鐵路勘測設(shè)計BIM應(yīng)用基礎(chǔ)研究

金 星

(中鐵一院蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州 730000)

鐵路勘測設(shè)計是鐵路建設(shè)中一項重要的統(tǒng)領(lǐng)全局的工作。伴隨著工程認知和技術(shù)條件的發(fā)展，鐵路選線經(jīng)歷了實地選線、沙盤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)計三維化的推進，鐵路選線從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)設(shè)計作業(yè)模式正逐步向虛擬環(huán)境選線發(fā)展?；诖?，亟需在已取得的鐵路勘測設(shè)計信息化成果上，進一步融入BIM應(yīng)用技術(shù)，促進鐵路建設(shè)全生命周期的三維決策和管理。

1 鐵路勘測設(shè)計現(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)進程中，單獨的二維設(shè)計軟件功能已基本滿足現(xiàn)場需要，即通過平面、縱斷面、橫斷面功能軟件可以實現(xiàn)既有作業(yè)模式下鐵路選線流程化設(shè)計，進行標準化出圖出表，大幅提高了工作效率。鑒于鐵路選線的多層次多目標灰色決策特性[1]，國內(nèi)選線專家提出了虛擬環(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)雜場景，結(jié)合RS地質(zhì)遙感判釋和專家系統(tǒng)進行動態(tài)選線[2]。隨著數(shù)據(jù)源質(zhì)量提升、知識表達推理機制的推演完善和三維圖形操作技術(shù)的瓶頸突破，該項技術(shù)正處于逐步發(fā)展中。

1.2 BIM 簡介[3-4]

BIM(Building Information Model)是一個四維管理系統(tǒng)，即三維實體的全生命周期管理系統(tǒng)。它是在開放的工業(yè)標準下對設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項目生命期信息進行數(shù)字化形式表現(xiàn)，從而為決策提供支持，以更好地實現(xiàn)項目的價值。BIM的推廣應(yīng)將目前國內(nèi)主流的三維演示升級為可視化的三維設(shè)計，為設(shè)計師、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，幫助他們利用三維數(shù)字模型對建筑項目進行設(shè)計、建造及運營管理。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和管理，比較典型的應(yīng)用有北京奧運會奧運村空間規(guī)劃及物資管理信息系統(tǒng)、南水北調(diào)工程、香港地鐵等項目。在公路設(shè)計方面，國內(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)計軟件[5]，同時，在積極開展基于BIM的高速公路4D建設(shè)管理系統(tǒng)研究工作。在鐵路設(shè)計方面，中鐵二院在西部某高速鐵路項目中利用三維設(shè)計BIM技術(shù)首次實現(xiàn)了線路、路基、橋梁等主要設(shè)計專業(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)計軟件的三維整合度上仍存在設(shè)計觀念的轉(zhuǎn)變問題，因此研究并建立一套全新的符合三維設(shè)計思路的工作模式和設(shè)計流程，從而保證從二維繪圖到三維設(shè)計的順利過渡和實施，是當前鐵路BIM應(yīng)用技術(shù)要解決的關(guān)鍵問題。

2 鐵路勘測設(shè)計BIM應(yīng)用技術(shù)探討

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域

鐵路勘測設(shè)計BIM進一步推進了虛擬環(huán)境選線的發(fā)展，借助第四代勘測技術(shù)激光掃描技術(shù)的發(fā)展，大型工程數(shù)據(jù)庫的開發(fā)以及三維圖形交互技術(shù)的成熟，它將從技術(shù)應(yīng)用的層面對鐵路選線理論做出三維完善。其應(yīng)用滲透勘測、設(shè)計、施工、運營全過程。具體來說，根據(jù)初步設(shè)計的具體勘測要求，利用機載(車載)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)，無需空三加密，直接構(gòu)建三維實體地面模型，提供給選線設(shè)計人員一個仿真的地形環(huán)境，通過地質(zhì)信息的空間疊加，結(jié)合專家系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟約束表達，可動態(tài)進行線路走向決策，并具備實時三維線位和設(shè)備查詢及檢查修正功能。在施工過程中，可進一步通過工程實時掃描數(shù)據(jù)和設(shè)計原型進行對比分析，進而完成工程體量計算，可有效進行工程進度監(jiān)控和資金控制。投入運營后，以竣工驗收的工程實景為原型進行技術(shù)交接，便于運營單位根據(jù)實際線路運營情況進行設(shè)備管理。具體描述如圖1所示。

