鐵路BIM應(yīng)用三維線路場景構(gòu)建研究

夏 宇 ，譚衢霖,2，蔡小培，秦曉春

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 線路工程勘測空間信息技術(shù)研究所，北京 100044）

建筑信息化模型（BIM）是一個完備的、多層次的三維信息模型[1-2]，能夠?qū)⒐こ添椖咳珘勖芷诓煌A段的信息、過程和資源集成在一個模型中，通過信息交流來實現(xiàn)項目工程協(xié)同設(shè)計，滿足工程項目建設(shè)發(fā)展的要求。同建筑行業(yè)相比，鐵路項目有其自身的特殊性[3]，涉及專業(yè)繁多且龐雜、覆蓋區(qū)域范圍廣、距離長、構(gòu)造物繁多、地形地質(zhì)條件復(fù)雜，使BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用帶來了諸多困難。當(dāng)前，BIM在鐵路行業(yè)的三維場景構(gòu)建應(yīng)用已有一些研究，如文獻(xiàn)[4]實現(xiàn)了基于E-R模型的虛擬高速鐵路場景組合建模方法,建立了具有符合實際標(biāo)準(zhǔn)和高度仿真感覺的虛擬高速鐵路場景；文獻(xiàn)[5]實現(xiàn)了基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線設(shè)計系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]研究了基于遙感信息的選線系統(tǒng)地理環(huán)境建模方法及應(yīng)用。目前，鐵路行業(yè)的BIM應(yīng)用還處于起步階段，由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失、三維協(xié)同設(shè)計理念缺乏、輔助建模軟件支撐不足等原因，未能形成一個完整的技術(shù)體系，還遠(yuǎn)未發(fā)揮BIM技術(shù)在鐵路項目全生命周期中的價值。

本文針對鐵路線路建設(shè)前期工作階段，應(yīng)用BIM技術(shù)建立鐵路線路三維場景，旨在直觀表達(dá)地理環(huán)境空間對象間的關(guān)系，實現(xiàn)對空間對象三維空間分析和操作，滿足線路勘察設(shè)計對數(shù)據(jù)可視化、空間分析等方面的需求，從而進(jìn)行線路方案優(yōu)化設(shè)計與決策，提高線路設(shè)計效率、直觀地觀看設(shè)計效果。

1 鐵路三維線路場景構(gòu)建

在鐵路項目建設(shè)前期工作階段，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取目標(biāo)區(qū)域范圍的遙感影像與數(shù)字高程信息，建立三維地形環(huán)境模型。根據(jù)研究區(qū)域空間位置信息，構(gòu)建鐵路構(gòu)造物、沿線附屬設(shè)施等三維模型?；跇?gòu)建的鐵路BIM三維場景，確定線路初步走向，實現(xiàn)三維場景下線路場景展示、實時漫游、動態(tài)瀏覽、方案比選。線路三維場景構(gòu)建流程如圖1所示，并支持外部數(shù)據(jù)源的導(dǎo)入。

圖1 鐵路BIM三維場景構(gòu)建流程圖

1.1 三維地形環(huán)境建模

鐵路BIM三維場景所需的地理信息包括數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程信息等[7-8]。數(shù)字正射影像圖與數(shù)字高程信息相結(jié)合，可建立起逼真的地形環(huán)境，是構(gòu)建鐵路線路三維場景的基礎(chǔ)。

高分辨率衛(wèi)星遙感影像提供了充分、豐富、精確的信息，通過對高分辨率、多光譜衛(wèi)星遙感影像的解譯，可以對控制性工程的水文、地質(zhì)等進(jìn)行前瞻性評估、優(yōu)化線路設(shè)計方案、規(guī)避線路方案設(shè)計風(fēng)險。能清楚的反映出地物、地貌、水系分布，提高了鐵路選線設(shè)計工作的質(zhì)量。當(dāng)前，高分辨率衛(wèi)星主要有高分一號、高分二號、高分三號、ALOS 、Planet Labs 、IKONOS 、Quick Bird、GeoEye-1 、WorldView等，不同分辨率的遙感影像可適用于鐵路項目建設(shè)的不同階段，目前常用的高分辨率衛(wèi)星遙感影像如表1所示。

