韓元利

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 線路與站場設(shè)計研究院，湖北武漢 430063）

0 引言

鐵路是一個大區(qū)域的線性工程，傳統(tǒng)鐵路設(shè)計主要是基于CAD的計算機輔助設(shè)計，將球面空間以近似的方式投影到平面上開展參照性設(shè)計，誤差不可避免。同時，鐵路工程數(shù)字化基本停留在可視化水平，缺乏貫穿工程全生命周期的數(shù)據(jù)組織、模型表達、工程管理與運營等核心資產(chǎn)建模，無法構(gòu)成脈絡(luò)清晰的應(yīng)用體系，限制了勘察設(shè)計行業(yè)的發(fā)展空間。究其原因，當前CAD/BIM單尺度勘察設(shè)計技術(shù)存在面向資產(chǎn)富集難以逾越的根本缺陷：（1）面向工程局部平面，空間零散，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)無法統(tǒng)一；（2）缺乏空間布局設(shè)計，BIM設(shè)計沒有完全的空間自由度；（3）空間與尺度的分割，導(dǎo)致無法構(gòu)建統(tǒng)一有機的一張圖數(shù)字生命體資產(chǎn)；（4）沒有數(shù)字鐵路資產(chǎn)這個核心紐帶，設(shè)計智能化與信息集成化缺乏依存的主體，協(xié)同與全生命周期應(yīng)用體系難以建立。

在歷經(jīng)10余年利用3D GIS開發(fā)三維選線設(shè)計系統(tǒng)[1]的基礎(chǔ)上，從空間尺度的認知出發(fā)，基于數(shù)字孿生鐵路大空間下大數(shù)據(jù)高效表達的技術(shù)需要，圍繞鐵路工程GIS+BIM多尺度建模、生產(chǎn)與表達的需要，提出一種面向未來鐵路一張圖的新型“宏-微”觀綜合設(shè)計技術(shù)手段。

1 尺度概念及海量大數(shù)據(jù)表達演變趨勢

尺度在很多行業(yè)中都是一個重要概念，通俗地理解是指準繩、分寸，是衡量事物的一種標準，最典型的情況是工程制圖中常用的比例尺與圖像存儲中的分辨率概念。以不同的尺度看事物，體現(xiàn)事物存在過程中一個視野狀態(tài)量，它并不代表事物的全部，尺度不同則描述事務(wù)的細膩豐度完全不同。鐵路工程設(shè)計中不同階段采用不同比例尺的勘察設(shè)計作業(yè)，就是基于構(gòu)建鐵路事務(wù)的細膩豐度需要而逐步求精的。

在CAD/BIM這種設(shè)計系統(tǒng)中，制圖表達是基于數(shù)據(jù)文件的靜態(tài)表達，尺度的轉(zhuǎn)換主要取決于設(shè)計人員提供什么比例尺的設(shè)計圖。然而在GIS中，為了提供連續(xù)的多尺度高效表達機制，通過層次細節(jié)模型（LoD）動態(tài)表達技術(shù)來實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的按需表達，同時為這種表達機制匹配地提供多種尺度構(gòu)成的金字塔數(shù)據(jù)來滿足按需表達的需要。例如，地圖導(dǎo)航中放大地圖與縮小地圖會呈現(xiàn)不同的地貌細節(jié)，實質(zhì)上是不同尺度的多層數(shù)據(jù)的動態(tài)切換表達。概括起來，在CAD/BIM體系中，數(shù)據(jù)與表達是一一對應(yīng)的單尺度約束關(guān)系，而在GIS系統(tǒng)中表達是動態(tài)的、數(shù)據(jù)是多尺度的，并沒有簡單的對應(yīng)關(guān)系。

多尺度動態(tài)表達對海量數(shù)據(jù)的高效表達能力，是靜態(tài)表達難以企及的性能優(yōu)勢，然而它對數(shù)據(jù)的多尺度構(gòu)建要求卻難以適應(yīng)實時的工程設(shè)計需要。以網(wǎng)絡(luò)地圖瓦片服務(wù)（WMTS）的四叉樹表達機制為例，需要針對不同尺度的地圖表達構(gòu)建L0-Ln多層金字塔式冗余數(shù)據(jù)（見圖1）。

