蘇立勇， 周 軼， 張志偉， 路清泉

(1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 北京 100068； 2. 城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100068)

0 引言

根據(jù)中國(guó)城市軌道協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，截至 2019 年底，中國(guó)內(nèi)地開(kāi)通軌道交通的城市共 40 座，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)6 730.27 km[1]。隨著地鐵線路開(kāi)通數(shù)量的增加，地面地鐵出入口的數(shù)量也不斷增加。地鐵出入口及其附屬建筑不僅承載著重要的交通功能，其形象也需要結(jié)合城市周邊環(huán)境綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著B(niǎo)IM、GIS技術(shù)的發(fā)展，城市環(huán)境模型的可視化，可以利用BIM技術(shù)輔助城市軌道交通附屬一體化設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)目前已有針對(duì)BIM、GIS技術(shù)在軌道交通及其他工程領(lǐng)域研究的相關(guān)文獻(xiàn)。高銀鷹等[2]從數(shù)據(jù)分類、建模標(biāo)準(zhǔn)、模型構(gòu)建及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)化的標(biāo)準(zhǔn)處理等方面分析了城市軌道交通BIM-GIS技術(shù)的融合。謝明霞等[3]從數(shù)據(jù)集成、功能集成和應(yīng)用集成3個(gè)方面對(duì)3D GIS 與BIM 進(jìn)行了集成，并著重對(duì)數(shù)據(jù)集成進(jìn)行了分析。王孟鈞等[4]從模式、方法及實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)BIM和GIS技術(shù)集成的有效途徑進(jìn)行分析，通過(guò)設(shè)計(jì)界面、虛擬建造和協(xié)同平臺(tái)3個(gè)維度對(duì)2種技術(shù)集成在城市軌道交通中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。白文等[5]研究了基于CityMaker 平臺(tái)的多專業(yè)、多種類、多格式的多源BIM 與3D GIS 數(shù)據(jù)的集成技術(shù)路線。在軌道交通附屬一體化設(shè)計(jì)工程相關(guān)研究領(lǐng)域，李樸[6]以北京軌道交通房山線北延工程四環(huán)路站為例，研究了車站與橋梁共建及附屬一體化設(shè)計(jì)思路。李娟等[7]提出有利于改進(jìn)車站附屬設(shè)施用地控制的建議，從而引導(dǎo)車站附屬設(shè)施用地的預(yù)留和發(fā)展?；谝延械南嚓P(guān)研究文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有大部分研究是對(duì)技術(shù)手段和附屬一體化設(shè)計(jì)方法的探討，沒(méi)有基于實(shí)際項(xiàng)目從BIM全生命周期應(yīng)用的角度綜合分析BIM技術(shù)對(duì)軌道交通附屬一體化建設(shè)的推動(dòng)作用。軌道交通全過(guò)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[8]，依托軌道交通全生命周期的BIM-GIS應(yīng)用等技術(shù)，會(huì)更加符合精細(xì)化管理、數(shù)字化建造的目標(biāo)。

本文基于北京地鐵19號(hào)線一期工程已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注附屬一體化工程中遇到的實(shí)際問(wèn)題，從實(shí)際出發(fā)，通過(guò)多源數(shù)據(jù)的概念、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用點(diǎn)等方面闡述該技術(shù)為軌道交通附屬一體化設(shè)計(jì)帶來(lái)的新思路，站在建設(shè)管理單位的角度梳理附屬一體化工程中該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用點(diǎn)與管理流程，以期為日后的工程項(xiàng)目帶來(lái)啟發(fā)和借鑒。

1 概述

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

北京地鐵19號(hào)線是一條穿越中心城的大運(yùn)量南北快線。一期工程南起新宮、北至牡丹園，線路全長(zhǎng)22.4 km，全部為地下線，共設(shè)置10座車站，8座換乘站，1座車輛段[9]。作為一條穿越北京西部中心城區(qū)的南北向快線，沿途城市區(qū)域環(huán)境面貌差異很大(見(jiàn)圖1)，既有滿載城市歷史記憶的高密度老城區(qū)(積水潭站、平安里站)，高端的國(guó)家級(jí)金融核心區(qū)(金融街站)，又有解放后在二環(huán)外大規(guī)模建造起來(lái)的大型居住區(qū)(牡丹園站、北太平莊站、牛街站、右安門(mén)外站)，尚未充分開(kāi)發(fā)的城市新區(qū)(新發(fā)地站、新宮站)，確定車站出入口和風(fēng)亭的數(shù)量及位置對(duì)平面總布局有很大的影響[10]。尤其是19號(hào)線沿線城市環(huán)境多樣，出入口數(shù)量眾多，一體化出入口形式多變(見(jiàn)表1，表中數(shù)據(jù)是截至本論文投稿前北京地鐵19號(hào)線一期工程各站附屬建筑數(shù)量統(tǒng)計(jì))，其建設(shè)條件及與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)難度極大，運(yùn)用何種技術(shù)手段把控整體性設(shè)計(jì)效果是本研究的重點(diǎn)難點(diǎn)。

