基于InfraWorks的城市軌道交通項目規劃研究*

呂希奎 陳淑娜 孫培培

（1.石家莊鐵道大學交通運輸學院，050043，石家莊；2.河北省交通安全與控制重點實驗室，050043，石家莊∥第一作者，教授）

0 引言

目前國內的城市軌道交通從規劃到設計，再到最終的實施，基本還是采用傳統的計算機輔助二維設計為主。這種設計方式不易直觀地發現各種潛在的沖突，不僅設計效率低下，且容易造成設計缺陷，難以滿足城市軌道交通規劃設計工作的需求。以三維數字技術為基礎的BIM（建筑信息模型）技術，通過參數模型整合各種項目的相關信息，在項目規劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，提供了一個可以供不同參與方進行協同使用的平臺，為城市軌道交通設計提供了巨大的推力［1-14］。

InfraWorks作為BIM的一款主流軟件，是歐特克公司推出的一款適用于基礎設施項目規劃和方案階段的全新設計工具［15］。InfraWorks提供了極其方便和快捷的基礎設施要素繪制和編輯功能，能夠快速創建逼真的三維數字模型和三維環境。利用Infra-Works提供的多種與可視化相關的功能，使設計師能夠在真實場景中進行規劃設計，使用可視化成果展示其設計方案。完成方案設計之后，還可以對設計成果進行各種分析，以驗證該設計的可行性。同時，Infra-Works可以在一個模型下創建多個不同的方案，設計人員和其他利益相關方可以在同一個真實的場景下直觀地對比不同的方案選項，從而快速做出決策。InfraWorks BIM與Revit軟件和Civil 3D軟件之間具有良好的數據交換能力，使得不同類型的模型和數據得以有效的整合，從而讓綜合規劃設計更為精確。

InfraWorks的這些優勢在線路的初步規劃設計階段能夠為工程設計、方案比選提供技術支持和新的平臺，將極大地改善傳統二維環境下的不直觀、設計效率低，溝通不順暢等弊端；對提高設計效率、節約成本、保證質量，實現工程項目策劃與設計、運行和維護等全生命周期內進行信息共享、傳遞、協同、決策等方面具有良好的作用。

1 軌道交通規劃設計BIM應用技術路線分析

InfraWorks作為BIM技術的其中一環，從它的特點分析，主要適用于建設工程前期方案研究和后期設計成果的整合與展示。它的核心功能主要體現在三個方面：一是基礎模型的創建；二是初步方案的直觀擬定與宏觀判斷，為中期的詳細工程設計提供指引；三是漫游瀏覽和效果展示。InfraWorks突破性的可視化三維建模技術，能夠更加方便、高效地管理大型基礎設施模型以及加速設計流程。在Infra-Works平臺中可以草繪鐵路、公路、水域、管道、建筑等基礎設施［16］，并且可以評估初步的工程數量、區域屬性分析、高程分析。通過直接在InfraWorks的模型生成器中獲取地形信息或者從地形數據的網站上下載數字高程數據再導入到InfraWorks中，可規劃線路的多種方案。然后將其設計成果導入Civil 3D中進行施工詳圖設計。橋梁、隧道等線路結構物可在Revit軟件中進行精細設計，最后以FBX格式導入到InfraWorks中進行設計成果三維展示。通過InfraWorks對設計成果的整體把控，分析其不合理以及需要調整的地方，再導出到Civil 3D軟件中進行調整，以此類推反復循環，直到設計成果為最優。設計流程如圖1所示。

圖1 InfraWorks與Civil 3D、Revit之間的設計流程

2 軌道交通三維場景建模

2.1 城市軌道交通地形規劃設計

InfraWorks支持大范圍的三維地形，可在其中進行三維地形規劃的，主要有以下兩種方式。

（1）在InfraWorks中的模型生成器中有免費低精度的地形圖數據（可下載200 km2的范圍），其精度取決于微軟“必應地圖”的精度。下載的地形數據包含三維地形、坐標（經緯度）、高程（單位為m）、衛星航片、水域、路網（包含屬性信息，該屬性信息取決于公開地圖系統的數據精度及內容）、建筑等。

