BIM地形建模技術(shù)在高速鐵路測繪中的應(yīng)用

劉孟涵

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隨著高速鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，鐵路建設(shè)規(guī)模逐漸增大，采用的技術(shù)也更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的鐵路建設(shè)項目管理方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前階段的發(fā)展要求，這就對鐵路建設(shè)項目的管理提出了更高的要求。在這個背景下，BIM技術(shù)應(yīng)運而生，其在工程建設(shè)項目中的應(yīng)用愈來愈普及。國內(nèi)眾多專家學(xué)者也就近些年來BIM技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。紀(jì)博雅等[1]對比總結(jié)了BIM技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展研究現(xiàn)狀；谷子[2]就BIM技術(shù)在工程項目上的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了研究；陳松[3]通過工程實例，論述BIM技術(shù)在建筑施工安全管理方面的應(yīng)用，彌補了傳統(tǒng)管理手段中存在的很多問題。但是，現(xiàn)階段的研究大多集中在建筑設(shè)計領(lǐng)域，有關(guān)BIM技術(shù)在鐵路建設(shè)方面的應(yīng)用，也多為面向線路、路基、軌道、橋隧等結(jié)構(gòu)設(shè)計方向的探討研究[4-5]，而專門針對測繪方向地表模型創(chuàng)建工作的相關(guān)介紹卻寥寥無幾。以下介紹創(chuàng)建BIM地表模型的方法及其在項目中的實際應(yīng)用情況，探索BIM技術(shù)應(yīng)用于測繪領(lǐng)域的可能性，助力“智慧鐵路”的建設(shè)。

1 鐵路BIM地形建模技術(shù)

1.1 BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路建設(shè)的優(yōu)勢

BIM(建筑信息建模)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型。

它改變了傳統(tǒng)的建設(shè)模式，可最大限度地實現(xiàn)工程價值。

BIM技術(shù)在小場景工程項目中的應(yīng)用已十分普及，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也趨于成熟。而對于鐵路這類大場景的工程項目，各方面的應(yīng)用還處在“摸著石頭過河”的探索階段，但BIM技術(shù)自身特點所帶來的優(yōu)勢不容忽視。

(1)可視化

將鐵路工程中的施工信息以直觀的三維立體模型形式呈現(xiàn)在人們眼前，能有效提升施工的質(zhì)量與效率，降低造價，實現(xiàn)對工程建設(shè)全過程的監(jiān)督管理[6]。

(2)協(xié)調(diào)性

鐵路建設(shè)涉及較多單位，涵蓋多個專業(yè)。在設(shè)計階段，不同專業(yè)之間及時的溝通交流對工程項目的順利開展尤為重要。BIM技術(shù)的協(xié)調(diào)性提供了很好的協(xié)同工作平臺，實時的數(shù)據(jù)同步能夠打破各專業(yè)間的設(shè)計壁壘，提高鐵路工程的施工效率[7]，避免施工過程中因設(shè)計不合理帶來的工期延誤，降低經(jīng)濟(jì)損失。

(3)模擬性

運用BIM技術(shù)，能夠有效控制工程造價。通過對施工過程的模擬仿真，規(guī)避項目施工階段可能存在的安全隱患，減少人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 鐵路BIM技術(shù)與建筑BIM技術(shù)的區(qū)別

相較于建筑BIM技術(shù)，鐵路BIM技術(shù)針對的是大場景、大體量、呈帶狀的三維模型構(gòu)建，這與建筑模型相對集中的結(jié)構(gòu)特點有很大不同。呈帶狀分布的鐵路線路，無論是設(shè)計階段對大面積區(qū)域地形情況的掌握，還是施工階段對不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，都比傳統(tǒng)建筑BIM技術(shù)要復(fù)雜多變。鐵路BIM地形模型可以為鐵路其它設(shè)計專業(yè)進(jìn)行BIM設(shè)計提供可靠的三維空間數(shù)據(jù)，減少設(shè)計工作者不必要的工作量，提高生產(chǎn)效率，進(jìn)而為鐵路項目的運營管理維護(hù)提供諸多便利。

1.3 鐵路BIM地形建模技術(shù)

