基于三維GIS的鐵路BIM空間信息系統構建及其工程應用

王 瑋

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，陜西 西安 710043；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)被普遍認為是工程領域的第二次信息革命。在鐵路工程中，基于BIM的局部工點設計已經逐步成熟。鐵路工程是帶狀工程，具有范圍廣、與地形地貌結合緊密的特點，如何在地理信息環境下進行全專業的設計集成應用，一直是傳統BIM軟件難以解決的問題。GIS提供了解決大范圍BIM集成的技術基礎。依賴GIS將多工點施工坐標統一到同一地理坐標系,實現對鐵路工程完整性及全局性的參考、展示、評估和分析,彌補了BIM在鐵路表達上的局限性[1-2]。BIM+GIS被認為是解決長大工程中BIM應用難題的關鍵技術。近年來國內相關機構和學者對BIM+GIS的理論、方法、標準等進行了深入的研究，提出了基于IFC的BIM數據與GIS數據轉換的方法，BIM與GIS之間的幾何、語義信息互操作方法等[3-6]。對BIM+GIS的應用也形成了一定的研究成果[7-11]。

本文討論面向鐵路BIM的地理信息融合關鍵技術，從地理信息數據發布、地理環境下的帶狀BIM工程設計、GIS平臺下的BIM數據轉換與集成展示等方面進行分析，提出GIS環境下BIM模型精確定位、工程與地形相結合等關鍵問題的解決方法，并提出一套完整的BIM+GIS系統構建方案。

1 地理信息對BIM設計的支撐

總體而言，GIS在鐵路工程BIM設計中起到兩方面的作用：①作為BIM設計地理信息數據服務平臺，對設計提供地理信息數據的支撐；②作為設計集成綜合展示與空間分析平臺，為多專業數據模型集成、碰撞分析等作支撐，如圖1所示。

圖1 GIS對鐵路BIM設計的支撐關系

本文的思路為：首先構建基礎地理信息服務，為線路設計提供全局性的大范圍DEM、DOM等數據，線路設計成果以概念模型在地理環境下展現；然后根據橋梁隧道等工點范圍，以服務的形式提供局部高精度地形數據，支持各專業的詳細設計；最后將設計的BIM模型集成到地理信息平臺，替換概念模型，并對邊坡工程等需要對地形進行修改的設計內容進行集成，形成全專業的BIM模型集成。

2 地理信息數據及服務構建

2.1 地理信息數據處理

鐵路工程不同的設計階段，對地理信息數據的精度要求也不同。在線路廊帶選擇階段常采用1∶250 000和1∶50 000的數據；在定線階段需要1∶10 000和1∶2 000的地形數據才能滿足設計要求。

本文采用開放遙感數據+航空攝影測量數據相結合的方式，構建多尺度的DEM+DOM地形表達。大范圍的DEM和DOM數據采用開放數據，地面分辨率為2～5 m；鐵路沿線范圍通過攝影測量制作的2 m分辨率DEM、0.2 m分辨率DOM。多源數據在GIS軟件中轉換到統一的工程坐標系。

2.2 多源地理信息數據建庫

地理信息數據建庫是三維GIS數據管理和使用的重要步驟，DEM數據和DOM數據要經過切片和LOD處理，并建立空間索引。為保證數據交換的高效，在高并發下保持極高的IO，切片和空間索引必須采用統一坐標系和分塊方法[12]。將多分辨率的DEM、DOM數據進行配準，然后進行統一切片處理并輸出為空間數據庫。

2.3 地理信息數據服務發布

地理信息服務是地理信息數據對外提供數據支持的接口，支持桌面端和網頁端線路設計軟件、BIM設計軟件，通過標準OGC服務接口獲取地形數據。地理信息服務器是空間平臺的核心，通過地理信息服務以WMTS服務的形式向客戶端提供地形數據[13]。

