GIS+BIM技術在軌道交通工程建造管理中的應用研究

石 碩

(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

近年來，隨著我國城市經濟的不斷發(fā)展，軌道交通以其低污染、準時、客流量大、緩解交通擁堵等特點，在各個城市的建設規(guī)模不斷擴大[1-2]。軌道交通工程是一項投資巨大、與地理環(huán)境密切相關、參與方眾多、工程極其復雜的項目，從設計、施工到運維全生命周期中涉及大量的過程數據，是一個龐大的系統(tǒng)工程[3]。在物聯網、大數據、云計算等信息化技術逐漸融入各行各業(yè)的背景下，軌道交通工程的建設管理模式面臨著新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)以人工為主的管理手段已無法滿足項目建設快、周期短、質量高的要求，通過信息化手段提高軌道交通工程建設管理質量，已成為業(yè)內人士的共識[4-7]。

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)具有語義豐富、構件精細化、全生命周期應用、參數化建模等特點，通過三維可視化表達技術真實還原軌道交通工程在現實世界中的樣貌，不僅便于設計人員直觀、便捷地查看設計成果和相關信息，還可以將建設過程中的各項數據與其關聯，實現基于BIM模型的數據共享，加強各參建方的交流，提高資源利用率，節(jié)約成本[8-9]。然而，BIM模型偏向于微觀的細節(jié)，無法表達宏觀的場景，GIS(Geography Information Science)以地理空間數據可視化表達和空間分析服務為核心，不僅可將多源異構的地理空間數據集成到統(tǒng)一環(huán)境下，還可以實現對BIM模型的轉換、輕量化處理和集成，在軌道交通規(guī)劃選線、工程建設和運維等階段發(fā)揮了重要作用[10-12]。BIM與GIS的結合是軌道交通工程三維可視化管理技術升級的必然選擇，為設計、管理和決策人員提供強有力的數據支撐，從而使管理更加高效，工程質量得到進一步提升[13-14]。

本研究在綜合分析BIM與GIS融合關鍵技術在軌道交通工程建造管理過程中應用的基礎上，以GIS作為一張圖數據底盤，以BIM模型為工程管理核心，將分散的業(yè)務數據與BIM模型及三維場景結合，實現對軌道交通工程建設管理過程中的質量、安全、進度精細化管理，建立統(tǒng)一、開放的工程信息化管理系統(tǒng)，形成以資源共享、高效協(xié)作為核心的管理模式，推進軌道交通工程信息化邁向新的階段。

1 BIM與GIS融合應用

由于BIM模型設計軟件(如Revit、Bentley、Catia)的數據格式多樣，實現BIM模型向GIS模型的數據格式轉換、語義傳遞及屬性信息提取成為BIM與GIS融合的關鍵。范登科[15]研究語義信息擴展方法，從幾何、語義及屬性3個方面，基于Revit模型實現BIM與GIS數據的集成，并對比分析了基于3DMax和FME軟件進行數據處理的效果；陳光[16]提出軌道交通一體化三維空間數據模型，實現多專業(yè)信息資源與真實場景的集成表達，提高了數據共享效率；錢意[17]研究了BIM+GIS在上海軌道交通規(guī)劃、設計、施工、竣工不同階段的應用；盧錦生[18]以東莞市為例，基于GIS與BIM技術，開發(fā)了東莞市軌道交通沿線及站場TOD綜合地理信息系統(tǒng)，實現了軌道交通一張圖、項目庫管理、TOD三維展示、匯報展示及輔助決策分析等子系統(tǒng)，并將信息同步到移動端，提高查詢效率；石碩[19]采用微服務架構，開發(fā)了面向鐵路工程管理的BIM+GIS管理系統(tǒng)，實現了鐵路工程建設過程管控；楊喆[20]自主研發(fā)和設計了基于WebGL的三維引擎，提出了BIM+GIS數據集成方法，以海底盾構隧道工程為例，開發(fā)了軌道交通BIM+GIS應用平臺，實現了對隧道環(huán)境、施工風險的可視化管控。