基于鐵路BIM需求，充分利用航空攝影測量、機(jī)載激光雷達(dá)、GPS測量、三維地理信息等技術(shù)，為設(shè)計專業(yè)提供周邊三維地形模型。創(chuàng)建鐵路BIM地形模型的技術(shù)流程如圖1所示，依據(jù)航測獲取的點云數(shù)據(jù)，或者利用航空攝影測量技術(shù)獲取高分影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理(如空三加密、點云濾波等)，得到數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像圖(DOM)，通過地形曲面創(chuàng)建、地表材質(zhì)鋪貼以及地形裁切三大步驟，最終形成鐵路沿線的鐵路BIM地形模型。

圖1 鐵路BIM地形建模流程

1.4 鐵路BIM地形模型的作用

在鐵路項目中，測繪專業(yè)主要負(fù)責(zé)全線地形三維場景創(chuàng)建(如圖2所示)。這項工作是其他各專業(yè)開展設(shè)計的基礎(chǔ)，具有十分重要的意義。

圖2 CATIA平臺下的三維地表模型

(1)路基專業(yè)

①三維地形模型能夠直觀審視設(shè)計工點區(qū)域的土地使用情況，制定合理的征地拆遷方案，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。②三維場景能夠真實反映設(shè)計工點全部的實際情況，為二維設(shè)計專業(yè)提供連續(xù)的設(shè)計參考[8]。如帶擋墻路基坡度的確定，僅憑借于二維斷面圖無法全面了解邊坡環(huán)境的起伏變化，可視化的三維場景能夠提供有效的放坡參考(如圖3所示)。③為合理安排排水口位置提供可靠的依據(jù)。

(2)橋梁專業(yè)

借助地形模型能夠準(zhǔn)確判斷涵洞位置的設(shè)計是否合理；通過橋墩位置和周邊地物的空間位置關(guān)系，判斷橋墩位置是否合理(如圖4所示)；由路橋過渡交接處的BIM模型，可以對路橋之間銜接的合理性作出判斷。

(3)隧道專業(yè)

三維地形模型可為洞口設(shè)計提供可靠的依據(jù)[9]。

圖3 三維場景展示路基設(shè)計工點區(qū)域周邊環(huán)境

圖4 三維地形為橋墩位置設(shè)計提供參考

2 鐵路BIM地形建模在鹽通鐵路中的應(yīng)用

2.1 項目概況

鹽通鐵路是國家“八縱八橫”高鐵網(wǎng)第一縱—沿海鐵路的一部分。新建鹽城至南通鐵路位于江蘇省鹽城市、南通市境內(nèi)，北起鹽城站(與徐宿淮鹽鐵路貫通)，向南經(jīng)鹽城市所轄的亭湖區(qū)、城南新區(qū)、大豐區(qū)、東臺市，南通市所轄的海安縣、如皋市、通州區(qū)、港閘區(qū)，引入在建滬通鐵路南通西站，全長156.686 km。

2.2 鹽通線BIM地形建模

鹽通鐵路BIM地形建模采用了bin格式的dem原始數(shù)據(jù)，通過點云分類技術(shù)提取地面點，于地形范圍框內(nèi)生成地表模型。將影像圖進(jìn)行縮放后，沿帶狀地形進(jìn)行投影，模擬鹽通鐵路所經(jīng)區(qū)域的真實場景(如圖5所示)，關(guān)鍵步驟如下。

(1)地形曲面制作

在CATIA中導(dǎo)入地面點云數(shù)據(jù)，通過設(shè)置合理的構(gòu)網(wǎng)間距生成地形曲面。

(2)地形曲面貼圖

在CATIA中創(chuàng)建包裹材質(zhì)，然后加載對應(yīng)的影像圖，根據(jù)地形坐標(biāo)、施工坐標(biāo)系偏移值等參數(shù)，經(jīng)過一系列計算得到鋪貼比例值，將材質(zhì)影像投影到地形曲面，完成貼圖。

(3)地形曲面裁切

為保證相關(guān)專業(yè)(路基、站場和隧道)特殊工點的模型不被地表覆蓋，根據(jù)專業(yè)需求，按照裁切范圍線對地形模型進(jìn)行切割。

圖5 鐵路沿線的鐵路BIM地形模型

3 技術(shù)問題探討

(1)軟件平臺選擇

支持地形模型創(chuàng)建的BIM軟件有很多，如Autodesk REVIT、Bentley、AutoCAD Civil 3D、CATIA等。結(jié)合BIM項目各專業(yè)間協(xié)同設(shè)計的技術(shù)要求以及軟件自身的限制條件，從以下幾個方面進(jìn)行對比分析，最終選擇CATIA軟件平臺來進(jìn)行建模。

