張鈺，董鳳翔，趙亮亮，黃旎詩

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 BIM中心，四川成都 610031）

0 引言

隨著BIM技術(shù)的快速發(fā)展，其在建筑領(lǐng)域得到了越來越廣泛和深入的應(yīng)用。國際標(biāo)準(zhǔn)組織設(shè)施信息委員會(huì)（Facilities Information Council）將BIM定義為：BIM是在開放的工業(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)目全生命周期信息的可計(jì)算、可運(yùn)算的形式表現(xiàn)，從而為決策提供支持，以更好地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目?jī)r(jià)值[1]。

同單點(diǎn)建筑相比，鐵路工程項(xiàng)目有其自身特殊性。鐵路工程項(xiàng)目一般呈大范圍帶狀分布，具有工程難度大、涉及專業(yè)繁多、地形地質(zhì)條件復(fù)雜等典型特征，傳統(tǒng)管理模式不能滿足多維信息共享與管理[2]，單純依靠BIM技術(shù)無法從宏觀尺度對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)行整體把控。

GIS是在計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。BIM側(cè)重于單體建筑的精細(xì)化表達(dá)，GIS則主要針對(duì)全局整體的地理信息管理[3-4]。因此，充分開展BIM與GIS融合應(yīng)用研究，建立鐵路三維場(chǎng)景，在鐵路工程勘察設(shè)計(jì)階段以三維可視化形式直觀展示設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合地形地質(zhì)等條件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審查和優(yōu)化，能夠最大程度挖掘BIM+GIS在鐵路工程前期工作中的巨大應(yīng)用價(jià)值。

1 研究現(xiàn)狀

BIM與GIS融合能夠?qū)崿F(xiàn)由室外到室內(nèi)、由宏觀到微觀和多層次多粒度的場(chǎng)景漫游與查看，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，目前已有大量研究。王樹臣等[5]采用語義映射的數(shù)據(jù)集成方法實(shí)現(xiàn)了BIM與GIS的融合，并探討了其在水利工程、鐵路橋梁工程、地下管網(wǎng)、場(chǎng)地分析等領(lǐng)域的應(yīng)用。在鐵路工程領(lǐng)域，操鋒[6]對(duì)BIM+GIS在鐵路行業(yè)全生命周期的應(yīng)用進(jìn)行了探討；范登科等[7]通過對(duì)鐵路工程信息模型分類及存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，為鐵路信息化建設(shè)過程中BIM與GIS融合提供了新的思路和方法；任曉春[8]針對(duì)鐵路勘察設(shè)計(jì)階段BIM與GIS融合方法，提出了地形局部修改套合、模型多分辨率與輕量化、語義信息傳遞、面向服務(wù)的架構(gòu)等尚需解決的技術(shù)難題。

從三維GIS平臺(tái)角度，蔡文文等[9]通過IFC與CityGML的語義映射和幾何過濾，實(shí)現(xiàn)了BIM與SuperMap GIS的數(shù)據(jù)集成，并通過實(shí)例化技術(shù)、LOD調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模BIM數(shù)據(jù)在SuperMap GIS中的高性能渲染與可視化；倪偉[10]通過對(duì)CityMaker平臺(tái)進(jìn)行分析和試驗(yàn)，總結(jié)出一套適合鐵路BIM數(shù)據(jù)處理的解決方案，初步實(shí)現(xiàn)了海量BIM設(shè)計(jì)成果與三維場(chǎng)景的集成。

關(guān)于鐵路工程項(xiàng)目三維場(chǎng)景創(chuàng)建也取得了一定研究成果。夏宇等[11]從三維地形環(huán)境建模、鐵路構(gòu)造物建模、鐵路附屬設(shè)施建模等方面著手，構(gòu)建了鐵路BIM三維線路場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了鐵路選線環(huán)境的三維可視化；朱穎等[12]提出一套面向鐵路行業(yè)的三維場(chǎng)景快速構(gòu)建一體化技術(shù)，主要包括鐵路帶狀三維地形快速構(gòu)建、大范圍帶狀分布的鐵路線路實(shí)體模型快速構(gòu)建和地形三維與實(shí)體三維模型的有機(jī)融合等。