圖1 地理數(shù)據(jù)的多尺度金字塔結(jié)構(gòu)示意圖

從各尺度數(shù)據(jù)生產(chǎn)來看，粗略數(shù)據(jù)基于精細數(shù)據(jù)圖層聚類演繹[2]生成：

式中：Li表示第i尺度層對應(yīng)的數(shù)據(jù)；f表示它們之間的生產(chǎn)關(guān)系，基于遞歸法則，存在如下的衍生生產(chǎn)關(guān)系f'，其中Ln稱之為本體模型，也就是對象的完整形態(tài)實體：

由式2可知原始本體模型Ln決定了各個尺度的數(shù)據(jù)生產(chǎn)。對數(shù)字城市、實景模型以及BIM模型的動態(tài)表達也是如此，有了精細化的模型，就能通過預(yù)處理的方式得到其他尺度的數(shù)據(jù)（見圖2）[3]。

圖2 實體模型的多尺度生產(chǎn)與表達[3]

多尺度數(shù)據(jù)的生產(chǎn)衍生關(guān)系f'是預(yù)處理開展，還是在設(shè)計中實時生成，需要分不同的應(yīng)用情形來科學(xué)選擇。

（1）以空間換時間。對于狀態(tài)穩(wěn)定的本體（如人類生存的地球）模型Ln，如果主要發(fā)布目的限于提供表達效果時，以空間換時間是一種滿足大眾高頻訪問查詢的科學(xué)途徑。對高頻次服務(wù)訪問，更適宜以預(yù)處理的模式提前生產(chǎn)Li，從而避免服務(wù)超荷，代價是需要為Li的存放提供存儲空間，其驅(qū)動模型見圖3。

圖3 穩(wěn)定性產(chǎn)品（如地理數(shù)據(jù)或?qū)嶓w模型）的多尺度驅(qū)動模型

（2）以效率換能力。如果是以設(shè)計、改造為主的對象加工，就不能通過預(yù)處理f'得到穩(wěn)定狀態(tài)的Li，需要針對每一次變更操作執(zhí)行f'，如數(shù)字地球上的三維選線建模、地理設(shè)計[4]就是這種應(yīng)用情形，雖然表達性能受影響，但提高了表達數(shù)據(jù)的實時性更新能力。以F代表設(shè)計行為與表達效果之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其驅(qū)動模型見圖4。

圖4 兼顧設(shè)計過程的動態(tài)產(chǎn)品多尺度驅(qū)動模型

在這個驅(qū)動鏈路中，實時響應(yīng)變更的本體模型Ln是單尺度的，只有經(jīng)過f'變換后，才形成多尺度的數(shù)據(jù)Li。因為設(shè)計與表達的實時關(guān)聯(lián)性，無法將f'過程剝離出來，從動作-效果看就是單一設(shè)計衍生出多尺度表達，實質(zhì)構(gòu)建了一種V=F(P)關(guān)系。F與f'的轉(zhuǎn)換關(guān)系實質(zhì)是一致的，只是面向?qū)ο蟛煌?/p>

2 面向“宏-微”觀表達的鐵路工程設(shè)計手段

面向數(shù)字孿生[5]的未來鐵路設(shè)計技術(shù)手段，追求的目標是GIS+BIM數(shù)字資產(chǎn)在勘察、設(shè)計、建造、運維一張圖一體化作業(yè)體系。模型的設(shè)計來源并非單一，大區(qū)域地理環(huán)境只能來源于GIS，同時GIS上的地理設(shè)計與符號化表達機制承擔了對BIM模型的方位與姿態(tài)表達，而BIM設(shè)計建模確立了模型的具體結(jié)構(gòu)形態(tài)。鐵路工程模型資產(chǎn)的多尺度生產(chǎn)與表達驅(qū)動模型及其優(yōu)化見圖5。

