呂?？?陳淑娜 孫培培

（1.石家莊鐵道大學(xué)交通運輸學(xué)院，050043，石家莊；2.河北省交通安全與控制重點實驗室，050043，石家莊∥第一作者，教授）

0 引言

目前國內(nèi)的城市軌道交通從規(guī)劃到設(shè)計，再到最終的實施，基本還是采用傳統(tǒng)的計算機輔助二維設(shè)計為主。這種設(shè)計方式不易直觀地發(fā)現(xiàn)各種潛在的沖突，不僅設(shè)計效率低下，且容易造成設(shè)計缺陷，難以滿足城市軌道交通規(guī)劃設(shè)計工作的需求。以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的BIM（建筑信息模型）技術(shù)，通過參數(shù)模型整合各種項目的相關(guān)信息，在項目規(guī)劃、運行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，提供了一個可以供不同參與方進(jìn)行協(xié)同使用的平臺，為城市軌道交通設(shè)計提供了巨大的推力［1-14］。

InfraWorks作為BIM的一款主流軟件，是歐特克公司推出的一款適用于基礎(chǔ)設(shè)施項目規(guī)劃和方案階段的全新設(shè)計工具［15］。InfraWorks提供了極其方便和快捷的基礎(chǔ)設(shè)施要素繪制和編輯功能，能夠快速創(chuàng)建逼真的三維數(shù)字模型和三維環(huán)境。利用Infra-Works提供的多種與可視化相關(guān)的功能，使設(shè)計師能夠在真實場景中進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，使用可視化成果展示其設(shè)計方案。完成方案設(shè)計之后，還可以對設(shè)計成果進(jìn)行各種分析，以驗證該設(shè)計的可行性。同時，Infra-Works可以在一個模型下創(chuàng)建多個不同的方案，設(shè)計人員和其他利益相關(guān)方可以在同一個真實的場景下直觀地對比不同的方案選項，從而快速做出決策。InfraWorks BIM與Revit軟件和Civil 3D軟件之間具有良好的數(shù)據(jù)交換能力，使得不同類型的模型和數(shù)據(jù)得以有效的整合，從而讓綜合規(guī)劃設(shè)計更為精確。

InfraWorks的這些優(yōu)勢在線路的初步規(guī)劃設(shè)計階段能夠為工程設(shè)計、方案比選提供技術(shù)支持和新的平臺，將極大地改善傳統(tǒng)二維環(huán)境下的不直觀、設(shè)計效率低，溝通不順暢等弊端；對提高設(shè)計效率、節(jié)約成本、保證質(zhì)量，實現(xiàn)工程項目策劃與設(shè)計、運行和維護(hù)等全生命周期內(nèi)進(jìn)行信息共享、傳遞、協(xié)同、決策等方面具有良好的作用。

1 軌道交通規(guī)劃設(shè)計BIM應(yīng)用技術(shù)路線分析

InfraWorks作為BIM技術(shù)的其中一環(huán)，從它的特點分析，主要適用于建設(shè)工程前期方案研究和后期設(shè)計成果的整合與展示。它的核心功能主要體現(xiàn)在三個方面：一是基礎(chǔ)模型的創(chuàng)建；二是初步方案的直觀擬定與宏觀判斷，為中期的詳細(xì)工程設(shè)計提供指引；三是漫游瀏覽和效果展示。InfraWorks突破性的可視化三維建模技術(shù)，能夠更加方便、高效地管理大型基礎(chǔ)設(shè)施模型以及加速設(shè)計流程。在Infra-Works平臺中可以草繪鐵路、公路、水域、管道、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施［16］，并且可以評估初步的工程數(shù)量、區(qū)域?qū)傩苑治?、高程分析。通過直接在InfraWorks的模型生成器中獲取地形信息或者從地形數(shù)據(jù)的網(wǎng)站上下載數(shù)字高程數(shù)據(jù)再導(dǎo)入到InfraWorks中，可規(guī)劃線路的多種方案。然后將其設(shè)計成果導(dǎo)入Civil 3D中進(jìn)行施工詳圖設(shè)計。橋梁、隧道等線路結(jié)構(gòu)物可在Revit軟件中進(jìn)行精細(xì)設(shè)計，最后以FBX格式導(dǎo)入到InfraWorks中進(jìn)行設(shè)計成果三維展示。通過InfraWorks對設(shè)計成果的整體把控，分析其不合理以及需要調(diào)整的地方，再導(dǎo)出到Civil 3D軟件中進(jìn)行調(diào)整，以此類推反復(fù)循環(huán)，直到設(shè)計成果為最優(yōu)。設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 InfraWorks與Civil 3D、Revit之間的設(shè)計流程

