基于GIS+BIM的西十高鐵設計成果綜合應用平臺研究

倪 葦

(1.中國鐵建BIM工程實驗室，西安 710043；2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

引言

BIM技術起源于美國，經過多年發展，BIM應用已在建筑領域初具規模，形成了由Building SMART國際組織開發的BIM數據交換標準，使BIM技術更加規范和具有普適性。

國內BIM技術起步較晚，但發展很快，目前在軌道交通領域得到越來越廣泛的應用。在國鐵集團統一部署下，全國各大鐵路設計院和工程局積極推進基于BIM信息化建設，探索BIM技術在鐵路勘察設計、施工建設、安全運維全生命周期中的應用[1]。鐵路工程BIM正由“建模為主”階段向“多維度數據應用為主”階段跨越[2]，逐步實現由局部工點轉向全線應用，由少數專業應用向全專業應用發展[3]。

BIM模型本身具有幾何結構精細、語義信息豐富及參數特征明顯的特點[4-5]，實現將傳統二維點、線、面組成的工程圖紙信息進行三維數字化表達，與所感受的物質世界基本維度一致，能夠使鐵路工程建設參與人員更直觀、便捷地獲取模型所承載的幾何、物理、屬性、過程等信息，提高信息共享水平，同時具有立體組合拼裝的能力，利用族庫可以實現快速建模。然而，與建筑工程不同，鐵路工程表現出線狀、跨度大、多專業、工點復雜多樣、與地形結合緊密等特點[6-8]。BIM三維信息模型在尺度表達、一致分析、空間統一基準、整體定位等[9-10]方面存在不足，因此，需與GIS進行結合，將BIM模型集成到GIS場景中[11-12]。

GIS是以空間三維可視化為基礎，基于空間數據庫技術，面向海量三維地理空間數據，集成地上、地下、室內外完整的三維空間實體，具有強大的空間數據存儲、管理、檢索和分析功能[13-15]。國內外GIS平臺主要有美國的ArcGIS、Skyline、Cesium和國內的SuperMap(超圖)、CityMaker(偉景行)，iFreedo(飛渡)等，其中，Cesium是WebGL三維客戶端且是開源JS庫，實現在瀏覽器中展示三維虛擬地球的功能[16]。

然而，現有的GIS原生系統不能直接支持符合CRBIM1003—2017《鐵路工程信息模型表達標準(1.0版)》、CRBIM1004—2017《鐵路工程信息模型交付精度標準(1.0版)》要求的模型樹狀結構管理、虛節點信息維護、參考模型與技術文檔掛接功能，且存在數據處理與發布效率較低等問題。為更好地對重點工程BIM設計成果進行表達與應用，亟需對GIS基礎平臺進行二次開發，擴展符合鐵路BIM模型表達的功能模塊。最終形成一個能夠對鐵路項目BIM設計成果進行全方位、多要素展示的數字化三維應用平臺，為今后設計方案匯報、比選方案優化及設計成果展示提供良好的環境。

1 項目概況

新建西安至十堰高鐵項目位于陜西省東南部和湖北省西北部，是中長期鐵路網規劃項目。線路西起陜西省西安市，向東穿越秦嶺山脈，經商洛、十堰兩市與漢十鐵路相接。西十高鐵新建正線長255.749 km，為中鐵一院第一條全線基于BIM正向設計的高速鐵路。

2 平臺關鍵技術研究

2.1 多源多分辨率三維地形融合

首先，將BIM設計成果準確放置到地形場景中，需在同一區域快速創建不同細節層次的三維地形模型[17]。大范圍區域可選擇谷歌衛星影像和30 m精度的DEM數據，線路左右5 km范圍采用1∶10 000精度DEM數據和1 m分辨率DOM影像，線路左右200 m范圍采用1∶2 000精度DEM和0.2 m分辨率DOM影像，工點局部補充設計用1∶500精度DEM數據。線路跨越既有公路、鐵路、居民區時采用無人機傾斜攝影手段獲取高精度實景三維模型，具有成本低、靈活可靠等優點[18]，真實準確恢復現場的地理環境，直觀反映線路的相對位置關系[19]。圖1為創建的高精度真實三維地形場景。

圖1 高精度真實三維地形場景效果

2.2 多專業多源BIM設計成果集成

Bentley平臺支持真實大地坐標的三維線條，適用于鐵路工程長大帶狀的分布要求，隧道、橋梁、軌道、接觸網等專業可直接根據線路三維數據庫自動化創建BIM模型。

房建、暖通、結構等專業目前仍習慣于Autodesk平臺的Revit軟件開展BIM設計，一般約定以軸網(A，1)作為參考項目基點開展工作，要將模型準確放置到地形場景中需進行定向、定位操作。下面給出Bentley平臺和Autodesk平臺的BIM數據導入3D GIS平臺的處理流程，具體示意見圖2。

圖2 多源BIM數據處理示意

2.3 BIM與三維地形融合

處理局部小范圍地形與BIM模型融合時，將地形透明度調整至半透明，參照BIM模型直接手動進行地形的開挖、整平操作；對于挖方路基、車站、施工便道等長帶狀工程要素手工處理起來準確性和效率都較低，采取導入邊界坐標文件自動開挖。邊界線可在BIM設計軟件中導出，處理后保存為精測網坐標文本文件。以路基BIM模型為例地形自動開挖效果如圖3所示。

圖3 提取路基模型邊界后自動開挖效果

處理傾斜實景模型與BIM模型融合時，目前自動化程度較低，主要采取手工對地表地物進行開挖、整平操作，尤其當碰到主體工程，如隧道洞口傾斜實景模型樹木茂盛時融合效果一般。