圖5 鐵路工程模型資產(chǎn)的多尺度生產(chǎn)與表達驅(qū)動模型及其優(yōu)化

在這個鏈路中，地理設(shè)計P1確立每個構(gòu)件的位置與姿態(tài)，是一個分布模型而不是實體模型，對模型表達起定位定姿作用但對模型的形態(tài)與存儲不構(gòu)成影響。因而完全可以用1條獨立的路徑直接面向表達進行傳導(dǎo)，沒有必要參與模型的構(gòu)建與多尺度數(shù)據(jù)的生產(chǎn)存儲，從而形成優(yōu)化的驅(qū)動路徑。實際上當前BIM的設(shè)計思想正是基源于此：以相對原點構(gòu)建模型、可以自由定義的正北方向都體現(xiàn)了與方位、姿態(tài)脫離的設(shè)計思維。但鐵路工程不是建筑單體，是一系列單體構(gòu)件模型在空間上的有序組合，因此對于一個完整的鐵路工程設(shè)計，更需要地理設(shè)計手段來統(tǒng)一協(xié)調(diào)構(gòu)件集的關(guān)系與方位，以決定鐵路工程中地理設(shè)計與BIM設(shè)計相互依存的關(guān)系。了解地理設(shè)計的理念與必要性后，面向?qū)崟r設(shè)計建模的GIS+BIM多尺度表達生成關(guān)系F的確立如下：

式中：P1的設(shè)計結(jié)果為模型的姿態(tài)量，獨立實現(xiàn)對表達的支持，不能也不必參與多尺度衍生；P2的設(shè)計結(jié)果為BIM模型實體，是多尺度衍生的主要對象，因此該表達式可進一步描述為：

F關(guān)系的確立可以通過模型化簡技術(shù)[2-3]構(gòu)建，要求設(shè)計成果越精細、越豐富越好。鐵路工程模型的多尺度金字塔結(jié)構(gòu)見圖6。在該金字塔結(jié)構(gòu)的頂層，宏觀上的地理設(shè)計確立了下層每個BIM構(gòu)件的方位與姿態(tài)，其是連續(xù)分布的矢量，可以面向各個尺度的模型表達輸送精確的位置姿態(tài)。而根據(jù)選線方案的設(shè)計依賴來看，研究空間越廣泛，研究方案則越全面，因此宏觀上會呈現(xiàn)向更宏觀區(qū)域拓展的趨勢，更需要跳出工程設(shè)計的空間限制[6]，依靠地理設(shè)計更新設(shè)計手段。

圖6 鐵路工程模型的多尺度金字塔結(jié)構(gòu)

在金字塔結(jié)構(gòu)的底層，BIM設(shè)計面向更精細化的尺度發(fā)展，也會導(dǎo)致另一個問題衍生，即存儲體量越來越大。多尺度設(shè)計表達體系的優(yōu)點就是當體量增大時，可以通過提升尺度級別輕松化解，如原來面向部件級的建模，可能需要更深入一步面向構(gòu)件級、甚至零件級推進，這也更符合當前越來越細化的社會化、工廠化分工協(xié)作模式演變。

當確立好“宏-微”觀2個尺度的模型后，中間層級的任何尺度模型都可通過成熟的空間分析手段自動實現(xiàn)生產(chǎn)進而表達，即：

對模型的化簡而言，衍生關(guān)系F可采用參考文獻[4]的技術(shù)來生成各尺度模型。而對許多中間尺度的設(shè)計圖、施工圖等不同類型的成果生成，衍生關(guān)系F也可通過兩極成果插值、聚類、演繹、散列、泛化、衍生等空間推理手段自動生成[7-8]。只要把握了宏-微觀2個極點狀態(tài)，事實上就把握住了數(shù)字資產(chǎn)的完整形態(tài)，中間產(chǎn)品都可通過計算機動態(tài)生成來滿足各方面的需要，包括人員審圖、存檔等需要。相反，如果把握不住2個極點層面，成果設(shè)計就難以形成一個閉合的方案集，方案自然也不穩(wěn)定，任何推導(dǎo)、輸出都沒有依據(jù)與意義。因此，這個體系的尺度深度會像不斷膨脹的宇宙一樣向兩極深化，宏觀的更宏觀、微觀的更微觀，無論怎樣去拓展這個體系深度，多尺度的機制都能很好地拓展容納并保持勘察設(shè)計體系的穩(wěn)定。

按照上述思想，L0層級來自另一種設(shè)計手段與產(chǎn)品，帶來的疑問是：與BIM的衍生產(chǎn)品處于一個金字塔體系是否恰當。實際上，當每個模型無限簡化后，也就可以簡化成1條細小的線段或是有方向的向量點，這正好與地理設(shè)計的成果完全吻合。從這個角度理解，“宏-微”觀結(jié)合設(shè)計也是一脈相通的科學(xué)結(jié)合有機體。

