城市軌道交通BIM與3DGIS結(jié)合應用研究

夏永俊，李樓，劉全海

(1.常州市軌道交通發(fā)展有限公司，江蘇 常州 213022； 2.常州市測繪院，江蘇 常州 213003；3.常州市地理信息智能技術中心，江蘇 常州 213003)

1 引 言

近年來，BIM技術在軌道交通上的應用發(fā)展迅速，包括北京、上海、廣州等特大城市在地鐵建設與運維中都深入地應用了BIM技術，部分城市已經(jīng)試點了地鐵建設全過程從設計到施工再到運維的BIM化。BIM技術的應用給地鐵建設帶來了直接經(jīng)濟效益，不僅優(yōu)化了部門管理職能，還真正地縮短了建設周期，提高了建設質(zhì)量。而GIS技術是一門相對成熟的技術，一直都作為軌道交通建設與發(fā)展的技術支撐。由于GIS系統(tǒng)基于空間數(shù)據(jù)庫，對于大場景的顯示具有很好的效率，但是對于細節(jié)的顯示卻一直存在較大的不足。而BIM技術先天具有顯示進行，信息豐富的特點，為GIS技術更加深入的應用提供了有益的補充[1，2，5]。而BIM模型都是基于三維的立體空間來設計的，為了完整地展示BIM模型細節(jié)，必須以三維的方式來呈現(xiàn)，傳統(tǒng)二維GIS不足以支撐BIM技術的完整應用。BIM技術只有跟3DGIS結(jié)合才能發(fā)揮更大的效用。而BIM、3DGIS的本身技術體系是不一樣的，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也有明顯不同之處，兩者之間的結(jié)合也涉及更多的技術細節(jié)。本文從軌道交通數(shù)據(jù)標準建立、BIM模型轉(zhuǎn)換、再到BIM與3DGIS數(shù)據(jù)融合等方面進行了研究，并實現(xiàn)了若干BIM與三維GIS結(jié)合的應用，形成了一套完整的技術路線。

2 技術路線

在軌道交通建設運維過程中，要實現(xiàn)BIM與3DGIS結(jié)合應用需要打通四大重要環(huán)節(jié)：①符合軌道交通應用的BIM數(shù)據(jù)標準建立；②BIM數(shù)據(jù)向3DGIS的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)及數(shù)據(jù)庫建設；③高效的3DGIS+BIM模型三維可視化軟件平臺建設；④3DGIS下軌道交通BIM應用體系建設，圖1所示為軌道交通BIM+3DGIS技術框架。

圖1 軌道交通BIM+3DGIS技術框架

2.1 軌道交通BIM數(shù)據(jù)標準建設

軌道交通項目整個生命周期中參與方眾多，產(chǎn)生的信息類型復雜，形式多樣，數(shù)量龐大，使得在管理的過程中信息溝通不暢、信息流失嚴重，在很大程度上制約了項目管理水平和管理效率的提高。因此，需統(tǒng)一設計、施工、安裝、運維等不同階段不同部門所生產(chǎn)的信息資源，提升各參與方的信息聯(lián)動性與協(xié)同性，實現(xiàn)信息資源的有效傳遞與共享。

2.2 BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及建庫

在工程建造的不同階段需要用到不同的軟件，如在工程設計階段應用較多的是Revit、Arch2012、Sketchup、天正建筑、犀牛、Magicad、Naviswork，在施工階段主要有廣聯(lián)達算量、魯班算量、魯班PDS等軟件，在運維階段，則有ArchiBUS。這些軟件都是BIM常用軟件，工程項目BIM落地大多基于以上軟件平臺的應用。然而，3DGIS跟BIM軟件本身的技術體系就不一樣，三維GIS平臺更加關注數(shù)據(jù)的展示功能，BIM軟件關注工程各個階段的具體應用，原始數(shù)據(jù)不同的軟件其格式也各不相同，三維GIS平臺也無法直接高效地展示這些數(shù)據(jù)。因此BIM數(shù)據(jù)格式的交換是BIM與3DGIS應用結(jié)合最基礎也最關鍵的技術之一。