圖1 北京地鐵19號(hào)線一期工程穿越的不同城市風(fēng)貌區(qū)示意圖

表1 北京地鐵19號(hào)線一期工程車站地面附屬設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.2 BIM、GIS技術(shù)應(yīng)用的必要性

隨著時(shí)代的進(jìn)步，市民對(duì)城市環(huán)境要求越來(lái)越高，地鐵的附屬建筑既需要滿足乘客的乘車便捷和地鐵功能需求，也需要與城市周邊環(huán)境協(xié)調(diào)一致，甚至是與周邊規(guī)劃條件或既有建筑物的結(jié)合[11]。北京地鐵19號(hào)線一期工程新宮站一體化設(shè)計(jì)軸測(cè)圖如圖2所示。地鐵周邊建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，地面附屬設(shè)計(jì)需要根據(jù)地鐵(包括車站主體和附屬)、周邊用地(包括規(guī)劃情況和權(quán)屬情況等)、周邊建構(gòu)筑物、管線等相關(guān)信息資料，統(tǒng)籌考慮城市景觀、地鐵功能需求和工程可實(shí)施性來(lái)確定設(shè)計(jì)方案。

圖2 北京地鐵19號(hào)線一期工程新宮站一體化設(shè)計(jì)軸測(cè)圖

由于地鐵地面附屬設(shè)計(jì)一般有2個(gè)以上設(shè)計(jì)單位參與，且建設(shè)周期長(zhǎng)，經(jīng)常存在設(shè)計(jì)接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)信息不對(duì)稱等問(wèn)題，設(shè)計(jì)管理難度大；另外，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段基本都是通過(guò)效果圖去體現(xiàn)與城市景觀的結(jié)合，未能體現(xiàn)真實(shí)的周邊環(huán)境，建成效果難以保證，有些建成后與效果圖相差甚遠(yuǎn)，嚴(yán)重"縮水"，如圖3所示。通過(guò)BIM、GIS技術(shù)可以將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與展示，借助BIM-GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多單位、多專業(yè)的協(xié)同工作，各參與單位使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分析、設(shè)計(jì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，將會(huì)更好地推進(jìn)軌道交通附屬工程的精細(xì)化設(shè)計(jì)管理，提高城市的建設(shè)管理水平。

(a) 效果圖

(b) 實(shí)景圖

1.3 面臨的技術(shù)難題

1)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一。為能夠準(zhǔn)確展示附屬的設(shè)計(jì)理念、立面材質(zhì)、景觀效果等，附屬一體化設(shè)計(jì)單位采用草圖大師(SketchUp,簡(jiǎn)稱SU)建模，如圖4所示。在設(shè)計(jì)階段，為了模型的精確性，設(shè)計(jì)前期一般連同車站主體用Revit統(tǒng)一建模，無(wú)法保證展示的效果，如圖5所示。

圖4 草圖大師模型

圖5 車站主體Revit模型

2)數(shù)據(jù)輕量化困難。BIM模型數(shù)據(jù)量巨大，尤其對(duì)于軌道交通行業(yè)[12]，全線不適宜用Revit軟件建立附屬一體化模型；而且區(qū)別于民用建筑，軌道交通工程工期長(zhǎng)，跨區(qū)多，沿線地形地貌信息、拆遷占地信息等需要實(shí)時(shí)掌控，因此需要結(jié)合GIS技術(shù)的空間數(shù)據(jù)管理以及大場(chǎng)景調(diào)度的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的融合[13]。

