式。隨著工業(yè)設計三維化的推進，鐵路選線從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)設計作業(yè)模式正逐步向虛擬環(huán)境選線發(fā)展。基于此，亟需在已取得的鐵路勘測設計信息化成果上，進一步融入BIM應用技術(shù)，促進鐵路建設全生命周期的三維決策和管理。

1 鐵路勘測設計現(xiàn)狀

1.1 鐵路虛擬環(huán)境選線發(fā)展現(xiàn)狀

在鐵路信息化建設進程中，單獨的二維設計軟件功能已基本滿足現(xiàn)場需要，即通過平面、縱斷面、橫斷面功能軟件可以實現(xiàn)既有作業(yè)模式下鐵路選線流程化設計，進行標準化出圖出表，大幅提高了工作效率。鑒于鐵路選線的多層次多目標灰色決策特性[1]，國內(nèi)選線專家提出了虛擬環(huán)境選線概念，旨在以數(shù)字地形模型為基礎，構(gòu)架三維仿真系統(tǒng)，模擬鐵路沿線復雜場景，結(jié)合RS地質(zhì)遙感判釋和專家系統(tǒng)進行動態(tài)選線[2]。隨著數(shù)據(jù)源質(zhì)量提升、知識表達推理機制的推演完善和三維圖形操作技術(shù)的瓶頸突破，該項技術(shù)正處于逐步發(fā)展中。

1.2 BIM 簡介[3-4]

BIM(Building Information Model)是一個四維管理系統(tǒng)，即三維實體的全生命周期管理系統(tǒng)。它是在開放的工業(yè)標準下對設施的物理和功能特性及其相關(guān)的項目生命期信息進行數(shù)字化形式表現(xiàn)，從而為決策提供支持，以更好地實現(xiàn)項目的價值。BIM的推廣應將目前國內(nèi)主流的三維演示升級為可視化的三維設計，為設計師、建筑師、設備工程師、業(yè)主乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析”的科學協(xié)作平臺，幫助他們利用三維數(shù)字模型對建筑項目進行設計、建造及運營管理。目前，該技術(shù)已應用于基礎建設規(guī)劃、設計、建設和管理，比較典型的應用有北京奧運會奧運村空間規(guī)劃及物資管理信息系統(tǒng)、南水北調(diào)工程、香港地鐵等項目。在公路設計方面，國內(nèi)相關(guān)軟件研發(fā)公司已推出基于BIM理念的道路三維設計軟件[5]，同時，在積極開展基于BIM的高速公路4D建設管理系統(tǒng)研究工作。在鐵路設計方面，中鐵二院在西部某高速鐵路項目中利用三維設計BIM技術(shù)首次實現(xiàn)了線路、路基、橋梁等主要設計專業(yè)之間數(shù)據(jù)的協(xié)同與共享，不僅提高了工程設計質(zhì)量，而且為業(yè)主提供了更為直觀的交付方式，體現(xiàn)出了BIM技術(shù)在鐵路建設領(lǐng)域廣闊的發(fā)展空間。但在和既有設計軟件的三維整合度上仍存在設計觀念的轉(zhuǎn)變問題，因此研究并建立一套全新的符合三維設計思路的工作模式和設計流程，從而保證從二維繪圖到三維設計的順利過渡和實施，是當前鐵路BIM應用技術(shù)要解決的關(guān)鍵問題。