2 軌道交通三維場景建模

2.1 城市軌道交通地形規(guī)劃設(shè)計

InfraWorks支持大范圍的三維地形，可在其中進(jìn)行三維地形規(guī)劃的，主要有以下兩種方式。

（1）在InfraWorks中的模型生成器中有免費低精度的地形圖數(shù)據(jù)（可下載200 km2的范圍），其精度取決于微軟“必應(yīng)地圖”的精度。下載的地形數(shù)據(jù)包含三維地形、坐標(biāo)（經(jīng)緯度）、高程（單位為m）、衛(wèi)星航片、水域、路網(wǎng)（包含屬性信息，該屬性信息取決于公開地圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度及內(nèi)容）、建筑等。

（2）如果城市軌道交通項目范圍大，可在免費提供高程數(shù)據(jù)的網(wǎng)站如“地理空間數(shù)據(jù)云”和“SRTM”下載數(shù)據(jù)。在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站上可下載數(shù)字高程數(shù)據(jù)，并根據(jù)城市軌道交通項目所在區(qū)域的經(jīng)緯度選擇合適的地形圖下載（數(shù)據(jù)的后綴格式為.img格式）。再從Google Earth（谷歌地球）上下載航拍映像（包括航拍圖片、路網(wǎng)標(biāo)簽），以生成.jgw坐標(biāo)信息文件，在InfraWorks中以Raster類型數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

InfraWorks中生成的三維地形如圖2～4所示。

2.2 城市軌道交通三維場景創(chuàng)建方法

圖2 InfraWorks中展現(xiàn)的地形圖

圖3 加上正射影像后展現(xiàn)的地形圖

三維真實場景是進(jìn)行線路規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)環(huán)境，如何快速創(chuàng)建真實度高的三維場景就顯得尤為重要。Autodesk Raster Design軟件可以使CAD矢量圖與光柵圖進(jìn)行匹配，因此使用Autodesk Raster Design將已有的城市建筑及道路矢量圖與城市衛(wèi)星影像圖進(jìn)行匹配（匹配之后效果見圖5）。匹配之后通過生成的.jgw坐標(biāo)文件，為建筑物及道路指定坐標(biāo)。再將這些建筑物及道路導(dǎo)出為sdf文件，然后導(dǎo)入InfraWorks中。這種方法可以快速地創(chuàng)建建筑物及道路，效果圖如圖6所示。

圖4 修整后展現(xiàn)的地形圖

圖5 匹配之后的效果圖及放大圖

圖6 InfraWorks中的效果圖

InfraWorks可生成建筑模型，為了使建筑物更加逼真，可使用Revit平臺進(jìn)行細(xì)化建筑物。

再添加上道路、綠化、樹木、路燈等其它附屬設(shè)施，最后完成的三維場景如圖7所示。

圖7 InfraWorks三維場景效果圖

3 基于InfraWorks的城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計方法

城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計是在已經(jīng)確定的城市軌道交通線網(wǎng)條件下，研究某一條或某一段線路的具體位置，確定相關(guān)細(xì)節(jié)，包括線路的路由方案、敷設(shè)方式以及站點選擇等。在InfraWorks中三維環(huán)境建立之后，就可以開展線路規(guī)劃設(shè)計。根據(jù)InfraWorks平臺特點，基于InfraWorks的軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計主要圍繞基于三維場景模型所明確的線路控制點及周邊條件進(jìn)行粗線條、高效率的宏觀線路方案展開。

3.1 線路平面設(shè)計（建立路由方案）

InfraWorks的一大優(yōu)勢是基于設(shè)計規(guī)范建模，以保證所設(shè)計的線路符合設(shè)計規(guī)范。在三維環(huán)境中，通過線路創(chuàng)建工具，根據(jù)確定線路控制點及直觀的周邊條件，可以直接在三維環(huán)境中基于角點進(jìn)行平面線形設(shè)計，確定線路空間走向，從而建立路由方案。軌道交通的區(qū)間線路平面由直線、圓曲線和緩和曲線組成，可在InfraWorks中設(shè)置曲線半徑、緩和曲線半徑及緩和曲線長度；也可以直接在三維環(huán)境中拖動線路中心線，實時調(diào)整線路空間走向，實現(xiàn)在直觀的三維環(huán)境中快速建立線路路由方案，如圖8所示。