綜上所述，BIM與GIS的融合以及基于BIM+GIS的鐵路三維場(chǎng)景快速構(gòu)建，需要基于三維GIS平臺(tái)，從數(shù)據(jù)集成角度出發(fā)，結(jié)合鐵路領(lǐng)域業(yè)務(wù)流程，形成統(tǒng)一規(guī)范，從而保障三維場(chǎng)景的時(shí)效性、精確性、可擴(kuò)展性。

2 鐵路三維場(chǎng)景構(gòu)建流程

三維場(chǎng)景快速構(gòu)建方法以測(cè)繪成果和設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)，以開發(fā)的輔助設(shè)計(jì)軟件、場(chǎng)景制作工具和插件為依托，結(jié)合三維場(chǎng)景的應(yīng)用和需求，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景快速制作和配置，融合地形地貌等地理空間信息、鐵路構(gòu)筑物模型等設(shè)計(jì)信息和地質(zhì)、環(huán)保等專題信息，為設(shè)計(jì)方案的可視化提供支撐。

2.1 地形模型生成

鐵路三維地形模型由數(shù)字高程模型DEM和數(shù)字正射影像DOM疊加計(jì)算得到。其中，DEM數(shù)據(jù)可根據(jù)DWG格式原始地形圖文件（一般為1︰2 000或1︰500比例尺）生成（見圖1）。

圖1 DWG格式原始地形圖

具體流程為在AutoCAD軟件中利用插件提取等高線、高程點(diǎn)（見圖2）等圖層數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)為三維點(diǎn)坐標(biāo)文件，然后將其導(dǎo)入Global Mapper軟件，并基于高程點(diǎn)計(jì)算高程格網(wǎng)數(shù)據(jù)（見圖3），然后經(jīng)過裁剪等處理后輸出為特定格式的DEM數(shù)據(jù)。

圖2 三維矢量高程點(diǎn)

圖3 高程格網(wǎng)數(shù)據(jù)

由于鐵路工程項(xiàng)目呈大范圍帶狀分布，為保證鐵路沿線三維地形的高精度和三維場(chǎng)景的協(xié)調(diào)性，同時(shí)控制三維場(chǎng)景的大小。采用的處理辦法為：不同精度及層級(jí)DEM（見圖4）和DOM數(shù)據(jù)混合使用，對(duì)線路沿線一定范圍內(nèi)（如20 km）的地形模型與影像采用高分辨率數(shù)據(jù)，對(duì)距鐵路線較遠(yuǎn)處（如大于20 km）采用低分辨率數(shù)據(jù)（如13級(jí)谷歌影像和90 m分辨率SRTM高程數(shù)據(jù)，見圖5），兩者無縫銜接。

圖4 2m分辨率高精度DEM數(shù)據(jù)

圖5 90m分辨率SRTM數(shù)據(jù)

生成三維地形的操作在TerrainPush軟件平臺(tái)中進(jìn)行，將DEM、DOM等數(shù)據(jù)作為輸入，進(jìn)行預(yù)處理和參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行計(jì)算，即可生成對(duì)應(yīng)三維地形模型（TED格式），具體模型創(chuàng)建流程見圖6。

圖6 三維地形模型創(chuàng)建流程

生成的高精度三維地形模型具有豐富的空間信息，是建立BIM+GIS三維場(chǎng)景的基礎(chǔ)，能夠直觀反映鐵路沿線的地形地貌特征（見圖7）。

圖7 高精度三維地形模型

2.2 鐵路構(gòu)筑物模型建立

鐵路工程項(xiàng)目涉及專業(yè)眾多，包括線路、橋梁、隧道、站場(chǎng)、路基、地質(zhì)、軌道、接觸網(wǎng)、通信信號(hào)等。為了各專業(yè)間能夠高效協(xié)同工作，搭建了基于Bentley ProjectWise的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間資源共享，統(tǒng)一各方工作，提升工作效率。

此外，開發(fā)了針對(duì)各專業(yè)的BIM輔助設(shè)計(jì)軟件，利用建立的構(gòu)件庫和模板，基于設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，快速建立全線各專業(yè)的三維BIM模型（見圖8—圖10）。