BIM數(shù)據(jù)庫的建設也是關鍵之一，軌道交通建設本身就涉及大量的數(shù)據(jù)，單靠紙質(zhì)、電子文檔等方式來管理十分繁雜，只有充分利用數(shù)據(jù)庫技術，將數(shù)據(jù)有效進行管理組織，才能為應用提供支撐。BIM數(shù)據(jù)庫的設計既要符合業(yè)務應用需求，又要與GIS平臺的數(shù)據(jù)庫進行耦合，相互補充。BIM數(shù)據(jù)庫建設應該遵循軌道交通BIM數(shù)據(jù)標準，滿足可擴展需求。前期應當梳理清楚關鍵屬性字段，能夠關聯(lián)已有應用系統(tǒng)。在后期業(yè)務梳理過程中，能夠進行便利的擴展，能夠支撐新的功能開發(fā)。

2.3 BIM模型三維可視化

三維GIS軟件有別于BIM設計、算量、運維等軟件的最大不同就在于它是基于大場景的，需要承載海量的地理空間數(shù)據(jù)。而BIM三維模型相較于傳統(tǒng)的城市三維模型(包括人工精細三維模型、傾斜三維模型、其他自動建模三維模型等)，具有更高的數(shù)據(jù)密度，單位空間體積內(nèi)的三角面片更多。特別是大批量BIM模型集成到三維平臺后，數(shù)據(jù)量的大增，將是傳統(tǒng)數(shù)字城市三維平臺所必須考慮的，對于三維引擎性能、數(shù)據(jù)分發(fā)都提供了更為嚴苛的挑戰(zhàn)。

2.4 軌道交通BIM+3DGIS應用體系

軌道交通BIM與3DGIS技術的研究最終都是為了實際應用。相關的應用應該包含建設前期的應用、施工階段應用以及軌道交通運維階段的應用。各個階段的應用應當形成體系，支撐各階段需求，創(chuàng)造應用價值。在前期，利用3DGIS平臺可以進行城市軌道選線，進行線路、車站的設計方案的三維可視化比選等，耿長良[2]就利用了Google Earth在城市軌道交通工程控制網(wǎng)布設進行了設計，而城市3DGIS平臺一般具有更為詳盡的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性也更強，應當充分利用；在項目施工階段，利用三維GIS平臺可以動態(tài)地以三維的方式進行施工模擬，更為直觀，一方面可以幫助建設主管部門直觀了解施工具體進度，另外一方面可以結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術直接指導工人安裝一些復雜設備，提高工作效率，減少出錯[3]；在運維階段，則可以幫助運維人員快速查詢設備位置，了解設備資產(chǎn)信息，通過BIM模型與物聯(lián)網(wǎng)設備的連接實時獲取并展示設備狀態(tài)如攝像頭數(shù)據(jù)、車輛實時位置三維模擬等，顯示相關信息等，輔助決策以提高運維安全性，節(jié)省成本。

3 軌道交通BIM數(shù)據(jù)標準建設

根據(jù)常州市軌道交通建設經(jīng)驗，為了有效利用BIM技術提升工程建設效率，加強管理能力。項目參與單位多次討論研究建立了常州市軌道交通BIM建模標準，涵蓋了工可與總體設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段、竣工交付階段的具體建模范圍。同時，為了支撐BIM在軌道交通中的深入應用，需要解決兩個方面的問題：一是設施設備分類編碼，需建立一套健全、適用的設施設備分類編碼體系，以方便分類管理；二是要建立相應數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)BIM模型與GIS平臺關聯(lián)，既要符合空間數(shù)據(jù)建庫要求，又能夠與具體業(yè)務相關應用緊密結(jié)合。