2 鐵路勘測設計BIM應用技術(shù)探討

2.1 應用領(lǐng)域

鐵路勘測設計BIM進一步推進了虛擬環(huán)境選線的發(fā)展，借助第四代勘測技術(shù)激光掃描技術(shù)的發(fā)展，大型工程數(shù)據(jù)庫的開發(fā)以及三維圖形交互技術(shù)的成熟，它將從技術(shù)應用的層面對鐵路選線理論做出三維完善。其應用滲透勘測、設計、施工、運營全過程。具體來說，根據(jù)初步設計的具體勘測要求，利用機載(車載)地面激光掃描技術(shù)獲取線路行經(jīng)地區(qū)連續(xù)的地形數(shù)據(jù)，無需空三加密，直接構(gòu)建三維實體地面模型，提供給選線設計人員一個仿真的地形環(huán)境，通過地質(zhì)信息的空間疊加，結(jié)合專家系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟約束表達，可動態(tài)進行線路走向決策，并具備實時三維線位和設備查詢及檢查修正功能。在施工過程中，可進一步通過工程實時掃描數(shù)據(jù)和設計原型進行對比分析，進而完成工程體量計算，可有效進行工程進度監(jiān)控和資金控制。投入運營后，以竣工驗收的工程實景為原型進行技術(shù)交接，便于運營單位根據(jù)實際線路運營情況進行設備管理。具體描述如圖1所示。

圖1 鐵路勘測設計BIM應用

2.2 應用技術(shù)分析

鐵路勘測設計BIM系統(tǒng)研發(fā)的總體框架如圖2所示。

針對目前較為成熟的業(yè)內(nèi)工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡傳輸技術(shù)和界面集成技術(shù)，本文將著重研究三維數(shù)據(jù)流的接駁關(guān)鍵技術(shù)，主要包括三維環(huán)境構(gòu)建、三維實體庫創(chuàng)建和三維人機交互技術(shù)。

2.2.1 三維環(huán)境構(gòu)建

圖2 鐵路勘測設計BIM系統(tǒng)研發(fā)

地形環(huán)境三維曲面建模是線路三維可視化動態(tài)仿真與基于三維場景中的線路走向選擇的關(guān)鍵問題，是鐵路勘測設計BIM應用要首先解決的問題?；谀壳皹I(yè)內(nèi)地形數(shù)據(jù)采集模式，易思蓉[2]提出了帶狀地形三維環(huán)境建模方法，通過Coons曲面模型表達線路路基本體表面曲面，并利用分形布朗函數(shù)建立地面三維曲面仿真模型，同時提出了與現(xiàn)有二維作業(yè)模式銜接的三維投影坐標網(wǎng)格的方法，有效地解決了選線三維投影變換問題。

上述方法的數(shù)據(jù)源采集點是離散的，因此在地形擬合過程中為了更好地和地形吻合，需要進行空三加密，導致數(shù)據(jù)處理工作強度大，由此引發(fā)的數(shù)字地形建模不同方法都是試圖在數(shù)據(jù)處理速度和精度之間尋求平衡[5]。因此鐵路勘測設計BIM在仿真環(huán)境的構(gòu)建中可借助既有GIS平臺進行二次開發(fā)，如GoogleEarth，以節(jié)約開發(fā)成本，提高工作效率?；蚩芍苯右爰す鈷呙杓夹g(shù)，通過連續(xù)數(shù)據(jù)點的獲取，以點云數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合工程數(shù)據(jù)庫，直接進行地形數(shù)據(jù)的讀取和分析計算[6];可避免空三加密，實現(xiàn)點對點直接操作，數(shù)據(jù)可靠，且大幅提高數(shù)模處理速度。

2.2.2 三維實體庫

BIM的核心技術(shù)是面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，在上述仿真環(huán)境具備的前提下，需要將線路實體依照設計意向進行空間擺放;因此需要基于參數(shù)化控制進行三維圖元庫的建立。建立的方法有兩種:一是將線路設備原件進行掃描，通過點云后處理軟件進行曲線(曲面)建模，按照單位長度尺寸導入工程數(shù)據(jù)庫待用;另一種是獲取設備三維尺寸，通過三維設計軟件進行矢量化組合，將截面特征數(shù)據(jù)導入工程數(shù)據(jù)庫待用。鑒于國內(nèi)三維圖形處理常用的OpenGL環(huán)境，可利用專業(yè)的三維建模軟件，采用 Oracle數(shù)據(jù)庫進行管理，通過構(gòu)建轉(zhuǎn)換模塊讀取模型數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后在OpenGL環(huán)境中重新構(gòu)建三維模型，解決了OpenGL中的復雜三維建模問題，實現(xiàn)三維人機交互平臺的統(tǒng)一[7]。