2 軌道交通工程中BIM與GIS集成關鍵技術

2.1 BIM模型高效渲染

區(qū)別于單體建筑BIM模型，軌道交通是線性工程，主要以車站和區(qū)間隧道工程為主。其中，隧道、軌道BIM模型包含大量重復、結構復雜的構件單元，利用LOD技術、八叉樹索引、三角面簡化、頂點合并等傳統(tǒng)的輕量化技術仍無法滿足展示需要，為提高BIM模型在瀏覽器中的加載效率和操作流暢度，基于SuperMap 3DGIS平臺，通過研究模型實例化技術，采用點位外掛模型緩存和視錐體裁剪的方法實現海量重復構件的快速渲染。

點位外掛模型緩存是利用實例化方法，在數據集渲染的過程中僅繪制一個對象，其他重復構件基于空間點位進行放樣，外掛在當前場景中，同時利用視錐體裁剪技術，根據可視域范圍，動態(tài)加載在當前窗口可見區(qū)域內的模型，不僅降低了顯卡、內存壓力，還提高了三維場景性能，具體實現流程如圖1所示，通過該方法，模型顯示的平均幀率得到了顯著提升，如圖2所示。

圖1 BIM模型高效渲染實現流程

圖2 隧道模型優(yōu)化前后對比

2.2 軌道交通三維立體一張圖

開展城市軌道交通工程建造管理系統(tǒng)建設，必須統(tǒng)一空間參考，依托GIS、多源遙感和對地觀測技術，建立以城市軌道交通為核心的多層次、多粒度、多時相的全方位地理空間信息，建立基于GIS+BIM的軌道交通工程建造管理三維立體“一張圖”，將規(guī)劃圖、數字地模、三維實景模型、軌道交通線位數據、文字標注等多源異構數據在統(tǒng)一的空間坐標系下，融合為一個支持不同細節(jié)層次的場景，從數據存儲、數據處理、數據服務發(fā)布到可視化應用，統(tǒng)一數據管理與應用機制，實現各參建單位數據共享，一張圖建立流程如圖3所示。

圖3 一張圖建設流程

2.3 海量實景三維模型管理

傳統(tǒng)基于DEM+DOM的數字地模雖然一定程度上還原了現場真實環(huán)境[21]，但其精度較低、紋理不清晰，且無法重現地鐵周邊現有建筑的三維模型。隨著低空對地觀測技術迅速發(fā)展，傾斜攝影測量技術在各行各業(yè)得到了廣泛應用，以多角度、大規(guī)模、高精度、高清晰度的方式全面感知周圍環(huán)境，為軌道交通工程建設提供了豐富的地物紋理及地理信息數據，具有高真實性、可量測性、高效率、易于共享的優(yōu)勢，是建設軌道交通三維立體一張圖的重要數據支撐。

高精度實景三維模型意味著龐大的數據量，如何合理存儲、高效加載和顯示這些模型成為困擾用戶的一大難題。基于MongoDB數據庫實現對西安地鐵8號線實景三維模型瓦片的存儲，MongoDB是開源NoSQL分布式數據庫，數據結構松散，易于擴展，適合存儲海量瓦片和緩存數據，入庫流程如圖4所示。

西安地鐵8號線實景三維模型在MongoDB中通過2個文檔和2個索引存儲s3mb格式的瓦片，以Xian3D_01段實景三維模型為例，集合內容設計如表1、表2所示，其中，集合Tileset_Xian3D_01以二進制BLOB方式存儲每個s3mb的瓦片數據，并基于字段“Tileset_key”和“_id”建立索引，集合metadatas_osgb是對實景三維模型的說明，主要包括瓦片集合名字、版本、數據類型、文件類型、渲染模式、位置、邊界盒子、s3mb瓦片信息等描述性信息。

圖4 實景三維模型入庫流程

2.4 BIM模型坐標轉換

城市軌道交通工程涉及專業(yè)眾多，各個專業(yè)的BIM模型如何在一個場景下進行無縫集成不僅需考慮參考模型之間的相對位置，還要考慮全線BIM模型在真實環(huán)境下的空間位置。設計人員在Revit中建模時采用軸網和高程的方式進行定位，為便于設計，將每個BIM模型的基準參考點設置在軸網交點的(0，0，0)處，從而建立相對坐標系，該坐標系缺少空間參考信息，無法直接在三維場景中加載。傳統(tǒng)的坐標轉換方法對非測繪專業(yè)BIM設計人員而言晦澀難懂[22]，基于旋轉、平移的四參數坐標轉換方法需對BIM模型的所有構件進行處理，雖然拼接誤差較低，但數據處理速度非常慢[23]。為減少計算，提高數據處理效率，提出基于線路共享坐標的轉換方法，操作簡單，流程清晰，可滿足大批量BIM模型的坐標轉換處理，具體方法流程如圖5所示。

