基于BIM+的鐵路車站改擴建的資料管理

葉 鵬 何越磊 路宏遙 校穎浩

(上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620)

引言

隨著我國經濟社會的高速發展，國家對鐵路建設大規模投入，鐵路運能增長迅速，呈現出先期建設的鐵路車站服務水平嚴重下降、其規模能力與其承擔的交通運輸的任務和在交通網絡中的作用不相匹配等突出的問題，已無法適應當前的客運需求，對不相適應的鐵路車站進行改擴建已勢在必行。同時，車站改擴建工程主要存在施工中資料管理及施工完成竣工交接兩方面問題。一方面，在車站改擴建施工過程中考慮諸多因素：施工場地狹小、拆遷任務繁重、工程質量與安全、施工工期等。在如此復雜的環境下，涉及工程各階段多專業的資料分類歸檔管理尤為明顯，資料的最優分類歸檔，也有利于后期車站運營階段設備養護維修的資料高效調取及利用； 另一方面，隨著各級審批、驗收部門對工程資料形成、整理等管理的規范化，而作為工程質量重要影響因素的工程資料，受到項目工程總包單位重視。而當前的工程資料采取的還是相對傳統的管理方式，無法實現高效直觀調取并展示資料，達到后期工程竣工資料交接的“錦上添花”，并為后續運營維護提供支撐的目的。而伴隨著科技的發展，各項理念和技術的產生及發展，應用于各個領域，其中建筑信息模型(Building Information Modeling)即BIM的引入可以解決上述鐵路車站改擴建過程所涉及的問題[1]。

目前，針對BIM應用于鐵路車站方面已展開大量研究，國外研究如：文獻[2]中以天津西站作為公共建筑節能的研究對象，通過BIM與原始設計兩種方法比較，優化設計節能策略，根據結果顯示前者對節能減排效果良好； 研究過程中BIM為可視化、高質量、協調和建筑性能模擬提供了一個技術平臺，同時該研究對BIM技術支持的寒冷地區高速鐵路車站及其他大型公共建筑的節能設計具有參考價值。文獻[3]中作者開發出基于Revit的擴展工具，實現鐵路工程師設計并代表鐵路站同時進行，并在中國廈門站得到應用，結果表明，模型在實際構建開始之前就突出顯示了任何可能的沖突，增強BIM的實用價值。文獻[4]指出在綠色建筑項目的應用處于探索階段，VDC/BIM作為創新技術在未來應用有很大改進空間，并在上海西鐵路車站得到應用，并具有重要的參考和指導意義。此外，國內進一步深入研究，將BIM應用于鐵路工程建設管理方面，如：文獻[5]針對目前鐵路項目建設管理存在的問題，結合鐵路領域BIM發展現狀，運用BIM解決現有問題，并指出BIM技術作為徹底改變工程建設領域數據收集整理的方式、引領工程建設項目投資管理進入大數據時代是工程建設的發展趨勢。文獻[6]以廣州地鐵官湖車輛段項目作為研究對象，探索BIM技術的應用，研究表明基于BIM的信息的信息化管理及數據分析獲得良好的經濟效應，為BIM技術的應用提高了典型的應用研究樣板。文獻[7]運用BIM解決目前鐵路項目建設管理存在問題，并指出BIM引領工程建設項目投資管理進入大數據時代是工程建設的發展趨勢。文獻[8]在鐵路工程建設項目管控方面存在的問題，從傳統的施工進度、質量、安全等項目管控方面融合BIM技術，研究出一種BIM技術的鐵路項目管理體貼，實現各方信息高效的傳遞與共享。文獻[9]面對建設工程項目管理存在的問題，從BIM技術的角度分析項目全壽命期集成管理，通過兩者共同之處實現有機集成，構建出基于BIM的管理研究架構并給出相關建議，以期提高管理水平和拓展BIM的應用領域。文獻[10]利用BIM協同設計解決軌道交通設計涉及的復雜問題，提出一軌道交通協同管理平臺并投入使用，促進了BIM技術在我國鐵路領域項目管理的發展。文獻[11]以隧道BIM模型為載體，通過資料信息整合、信息與模型關聯等步驟形成隧道BIM模型數據庫，構建出工程信息管理平臺，并為運營養護階段提供了精準數學化信息，為項目資料管理方面提供一定的支持，具有一定研究空間。