數(shù)字高程模型（DEM）描述了地面高程信息，可對地形進(jìn)行數(shù)字化模擬，是建立三維地形的重要數(shù)字信息。獲取DEM的方法通常有地面測量、航空攝影測量、衛(wèi)星立體測圖、采集現(xiàn)有地形圖等，DEM獲取方式如表2所示。

表1 高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)源

表2 DEM獲取方式

數(shù)字地形模型是三維地形建模的關(guān)鍵，根據(jù)獲取的DEM數(shù)據(jù)，可生成不同形式的表面來表示實際地形空間分布，常用的三維數(shù)字地形模型表達(dá)方式主要有不規(guī)則三角網(wǎng)和等高線地形圖。不規(guī)則三角網(wǎng)模型如圖2所示，等高線模型如圖3所示。

圖2 不規(guī)則三角網(wǎng)模型

圖3 等高線模型

將遙感影像與數(shù)字地形模型相疊加，利用計算機(jī)可視化技術(shù)可建立大范圍三維地形模型。在三維地形環(huán)境下可以初步確定線路起終點及線路基本走向，在較大范圍內(nèi)進(jìn)行線路方案比選，選擇線路走廊帶，而后截取帶狀范圍可構(gòu)建線路走廊帶。某線路局部三維地形模型如圖4所示。

1.2 鐵路構(gòu)造物建模

圖4 某線路區(qū)域局部三維地形模型

鐵路構(gòu)造物的類型眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在三維環(huán)境下根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建模需要繁多的參數(shù)控制，精細(xì)建模需要花費(fèi)大量的時間精力。在鐵路選線前期階段，可采用簡單的空間幾何形體模擬構(gòu)造物模型，如用長方體表示軌枕、梯形體表示道床、圓柱表示橋墩。針對不同類型鐵路線路構(gòu)造物分別進(jìn)行建模，如圖5所示。

圖5 鐵路線路構(gòu)造物

根據(jù)線路樁號位置建立構(gòu)造物三維模型，將三維模型空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相集成[9-10]，更改三維模型屬性信息即可對三維模型實時更新，實現(xiàn)對其控制和變換，營造出逼真的三維場景空間，實現(xiàn)鐵路構(gòu)造物的可視化、信息化。某一小段局部線路和橋梁的三維建模圖如圖6所示。

圖6 構(gòu)造物三維模型

1.3 鐵路附屬設(shè)施建模

鐵路附屬設(shè)施包括接觸網(wǎng)、警示牌、警示樁、標(biāo)志牌等。為三維展示鐵路線路沿線附屬設(shè)施景觀，通過在路基兩側(cè)計算出鐵路附屬設(shè)施對應(yīng)的空間地理坐標(biāo)，選取特定模型通過旋轉(zhuǎn)、縮放和平移操作，將模型在鐵路沿線特定位置進(jìn)行繪制。接觸網(wǎng)、警示牌三維模型如圖7所示。