圖1 鐵路勘測設(shè)計BIM應(yīng)用

2.2 應(yīng)用技術(shù)分析

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

針對目前較為成熟的業(yè)內(nèi)工程數(shù)據(jù)庫技術(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、三維實體庫創(chuàng)建和三維人機交互技術(shù)。

2.2.1 三維環(huán)境構(gòu)建

圖2 鐵路勘測設(shè)計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態(tài)仿真與基于三維場景中的線路走向選擇的關(guān)鍵問題，是鐵路勘測設(shè)計BIM應(yīng)用要首先解決的問題?；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Coons曲面模型表達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，同時提出了與現(xiàn)有二維作業(yè)模式銜接的三維投影坐標網(wǎng)格的方法，有效地解決了選線三維投影變換問題。

上述方法的數(shù)據(jù)源采集點是離散的，因此在地形擬合過程中為了更好地和地形吻合，需要進行空三加密，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理工作強度大，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]。因此鐵路勘測設(shè)計BIM在仿真環(huán)境的構(gòu)建中可借助既有GIS平臺進行二次開發(fā)，如GoogleEarth，以節(jié)約開發(fā)成本，提高工作效率?；蚩芍苯右爰す鈷呙杓夹g(shù)，通過連續(xù)數(shù)據(jù)點的獲取，以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程數(shù)據(jù)庫，直接進行地形數(shù)據(jù)的讀取和分析計算[6];可避免空三加密，實現(xiàn)點對點直接操作，數(shù)據(jù)可靠，且大幅提高數(shù)模處理速度。

2.2.2 三維實體庫

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，需要將線路實體依照設(shè)計意向進行空間擺放;因此需要基于參數(shù)化控制進行三維圖元庫的建立。建立的方法有兩種:一是將線路設(shè)備原件進行掃描，通過點云后處理軟件進行曲線(曲面)建模，按照單位長度尺寸導(dǎo)入工程數(shù)據(jù)庫待用;另一種是獲取設(shè)備三維尺寸，通過三維設(shè)計軟件進行矢量化組合，將截面特征數(shù)據(jù)導(dǎo)入工程數(shù)據(jù)庫待用。鑒于國內(nèi)三維圖形處理常用的OpenGL環(huán)境，可利用專業(yè)的三維建模軟件，采用 Oracle數(shù)據(jù)庫進行管理，通過構(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)雜三維建模問題，實現(xiàn)三維人機交互平臺的統(tǒng)一[7]。

2.2.3 三維人機交互

首先介紹BIM繪圖。針對業(yè)內(nèi)常見的三維瀏覽只能“看”不能“動”，BIM明顯地脫胎于三維圖形演示，讓用戶直接在三維環(huán)境中進行動態(tài)人機交互，一邊設(shè)計一邊直接進行空間線位檢查、視距檢查、設(shè)備檢查、列車運動仿真等，真實感強，有助于提升設(shè)計質(zhì)量。國內(nèi)常用的三維人機交互軟件主要有3DMAX(三維瀏覽)、OpenGL(三維設(shè)計)，但數(shù)據(jù)接口不夠靈活。因此，針對大型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，升級了其原有的三維功能，集成了三維圖元庫的創(chuàng)建，具備良好的人機交互界面，靈活的數(shù)據(jù)接口和三維CAD二次開發(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，將多專業(yè)的Autodesk Revit模型進行整合和沖突檢測，避免了因為一個小小的專業(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Autodesk Revit系列軟件，可以讓業(yè)主能夠更加直觀生動地了解設(shè)計成果的最終形態(tài)。

其次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件、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目管理軟件囿于使用效果，依然只是概念設(shè)計，此處不再贅述。

3 結(jié)語

鐵路勘測設(shè)計BIM應(yīng)用技術(shù)是工業(yè)設(shè)計三維趨勢下的必然產(chǎn)物，在研究工作中圍繞三維設(shè)計技術(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)庫研究(包括三維信息表達標準制定)，三維圖元庫的建立，三維人機交互界面的研發(fā)技術(shù)，以及結(jié)合三維算量軟件的配套使用進行三維項目管理研究等。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交互的局面，對于提高設(shè)計質(zhì)量，完善工程信息管理具有積極的意義。

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