因此，本文提出基于BIM+鐵路車站改擴建資料管理的方法，實現了鐵路車站資料直接調取、模型與資料關聯及調取、沉浸式漫游的站內關鍵設備信息獲取三方面功能。基于三維互動平臺Unity3D 進行開發并結合VR技術構建出一套基于BIM+的鐵路車站改擴建工程資料管理系統，為鐵路領域資料數字化管理工作提供一種行之有效的技術管理手段。

1 鐵路車站改擴建資料管理的方法

鐵路車站改擴建資料管理是依托BIM的可視化、信息化等優點，以BIM模型為載體，并依據BIM聯盟標準及其他相關標準，將改擴建過程的海量信息資料匯集并科學規范化整合； 在Unity三維互動平臺上進行開發，實現鐵路車站數據的可視化[12]，并結合虛擬仿真進行進一步功能開發，提升車站管理人員對車站宏觀的認知層次水平。資料管理方法流程如圖1所示。

圖1 實施流程

1.1 工程信息庫及BIM模型

因車站改擴建過程中伴隨著海量信息資料的產生，從工程初期就確定工程資料信息標準對資料的收集、分類及命名其至關重要的作用。本文在資料分類與歸檔方面，從BIM視角分析資料管理，以鐵路BIM聯盟標準為主體，同時結合國家標準、地方標準對資料進行科學的分類，形成一套適合車站改擴建工程資料規范化分類及歸檔的標準。文中研究的對象以京滬鐵路線上某車站改擴建工程為例，該車站隸屬于中國鐵路上海局集團有限公司管轄范圍，同時所屬江蘇省。因此，本文主要參考標準如下：

①鐵路BIM標準匯編中的《鐵路工程信息模型分類和編碼標準1.0版》[13-14];②《上海鐵路局建設項目檔案管理暫行辦法》;③《江蘇省房屋建筑和市政基礎設施工程檔案資料管理規范》。針對研究對象即某鐵路車站改擴建工程的特點，采取①為主，②③為輔，實現②③對①的補充，并結合工程實際，采用四種主體分類方式即鐵路工程產品、鐵路工程人員角色、鐵路工程組織角色、鐵路工程工項，研究出一種鐵路車站改擴建資料分類歸檔標準的解決方案，實現工程資料庫的規范化，并便于后面資料與模型的關聯。

在資料分類歸檔的過程中，我們可以同時進行建立BIM模型，提高工程效率。由于車站改擴建工程所使用多為CAD圖紙，采用Revit建模軟件根據CAD圖紙對應的車站標高，建立車站整體的軸網，運用標高和軸網體系快速建立鐵路車站的BIM模型。因鐵路車站存在復雜異面構件，以彈條扣件為例，Revit無法快速建立其三維模型，需要采用3Dmax對其進行建模。具體建模流程圖如圖2所示。

圖2 建模流程

1.2 鐵路車站場景渲染

將整理完成的規范化工程資料庫及車站三維模型的FBX格式文件載入Unity中，同時對載入模型按照工程資料庫的分類依據進行標準化分類，便于減輕三維模型與資料庫關聯的工作量。在車站三維模型載入Unity平臺中不可避免地存在材質丟失或渲染無法滿足需求，可通過Unity自帶材質或自創材質進行實現。同時在保證模型精度需求的條件下，對鐵路車站進行多場景展示，達到降低內存資源的占用、減少了機器的運行負擔的目的。

為了使場景更具有真實感(如：候車燈光及陰影效果，鋼軌等金屬構件的金屬光澤等等)，根據鐵路車站的實際情況，對相應的構件模型進行相關的渲染操作。如：通過設置系統光源為“Directional Light”(方向光)，使場景內物體出現陰影； 通過在站房等位置設置“Spot Light”(點光源)模擬現實中燈光，實現站房等位置燈光效果的真實性； 通過主攝像機設置“Skybox”(天空盒)，渲染戶外環境等操作。