2.2.3 三維人機交互

首先介紹BIM繪圖。針對業(yè)內(nèi)常見的三維瀏覽只能“看”不能“動”，BIM明顯地脫胎于三維圖形演示，讓用戶直接在三維環(huán)境中進行動態(tài)人機交互，一邊設計一邊直接進行空間線位檢查、視距檢查、設備檢查、列車運動仿真等，真實感強，有助于提升設計質(zhì)量。國內(nèi)常用的三維人機交互軟件主要有3DMAX(三維瀏覽)、OpenGL(三維設計)，但數(shù)據(jù)接口不夠靈活。因此，針對大型BIM應用，Autodesk公司推出了基于繪圖的以 Revit三件套為核心，配以 Autodesk Navisworks和Autodesk 3ds Max的成套軟件。該軟件以Autocad圖形環(huán)境為支撐，升級了其原有的三維功能，集成了三維圖元庫的創(chuàng)建，具備良好的人機交互界面，靈活的數(shù)據(jù)接口和三維CAD二次開發(fā)接口，適用于鐵路建設使用。使用Autodesk Revit的工作集和鏈接管理，將多專業(yè)的Autodesk Revit模型進行整合和沖突檢測，避免了因為一個小小的專業(yè)間的碰撞所可能導致的施工成本的大幅追加。不僅如此，通過Autodesk Revit系列軟件，可以讓業(yè)主能夠更加直觀生動地了解設計成果的最終形態(tài)。

其次，在結(jié)構(gòu)設計軟件、算量軟件方面早已有穩(wěn)定的產(chǎn)品融合BIM概念使用，功能完善。但在管理軟件方面，基于全生命周期的項目管理軟件囿于使用效果，依然只是概念設計，此處不再贅述。

3 結(jié)語

鐵路勘測設計BIM應用技術(shù)是工業(yè)設計三維趨勢下的必然產(chǎn)物，在研究工作中圍繞三維設計技術(shù)應用，須做好三維數(shù)據(jù)源采集及處理研究，工程數(shù)據(jù)庫研究(包括三維信息表達標準制定)，三維圖元庫的建立，三維人機交互界面的研發(fā)技術(shù)，以及結(jié)合三維算量軟件的配套使用進行三維項目管理研究等。鐵路BIM應用將極大改觀目前的只可三維瀏覽不可三維人機交互的局面，對于提高設計質(zhì)量，完善工程信息管理具有積極的意義。

[1]易思蓉，張家玲.基于智能CAD系統(tǒng)的鐵路選線多方案目標綜合評價方法[J].鐵道學報，2000(5):95-101.

[2]易思蓉.虛擬環(huán)境鐵路選線設計系統(tǒng)的理論與方法研究[D].成都:西南交通大學，2000.

[3]朱江.BIM 在鐵路設計中的應用初探[J].鐵道勘察，2010(6):73-76.

[4]劉大園，姚力，龐玲.基于BIM的鐵路軌道工程三維數(shù)字化設計構(gòu)想[J].高速鐵路技術(shù)，2013，4(6):9-13.

[5]朱慶.分形理論及其在數(shù)字地形分析和地面仿真中的應用[D].北京:北方交通大學，1995.

[6]張小紅.機載激光雷達測量技術(shù)理論與方法[M].武漢:武漢大學出版社，2007.

[7]呂?？?，易思蓉，何麗.OpenGL環(huán)境下的模型數(shù)據(jù)庫管理與復雜三維建模[J].工程圖學學報，2007(2):12-16.