金 星

(中鐵一院蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730000)

鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)是鐵路建設(shè)中一項(xiàng)重要的統(tǒng)領(lǐng)全局的工作。伴隨著工程認(rèn)知和技術(shù)條件的發(fā)展，鐵路選線經(jīng)歷了實(shí)地選線、沙盤(pán)選線和目前通用的二維投影選線技術(shù)作業(yè)模式。隨著工業(yè)設(shè)計(jì)三維化的推進(jìn)，鐵路選線從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)作業(yè)模式正逐步向虛擬環(huán)境選線發(fā)展?；诖耍叫柙谝讶〉玫蔫F路勘測(cè)設(shè)計(jì)信息化成果上，進(jìn)一步融入BIM應(yīng)用技術(shù)，促進(jìn)鐵路建設(shè)全生命周期的三維決策和管理。

1 鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1.1 鐵路虛擬環(huán)境選線發(fā)展現(xiàn)狀

在鐵路信息化建設(shè)進(jìn)程中，單獨(dú)的二維設(shè)計(jì)軟件功能已基本滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，即通過(guò)平面、縱斷面、橫斷面功能軟件可以實(shí)現(xiàn)既有作業(yè)模式下鐵路選線流程化設(shè)計(jì)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化出圖出表，大幅提高了工作效率。鑒于鐵路選線的多層次多目標(biāo)灰色決策特性[1]，國(guó)內(nèi)選線專(zhuān)家提出了虛擬環(huán)境選線概念，旨在以數(shù)字地形模型為基礎(chǔ)，構(gòu)架三維仿真系統(tǒng)，模擬鐵路沿線復(fù)雜場(chǎng)景，結(jié)合RS地質(zhì)遙感判釋和專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)選線[2]。隨著數(shù)據(jù)源質(zhì)量提升、知識(shí)表達(dá)推理機(jī)制的推演完善和三維圖形操作技術(shù)的瓶頸突破，該項(xiàng)技術(shù)正處于逐步發(fā)展中。

1.2 BIM 簡(jiǎn)介[3-4]

BIM(Building Information Model)是一個(gè)四維管理系統(tǒng)，即三維實(shí)體的全生命周期管理系統(tǒng)。它是在開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項(xiàng)目生命期信息進(jìn)行數(shù)字化形式表現(xiàn)，從而為決策提供支持，以更好地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的價(jià)值。BIM的推廣應(yīng)將目前國(guó)內(nèi)主流的三維演示升級(jí)為可視化的三維設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)師、建筑師、設(shè)備工程師、業(yè)主乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析”的科學(xué)協(xié)作平臺(tái)，幫助他們利用三維數(shù)字模型對(duì)建筑項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)管理。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理，比較典型的應(yīng)用有北京奧運(yùn)會(huì)奧運(yùn)村空間規(guī)劃及物資管理信息系統(tǒng)、南水北調(diào)工程、香港地鐵等項(xiàng)目。在公路設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)相關(guān)軟件研發(fā)公司已推出基于BIM理念的道路三維設(shè)計(jì)軟件[5]，同時(shí)，在積極開(kāi)展基于BIM的高速公路4D建設(shè)管理系統(tǒng)研究工作。在鐵路設(shè)計(jì)方面，中鐵二院在西部某高速鐵路項(xiàng)目中利用三維設(shè)計(jì)BIM技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了線路、路基、橋梁等主要設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)之間數(shù)據(jù)的協(xié)同與共享，不僅提高了工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且為業(yè)主提供了更為直觀的交付方式，體現(xiàn)出了BIM技術(shù)在鐵路建設(shè)領(lǐng)域廣闊的發(fā)展空間。但在和既有設(shè)計(jì)軟件的三維整合度上仍存在設(shè)計(jì)觀念的轉(zhuǎn)變問(wèn)題，因此研究并建立一套全新的符合三維設(shè)計(jì)思路的工作模式和設(shè)計(jì)流程，從而保證從二維繪圖到三維設(shè)計(jì)的順利過(guò)渡和實(shí)施，是當(dāng)前鐵路BIM應(yīng)用技術(shù)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用技術(shù)探討

