基于BIM+GIS 技術的軌道交通工程信息化管理研究

路林海 ，胡冰冰 ，李志國 ，韓祥軍 ，韓 林 ，楊小鳳

（1.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250000；2.上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200082）

引言

我國大約有接近40 個城市已運營軌道交通，運營里程超過5800 公里，如此大范圍隧道建設產生的海量數據的儲存、共享、分析等一系列問題，在工程勘查、設計、施工、監測、維護管理等方面造成不少困難。因此，需要研究通過BIM、GIS 等信息化技術的手段有效收集和處理工程數據和信息。

目前國內外眾多學者在BIM 和GIS 信息化技術應用方面已開展了大量研究。黃廷等[1]人構建了以BIM 為基礎的工程建設管理系統，達到隧道運維可視化的效果；林曉東等[2]人依據BIM 的數據標準擴展，提出適用于盾構的信息模型，把BIM 技術應用于盾構隧道工程。陳光等[3]人根據道路工程信息化特征，提出基于LandXML 的道路信息模型與三維GIS 數據的集成方式。本文以濟南軌道交通R1 線為工程背景，結合軌道交通BIM 的結構模型和GIS 的空間信息地理模型，研發出濟南軌道交通R1 線工程建設信息化平臺，實現了基于BIM+GIS 平臺的軌道交通工程信息化管理。

1 軌道交通工程信息化分析

1.1 軌道交通工程信息化必要性

工程項目具有復雜性和非標準化的特點，隨著建設參加單位的增多，各單位之間的溝通協調難度也相應增加，而各單位相互之間的協同效應對工程建設的效果也有非常重要的影響。在項目實施過程中各單位實時得到項目的海量數據難度較大，不能抓取實時準確的現場數據，只能根據之前的相關經驗。各種原因共同造成工程項目進度滯后、資源浪費現象嚴重[4-6]。

針對此類工程特點，BIM 和GIS 技術的應用可以在很大程度上解決該類問題。GIS 以直觀的地理圖形方式獲取、儲存、管理、計算、分析和顯示與地球表面位置有關的各類信息和數據[7-8]；BIM 技術具備數字化、可視化、真實化的特征，對于工程項目的可視化管理、信息共享以及決策支持具有極大的幫助[9-10]。

在充分研究分析傳統軌道交通工程管理模式的基礎上，總結歸納BIM+ GIS 工程信息化管理方法的優點：（1）促進不同參與單位、不同層級之間關于項目數據信息的共享，提高了不同單位、層級之間溝通效率；（2）將GIS和BIM 的分析特點和工作模式融入到工作中，對外在工具和手段的依賴程度降低；（3）工作流程和顯示效果簡單明了，方便業主和外部人員等非專業人士查看和理解。

圖1 總體框架圖

1.2 軌道交通信息化建設總體框架

軌道交通信息化總體建設思路是以互聯網為傳遞平臺，以信息化為手段，通過引入BIM、GIS 等技術，實現能夠保證各參建方對于信息有效共享的工程管理系統。

系統總體架構如圖1 所示，架構層次從下往上依次為數據層、服務層以及功能層，數據層以數據庫為基礎，運用系統優化技術綜合處理BIM 數據、GIS 數據、工程資料信息等。服務層包含BIM 模型服務、地圖應用服務、操作日志服務等。功能層結合軌道交通業務以界面模塊的形式展現給用戶，包含碰撞檢測、工程檔案管理、設計管理、進度計劃管理等功能。

2 BIM+GIS 與軌道交通融合技術

2.1 BIM 與GIS 融合建立工程建設場景

三維GIS 以數據庫技術為依托，能夠實現對宏觀場景的綜合管理，其中包含海量三維地理信息相關基礎數據，為BIM 模型的構建與展示提供有力支持[11]。

首先，結合項目內容與現有GIS 平臺構建全線地理信息場景，同時在該基礎上與BIM 模型相對應搭建高精度數字高程模型，形成三維地理信息數據庫，并添加附近建筑物、河流、地形以及區域名稱等信息。然后在平面坐標系下轉換BIM 模型坐標參數，并根據調整完畢后的BIM 模型偏移以及方位數據，將BIM 模型批量添加至GIS 里。

2.2 基于BIM 的工程業務數據管理

BIM 技術在軌道交通工程項目應用時，需要根據項目情況對BIM 模型所涉及的數據進行重新編排，并從勘察、設計階段開始不斷完善豐富數據信息，實現工程建設業務數據對象和模型對象的統一。通過工程建設模型結構分解、屬性編碼及生成結構樹，實現業務數據的關聯及應用。