①數(shù)據(jù)承載能力：CATIA軟件平臺有較強的數(shù)據(jù)承載能力，可一次性加載數(shù)十公里級長度的地形點云數(shù)據(jù)，在點云數(shù)據(jù)的批量處理方面有較大優(yōu)勢，且生成的地形模型與實際線路區(qū)域高程點擬合較好。

②材質(zhì)貼圖質(zhì)量：點云數(shù)據(jù)生成的地形曲面只能表達(dá)線路途經(jīng)區(qū)域的地面高低起伏，而地形影像能真實反映工程區(qū)域的地物地貌，為項目工程的規(guī)劃和設(shè)計提供可靠的依據(jù)。因此，影像貼圖的質(zhì)量是影響整個地表模型信息表達(dá)的重要因素，也是影響場景觀賞效果的關(guān)鍵所在。相較于其他軟件，CATIA軟件在鋪貼0.2 m分辨率的影像時不存在影像虛化的現(xiàn)象，可將清晰度的損失降到最低，滿足了信息表達(dá)的基本要求和觀賞效果的最佳狀態(tài)。

③裁切工具靈活：地形模型是其他各專業(yè)展開設(shè)計的依托和基礎(chǔ)。為符合工程實際情況，需要測繪專業(yè)對有需求的設(shè)計工點進(jìn)行地形裁切。CATIA靈活的切割工具能夠處理復(fù)雜的閉合范圍曲線，可操作性更強。

CATIA軟件本身也存在一些局限性，如對高分辨影像的處理能力較差，加載后無法完成影像投影等。為滿足工程設(shè)計的不同需求，靈活的軟件開發(fā)接口為優(yōu)化設(shè)計方案、提升建模質(zhì)量提供了條件[10]。CATIA軟件的局限性可通過開放API接口來解決。如針對繁瑣重復(fù)的建模操作步驟，可以通過開發(fā)批量建模插件來實現(xiàn)[11]。

(2)數(shù)據(jù)處理方法

原始的dem數(shù)據(jù)需要經(jīng)過分類處理。如項目范圍內(nèi)水田區(qū)域的點云缺失，將造成點云構(gòu)網(wǎng)時無法滿足最小間距要求，生成的地表模型在水田區(qū)域會形成缺口，強行增大間距又會造成地形邊緣弧化，無法滿足地形間的連續(xù)性要求。可采用重采樣的方法，在GlobalMapper中對點云進(jìn)行重新構(gòu)網(wǎng)，以保證水面高程點的連續(xù)性，避免地表模型出現(xiàn)缺口。

4 結(jié)論和展望

將BIM技術(shù)應(yīng)用于鹽通鐵路三維建模，為設(shè)計人員進(jìn)行合理設(shè)計提供了可靠的參考依據(jù)，其碰撞分析功能為各專業(yè)間協(xié)同設(shè)計提供了有效的檢查工具，針對項目全生命周期的管理方式更是為鐵路交付使用后的運營維護(hù)提供了便利。BIM創(chuàng)建的地形模型文件數(shù)據(jù)信息量大，在與其他專業(yè)的模型一同加載時耗時較長，降低了協(xié)同設(shè)計的工作效率。下一步，應(yīng)尋求一個合理的優(yōu)化方案，在保證模型精度的前提下，將原始模型文件壓縮為更小的輕量化文件，以大幅提升海量數(shù)據(jù)的加載及調(diào)度能力，提高系統(tǒng)的運作效率[12]。

BIM(建筑信息建模)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型。而GIS是用來收集、存儲、分析、管理和呈現(xiàn)與位置有關(guān)的數(shù)據(jù)的一種管理模式[13]。BIM與GIS的有效整合，既能彌補GIS技術(shù)在微觀領(lǐng)域的數(shù)據(jù)缺失，實現(xiàn)GIS領(lǐng)域的拓展與延伸，又為BIM提供了宏觀領(lǐng)域的空間信息，提升了BIM的應(yīng)用價值[14]。

搭建BIM與GIS之間無縫對接的橋梁，實現(xiàn)兩個領(lǐng)域數(shù)據(jù)共享，保證信息的無損對接是我們努力的方向。BIM+GIS的鐵路建設(shè)信息化管理平臺是一個多維信息融合的可視化平臺，可存儲海量數(shù)據(jù)，更好地滿足對鐵路線路的實時動態(tài)掌握，最終實現(xiàn)“智慧鐵路”建設(shè)[15]。