表1 metadatas_osgb集和設計

表2 Tileset_Xian3D_01集合設計

圖5 BIM模型坐標轉換方法流程

經過該方法可得到西安市城市獨立坐標系的BIM模型，通過加載投影文件將BIM模型動態(tài)投影到球面上，實現與傾斜三維實景環(huán)境集成，如圖6所示。

圖6 坐標轉換后的BIM模型

2.5 BIM模型元數據

隨著BIM技術應用深化，僅依賴BIM模型的屬性信息無法實現各參建方BIM模型數據資源整合，數據之間缺少對應關系，無法統(tǒng)一構件元素含義與關聯關系，很難真正實現信息共享。傳統(tǒng)的方式是通過編碼描述構件的信息，按照線分法或面分法從專業(yè)內部去定義構件，如IFD、EBS、WBS等[24]，但不同來源的模型與外部系統(tǒng)之間無法進行準確的特征描述，導致BIM模型信息無法流轉，需額外大量數據處理工作。

面對上述問題，研究軌道交通工程BIM模型元數據擴展與管理方法，定義了元數據的子集、實體和元素構成，主要包括數據標識信息、內容、質量、分發(fā)、參照系、擴展等，突出用戶關注的元數據內容，考慮設計內容、格式和更新的方便性，同時，兼顧基于元數據的BIM模型數據檢索功能，實現BIM模型元數據管理，具體元數據UML模型結構如圖7所示。

圖7 元數據UML模型

本文還設計研發(fā)了BIM模型元數據管理工具，實現BIM模型元數據管理，主要包括BIM元數據錄入、元數據內容審核及元數據發(fā)布功能，如圖8所示。

圖8 BIM模型元數據管理流程

基于BIM元數據進行數據管理，不僅統(tǒng)一了BIM構件與工程實體之間的對應關系，還可以標準化BIM構件屬性信息，達到BIM與其他數據資源語義一致的效果，從而滿足BIM模型在不同信息系統(tǒng)之間的流轉，是深化BIM技術應用、加強BIM與業(yè)務融合的有力支撐。

3 工程應用實踐

3.1 研究區(qū)域概況

以西安地鐵8號線及其周邊區(qū)域為研究對象，西安地鐵8號線運行于陜西省西安市，是關中平原城市群大都市圈軌道交通線網中最為重要的骨干線路和換乘線路，也是目前線網規(guī)劃中的唯一條環(huán)線。線路全長約49.896 km，均為地下線，共設車站37座，換乘站18座，采用西安市獨立坐標系，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準，如圖9所示。

圖9 西安地鐵8號線工程走向示意

3.2 工程應用

3.2.1 BIM模型編碼與結構解析

目前，鐵路BIM聯盟發(fā)布的IFD、EBS編碼無法滿足軌道交通工程的應用需求，為建立種類齊全、可重復使用、包含各類標準信息的BIM數據資產，結合GB/T 37486—2019《城市軌道交通設施設備分類與代碼》標準與西安地鐵3期建設的實際情況，制定了《西安市軌道交通工程信息模型設施設備分類與編碼標準試行版》，采用線分法進行分類，每個構件通過設施設備類型編碼和物理位置編碼唯一確定，不僅表達了構件的邏輯層級、類別、序號，還定義了構件的位置信息，便于構件快速定位，是實現BIM與業(yè)務信息深度融合的數據基礎，將BIM模型導入系統(tǒng)，通過解析構件的編碼建立具有物理位置和邏輯層級的BIM模型結構樹，不僅可以高亮顯示模型，還可以關聯業(yè)務、屬性信息，以8號線蘇王村站為例，如圖10、圖11所示。