如果想要實(shí)現(xiàn)全線環(huán)境模型與車站出入口附屬模型的良好整合效果，就必須解決數(shù)據(jù)整合的問(wèn)題。車站主體模型及地下管線模型采用Revit軟件制作，地上環(huán)境模型采用3D Max軟件制作，而附屬出入口則是采用SU制作。每種軟件現(xiàn)階段并不能實(shí)現(xiàn)良好的兼容，但是由于BIM和GIS采用了完全不同的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)集成，將BIM 模型技術(shù)與3D GIS宏觀場(chǎng)景可視化技術(shù)和位置信息相結(jié)合，就能夠?qū)崿F(xiàn)城市軌道交通附屬一體化工程的可視化展示與管理運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

表2 BIM與GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比[3]

2 多源數(shù)據(jù)的概念與集成

2.1 BIM、GIS

建筑信息模型(BIM)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目的各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型[14]，著重于分析和存儲(chǔ)建筑構(gòu)件內(nèi)部的信息，但是BIM存在無(wú)法加載大范圍的空間地理數(shù)據(jù)的弊端[15]。在北京地鐵19號(hào)線一期工程中，選用常見(jiàn)的Revit軟件制作模型，其中BIM模型的搭建涉及地上建筑、市政道路、橋梁、地下市政管網(wǎng)、地下空間、車站主體(含附屬)、機(jī)電設(shè)備等多專業(yè)劃分，主要涉及到的 BIM 數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 BIM數(shù)據(jù)格式

北京地鐵19號(hào)線一期項(xiàng)目工程中三維GIS集成了大量的多源數(shù)據(jù)，包括車站沿線地上建構(gòu)筑物的模型、地形地貌數(shù)據(jù)等。GIS技術(shù)側(cè)重于地理空間環(huán)境信息的宏觀表達(dá)，能處理海量地形數(shù)據(jù)，但不能創(chuàng)建精細(xì)化內(nèi)部微觀模型[4]。3D GIS數(shù)據(jù)格式見(jiàn)表4。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

CityMaker 軟件是國(guó)產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)三維地理信息平臺(tái)軟件，在北京地鐵19號(hào)線一期工程中選用此軟件作為三維引擎對(duì)項(xiàng)目中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

為了實(shí)現(xiàn)不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)統(tǒng)一支持的格式數(shù)據(jù)，需要用數(shù)據(jù)處理工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理。在Citymaker系列軟件中，BIM 模型和原始三維模型統(tǒng)一通過(guò)空間數(shù)據(jù)庫(kù) FDB進(jìn)行管理。CityMaker 主要以插件的形式來(lái)實(shí)現(xiàn) BIM 模型一鍵式導(dǎo)出為 FDB；并以中間數(shù)據(jù)交換格式作為過(guò)渡，來(lái)實(shí)現(xiàn)Max模型導(dǎo)入 FDB。SketchUp 中的三維模型可通過(guò) CityMaker Bulider 或 CityMaker Connect 實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入 FDB[5]。數(shù)據(jù)集成的技術(shù)路線如圖6所示。在CityMaker中加載3D模型、Revit模型及SU模型的示意圖如圖7-9所示。

圖6 數(shù)據(jù)集成的技術(shù)路線[5]

圖7 加載3D模型

圖8 加載Revit模型

圖9 加載SU模型

3 地上附屬一體化模型展示

3.1 地鐵沿線周邊環(huán)境模型的搭建

為了使地鐵車站沿線地上、地下環(huán)境得到最真實(shí)的展示(考慮到北京六環(huán)內(nèi)禁飛無(wú)人機(jī)，因此本項(xiàng)目不采用傾斜攝影的方式來(lái)?yè)Q取線路周邊的環(huán)境模型)，本項(xiàng)目使用3D GIS技術(shù)對(duì)地鐵車站沿線周邊地上、地下環(huán)境進(jìn)行了較為細(xì)致的建模，模型要求位置準(zhǔn)確、材質(zhì)清晰、體量真實(shí)，盡最大可能還原地上、地下環(huán)境的真實(shí)面貌。建模數(shù)據(jù)分類見(jiàn)表5。地上建筑模型見(jiàn)圖10，地下模型見(jiàn)圖11，地質(zhì)模型見(jiàn)圖12。

表5 數(shù)據(jù)分類[2]

圖10 地上建筑模型

圖11 地下模型

圖12 地質(zhì)模型

建模注意事項(xiàng)如下：

1)地表環(huán)境。將3D Max文件拆分成建筑、地面、種植的3個(gè)文件。

2)建筑。每個(gè)單棟建筑為一個(gè)組，內(nèi)容完整無(wú)缺漏、形態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)保持一致，貼圖盡量貼近真實(shí)。