（2）如果城市軌道交通項目范圍大，可在免費提供高程數據的網站如“地理空間數據云”和“SRTM”下載數據。在地理空間數據云網站上可下載數字高程數據，并根據城市軌道交通項目所在區域的經緯度選擇合適的地形圖下載（數據的后綴格式為.img格式）。再從Google Earth（谷歌地球）上下載航拍映像（包括航拍圖片、路網標簽），以生成.jgw坐標信息文件，在InfraWorks中以Raster類型數據導入。

InfraWorks中生成的三維地形如圖2～4所示。

2.2 城市軌道交通三維場景創建方法

圖2 InfraWorks中展現的地形圖

圖3 加上正射影像后展現的地形圖

三維真實場景是進行線路規劃設計的基礎環境，如何快速創建真實度高的三維場景就顯得尤為重要。Autodesk Raster Design軟件可以使CAD矢量圖與光柵圖進行匹配，因此使用Autodesk Raster Design將已有的城市建筑及道路矢量圖與城市衛星影像圖進行匹配（匹配之后效果見圖5）。匹配之后通過生成的.jgw坐標文件，為建筑物及道路指定坐標。再將這些建筑物及道路導出為sdf文件，然后導入InfraWorks中。這種方法可以快速地創建建筑物及道路，效果圖如圖6所示。

圖4 修整后展現的地形圖

圖5 匹配之后的效果圖及放大圖

圖6 InfraWorks中的效果圖

InfraWorks可生成建筑模型，為了使建筑物更加逼真，可使用Revit平臺進行細化建筑物。

再添加上道路、綠化、樹木、路燈等其它附屬設施，最后完成的三維場景如圖7所示。

圖7 InfraWorks三維場景效果圖

3 基于InfraWorks的城市軌道交通線路規劃設計方法

城市軌道交通線路規劃設計是在已經確定的城市軌道交通線網條件下，研究某一條或某一段線路的具體位置，確定相關細節，包括線路的路由方案、敷設方式以及站點選擇等。在InfraWorks中三維環境建立之后，就可以開展線路規劃設計。根據InfraWorks平臺特點，基于InfraWorks的軌道交通線路規劃設計主要圍繞基于三維場景模型所明確的線路控制點及周邊條件進行粗線條、高效率的宏觀線路方案展開。

3.1 線路平面設計（建立路由方案）

InfraWorks的一大優勢是基于設計規范建模，以保證所設計的線路符合設計規范。在三維環境中，通過線路創建工具，根據確定線路控制點及直觀的周邊條件，可以直接在三維環境中基于角點進行平面線形設計，確定線路空間走向，從而建立路由方案。軌道交通的區間線路平面由直線、圓曲線和緩和曲線組成，可在InfraWorks中設置曲線半徑、緩和曲線半徑及緩和曲線長度；也可以直接在三維環境中拖動線路中心線，實時調整線路空間走向，實現在直觀的三維環境中快速建立線路路由方案，如圖8所示。

圖8 線路空間走向動態調整

3.2 線路縱斷面初步設計（確定線路敷設方式）

根據建立的線路路由方案，可自動提取線路中心線對應的數字高程模型作為地面線，利用Infra-Works的縱斷面視圖，可進行方案初步的縱斷面設計（見圖9）。在縱斷面視圖中直接拖動控制點標高三角形，拖至相應的高度處即可；也支持手動輸入參數，根據線路中線高程與地面線高程關系，即可快速確定線路敷設方式（地下隧道、地面線和高架橋梁）。在InfraWorks進行的初步設計并不能出線路縱斷面圖，將InfraWorks設計數據導入到Civil 3D軟件中，可在Civil 3D軟件平臺中進行施工詳圖設計。

圖9 線路縱斷面圖

3.3 線路Revit精細化設計

城市軌道交通線路的橫斷面設計內容包括確定路基、橋梁、隧道等。在InfraWorks中根據地形地物及設計規范確定路基、橋梁、隧道的里程位置。InfraWorks中有線路設計及其相應橫斷面設計的功能，編輯高架橋梁、地下隧道的大致樣式表示。在Revit平臺中對于重點地段的梁體、橋墩的族模型以及拼接、參數化控制，進行精細化設計，以確保城市軌道交通設計的真實性。所設計的路基、橋梁和隧道圖分別如圖10～12所示。