1.3 信息庫與模型的集成

Unity是由Unity Technologies 開發的跨平臺游戲引擎，主要應用于視頻和游戲，但在工程、結構、建筑、汽車等行業被廣泛的使用。Unity通過對圖形渲染管道的優化，降低了運行交互式動畫、虛擬仿真等功能時的硬件要求，并創造出高品質的仿真系統及沉浸式體驗[15]。

在Unity中依托鐵路車站改擴建三維模型，并將整理完成的工程信息庫導入Unity項目的資源文件夾中，利用C#語言對Unity進行開發實現鐵路車站改擴建的資料管理。同時，為降低內存資源的占用、減少計算機的運行負擔，提高資料管理系統運行效率，對鐵路車站場景進行多場景展示。在各場景中通過射線拾取物體、獲取信息庫中相應物體文件等C#腳本編寫，實現信息庫與物體模型的集成。具體如下：

(1)射線拾取物體。在本文資料管理的系統中利用Unity提供射線類以及相關的函數接口進行腳本編寫； 通過腳本編寫實現場景中射線對物體拾取即：在射線的軌跡上，一旦與物體模型發生碰撞，停止發射射線，完成對物體的拾取。拾取物體部分腳本如圖3所示。

圖3 拾取物體部分代碼

(2)獲取物體文件。在對物體拾取的情況下，利用C#語言編寫實現鼠標左鍵點擊的確定，獲取物體名稱，從而獲取信息庫中物體相應的信息文件的功能。其中為提高資料調取效率，在不同場景中物體所對應信息庫的路徑存在略微區別。其部分腳本如圖4所示。

圖4 C#語言獲取信息庫中物體文件

最終，在Unity中通過C#語言完成信息庫與物體的集成，實現直接調取工程信息庫、直觀可視化點選構件模型方式查找鐵路車站改擴建資料的功能。同時該鐵路車站資料管理方法具有可以直接借助windows系統自帶或安裝的軟件打開資料庫內的各類常見格式的文件。如：文檔類的doc、txt，圖片類的jpg、png，音頻類的avi、mp4等格式。同時在一定程度避免因減少插件的使用及版本升級而無法使用等因素，提高系統的適用范圍。

1.4 仿真在車站資料管理中的應用

為了增強工程資料的展示效果，引進VR技術[16]，利用VR特有的沉浸式優勢[17]，實現了提高鐵路管理人員對關鍵設備及車站整體的宏觀認知水平，最終達到資料庫在運維階段的“再利用”及提高人員應急能力的目的。具體實現步驟如下：

(1)交互場景[18-19]。由于采用Unity平臺本身所具備多插件的強大優勢，可在Unity store中下載由C#開發的SteamVR Plugin 和Vive Input Utility 工具包，通過將工具包中CamerRag、ViveColliders組件載入場景并進行相機設置； 然后對VR設備HTC VIVE進行設置，利用LaserPointer等腳本實現對手柄的控制，最后設置手柄按鍵參數實現選擇確認、行走等功能。

(2)VR漫游功能。通過平緩移動位移方式來實現VR的漫游； 對場景中表示左手柄的Contorller(left)對象上加載Touchpad_Wal-king腳本并進行參數設定，以頭戴顯示設備正前方為移動參考方向； 同時該腳本對手柄TouchPad鍵具有監聽功能，并以觸摸點移動方向代表場景中用戶的移動方向。

(3)資料展示。針對關鍵設備或構件進行沉浸式直觀展示，通過在Unity中添加Canvas并將設備或構件相關信息添加到對應Canvas中，然后在Canvas中添加具有在VR中展示設備信息、視頻功能的Image與RawImage組件； 在場景中設備模型添加Button實現對 Canvas彈出操作進行設置，然后在手柄、Button中分別添加好相應的腳本并利用C#對其進行相應修改，最終達到VR 場景中交互獲取構件信息功能。

