鐵路BIM應用三維線路場景構建研究

夏 宇 ，譚衢霖,2，蔡小培，秦曉春

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京交通大學 線路工程勘測空間信息技術研究所，北京 100044）

建筑信息化模型（BIM）是一個完備的、多層次的三維信息模型[1-2]，能夠將工程項目全壽命周期不同階段的信息、過程和資源集成在一個模型中，通過信息交流來實現項目工程協同設計，滿足工程項目建設發展的要求。同建筑行業相比，鐵路項目有其自身的特殊性[3]，涉及專業繁多且龐雜、覆蓋區域范圍廣、距離長、構造物繁多、地形地質條件復雜，使BIM技術在鐵路行業的應用帶來了諸多困難。當前，BIM在鐵路行業的三維場景構建應用已有一些研究，如文獻[4]實現了基于E-R模型的虛擬高速鐵路場景組合建模方法,建立了具有符合實際標準和高度仿真感覺的虛擬高速鐵路場景；文獻[5]實現了基于虛擬地理環境的鐵路數字化選線設計系統；文獻[6]研究了基于遙感信息的選線系統地理環境建模方法及應用。目前，鐵路行業的BIM應用還處于起步階段，由于行業標準缺失、三維協同設計理念缺乏、輔助建模軟件支撐不足等原因，未能形成一個完整的技術體系，還遠未發揮BIM技術在鐵路項目全生命周期中的價值。

本文針對鐵路線路建設前期工作階段，應用BIM技術建立鐵路線路三維場景，旨在直觀表達地理環境空間對象間的關系，實現對空間對象三維空間分析和操作，滿足線路勘察設計對數據可視化、空間分析等方面的需求，從而進行線路方案優化設計與決策，提高線路設計效率、直觀地觀看設計效果。

1 鐵路三維線路場景構建

在鐵路項目建設前期工作階段，利用衛星遙感技術獲取目標區域范圍的遙感影像與數字高程信息，建立三維地形環境模型。根據研究區域空間位置信息，構建鐵路構造物、沿線附屬設施等三維模型。基于構建的鐵路BIM三維場景，確定線路初步走向，實現三維場景下線路場景展示、實時漫游、動態瀏覽、方案比選。線路三維場景構建流程如圖1所示，并支持外部數據源的導入。

圖1 鐵路BIM三維場景構建流程圖

1.1 三維地形環境建模

鐵路BIM三維場景所需的地理信息包括數字正射影像圖、數字高程信息等[7-8]。數字正射影像圖與數字高程信息相結合，可建立起逼真的地形環境，是構建鐵路線路三維場景的基礎。

高分辨率衛星遙感影像提供了充分、豐富、精確的信息，通過對高分辨率、多光譜衛星遙感影像的解譯，可以對控制性工程的水文、地質等進行前瞻性評估、優化線路設計方案、規避線路方案設計風險。能清楚的反映出地物、地貌、水系分布，提高了鐵路選線設計工作的質量。當前，高分辨率衛星主要有高分一號、高分二號、高分三號、ALOS 、Planet Labs 、IKONOS 、Quick Bird、GeoEye-1 、WorldView等，不同分辨率的遙感影像可適用于鐵路項目建設的不同階段，目前常用的高分辨率衛星遙感影像如表1所示。

數字高程模型（DEM）描述了地面高程信息，可對地形進行數字化模擬，是建立三維地形的重要數字信息。獲取DEM的方法通常有地面測量、航空攝影測量、衛星立體測圖、采集現有地形圖等，DEM獲取方式如表2所示。

表1 高分辨率衛星影像數據源

表2 DEM獲取方式

數字地形模型是三維地形建模的關鍵，根據獲取的DEM數據，可生成不同形式的表面來表示實際地形空間分布，常用的三維數字地形模型表達方式主要有不規則三角網和等高線地形圖。不規則三角網模型如圖2所示，等高線模型如圖3所示。

圖2 不規則三角網模型

圖3 等高線模型

將遙感影像與數字地形模型相疊加，利用計算機可視化技術可建立大范圍三維地形模型。在三維地形環境下可以初步確定線路起終點及線路基本走向，在較大范圍內進行線路方案比選，選擇線路走廊帶，而后截取帶狀范圍可構建線路走廊帶。某線路局部三維地形模型如圖4所示。

1.2 鐵路構造物建模

圖4 某線路區域局部三維地形模型

鐵路構造物的類型眾多、結構復雜，在三維環境下根據基礎數據建模需要繁多的參數控制，精細建模需要花費大量的時間精力。在鐵路選線前期階段，可采用簡單的空間幾何形體模擬構造物模型，如用長方體表示軌枕、梯形體表示道床、圓柱表示橋墩。針對不同類型鐵路線路構造物分別進行建模，如圖5所示。