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域

鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)BIM進(jìn)一步推進(jìn)了虛擬環(huán)境選線的發(fā)展，借助第四代勘測(cè)技術(shù)激光掃描技術(shù)的發(fā)展，大型工程數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)以及三維圖形交互技術(shù)的成熟，它將從技術(shù)應(yīng)用的層面對(duì)鐵路選線理論做出三維完善。其應(yīng)用滲透勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，根據(jù)初步設(shè)計(jì)的具體勘測(cè)要求，利用機(jī)載(車(chē)載)地面激光掃描技術(shù)獲取線路行經(jīng)地區(qū)連續(xù)的地形數(shù)據(jù)，無(wú)需空三加密，直接構(gòu)建三維實(shí)體地面模型，提供給選線設(shè)計(jì)人員一個(gè)仿真的地形環(huán)境，通過(guò)地質(zhì)信息的空間疊加，結(jié)合專(zhuān)家系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)約束表達(dá)，可動(dòng)態(tài)進(jìn)行線路走向決策，并具備實(shí)時(shí)三維線位和設(shè)備查詢及檢查修正功能。在施工過(guò)程中，可進(jìn)一步通過(guò)工程實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)原型進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而完成工程體量計(jì)算，可有效進(jìn)行工程進(jìn)度監(jiān)控和資金控制。投入運(yùn)營(yíng)后，以竣工驗(yàn)收的工程實(shí)景為原型進(jìn)行技術(shù)交接，便于運(yùn)營(yíng)單位根據(jù)實(shí)際線路運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行設(shè)備管理。具體描述如圖1所示。

圖1 鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用

2.2 應(yīng)用技術(shù)分析

鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)BIM系統(tǒng)研發(fā)的總體框架如圖2所示。

針對(duì)目前較為成熟的業(yè)內(nèi)工程數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和界面集成技術(shù)，本文將著重研究三維數(shù)據(jù)流的接駁關(guān)鍵技術(shù)，主要包括三維環(huán)境構(gòu)建、三維實(shí)體庫(kù)創(chuàng)建和三維人機(jī)交互技術(shù)。

2.2.1 三維環(huán)境構(gòu)建

圖2 鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)BIM系統(tǒng)研發(fā)

地形環(huán)境三維曲面建模是線路三維可視化動(dòng)態(tài)仿真與基于三維場(chǎng)景中的線路走向選擇的關(guān)鍵問(wèn)題，是鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用要首先解決的問(wèn)題?；谀壳皹I(yè)內(nèi)地形數(shù)據(jù)采集模式，易思蓉[2]提出了帶狀地形三維環(huán)境建模方法，通過(guò)Coons曲面模型表達(dá)線路路基本體表面曲面，并利用分形布朗函數(shù)建立地面三維曲面仿真模型，同時(shí)提出了與現(xiàn)有二維作業(yè)模式銜接的三維投影坐標(biāo)網(wǎng)格的方法，有效地解決了選線三維投影變換問(wèn)題。

上述方法的數(shù)據(jù)源采集點(diǎn)是離散的，因此在地形擬合過(guò)程中為了更好地和地形吻合，需要進(jìn)行空三加密，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理工作強(qiáng)度大，由此引發(fā)的數(shù)字地形建模不同方法都是試圖在數(shù)據(jù)處理速度和精度之間尋求平衡[5]。因此鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)BIM在仿真環(huán)境的構(gòu)建中可借助既有GIS平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，如GoogleEarth，以節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，提高工作效率。或可直接引入激光掃描技術(shù)，通過(guò)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程數(shù)據(jù)庫(kù)，直接進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的讀取和分析計(jì)算[6];可避免空三加密，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接操作，數(shù)據(jù)可靠，且大幅提高數(shù)模處理速度。

2.2.2 三維實(shí)體庫(kù)

BIM的核心技術(shù)是面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，在上述仿真環(huán)境具備的前提下，需要將線路實(shí)體依照設(shè)計(jì)意向進(jìn)行空間擺放;因此需要基于參數(shù)化控制進(jìn)行三維圖元庫(kù)的建立。建立的方法有兩種:一是將線路設(shè)備原件進(jìn)行掃描，通過(guò)點(diǎn)云后處理軟件進(jìn)行曲線(曲面)建模，按照單位長(zhǎng)度尺寸導(dǎo)入工程數(shù)據(jù)庫(kù)待用;另一種是獲取設(shè)備三維尺寸，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行矢量化組合，將截面特征數(shù)據(jù)導(dǎo)入工程數(shù)據(jù)庫(kù)待用。鑒于國(guó)內(nèi)三維圖形處理常用的OpenGL環(huán)境，可利用專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件，采用 Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，通過(guò)構(gòu)建轉(zhuǎn)換模塊讀取模型數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后在OpenGL環(huán)境中重新構(gòu)建三維模型，解決了OpenGL中的復(fù)雜三維建模問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)三維人機(jī)交互平臺(tái)的統(tǒng)一[7]。