按照軌道交通項目工程的設計、施工等計劃對BIM模型進行充分、細致的單元分解，直到能夠到達BIM 建模管理精度的要求。以軌道交通隧道工程作為示范，軌道交通建設過程會涉及多個隧道工程的開挖、支護等，隧道工程往往又包含多個隧道區間，隧道區間由初支、洞門、管片等不同對象構成，每一個對象又能夠按照相關文件更近一步的劃分。

2.3 BIM 模型輕量化技術

對于大型工程而言其BIM 模型體量也十分龐大，需要高配置的計算機進行渲染、處理，存在加載速度慢、占用資源多等問題，故需要對BIM 模型進行輕量化處理。

（1）數模分離

一個完整的BIM 模型通常包括幾何數據和非幾何數據，幾何數據為二維、三維數據等；非幾何數據包括構件屬性等數據。通過對模型中的幾何數據和非幾何數據進行拆分，將非幾何數據剝離出去，導出為JSON、IFC 等格式，供BIM 應用開發使用。

（2）幾何數據優化

一個BIM 模型中往往存在較多尺寸大小相同的結構，若這些結構在模型中都逐一生成，難免會增加模型的數據量，如果只保留一個結構數據，其它通過引用+空間坐標相結合的方式進行調用，避免相同數據重復加載，提高模型生成及渲染效率。

（3）模型數據實時渲染

利用電腦內存和GPU 實現模型邊下載邊渲染的效果，通過自動計算視點與模型的距離，系統自動進行動態的輪廓模型和精細模型的加載與渲染，節省模型下載到本地的時間，提高系統對模型的渲染效率。

圖2 機電管線設計方案優化

圖3 軌道交通虛擬建造

3 R1 線工程信息化平臺建設

3.1 工程背景

濟南市軌道交通R1 號線正線全長26.1 公里，其中高架線16.2 公里，地下線7.9 公里。共設11 座車站，其中換乘車站4 座，擁有車輛基地1 座。

3.2 碰撞檢測及設計優化

目前軌道交通相關設計技術已經較為成熟，但不同專業的設計內容可能會產生沖突。濟南軌道交通1 號線全部專業的模型整體出來后，根據三維模型本身的特點進行相關碰撞檢測，并采用漫游方式對已經做出的模型進行邏輯規則檢測，預先對管線開展碰撞檢測，提早暴露問題既能夠幫助在之后的工作過程中改善效率，也能夠把其當做2D 向3D 變化的過程。在設計變更階段，當某一環節發生改變，能夠一目了然的發現該環節對其它環節在工程進度以及造價方面的影響。

3.3 隧道管片管理

通過GIS 技術直觀展示隧道管片所在范圍，選中相關范圍后科調出隧道管理BIM 模型，實現軌道交通在GIS 技術與BIM 模型的有機聯動，進而達到項目結束的最終完成效果，從而幫助建設方案進一步調整優化。基于BIM 模型以及GIS 技術的系統構建使工程項目二維進度表現形式向三維可視化形式轉換，從而更有利于相關單位或工作人員查閱、掌握工程信息特征，并且在沒有增加相關單位工作任務的基礎上，使系統能夠較為可靠的將上報數據與BIM 模型進行雙向關聯與融合。

3.4 工程檔案管理

基于BIM+GIS 融合技術實現軌道交通協同管理，依據BIM 數據、GIS 數據、工程管理信息搭建明確的業務邏輯關系。系統可按照使用人員的需求把規劃設計、過程資料、歸檔資料等內容歸并在一起形成相應的工程檔案管理模塊。并且能夠幫助工作人員實時掌控項目情況，實現設計、監測、施工等多部門統一管理，減少各部門因溝通困難造成的經濟以及時間損失。各部門通過系統可以實時查看設計方案等相關資料，提出疑問，提高工作效率，并把全部設計、施工資料錄入系統中，為之后變更、改造提供可靠的技術支撐。

4 結束語

在該軌道交通項目建設中融合BIM+GIS 技術，保證項目整體建設過程能夠實現信息的關聯、互通，全方位、多角度的表達了R1 線路整體和局部內容，實現了技術集成下軌道交通的信息協同，大大提交了工程管理的效率，也為以軌道交通為代表的長線項目以及大規模區域性工程建設提供了良好的示范，主要解決了以下兩方面的問題：

（1）BIM+GIS 技術能夠解決傳統工程建設時單體工程與整體項目信息管理無法有效兼顧的問題。通過融合BIM 和GIS 技術構建軌道交通工程項目場景，系統用戶能夠直觀、全面的了解項目建設情況，為管理者決策提供有力支持。

（2）以互聯網為搭建基礎，實現項目參建各方信息共享、協同辦公，為各單位提供一個協同處理項目工作的平臺，實現工程建設信息的及時共享與高效傳達。