圖5 鐵路線路構造物

根據線路樁號位置建立構造物三維模型，將三維模型空間數據與屬性數據相集成[9-10]，更改三維模型屬性信息即可對三維模型實時更新，實現對其控制和變換，營造出逼真的三維場景空間，實現鐵路構造物的可視化、信息化。某一小段局部線路和橋梁的三維建模圖如圖6所示。

圖6 構造物三維模型

1.3 鐵路附屬設施建模

鐵路附屬設施包括接觸網、警示牌、警示樁、標志牌等。為三維展示鐵路線路沿線附屬設施景觀，通過在路基兩側計算出鐵路附屬設施對應的空間地理坐標，選取特定模型通過旋轉、縮放和平移操作，將模型在鐵路沿線特定位置進行繪制。接觸網、警示牌三維模型如圖7所示。

圖7 附屬設施三維模型

2 三維線路場景構建實例

2.1 三維地形環境建模

蘭州—張掖三四線是國家“十三五”期間鐵路發展規劃的重大項目，線路起于蘭州中川機場，向西經永登、天祝、古浪、武威、金昌、山丹至甘肅省張掖市。本文選取永登至天祝段局部區域，利用正射遙感影像圖、數字高程模型等信息數據，基于Autodesk公司開發的基礎設施方案設計軟件Infraworks（支持GIS、CAD、BIM數據的導入），選擇“新建”命令創建新模型，進入“創建、管理和分析基礎設施模型”模塊，選擇數據源，打開Raster類型數據，分別加載遙感影像與DEM數據并將其疊加處理，生成該區域三維地形模型。三維地形提供了充分豐富的信息，根據鐵路為帶狀結構物的特點，通過對遙感影像的解譯，初步研判控制性工程的水文、地質等情況，確定線路起終點及大致走向，選定并截取永登至天祝范圍內鐵路走廊帶，如圖8所示。

圖8 永登—天祝鐵路走廊帶三維地形模型

2.2 構造物及附屬設施建模

基于高分辨率遙感影像與數字高程模型建立的三維地形環境，選取線路設計控制點的三維坐標控制線路走向，對方案線路上的橋梁、隧道、路堤、路塹、接觸網等構造物及附屬設施分別進行設置并可進行參數化設計。線路、橋梁模型參數如表3所示。

在三維地形場景中模擬出擬定的鐵路線路并進行三維漫游，方便快捷地查看設計效果，對線路的幾何線形以及景觀協調做出判斷。線路、橋梁、隧道三維建模圖如圖9所示。

表3 線路、橋梁模型參數

圖9 鐵路線路三維模型

2.3 模型效果

在三維場景下可對鐵路線路方案進行日照分析及效果對比，真實地模擬和展現一年中任意時刻的日照、風速、云量等自然環境對鐵路線路的影響。某段線路2018年1月1日6：00、12：00、18：00的日照效果圖如圖10所示。

圖10 鐵路線路日照分析

在初步選定線路走向并完成三維建模后，可對在場景下構建的線路方案進行自動漫游、交互漫游、地面漫游、錄制視頻動畫，形象逼真地展現設計線路方案在三維場景下的效果。自動漫游可將沿線路設計中線作為漫游路徑自動生成三維漫游；交互漫游可實現對三維場景進行控制和對選定方案線路的靜態觀察；根據設定的視點高程，可實現對三維場景高空漫游；通過創建故事板可對三維線路漫游場景錄制視頻動畫并進行文件保存。

3 結束語

本文結合高分辨率遙感影像與數字高程信息，構建起三維地形環境，直觀表現研究區域內復雜的地形地貌特征。通過虛擬現實中的各種構造物及附屬設施，構建鐵路三維場景，可實現方案比選、實時漫游、方案展示、日照分析等功能，使得設計人員在鐵路項目可行性研究階段即可借助計算機虛擬環境進行方案比選及方案展示，并可以獲取三維線路場景豐富的空間和屬性信息。

鐵路BIM三維線路場景的構建，實現了鐵路選線環境的三維可視化。后續工作可以進一步提高鐵路線路三維場景模型精度，完善與其他工點精細化模型協同設計。基于BIM模型的鐵路數字化、智能化、三維可視化、信息化將成為未來鐵路發展的方向和趨勢，隨著BIM技術的不斷發展完善，將逐步實現鐵路設計、建設、運維一體化，BIM應用貫穿鐵路項目全生命周期信息化管理。