圖10 蘇王村站編碼

圖11 BIM模型結構樹解析及屬性

3.2.2 質量安全管控

質量和安全是軌道交通工程建設過程中重點關注的問題，從施工人員進場到工程竣工驗收，質量、安全問題伴隨著整個施工過程，并對工程進度起到至關重要的作用。目前，常用的質量、安全管理辦法均基于二維表單或是與BIM模型進行簡單的綁定關聯，無法實現對質量、安全問題的準確把控，無法在應急救援中高效準確定位，同時缺少空間位置預警功能。為此，提出基于LBS(Location Based Service)服務的質量安全管控方法，并研發(fā)了移動端app實現現場質安巡檢功能，該方法可快速定位現場質安問題出現的位置，并顯示導航路線，便于工作人員及時趕往現場。然后，施工人員通過移動端將施工現場的質安問題、整改情況及時向項目組通報，技術人員在路途中可通過查看相關設計圖紙及BIM模型分析現場問題，如圖12所示。

圖12 移動端APP質安巡檢功能

針對現場整改問題，整改后的照片由施工單位或監(jiān)測單位通過移動端上傳，監(jiān)理單位通過web客戶端快速審核檢查，最后由業(yè)主單位進行驗收查看，從而形成事件閉環(huán)，如圖13所示。

圖13 Web端質量巡檢

3.2.3 三維形象計劃進度

三維形象計劃進度結合二維甘特圖和三維場景中的BIM模型，以工程進度看板的方式直觀便捷地表達了工程進度情況，通過將項目、標段、工區(qū)三級明細計劃任務與BIM模型進行綁定，形成含有工程結構的時間計劃樹，通過進度追蹤、統(tǒng)計和糾偏的功能實現計劃進度三維可視化展示和精細化管理，如圖14、圖15所示。項目管理人員可隨時隨地查看計劃執(zhí)行情況，了解當前工程施工狀態(tài)，統(tǒng)計各個工序的花費時間，及時發(fā)現影響進度問題并采取糾偏措施，保障項目按時完成。

圖14 計劃進度與糾偏流程

圖15 三維形象進度

4 結論

(1)通過研究BIM與GIS融合技術、BIM模型高效渲染方法、軌道交通三維立體一張圖、海量實景三維模型管理、BIM坐標轉換等關鍵技術，結合實際工程項目應用，搭建了軌道交通綜合建造管理系統(tǒng)，將建造過程中的質量、安全、進度等信息與BIM模型深度融合，同時根據BIM模型的設施設備編碼和物理位置編碼解析工程結構樹，不僅實現了設施設備的快速定位，還可實現屬性、質安問題、物資等信息的高效查詢。

(2)采用點位外掛模型緩存方法實現重復構件僅繪制一次，并利用視錐體裁剪技術減少當前窗口外模型的加載，不僅提高了模型的加載效率，還減少了計算機的運行壓力，顯著提升了模型渲染效果。

(3)提出基于線路共享坐標的BIM模型坐標轉換方法，無需復雜的坐標轉換參數計算，操作流程清晰簡單，通過研發(fā)的插件工具可實現批量模型坐標轉換，大大提高數據處理效率。

(4)為建立軌道交通三維立體一張圖，將西安地鐵8號線50 km的實景模型通過開源數據庫MongoDB進行存儲和服務發(fā)布，不僅提高了海量瓦片數據入庫存儲速度，還提高了實景模型數據調度效率和渲染的流暢性。

(5)首次采用軌道交通BIM模型元數據實現設計、施工、運維全生命周期信息共享，研究設計了軌道交通BIM模型元數據的組成結構，建立了元數據信息基本框架，為BIM模型快速檢索、不同系統(tǒng)之間實現互操作奠定了數據基礎。

(6)移動端基于LBS服務不僅實現了質量安全事故發(fā)生地的應急救援快速響應與路線規(guī)劃導航，還實現了空間位置預警功能，為應急救援人員提供便捷服務。

5 結語

基于GIS+BIM技術的西安市軌道交通綜合管理系統(tǒng)采用微服務架構，通過將管理業(yè)務和BIM模型進行深度融合，形成面向建設過程的微服務，在GIS數據底盤的支撐下，通過三維直觀可視化表達，實現項目生產組織與技術管理，覆蓋計劃編制到項目創(chuàng)建、人員配置、進度管理、質量安全管理的全過程，不僅提高工程建設的質量，保障安全，還可以縮短建設周期，保證工期進度，通過西安地鐵8號線工程項目的實踐應用表明，該系統(tǒng)可滿足城市軌道交通項目信息化管理需求，系統(tǒng)設計合理，能有效提高軌道交通工程的管理效率。