基于BIM+GIS的城市軌道交通選線應(yīng)用研究

吳祥龍，高 華，解興申，劉 輝

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

BIM(building information modeling)即建筑信息模型目前已成為改變工程行業(yè)的一股風(fēng)暴力量，其具有獨(dú)特可視化、參數(shù)化、信息化等優(yōu)勢(shì)，可為工程全生命周期服務(wù)，對(duì)提高城市軌道交通設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營水平，降本增效，促進(jìn)城市信息化發(fā)展具有重要意義[1-2]。目前，我國已有多個(gè)城市在開展城市軌道交通項(xiàng)目中進(jìn)行BIM應(yīng)用，北京、上海、深圳、廣州、杭州、武漢等城市均已經(jīng)開展多專業(yè)集成BIM應(yīng)用，基于BIM對(duì)城市軌道交通全過程精細(xì)化設(shè)計(jì)與管理已是軌道交通行業(yè)大勢(shì)所趨[3-4]。

但是不同于傳統(tǒng)建筑BIM，城市軌道交通一般位于城區(qū)內(nèi)部，設(shè)計(jì)需與城市用地規(guī)劃相契合，且沿線建(構(gòu))筑物密集是制約線路走向的重要因素。作為典型長帶狀線形工程，其線路長、涉及專業(yè)眾多、與沿線周邊環(huán)境關(guān)系密切[5-7]。必須依托BIM+GIS 應(yīng)用等技術(shù)，從宏觀和微觀兩方面對(duì)工程進(jìn)行信息化管理[8]。目前，在BIM+GIS選線設(shè)計(jì)過程中主要面臨著以下關(guān)鍵問題。

(1)三維可視化大場(chǎng)景領(lǐng)域建模通常采用無人機(jī)搭載傳感器進(jìn)行傾斜攝影，獲取沿線地面柵格化實(shí)景模型，無法直接獲取實(shí)體對(duì)象，不能進(jìn)行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理[9-12]。

(2)地下管線、樁基分布錯(cuò)綜復(fù)雜，且缺乏相應(yīng)三維模型，開展BIM正向設(shè)計(jì)困難。

(3)城市軌道交通涉及專業(yè)多達(dá)20余個(gè)，在目前階段各專業(yè)適用軟件及平臺(tái)無法完全統(tǒng)一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式多樣化，專業(yè)間無法協(xié)同，數(shù)據(jù)不能互通[13-14]。

(4)信息表達(dá)形式與深度尚無法完全滿足各專業(yè)設(shè)計(jì)需求，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程對(duì)方案分析不夠充分[15]。

針對(duì)以上問題，基于城市軌道交通設(shè)計(jì)需求及特點(diǎn)，提出了一種結(jié)構(gòu)化三維環(huán)境模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并形成模型結(jié)構(gòu)樹，基于Openrail軟件開發(fā)了一種兼容多源數(shù)據(jù)的BIM選線設(shè)計(jì)平臺(tái)，生成標(biāo)準(zhǔn)化三維環(huán)境實(shí)體模型。結(jié)合地理信息模型，開發(fā)線路設(shè)計(jì)功能。最后，利用線路設(shè)計(jì)成果快速生成方案概念模型以及數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)報(bào)表輔助方案研究。

1 三維環(huán)境模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行城市軌道交通選線設(shè)計(jì)過程中，沿線的地面高層建筑、加油站、重要文物建筑等，以及地下管線、樁基等是制約線路走向的重要因素。在目前缺乏地上、地下一體三維實(shí)體模型情況下，首先無法全面感知城市軌道交通沿線周邊真實(shí)情況，其次無法對(duì)模型進(jìn)行對(duì)象化管理，導(dǎo)致開展選線BIM正向設(shè)計(jì)困難。

IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是國際通用的基礎(chǔ)工業(yè)類表達(dá)數(shù)據(jù)規(guī)范，利用IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到不同專業(yè)在不同設(shè)計(jì)軟件之間的數(shù)據(jù)互通，提高三維環(huán)境模型的利用效果[16-17]。IFC標(biāo)準(zhǔn)通過IfcRoot逐級(jí)派生實(shí)體，完成對(duì)構(gòu)件實(shí)體及屬性的表達(dá)。在模型解析時(shí)，基于IFC表達(dá)規(guī)則可以恢復(fù)模型的三維結(jié)構(gòu)及其屬性信息[18-22]。本文采用IFC進(jìn)行三維實(shí)體環(huán)境模型的表達(dá)。圖1為3層級(jí)管線模型屬性結(jié)構(gòu)樹：構(gòu)件、屬性分類和參數(shù)，表達(dá)環(huán)境模型的三維幾何和最小構(gòu)件粒度信息。在各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，基于同一IFC標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)的三維環(huán)境實(shí)體模型開展設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

圖1 管線屬性結(jié)構(gòu)樹

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

線路方案設(shè)計(jì)既要宏觀關(guān)注外界環(huán)境因素，也要結(jié)合具體土建工程對(duì)細(xì)節(jié)方案進(jìn)行比選。正向設(shè)計(jì)過程一般需要依據(jù)規(guī)劃線路、現(xiàn)狀地貌、規(guī)劃用地以及勘察資料等資料開展線站位方案研究，同時(shí)與各專業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，反復(fù)優(yōu)化達(dá)到最佳方案。

本文基于Bentely平臺(tái)下Openrail Designer軟件開發(fā)選線設(shè)計(jì)平臺(tái)。Openrail Designer軟件是一款面向市政工程的專業(yè)軟件，符合帶狀工程平、縱、橫設(shè)計(jì)的特性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)兼容常見二維DWG設(shè)計(jì)資料、DNG文件、imodel數(shù)據(jù)、IFC數(shù)據(jù)以及實(shí)景柵格數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)底層為數(shù)據(jù)層，以數(shù)據(jù)庫管理模型幾何與非幾何信息，與模型之間雙向聯(lián)動(dòng)，并在專業(yè)間協(xié)作共享同一數(shù)據(jù)庫。主要應(yīng)用層為自主開發(fā)BIM+GIS選線平臺(tái)，功能涵蓋基礎(chǔ)模型創(chuàng)建、線路設(shè)計(jì)功能、全線方案三維模型創(chuàng)建、數(shù)據(jù)分析等。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 選線平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

3 選線應(yīng)用

以某一城市軌道交通項(xiàng)目為試驗(yàn)區(qū)，線路全長6.3 km，設(shè)站4座，包含地下線和高架線，對(duì)線路設(shè)計(jì)過程中各階段的應(yīng)用需求進(jìn)行測(cè)試。

3.1 線路設(shè)計(jì)

基于自主開發(fā)的BIM+GIS選線設(shè)計(jì)平臺(tái)，導(dǎo)入上游資料作為線路設(shè)計(jì)依據(jù)，并形成三維環(huán)境實(shí)體模型輔助方案決策。既有二維規(guī)劃線路通過DWG格式導(dǎo)入進(jìn)行參照。現(xiàn)狀地形地貌結(jié)合三維數(shù)字地形和實(shí)景模型清晰準(zhǔn)確表達(dá)地上真實(shí)情況，解決實(shí)景模型植被覆蓋以及高程精度等問題。三維數(shù)字網(wǎng)格地形如圖3所示，兼容導(dǎo)入模型與測(cè)量數(shù)據(jù)生成兩種方式。實(shí)景模型如圖4所示，通過傾斜攝影生成。

圖3 三維數(shù)字地形

圖4 三維實(shí)景模型

規(guī)劃用地利用規(guī)劃單位提供DWG文件生成三維實(shí)體規(guī)劃用地模型，并在數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存用地信息，如圖5所示。地質(zhì)模型以勘察單位提供，系統(tǒng)兼容常見模型數(shù)據(jù)格式，如圖6所示。

圖5 三維實(shí)體規(guī)劃地塊

圖6 地質(zhì)實(shí)體模型

利用勘測(cè)數(shù)據(jù)以及擴(kuò)展結(jié)構(gòu)化IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)生成標(biāo)準(zhǔn)化三維實(shí)體環(huán)境模型，包括地上建(構(gòu))筑物、地下管線、樁基礎(chǔ)等，模型信息與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫雙向關(guān)聯(lián)，如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化三維實(shí)體環(huán)境模型