InfraWorks中線路初步設計完成之后，將初步設計成果導入到Civil 3D軟件中進行線路的精確設計。

圖10 路基俯視圖

圖11 橋梁效果圖

圖12 隧道效果圖

3.4 集成設計效果展示

在三維設計的基礎上，將調整后的Civil 3D設計成果以IMX文件重新導入到InfraWorks中來展示最新的設計成果。這樣不但可以精準地展示設計方案，而且在后期項目施工圖設計階段，可在Revit平臺中進行深化設計，并可結合精確的地形模型進行站位規劃，又能兼顧各種規劃設計問題。圖13給出了高架橋的設計效果圖，圖14給出了隧道出口的設計效果圖，圖15給出了車站出站口設計方案。通過效果圖可以直觀地看出車站出站口、高架橋和隧道出口設置與周邊建筑和交通的融合情況，可為方案決策提供更直觀的依據。

圖13 城市軌道交通高架橋設計效果圖

圖14 城市軌道交隧道出口設計效果圖

4 結語

BIM三維模型實景展示比起單一的常規二維平面展示，有利于讓參與各方了解項目、了解方案。本文以InfraWorks BIM平臺為基礎，研究了利用BIM技術進行城市軌道交通項目的地形規劃設計、三維場景建模、線路規劃設計、集成設計效果展示等，實現了城市軌道交通在規劃和方案階段的解決方案。同時，利用InfraWorks多種與可視化相關的功能，實現了在真實場景中設計方案的可視化成果展示，有利于決策者最終確定設計方案，更有利于后期的深化設計。研究成果也為城市軌道交通BIM設計奠定了一定的基礎。

圖15 城市軌道交通車站出站口設計效果圖

參考文獻

［1］ 王玨，賈興斌，馬映登.BIM技術在軌道交通項目規劃中的應用研究［J］.鐵路技術創新，2015（3）：55.

［2］ 葛清，趙斌，何波.BIM第一維度——項目不同階段的BIM應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，2013：45.

［3］ 戴林發寶.隧道工程BIM應用現狀與存在問題綜述［J］.鐵道標準設計，2015，59（10）：99.

［4］ 寧冉.探索市政工程的BIM之路［J］.中國建設信息，2014（10）：38.

［5］ 吳守榮，李琪，孫槐園，等.BIM技術在城市軌道交通工程施工管理中的應用與研究［J］.鐵道標準設計，2016，60（11）：115.

［7］ 柯尉.BIM技術在地鐵車站工程中的應用初探［J］.鐵道勘測與設計，2014（2）：39．

［8］ 盧祝清.BIM在鐵路項目中的應用分析［J］．鐵道標準設計，2011（10）：4．

［9］ 仇兆明.建筑信息模型技術在上海軌道交通9號線東延伸工程建設中的應用［J］.城市軌道交通研究，2016（6）：157.

［10］ 劉鐵民，曹明華.城市軌道交通行業建設階段建筑信息模型的應用［J］.城市軌道交通研究，2015（6）：7.

［11］ 王尚偉.城市軌道交通工程BIM研究及應用［J］.建設科技，2016（24）：39.

［12］ 劉純凈.BIM技術在城市軌道交通工程設計階段的應用研究［J］.建設監理，2016（8）：8.

［13］ 劉磊.BIM技術在城市軌道交通工程中的應用［J］.鐵路工程技術與經濟，2016（11）：51.

［14］ 趙鐵柱.城市軌道交通站臺門參數化三維建模軟件開發與應用［J］.城市軌道交通研究，2017（5）：147.

［15］ 張波.AutoCAD Civil 3D與 AutoCAD InfraWorks 360協同設計在 3D 模型方案中的應用［J］.中國市政工程，2015（6）：58.

［16］ 李震，張帆，吳明帥，等.Civil 3D與InfraWorks三維協同設計在總圖專業中的應用［J］.油氣儲運，2016，35（6）：648.