3 平臺開發及應用

3.1 平臺開發

基于GIS+BIM的西十高鐵設計成果綜合應用平臺，采用CityMaker基礎GIS平臺進行二次開發，采取駕駛艙模式的UI界面設計風格，滿足會議室大屏、計算機顯示器等多類型終端界面顯示。CityMaker產品體系涵蓋三維數據的生產制作、組織管理、應用開發全過程[20-21]，提供豐富的組件，可使用多種開發語言和環境，支持Direct3D和OpenGL圖形渲染引擎。圖4為CityMaker GIS產品體系示意。

圖4 CityMaker平臺產品架構

西十高鐵BIM設計成果綜合應用平臺前端采用JavaScript腳本進行CityMaker網頁二次開發，后臺采用Java SpringBoot+Mybatis+MySQL技術進行開發，涉及關系型業務數據存儲到MySQL數據庫中，可以大大簡化數據持久化任務。

3.2 平臺應用

基于GIS+BIM的西十高鐵設計成果綜合應用平臺，通過在真實的三維地形場景中無縫融合西十高鐵BIM設計成果，搭建滿足BIM設計成果的數字化交付環境，實現BIM設計成果綜合展示，BIM模型結構樹解析與創建、方案設計優化、三維空間分析等功能，主要應用功能及特點如下。

3.2.1 設計成果展示

左側以卡片列表的形式直觀展示車站、隧道、橋梁、路基等專業的設計工點，包括工點名稱、里程信息、工程重難點信息等。單擊某個卡片可快速定位到對應的工點，同時提供關鍵字檢索功能方便用戶查找感興趣工點。

平臺場景中完整保留BIM設計成果的幾何、材質、屬性信息，通過鼠標點選顯示模型構件的豐富屬性信息，并以畫中畫多窗口渲染的形式表達模型構件對應的施工圖精度級別的精細參考模型。隧道帶配筋參考模型示意見圖5。

圖5 隧道精細參考模型展示效果

底部幻燈片欄顯示該工點相關聯的場景漫游腳本、二維設計圖紙、施工工法和不良地質介紹視頻等多種素材，通過訪問后臺數據庫可直接調取查看，更好地表達BIM設計意圖。

3.2.2 BIM結構樹解析

目前，各專業在設計軟件中創建的BIM模型主要以要素圖層的形式進行管理，IFD標準編碼無法有效識別單個模型構件，模型構件間的邏輯關系缺失。通過在BIM建模時添加定位碼屬性信息，模型導入GIS平臺中解析定位碼信息后創建工程結構樹。

利用工程結構樹可直觀展示BIM模型的邏輯層次關系，平臺中點擊結構樹節點可快速定位并高亮顯示該節點對應的BIM構件及屬性信息。以橋梁模型為例，結構樹中選中墩身托盤子節點后場景定位，顯示結果見圖6。

圖6 BIM模型工程結構樹解析定位示意

3.2.3 方案設計優化

基于該平臺可對專業BIM設計成果進行方案優化，及時發現BIM設計中存在的“差錯漏碰”問題，比如線路下穿既有高速公路時，借助高精度傾斜實景三維模型可準確恢復現場既有地表構筑物的空間關系；疊加融合不同方案的BIM設計成果以雙視口的方式展現，輔助設計人員進行決策，優化既有的設計方案。不同方案對比見圖7。

圖7 雙視口BIM橋梁設計方案比選示意

3.2.4 三維空間分析

平臺提供三維空間分析功能包括：①剖切分析，支持面剖切和體剖切模式，方便查看房屋內部設備等隱蔽工程；②量測分析，支持點坐標、距離、面積量算等多種測量模式；③地形分析，支持對地形透明度進行調整及開挖、整平處理。模型剖切分析效果見圖8。

圖8 剖切車站房屋查看內部設備效果

4 創新點

(1)通過研究多源三維地形融合、多平臺BIM設計成果集成及與三維地形融合等關鍵技術，搭建西十高鐵全線GIS+BIM高精度三維場景。同時，對全線明線段落進行傾斜實景三維建模，真實準確反映BIM設計成果與現場環境的相對關系，進而優化BIM設計方案。

(2)通過解析BIM模型的定位碼生成工程結構樹，實現對BIM構件按照邏輯結構樹進行定位管理和屬性信息查詢，可快速定位到橋梁模型的具體某一孔梁、某一號墩、某根樁，有效解決IFD標準編碼無法識別單個BIM構件的問題，更加符合設計人員的使用習慣。

(3)采用BIM設計成果二維、三維一體化平臺交付模式，建立BIM模型與精細參考模型、場景漫游腳本、二維設計圖紙、施工工法視頻等多種素材之間的關聯，方便用戶隨時查閱BIM設計的相關資料，有效彌補BIM三維模型信息表達的單一性。

5 結語

基于3D GIS技術強大的空間數據存儲、管理、檢索和分析功能，鐵路工程BIM設計成果被賦予了豐富的地理空間信息，達到宏觀與微觀統一管理的目標。鐵路工程BIM模型批量集成到3D GIS中，可打破鐵路BIM應用的“數字孤島”問題，有效解決了設計、施工與運維管理等不同階段的數據共享與挖掘利用。

通過搭建基于GIS+BIM的西十高鐵設計成果綜合應用平臺，解決了項目全線BIM設計成果交付與展示匯報問題，今后可在多個鐵路BIM試點項目中推廣應用，具有廣泛的社會效益和良好的經濟效益。