3 地理信息環境支撐的BIM設計

3.1 地理環境下的線路概念建模

本文采用如下技術路線：以CAD下的鐵路專業線路設計軟件的設計邏輯[14-15]為依托，引導計算機在地理信息環境下，通過構建基元庫、本體知識庫及空間語義約束規則，快速建立鐵路的概念模型場景[16]。通過開發線路概念建模的軟件，實現CAD與地理信息平臺的設計表達同步，以基元組合實現橋梁、隧道、路基參數化概念建模。西成高鐵線路概念建模的效果如圖2所示。

圖2 西成高鐵線路概念建模

3.2 地理環境下的BIM工點設計

工點設計是概念建模后對局部工程的詳細設計。西成高鐵項目采用Revit進行橋隧設計，采用Civil3D進行邊坡和路基設計。Revit中只能表達工點周邊較小范圍的地形，通過開發WMTS接口工具軟件，實現在工點左右一定范圍內DEM數據的自動獲取，并自動形成Revit場地模型。Civil3D支持的范圍較大且支持地理坐標，可通過文件直接導入從地理信息服務獲取的DEM數據。

4 地理環境下的BIM模型集成關鍵技術

BIM模型與GIS的數據組織有明顯的不同，主要體現在兩個方面：①BIM模型幾何特征豐富，單個構件模型幾何細節豐富，其三角網密度遠超傳統GIS平臺可承受的模型密度；②BIM模型語義描述復雜，族庫、構件等概念下的多層次語義關系無法直接通過GIS的特征層進行表達。因此，要實現在GIS平臺下的BIM模型集成，必須對BIM模型的存儲方式進行分析，并對幾何特征和語義信息采取不同的處理方式，最終在GIS系統中恢復幾何形態和關聯表達語義信息。

4.1 BIM構筑物模型信息提取

BIM模型信息的提取是地理信息環境下模型集成的核心問題之一。本文深入研究Revit模型的特點，研究出一套既能保持模型信息，又能最小化模型數據存儲的方法。

Revit模型基于族實現設計概念可復用，實現參數化的設計。本項目基于Revit提供的IExportContext接口，擴展了自定義的數據導出程序。本文方法繼承了Revit當前視圖的參數設置，如族過濾、精細程度等，實現了輸出的所見即所得。IExportContext接口將文檔所有對象都按元素(Eliment)導出。每個元素由材質、面、多邊形網格構成其幾何特征，同時具有一個坐標轉換矩陣參數及屬性特征集。為了盡可能減少輸出文件的大小，本文采用了材質庫和幾何引用的方法。在一個Revit模型文件中，形態相同的對象模型是復用的，因此成百上千的扣件引用了同一個扣件幾何對象。通過構建模型庫，將Revit中的引用關系繼承下來，使得幾何相同的對象引用到同一個Mesh模型中。因此可大幅降低導出模型文件大小。屬性數據通過唯一的標識符進行關聯且直接存儲在XML文件或數據庫中，需要引用屬性時，可通過唯一標識符調用數據。

4.2 BIM構筑物模型空間精準定位

在BIM設計軟件中模型建立都在局部的工程坐標系下。當模型集成到地理信息系統中時，必須對模型進行坐標轉換。鐵路BIM模型的構建都以線路里程為基準，因此定位可以通過線路平縱數據為中介進行轉換。Revit建立的局部坐標系為空間直角坐標系，其Z方向為天頂方向，因此Revit局部坐標與地理坐標之間存在4參數轉換關系，公式如下

(1)

式中，(X、Y、Z)表示局部坐標值；(X′、Y′、Z′)表示地理空間坐標；(ΔX、ΔY、ΔZ)為局部坐標系到地理坐標系的相對偏移量值；α表示兩個坐標系之間的方位角夾角。

通過2個點里程的地理坐標，即可平差計算出(ΔX、ΔY、ΔZ、α)4個未知數，即可確定局部坐標與地理坐標之間的關系。

在西成鐵路設計中，通過對不同橋梁、隧道工點模型沿線路進行定位，實現在地理環境下的BIM模型總裝，拼接誤差優于1 mm。圖3為西成高鐵十岔溝中橋和清涼山隧道銜接效果。