2.2.3 三維人機(jī)交互

首先介紹BIM繪圖。針對(duì)業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的三維瀏覽只能“看”不能“動(dòng)”，BIM明顯地脫胎于三維圖形演示，讓用戶直接在三維環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)態(tài)人機(jī)交互，一邊設(shè)計(jì)一邊直接進(jìn)行空間線位檢查、視距檢查、設(shè)備檢查、列車(chē)運(yùn)動(dòng)仿真等，真實(shí)感強(qiáng)，有助于提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。國(guó)內(nèi)常用的三維人機(jī)交互軟件主要有3DMAX(三維瀏覽)、OpenGL(三維設(shè)計(jì))，但數(shù)據(jù)接口不夠靈活。因此，針對(duì)大型BIM應(yīng)用，Autodesk公司推出了基于繪圖的以 Revit三件套為核心，配以 Autodesk Navisworks和Autodesk 3ds Max的成套軟件。該軟件以Autocad圖形環(huán)境為支撐，升級(jí)了其原有的三維功能，集成了三維圖元庫(kù)的創(chuàng)建，具備良好的人機(jī)交互界面，靈活的數(shù)據(jù)接口和三維CAD二次開(kāi)發(fā)接口，適用于鐵路建設(shè)使用。使用Autodesk Revit的工作集和鏈接管理，將多專(zhuān)業(yè)的Autodesk Revit模型進(jìn)行整合和沖突檢測(cè)，避免了因?yàn)橐粋€(gè)小小的專(zhuān)業(yè)間的碰撞所可能導(dǎo)致的施工成本的大幅追加。不僅如此，通過(guò)Autodesk Revit系列軟件，可以讓業(yè)主能夠更加直觀生動(dòng)地了解設(shè)計(jì)成果的最終形態(tài)。

其次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件、算量軟件方面早已有穩(wěn)定的產(chǎn)品融合BIM概念使用，功能完善。但在管理軟件方面，基于全生命周期的項(xiàng)目管理軟件囿于使用效果，依然只是概念設(shè)計(jì)，此處不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用技術(shù)是工業(yè)設(shè)計(jì)三維趨勢(shì)下的必然產(chǎn)物，在研究工作中圍繞三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用，須做好三維數(shù)據(jù)源采集及處理研究，工程數(shù)據(jù)庫(kù)研究(包括三維信息表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)制定)，三維圖元庫(kù)的建立，三維人機(jī)交互界面的研發(fā)技術(shù)，以及結(jié)合三維算量軟件的配套使用進(jìn)行三維項(xiàng)目管理研究等。鐵路BIM應(yīng)用將極大改觀目前的只可三維瀏覽不可三維人機(jī)交互的局面，對(duì)于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，完善工程信息管理具有積極的意義。

[1]易思蓉，張家玲.基于智能CAD系統(tǒng)的鐵路選線多方案目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法[J].鐵道學(xué)報(bào)，2000(5):95-101.

[2]易思蓉.虛擬環(huán)境鐵路選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)的理論與方法研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2000.

[3]朱江.BIM 在鐵路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探[J].鐵道勘察，2010(6):73-76.

[4]劉大園，姚力，龐玲.基于BIM的鐵路軌道工程三維數(shù)字化設(shè)計(jì)構(gòu)想[J].高速鐵路技術(shù)，2013，4(6):9-13.

[5]朱慶.分形理論及其在數(shù)字地形分析和地面仿真中的應(yīng)用[D].北京:北方交通大學(xué)，1995.

[6]張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)理論與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2007.

[7]呂?？姿既?，何麗.OpenGL環(huán)境下的模型數(shù)據(jù)庫(kù)管理與復(fù)雜三維建模[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2007(2):12-16.