3)地面。單獨(dú)成組，且道路應(yīng)封閉，地面貼圖材質(zhì)分辨率一致，完整車道線。

4)小品。以現(xiàn)場(chǎng)為準(zhǔn)，包括立交橋、人行天橋、公交站臺(tái)，電線桿、停車位及其他臨邊小構(gòu)筑物。

5)種植。單獨(dú)成組，包括建筑周圍的綠化/隔離帶、人行步道的樹(shù)木形態(tài)、地面鋪裝等。

6)貼圖。要求使用分辨率較高的貼圖，尺寸不小于512×512像素，圖像大小為768 kb。

3.2 地面附屬一體化模型的搭建

在初步設(shè)計(jì)階段，使用Revit搭建全線車站主體模型(含附屬)，建模深度、范圍及要求見(jiàn)表6。在此階段不需要對(duì)車站附屬的結(jié)構(gòu)形式、立面材質(zhì)以及周邊景觀綠化進(jìn)行深入的建模，只要達(dá)到位置準(zhǔn)確的要求即可。初步設(shè)計(jì)階段的地鐵出入口模型如圖13所示。

表6 建模要求

(a) (b)

在附屬一體化設(shè)計(jì)階段，為了更好地展示地面附屬一體化模型，全線采用SU建立地上附屬建筑物一體化模型和地面出入口模型，如圖14、15所示。建模內(nèi)容包括車站出入口、建構(gòu)筑物模型、景觀小品、綠化、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、河湖、橋梁及周邊一定范圍內(nèi)的地上環(huán)境模型，達(dá)到能夠清晰展示建構(gòu)筑物立面效果、材質(zhì)、構(gòu)造以及位置關(guān)系的建模深度。

圖14 地上附屬建筑物一體化模型展示效果

圖15 地面出入口展示效果

3.3 整合各階段設(shè)計(jì)成果

使用插件將3D Max模型、Revit模型導(dǎo)出為統(tǒng)一格式，載入數(shù)據(jù)庫(kù)，在平臺(tái)直接加載SU模型，整合效果如圖16所示，可查看地上地下建構(gòu)筑物的情況。若后期調(diào)整地上附屬一體化設(shè)計(jì)方案，直接添加數(shù)據(jù)源即可。

圖16 模型整合效果

其中需要注意的是，由于SU中展示的地上環(huán)境過(guò)多，包含大量的樹(shù)、人、車，使用Builder打開(kāi)時(shí)加載數(shù)據(jù)量過(guò)大，因此應(yīng)首先刪除多余的無(wú)關(guān)組件，只保留出入口、附屬建筑及建構(gòu)筑物即可；刪除SU文件中隱藏組件，這樣打開(kāi)時(shí)在Bulider中才不會(huì)顯示；由于FDB數(shù)據(jù)缺少投影信息，添加坐標(biāo)時(shí)，模型坐標(biāo)的偏移量需要根據(jù)模型坐標(biāo)與所在大地坐標(biāo)差值進(jìn)行偏移。

4 附屬一體化設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 初步應(yīng)用: 附屬一體化方案的展示

地鐵附屬設(shè)施也是城市環(huán)境中的有機(jī)組成部分，通過(guò)BIM的三維模型與仿真技術(shù)，對(duì)地面附屬設(shè)計(jì)進(jìn)行協(xié)調(diào)整合，實(shí)現(xiàn)一體化專項(xiàng)設(shè)計(jì)，確保以人為本、高效、便捷的乘車環(huán)境，實(shí)現(xiàn)軌道交通與城市的融合，提升城市形象和環(huán)境品質(zhì)。通過(guò)各方配合，可以在平臺(tái)中看到整體的城市環(huán)境與軌道交通附屬的融合關(guān)系，因?yàn)榈厣檄h(huán)境是1∶1真實(shí)建模，保證了展示效果的真實(shí)性。

4.2 深度應(yīng)用: 基于BIM-GIS數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，以及方便后續(xù)新建線路的全生命周期的管理，自主研發(fā)基于三維GIS引擎的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，如圖17和圖18所示。該平臺(tái)集成規(guī)劃設(shè)計(jì)、前期工程、圖模管理、計(jì)劃管理、進(jìn)度管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、安全質(zhì)量管理、數(shù)字化移交及隱患排查等多功能模塊。其中，本文所研究的附屬一體化工程管理主要依托于規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行管理。規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊分為規(guī)劃分析、規(guī)劃數(shù)據(jù)填報(bào)、方案分析及方案數(shù)據(jù)填報(bào)4大功能。此外，還可以對(duì)地上環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)修改、模型剖切測(cè)量等。