3 中間尺度CAD設(shè)計的尷尬地位與工程空間的褪化趨勢

（1）中間尺度CAD設(shè)計產(chǎn)品難以用于構(gòu)建大數(shù)據(jù)多尺度數(shù)字鐵路資產(chǎn)。如前所述，現(xiàn)行鐵路工程設(shè)計模型是在中間比例尺開展的不同尺度設(shè)計，記Ls為不同比例尺下的設(shè)計成果，其中S表示1∶S的設(shè)計成果。前后設(shè)計成果可能有：

這些散列的尺度層，只是本體模型Ln的1個層面，很難綜合起來形成最終的本體模型并為多尺度表達提供支持能力，原因如下：（1）缺乏三維的支持能力；（2）碎片化的分帶空間讓它們很難構(gòu)成一個統(tǒng)一的有機體；（3）沒有空間約束的BIM設(shè)計，即使鐵路針對BIM建模的LoD100、LoD200、……、LoD500實施標準[9]，也無法建立起Ln的完整實體，這是因為當前BIM建模還沒有建立起地理坐標系與用戶坐標系之間嚴密的約束關(guān)系。不同尺度下的空間過渡流程見圖7。

圖7 不同尺度下的空間過渡流程

由于傳統(tǒng)勘察設(shè)計完全基于人的設(shè)計思維與技術(shù)路線構(gòu)建，各個層級的空間觀沒有建立自動轉(zhuǎn)換與映射機制，從地理空間下測量取得的各種空間數(shù)據(jù)通過人的參與轉(zhuǎn)換成為工程數(shù)據(jù)，導(dǎo)致很多設(shè)計成果在丟失轉(zhuǎn)換參數(shù)后成為游離的、失去空間參照的沒有地理依附的成果，但好在傳統(tǒng)工程設(shè)計分帶區(qū)域較長，一般至少有幾十公里的區(qū)域，依據(jù)工程人員的地理感知能力，將游離的工程設(shè)計成果納入正確的度帶范圍是比較容易判斷把握的。

當前BIM建模延續(xù)了工程設(shè)計空間，但頂點不再有統(tǒng)一的工程坐標約束，而只能依賴用戶坐標原點進行定位，這是BIM的基本特性。首先各個構(gòu)件的原點坐標如何統(tǒng)一定義本身缺乏約束，其次每個構(gòu)件事實上構(gòu)成了1個獨立的用戶坐標空間，也就是空間更加碎片化，構(gòu)建出來的大量BIM模型很難再依靠工程人員的地理感知力歸集到正確的地理空間從而還原本體的鐵路模型Ln。

雖然BIM建模人員琢磨出利用自定義基點來指定BIM模型的位置，但其實這不符合BIM工廠化設(shè)計與加工的思路，BIM設(shè)計平臺的主旨是脫離環(huán)境的盲盒生產(chǎn)方式。首先，如果基點是一個被看重的定義參數(shù)，Re?vit等BIM建模平臺就不會通過人的自定義去設(shè)置它，相反應(yīng)該成為常規(guī)參數(shù)存在；其次，這種自定義基點難以向非BIM模型傳導(dǎo)，也難以在多尺度生產(chǎn)中進行位置傳承，額外的定義配備也增加了設(shè)計人員的工作量，而且也不會被任何平臺自動感知方位基點，因此沒有生命力可言。

（2）方位設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計獨立開展大空間工程設(shè)計是構(gòu)建大數(shù)據(jù)資產(chǎn)的必然要求。理想的解決方案是，鐵路各個構(gòu)件模型的設(shè)計與方位、姿態(tài)完全獨立，基于一定的建模規(guī)則直接在BIM用戶坐標空間中構(gòu)建，如三維選線設(shè)計系統(tǒng)中統(tǒng)一以構(gòu)件中心基線軌面點為原點，以前進方向為X正軸，Z軸垂直向上，以右手坐標系構(gòu)建BIM建模用戶坐標系。BIM模型本身無須附帶定位定姿參數(shù)，更無須向外傳導(dǎo)，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)標件模型的大規(guī)模復(fù)用，這也正是開展BIM構(gòu)件化生產(chǎn)的重要意義。

達成這種理想的設(shè)計方式其實很簡單，剝離中間尺度的CAD輔助設(shè)計技術(shù)體系，讓地理設(shè)計直接與BIM設(shè)計進行關(guān)聯(lián)并為每個BIM部件、構(gòu)件、零件提供坐標與姿態(tài)表達支持。參考文獻[9]對剝離工程空間后的空間定位精度保障提供了有力的推理論證，事實也證明這種模式組織起的碎片化模型比BIM拼湊起來的模型精度要高。脫離工程空間設(shè)計的地理空間+BIM用戶空間配準建模效果見圖8。