圖7 附屬設(shè)施三維模型

2 三維線路場景構(gòu)建實例

2.1 三維地形環(huán)境建模

蘭州—張掖三四線是國家“十三五”期間鐵路發(fā)展規(guī)劃的重大項目，線路起于蘭州中川機(jī)場，向西經(jīng)永登、天祝、古浪、武威、金昌、山丹至甘肅省張掖市。本文選取永登至天祝段局部區(qū)域，利用正射遙感影像圖、數(shù)字高程模型等信息數(shù)據(jù)，基于Autodesk公司開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施方案設(shè)計軟件Infraworks（支持GIS、CAD、BIM數(shù)據(jù)的導(dǎo)入），選擇“新建”命令創(chuàng)建新模型，進(jìn)入“創(chuàng)建、管理和分析基礎(chǔ)設(shè)施模型”模塊，選擇數(shù)據(jù)源，打開Raster類型數(shù)據(jù)，分別加載遙感影像與DEM數(shù)據(jù)并將其疊加處理，生成該區(qū)域三維地形模型。三維地形提供了充分豐富的信息，根據(jù)鐵路為帶狀結(jié)構(gòu)物的特點，通過對遙感影像的解譯，初步研判控制性工程的水文、地質(zhì)等情況，確定線路起終點及大致走向，選定并截取永登至天祝范圍內(nèi)鐵路走廊帶，如圖8所示。

圖8 永登—天祝鐵路走廊帶三維地形模型

2.2 構(gòu)造物及附屬設(shè)施建模

基于高分辨率遙感影像與數(shù)字高程模型建立的三維地形環(huán)境，選取線路設(shè)計控制點的三維坐標(biāo)控制線路走向，對方案線路上的橋梁、隧道、路堤、路塹、接觸網(wǎng)等構(gòu)造物及附屬設(shè)施分別進(jìn)行設(shè)置并可進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。線路、橋梁模型參數(shù)如表3所示。

在三維地形場景中模擬出擬定的鐵路線路并進(jìn)行三維漫游，方便快捷地查看設(shè)計效果，對線路的幾何線形以及景觀協(xié)調(diào)做出判斷。線路、橋梁、隧道三維建模圖如圖9所示。

表3 線路、橋梁模型參數(shù)

圖9 鐵路線路三維模型

2.3 模型效果

在三維場景下可對鐵路線路方案進(jìn)行日照分析及效果對比，真實地模擬和展現(xiàn)一年中任意時刻的日照、風(fēng)速、云量等自然環(huán)境對鐵路線路的影響。某段線路2018年1月1日6：00、12：00、18：00的日照效果圖如圖10所示。

圖10 鐵路線路日照分析

在初步選定線路走向并完成三維建模后，可對在場景下構(gòu)建的線路方案進(jìn)行自動漫游、交互漫游、地面漫游、錄制視頻動畫，形象逼真地展現(xiàn)設(shè)計線路方案在三維場景下的效果。自動漫游可將沿線路設(shè)計中線作為漫游路徑自動生成三維漫游；交互漫游可實現(xiàn)對三維場景進(jìn)行控制和對選定方案線路的靜態(tài)觀察；根據(jù)設(shè)定的視點高程，可實現(xiàn)對三維場景高空漫游；通過創(chuàng)建故事板可對三維線路漫游場景錄制視頻動畫并進(jìn)行文件保存。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合高分辨率遙感影像與數(shù)字高程信息，構(gòu)建起三維地形環(huán)境，直觀表現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)復(fù)雜的地形地貌特征。通過虛擬現(xiàn)實中的各種構(gòu)造物及附屬設(shè)施，構(gòu)建鐵路三維場景，可實現(xiàn)方案比選、實時漫游、方案展示、日照分析等功能，使得設(shè)計人員在鐵路項目可行性研究階段即可借助計算機(jī)虛擬環(huán)境進(jìn)行方案比選及方案展示，并可以獲取三維線路場景豐富的空間和屬性信息。

鐵路BIM三維線路場景的構(gòu)建，實現(xiàn)了鐵路選線環(huán)境的三維可視化。后續(xù)工作可以進(jìn)一步提高鐵路線路三維場景模型精度，完善與其他工點精細(xì)化模型協(xié)同設(shè)計?；贐IM模型的鐵路數(shù)字化、智能化、三維可視化、信息化將成為未來鐵路發(fā)展的方向和趨勢，隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展完善，將逐步實現(xiàn)鐵路設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)維一體化，BIM應(yīng)用貫穿鐵路項目全生命周期信息化管理。