圖8 線位輔助設(shè)計(jì)程序

圖9 橋梁BIM模型

圖10 站房BIM模型

2.3 BIM與GIS融合

BIM與GIS融合主要實(shí)現(xiàn)鐵路構(gòu)筑物模型由BIM平臺(tái)格式（如DGN格式）向三維GIS平臺(tái)格式（如FDB格式）轉(zhuǎn)換，同時(shí)保證模型幾何、屬性、紋理、材質(zhì)、編碼、參數(shù)和附加信息等不能丟失。

在對(duì)BIM模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，對(duì)其坐標(biāo)系進(jìn)行定義。由于鐵路線路長(zhǎng)，為減小誤差，通常采用分段投影方式，通過開發(fā)的工具只需提供各模型的坐標(biāo)信息表，即可實(shí)現(xiàn)模型坐標(biāo)系的批量定義。

對(duì)于穿越城市的鐵路，利用開發(fā)的處理程序和建筑物矢量數(shù)據(jù)（包括外輪廓和高度），快速拉伸出建筑物模型并貼上紋理，具體融合效果見圖11。

圖11 BIM模型和三維地形融合效果

將設(shè)計(jì)信息附加到BIM模型上，經(jīng)過BIM與GIS融合后，能夠在三維場(chǎng)景中查詢模型對(duì)應(yīng)的屬性信息。

2.4 專題信息配置

在鐵路工程三維BIM+GIS場(chǎng)景中，除三維地形模型和三維鐵路構(gòu)筑物模型外，需針對(duì)具體應(yīng)用需求對(duì)影響鐵路設(shè)計(jì)方案的重要因素以專題圖的形式接入，主要包括環(huán)保區(qū)域、不良地質(zhì)、斷裂帶、大臨設(shè)施分布等。

根據(jù)鐵路三維場(chǎng)景制作經(jīng)驗(yàn)，其中對(duì)于場(chǎng)景中常見要素的表示方式進(jìn)行約定（如填充色、邊框?qū)挾?、高度模式等），基于該約定并通過插件開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維場(chǎng)景中專題信息的快速配置（見圖12），并保證風(fēng)格統(tǒng)一。

圖12 場(chǎng)景中添加專題信息

2.5 場(chǎng)景標(biāo)注配置

鐵路工程三維場(chǎng)景中涉及的標(biāo)注主要包括里程標(biāo)、工點(diǎn)標(biāo)、地名標(biāo)等。通過在Bentley OpenRail Designer平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)里程標(biāo)和工點(diǎn)標(biāo)的快速提取。提取里程標(biāo)是以鐵路線位為輸入，并設(shè)置需要提取里程的間隔（100 m、1 km等），然后執(zhí)行提取操作；提取工點(diǎn)標(biāo)是以線位和工點(diǎn)表為輸入，輸出工點(diǎn)名稱、位置等信息。

通過上述操作得到的點(diǎn)數(shù)據(jù)為JSON格式，記錄了點(diǎn)的三維坐標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換為Shpfile格式，并按設(shè)置的顯示規(guī)范將其加入三維場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)所需的標(biāo)注配置效果（見圖13）。

圖13 標(biāo)注配置效果

3 結(jié)束語

結(jié)合基礎(chǔ)地形測(cè)繪資料和鐵路設(shè)計(jì)資料等數(shù)據(jù)，介紹鐵路三維場(chǎng)景快速構(gòu)建方法，包括三維地形模型創(chuàng)建、鐵路構(gòu)筑物BIM模型快速生成、BIM與GIS融合、專題信息接入與快速配置、場(chǎng)景標(biāo)注配置等，相關(guān)流程和內(nèi)容基于三維GIS平臺(tái)CityMaker進(jìn)行說明。

根據(jù)創(chuàng)建的BIM+GIS三維場(chǎng)景，能實(shí)現(xiàn)鐵路設(shè)計(jì)方案的快速展示、比選分析，有利于鐵路設(shè)計(jì)各專業(yè)間的信息共享。隨著鐵路建設(shè)階段的推進(jìn)，不斷完善三維場(chǎng)景并提高精度，能夠推動(dòng)BIM技術(shù)在鐵路工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維全生命周期的應(yīng)用。