圖8 脫離工程空間設(shè)計的地理空間+BIM用戶空間配準建模效果

在圖8的三維選線設(shè)計系統(tǒng)線路建模中，所有構(gòu)件的姿態(tài)直接來源于地理設(shè)計形成的軌面線，構(gòu)件長度為1～300 m，由大量碎片化構(gòu)件實現(xiàn)了全線的連續(xù)表達，均采用用戶坐標構(gòu)建與表達，由圖中A處的新線與既有線的門式墩穿插效果，以及軌道板（<7 m的碎片化構(gòu)件）平順鏈接的效果，都可以驗證該體系的科學(xué)性與精確性。

剔除工程空間束縛下的CAD輔助設(shè)計技術(shù)體系，不僅讓BIM徹底地面向工廠化開啟了方便之門，讓構(gòu)件設(shè)計更靈活便利，釋放BIM作為構(gòu)件級設(shè)計產(chǎn)品的潛能，也簡化了勘察設(shè)計作業(yè)流程，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計與空間布局設(shè)計分工更明晰、更單純，更有利于實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)體系建立以及挖掘自動化、智能化技術(shù)手段。

4 結(jié)論

構(gòu)建“宏-微”觀兩級演化的勘察設(shè)計體系，實際上是將復(fù)雜的空間工程與結(jié)構(gòu)工程有機地結(jié)合起來，讓做空間布局設(shè)計的專注于做空間布局設(shè)計，讓做結(jié)構(gòu)設(shè)計的專注于做結(jié)構(gòu)設(shè)計，空間布局直接作用于表達，不參與結(jié)構(gòu)化設(shè)計，不對結(jié)構(gòu)設(shè)計造成羈絆，分工更明晰、更單純，更有利于構(gòu)建“機-機”協(xié)同作業(yè)體系，更有利于在各個層面充分挖掘自動化、智能化設(shè)計手段。對發(fā)展“宏-微”觀勘察設(shè)計的優(yōu)勢總結(jié)如下：

（1）宏觀上發(fā)展地理設(shè)計，可以充分利用豐富的地理信息及強大的空間分析手段實現(xiàn)智能化方案的決策，如基于地理設(shè)計的三維選線設(shè)計系統(tǒng)，能提供包括自動拉坡、自動橋隧命名、自動梳流等大量智能自動化能力，可為宏觀上發(fā)展智能化設(shè)計提供參照。

（2）微觀上發(fā)展以參數(shù)化驅(qū)動的BIM設(shè)計，非常有益于對設(shè)計樣板、標準等進行算法實現(xiàn)，讓設(shè)計更簡單，質(zhì)量更有保證，設(shè)計效率比面向點、線、面的CAD設(shè)計方式顯著提高，按默認參數(shù)或智能化配備的參數(shù)化，也為BIM的自動化建模提供了更高的效率途徑。實現(xiàn)設(shè)計的實體信息化、結(jié)構(gòu)化，也有利于面向工廠化生產(chǎn)、加工，實現(xiàn)構(gòu)件的規(guī)?；藴驶a(chǎn)與全周期信息化管理。空間布局設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)松耦合，在不同層面都能基于各自平臺優(yōu)勢提供自動化設(shè)計能力，通過智能化、參數(shù)化強化人的決策能力而減少人的輔助設(shè)計事務(wù)。

（3）2種設(shè)計手段的融合，不是一種復(fù)雜化，而是空間工程與結(jié)構(gòu)工程的優(yōu)化組合，可簡化勘察設(shè)計建造及全生命周期應(yīng)用邏輯與流程，具備工程全階段全面數(shù)字資產(chǎn)化應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)[10]，為構(gòu)建勘察、設(shè)計、建造、運維一張圖一體化作業(yè)平臺理清了架構(gòu)、剝離了束縛。技術(shù)體系上的創(chuàng)新迫切需要設(shè)計者解放思想，不拘泥于輔助設(shè)計的泥潭，轉(zhuǎn)換思路，循序漸進，開創(chuàng)新一輪的勘察設(shè)計技術(shù)革命。