基于以上資料可以全面開展線路正向設(shè)計(jì)工作，利用實(shí)景模型進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，結(jié)合地形、地質(zhì)進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，利用三維實(shí)體環(huán)境模型進(jìn)行精確量測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，線路方案設(shè)計(jì)成果如圖8所示。

圖8 線路方案比選

3.2 協(xié)同設(shè)計(jì)

線路設(shè)計(jì)需整合各專業(yè)設(shè)計(jì)模型與GIS地理信息，對(duì)線站位方案進(jìn)行綜合分析比較。目前我院在城市軌道交通領(lǐng)域BIM應(yīng)用軟件主要為Autodesk平臺(tái)下Revit以及Bentley平臺(tái)下Openrail、Openbridge等，基于選線平臺(tái)將各專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化模型進(jìn)行集成，綜合分析，如圖9所示。

圖9 模型集成

在正向設(shè)計(jì)過程中，方案調(diào)整與各專業(yè)對(duì)接協(xié)同過程基于同一模型下開展工作，利用共享數(shù)據(jù)庫將修改方案同步調(diào)整至相關(guān)專業(yè)。

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用三維實(shí)體模型可以輕松獲取單體模型數(shù)據(jù)、精確測(cè)量空間距離，從而進(jìn)行拆遷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、空間限界分析等，如圖10、圖11所示，對(duì)于線路方案分析具有重要意義。

圖11 空間限界分析結(jié)果

3.4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

與傳統(tǒng)軌道交通線路設(shè)計(jì)相比，基于BIM選線設(shè)計(jì)平臺(tái)開展線路正向設(shè)計(jì)在對(duì)接協(xié)調(diào)、方案匯報(bào)、數(shù)據(jù)分析、設(shè)計(jì)檢查過程中效益提升明顯。傳統(tǒng)軌道交通設(shè)計(jì)過程中，由于專業(yè)多、二維設(shè)計(jì)意圖難以表達(dá)，導(dǎo)致對(duì)接溝通困難，存在大量設(shè)計(jì)反復(fù)。同時(shí)二維設(shè)計(jì)方案中數(shù)據(jù)、屬性與元素相互孤立，在進(jìn)行方案比選過程中無法直接獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

本項(xiàng)目實(shí)施過程中基于BIM選線設(shè)計(jì)平臺(tái)融合項(xiàng)目中所有控制因素和方案三維模型，清晰直觀展示方案成果，各專業(yè)基于同一模型開展工作，專業(yè)間協(xié)調(diào)對(duì)接往往僅需一次，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)減少30%時(shí)間，向各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行方案匯報(bào)過程均一次通過。在方案研究過程中，通過實(shí)體模型便捷獲取數(shù)據(jù)屬性，生成分析報(bào)表，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)減少60%時(shí)間。同時(shí)利用限界檢查、三維漫游等功能可以自動(dòng)獲取方案中隱藏問題，大大減少人為因素導(dǎo)致的設(shè)計(jì)質(zhì)量問題。

4 結(jié)語

推進(jìn)城市軌道交通工程BIM應(yīng)用進(jìn)程是解決當(dāng)前工程中信息孤島、各專業(yè)對(duì)接協(xié)調(diào)困難的重要手段，為城市進(jìn)一步信息化、智能化發(fā)展提供可行的基礎(chǔ)。本文從前期線路正向設(shè)計(jì)階段開展研究，從標(biāo)準(zhǔn)化模型、平臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)到選線應(yīng)用，利用全面準(zhǔn)確的三維環(huán)境模型輔助線路設(shè)計(jì)，基于標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各專業(yè)間的數(shù)據(jù)共享，為選擇一條符合規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)合理、因地制宜的城市軌道交通線路提供了可借鑒參考的思路。綜合分析，得出如下結(jié)論。

(1)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建三維環(huán)境實(shí)體，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)輸入資料的共享，發(fā)揮BIM應(yīng)用過程中數(shù)據(jù)價(jià)值。

(2)自主開發(fā)BIM選線設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)兼容性較好，能夠整合各方信息模型，開展線路正向設(shè)計(jì)工作。

(3)基于BIM的選線應(yīng)用對(duì)于提升設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量效果明顯，對(duì)城市信息化建設(shè)具有重要意義。