圖17 數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)架構(gòu)[2]

圖18 平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

方案分析功能如圖19所示，可以使用多個(gè)窗口同時(shí)展示不同方案的拆遷面積、產(chǎn)權(quán)單位、路面周圍環(huán)境的基本信息、車站建筑信息、車站風(fēng)險(xiǎn)源情況。地鐵附屬出入口的位置設(shè)置十分重要，通過(guò)地上地下環(huán)境的真實(shí)展示，可以實(shí)現(xiàn)附屬出入口方案比選決策的直觀與高效。

圖19 方案分析功能

在北太平莊站附屬方案比選時(shí)，先后上傳提交不同方案至協(xié)同平臺(tái)，期間通過(guò)不斷討論與優(yōu)化，調(diào)整了出入口的立面設(shè)計(jì)方案、街角綠化小品設(shè)計(jì)方案、街角風(fēng)亭位置以及標(biāo)準(zhǔn)出入口設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，如圖20-22所示。

(a) 街角風(fēng)亭設(shè)計(jì)方案1

(b) 街角風(fēng)亭設(shè)計(jì)方案2

(a) 標(biāo)準(zhǔn)出入口方案1

(b) 標(biāo)準(zhǔn)出入口方案2

5 結(jié)論與建議

本文依托北京軌道交通19號(hào)線一期附屬一體化工程，開(kāi)展了全線BIM、GIS數(shù)據(jù)整合以及應(yīng)用功能的針對(duì)性研究。研究成果在19號(hào)線全線推廣實(shí)施，在業(yè)內(nèi)取得了良好的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)，推動(dòng)了基于BIM、GIS技術(shù)的軌道交通附屬一體化工程的發(fā)展。研究和應(yīng)用過(guò)程中得出以下結(jié)論與建議:

1)通過(guò)建立車站的三維信息模型和數(shù)據(jù)的集成整合多源數(shù)據(jù)，可為城市軌道交通工程提供一個(gè)可視化的整體設(shè)計(jì)環(huán)境，解決軌道交通附屬建筑與周圍環(huán)境融合的可視化問(wèn)題，其展現(xiàn)出來(lái)的效果比效果圖更貼近真實(shí)環(huán)境。

2)通過(guò)北京地鐵19號(hào)線一期工程的實(shí)踐，在軌道交通附屬一體化工程設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的整合、附屬一體化設(shè)計(jì)方案的比選、分析方案與城市環(huán)境的融合度這些方面的初步應(yīng)用，具有較大價(jià)值和可行性。

3)未來(lái)隨著政府"多規(guī)合一"業(yè)務(wù)協(xié)同平臺(tái)建設(shè)工作的不斷完善，建設(shè)單位可直接將項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)、成果納入政府規(guī)劃部門(mén)多規(guī)合一平臺(tái)，進(jìn)一步統(tǒng)籌協(xié)調(diào)建設(shè)需求和管理需求，實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)共享與實(shí)現(xiàn)基于一張藍(lán)圖的建設(shè)工程項(xiàng)目信息、城市現(xiàn)狀二維數(shù)據(jù)、城市三維地面模型數(shù)據(jù)和建設(shè)工程報(bào)批BIM精細(xì)模型數(shù)據(jù)的集成顯示和可量化計(jì)算與分析。

目前北京軌道交通19號(hào)線全線推廣BIM-GIS技術(shù)也處于一個(gè)不斷探索的階段，全線附屬一體化也是首次應(yīng)用BIM-GIS技術(shù)來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目管理，以往的針對(duì)附屬一體化的研究案例較少，不夠豐富，本文介紹的數(shù)據(jù)融合方式只是一種目前找到的比較適用的、滿足項(xiàng)目管理需求的，但是從數(shù)據(jù)的融合度、操作的便捷性等方面還有待提升，后續(xù)會(huì)繼續(xù)探索數(shù)據(jù)融合的新方式，從數(shù)據(jù)層面上打破技術(shù)障礙，在項(xiàng)目管理方面實(shí)現(xiàn)新的突破。未來(lái)隨著"BIM+GIS"技術(shù)在工程中的繼續(xù)推廣應(yīng)用和迭代，最終能形成完整且實(shí)用的地鐵附屬一體化工程的設(shè)計(jì)實(shí)施方案。