圖8 線路空間走向動態(tài)調(diào)整

3.2 線路縱斷面初步設(shè)計（確定線路敷設(shè)方式）

根據(jù)建立的線路路由方案，可自動提取線路中心線對應(yīng)的數(shù)字高程模型作為地面線，利用Infra-Works的縱斷面視圖，可進(jìn)行方案初步的縱斷面設(shè)計（見圖9）。在縱斷面視圖中直接拖動控制點標(biāo)高三角形，拖至相應(yīng)的高度處即可；也支持手動輸入?yún)?shù)，根據(jù)線路中線高程與地面線高程關(guān)系，即可快速確定線路敷設(shè)方式（地下隧道、地面線和高架橋梁）。在InfraWorks進(jìn)行的初步設(shè)計并不能出線路縱斷面圖，將InfraWorks設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Civil 3D軟件中，可在Civil 3D軟件平臺中進(jìn)行施工詳圖設(shè)計。

圖9 線路縱斷面圖

3.3 線路Revit精細(xì)化設(shè)計

城市軌道交通線路的橫斷面設(shè)計內(nèi)容包括確定路基、橋梁、隧道等。在InfraWorks中根據(jù)地形地物及設(shè)計規(guī)范確定路基、橋梁、隧道的里程位置。InfraWorks中有線路設(shè)計及其相應(yīng)橫斷面設(shè)計的功能，編輯高架橋梁、地下隧道的大致樣式表示。在Revit平臺中對于重點地段的梁體、橋墩的族模型以及拼接、參數(shù)化控制，進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計，以確保城市軌道交通設(shè)計的真實性。所設(shè)計的路基、橋梁和隧道圖分別如圖10～12所示。

InfraWorks中線路初步設(shè)計完成之后，將初步設(shè)計成果導(dǎo)入到Civil 3D軟件中進(jìn)行線路的精確設(shè)計。

圖10 路基俯視圖

圖11 橋梁效果圖

圖12 隧道效果圖

3.4 集成設(shè)計效果展示

在三維設(shè)計的基礎(chǔ)上，將調(diào)整后的Civil 3D設(shè)計成果以IMX文件重新導(dǎo)入到InfraWorks中來展示最新的設(shè)計成果。這樣不但可以精準(zhǔn)地展示設(shè)計方案，而且在后期項目施工圖設(shè)計階段，可在Revit平臺中進(jìn)行深化設(shè)計，并可結(jié)合精確的地形模型進(jìn)行站位規(guī)劃，又能兼顧各種規(guī)劃設(shè)計問題。圖13給出了高架橋的設(shè)計效果圖，圖14給出了隧道出口的設(shè)計效果圖，圖15給出了車站出站口設(shè)計方案。通過效果圖可以直觀地看出車站出站口、高架橋和隧道出口設(shè)置與周邊建筑和交通的融合情況，可為方案決策提供更直觀的依據(jù)。

圖13 城市軌道交通高架橋設(shè)計效果圖

圖14 城市軌道交隧道出口設(shè)計效果圖

4 結(jié)語

BIM三維模型實景展示比起單一的常規(guī)二維平面展示，有利于讓參與各方了解項目、了解方案。本文以InfraWorks BIM平臺為基礎(chǔ)，研究了利用BIM技術(shù)進(jìn)行城市軌道交通項目的地形規(guī)劃設(shè)計、三維場景建模、線路規(guī)劃設(shè)計、集成設(shè)計效果展示等，實現(xiàn)了城市軌道交通在規(guī)劃和方案階段的解決方案。同時，利用InfraWorks多種與可視化相關(guān)的功能，實現(xiàn)了在真實場景中設(shè)計方案的可視化成果展示，有利于決策者最終確定設(shè)計方案，更有利于后期的深化設(shè)計。研究成果也為城市軌道交通BIM設(shè)計奠定了一定的基礎(chǔ)。

圖15 城市軌道交通車站出站口設(shè)計效果圖

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