圖3 十岔溝中橋與清涼山隧道精準定位效果

4.3 Civil3D模型信息提取和轉換

路基工程、隧道洞口邊坡等處理地形設計工作在Civil3D中完成。在Civil3D中可直接導入線路和洞口局部地形數據，其坐標系統也完全一致。洞口邊坡的設計，本質是對地形的修改，在GIS平臺中，不支持地形修改與原始地形直接對接。本文通過軟件研發，將Civil3D設計開挖地形無縫整合到GIS中，算法過程如圖4所示。

圖4 洞口開挖設計與地理信息整合流程

首先通過從Civil3D中準確提取開挖區域的邊界多邊形，對原始地形進行精確開挖；然后以邊坡模型填補開挖區域，實現了邊坡模型與地形的無縫融合；最后將邊坡模型與隧道洞口模型進行求交，實現邊坡洞口的開挖。最終實現地形、邊坡模型、洞口模型的整合。西成高鐵清涼山隧道入口集成隧道模型、邊坡模型、地形模型的效果如圖5所示。

圖5 清涼山隧道入口整合效果

4.4 BIM模型輕量化處理與多層級LOD處理

BIM模型的特點是設計細節豐富，對象復雜且數據量巨大。為滿足全線BIM模型的無縫流暢瀏覽，必須對BIM模型進行輕量化處理并建立多分辨率細節層次模型。模型輕量化目前常用如下兩種方法[17]：

(1)采用整體模型三角網抽稀的方法，如Skyline的LOD三維格網圖層數據庫(3DML)。這種方法的優勢是人工干預少，可快速建立BIM多分辨率細節層次模型，并且與地理信息系統表達的多分辨率地面模型的層級相適應，顯示效率極高。但此方法對錨桿、扣件等小模型產生Mesh面粘連。

(2)采用逐個單體模型Mesh面抽稀再組合的方法。這種方法解決了模型之間的Mesh面粘連問題，但是逐個存儲管理降低了索引和存取效率。

本文提出了一種混合的策略，解決效率和效果之間的矛盾：對于模型較大復用率較低的模型，采用一次抽稀的方法建立LOD模型；對于小零件或可復用模型，采取單獨抽稀并建立引用的方法。本文方法既保持了模型精細度，又有效降低了外部存儲IO，提高了瀏覽模型加載效率。圖6為采用本文方法建立的清涼山隧道輕量化LOD模型效果。

圖6 清涼山隧道LOD分層模型瀏覽效果

5 鐵路BIM空間信息平臺構建

以西成高鐵試點項目工程BIM設計為例，其設計采用Autodesk、Revit、Civil3D實施。三維GIS平臺采Skyline為主體平臺，采用SOA服務架構，結合自主研發的模型處理模塊實施。

在鐵路設計中，利用本平臺可實現對構建的統一管理，在設計階段實現模型的集成、屬性信息的管理與維護、構件統計與工程算量、斷面提取等功能。在工點銜接處，可通過多專業BIM模型集成，檢測工點碰撞，及早發現和修正設計問題。通過構件統計實現工程量的估算，為評估工程造價作支撐。

6 結 語

BIM+GIS作為解決長大鐵路工程BIM應用的核心技術，近年來受到業內外的廣泛關注。本文結合西成鐵路的設計需求，構建了用于鐵路BIM設計集成的GIS空間信息平臺。在此過程中，研究并解決了線路概念模型構建、多專業多類型BIM模型數據信息提取、空間基準統一與基于線路坐標的模型定位、地形開挖、海量模型輕量化與多層次細節顯示策略等關鍵技術，形成了一套完整的BIM+GIS鐵道工程技術解決方案。本文的成果在西城鐵路設計中得到了應用和驗證，并且可在其他帶狀工程BIM設計中使用。