2 案例分析

京滬線某鐵路車站改擴建工程于2015年12月啟動，改造資金約5 億元，工期3 年，改造內容設計普速站房、站場、高架站房等一體化改造。改造完成后實現南北貫通，極大便利旅客的進出站。其中，新建高架站房建筑面積6 486m2，長82.2m，建筑形式與既有城際站房相同； 站場規模為4臺7線。改擴建工程涉及多專業穿插施工作業，過程中產生海量的資料。傳統的資料管理方法面對復雜施工環境捉襟見肘，運用信息化手段進行全面、科學、高效的管理是勢在必行。

鐵路車站改擴建資料管理系統以上述車站的改擴建工程為研究對象，共設計了3個場景界面，即主界面、站房界面、站場界面。在一定程度上提高資料管理效率并使其展示更加直觀可視化，提高工程竣工的資料交接效率。

在主界面中主要涉及車站與工程資料查詢兩部分。在車站方面可以點擊站房或站場進入相應的場景； 在工程資料查詢方面可以選擇鐵路工程產品、鐵路工程人員角色、鐵路工程組織角色、鐵路工程工項，直接進入資料信息庫中查找相應文件。選擇界面如圖5所示。

圖5 主界面

通過點擊主界面的車站方面的不同按鈕進入站房或站場場景，下面以點擊站房按鈕為例，點擊站房按鈕，進入站房場景如圖6，在此場景中可通過鼠標左鍵點擊場景中的構件直接彈出在資料庫中相應的資料如圖7，彈出的窗口可以直接借助Windows系統自帶或安裝的軟件打開構件資料的相應格式的文件； 同時為增強使用者對站房整體認知深度，使用者頭戴智能VR眼鏡，手持操作手柄實現對車站沉浸式虛擬仿真漫游如圖8，在一定程度上提高其認知水平。

圖6 站房界面

圖7 構件調取資料

圖8 站房虛擬仿真漫游

除上述直接通過場景中點擊構件調取資料的方式外，可以通過在主界面點擊工程資料查詢方面中的一個按鈕，進入工程資料庫中直接進行查詢。以鐵路工程工項為例，通過鼠標左鍵點擊主界面的“鐵路工程工項”按鈕直接進入其所屬的工程資料，如圖9所示。

圖9 鐵路工程工項資料

此外，為進一步增強資料管理者對鐵路車站資料的認知和管理，對車站某些常用構件附加重要信息，借助VR設備通過點擊紅色按鈕如圖10，實現構件信息的高效調取，進一步提高了鐵路車站人員運營期間的維修效率。

圖10 VR點取資料

通過應用工程資料與車站BIM模型關聯的方法來實現鐵路車站資料管理，有效地提高管理人員調取資料的效率，保證了資料的準確性； 運用模型查找相關資料在一定程度上革新了傳統的資料管理模式，有助于后期竣工時資料的交接； 在車站投入運營時，本文應用的資料管理方法節約了大量的車站資料管理的人工成本，同時提高了鐵路車站管理水平。

3 結論

本文以某鐵路車站改擴建工程為例，革新傳統的改擴建工程中資料整理的方式，提出基于BIM+的鐵路車站改擴建資料管理的方法。以鐵路車站的BIM模型為載體，通過Unity的平臺開發實現了車站模型與資料關聯，并運用了虛擬現實技術，最終形成了鐵路車站改擴建的資料管理，主要結論如下：

(1)采用BIM+的鐵路車站改擴建資料管理方法，以鐵路BIM聯盟標準為主要依據進行工程資料整理分類，可以有效地解決車站改擴建中工程資料整理標準不一致的問題。

(2)利用BIM+的資料管理方法，將鐵路車站場景中構件與信息資料高度集成，實現了三維模型與工程資料關聯，提升了竣工資料交接效率。

(3)在運營階段中，本方法為養修人員提供車站虛擬仿真漫游及資料可視化調取體驗，增強人員對車站的認知，實現了鐵路車站高效養修的目的。