(1)設施設備分類與編碼

城市軌道交通項目涉及多種專業(yè)的設施設備，僅設備就有1 000余種，且設備間接口復雜，管網(wǎng)密布。不同部門采用不同的設施設備分類編碼體系及數(shù)據(jù)格式，信息的不一致性導致了各階段的“信息孤島”等問題，即若建設項目從設計、施工到運營維護，各階段的設施設備信息采用不同的分類編碼體系，難以開展設施設備的統(tǒng)一化管理。需立足于城市軌道交通全生命周期，建立統(tǒng)一的、標準化的城市軌道交通設施設備數(shù)據(jù)庫。本項目參考了上海軌道交通既有的設施設備分類編碼體系，基于建筑信息模型(BIM)技術研究，建立城市軌道交通全生命周期的設施設備分類編碼體系。該分類編碼體系是以城市軌道交通資產(chǎn)管理的分類編碼為基礎進行編制的，劃分了21類，具有唯一性、穩(wěn)定性、可擴展性等特點，可兼容既有的設施設備分類編碼體系，并能夠滿足城市軌道交通運營維護管理的需求。

(2)BIM數(shù)據(jù)標準與3DGIS平臺關聯(lián)

實際上在設施設備分類與編碼標準體系中即應當包含此部分內(nèi)容，搭建設施設備數(shù)據(jù)庫首先要解決設施設備的“身份”問題，即分類與編碼。為了能夠與GIS系統(tǒng)進行聯(lián)動，建立BIM數(shù)據(jù)庫內(nèi)各個設備與相應軟件系統(tǒng)的紐帶。在具體工程實踐中至少需要兩個重要的字段。一是設備的唯一ID碼，這是進行各個應用系統(tǒng)信息交換的基礎。二是設備的位置碼。位置碼應當能夠包含設備準確的空間位置信息，這樣3DGIS信息系統(tǒng)能夠進行快速定位，同時能夠獲取實時空間位置的移動設備在現(xiàn)場快速地查詢附件的設備信息，支撐相關應用。

4 BIM&3DGIS數(shù)據(jù)融合與可視化

目前基于大場景的能夠融合BIM的三維可視化平臺中，SuperMap是一個代表。SuperMap GIS提供了便捷的BIM導入機制，可直接導入BIM模型，支持主流的BIM數(shù)據(jù)格式，并以關鍵字段“圖元ID”為媒介，確保模型與屬性一一對應關聯(lián)，實現(xiàn)從BIM到3D GIS的模型無縫對接、屬性無損集成。國內(nèi)的SkyLine、Vastscene 3D、藍色星球等3D GIS軟件也均實現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)的可視化，他們都是基于大場景的，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬地理環(huán)境融合BIM數(shù)據(jù)的三維可視化。用戶可以在各個三維平臺上實現(xiàn)BIM模型的量測，查詢，分析，自由漫游。

由于BIM數(shù)據(jù)都是面向各個專業(yè)的不同需求的，不同BIM軟件都有自身的專業(yè)格式，這種專業(yè)格式的數(shù)據(jù)是無法直接在3DGIS平臺中直接使用的。BIM與3DGIS要能結(jié)合，就必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，BIM模型能夠順利地轉(zhuǎn)換成三維GIS平臺所支持的數(shù)據(jù)格式。而市面上的3DGIS平臺所支持的數(shù)據(jù)格式也各不相同，建立各類BIM格式到對應三維平臺支持的數(shù)據(jù)格式勢必存在大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換研究工作，制約了應用。當前BIM建模軟件品類繁多(如Autodesk公司的Revit、Bentley、ArchiCAD、Dassault公司的CATIA等)，各個軟件都有自己專門的格式，針對每一類軟件開發(fā)一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具顯然是十分煩瑣的。而國際標準化組織發(fā)布的BIM數(shù)據(jù)標準工業(yè)基礎類(Industry Foundation Classes，IFC)已可較為完善地描述建筑工程各專業(yè)有關信息，成為國際建筑業(yè)數(shù)據(jù)交換的事實標準，得到大量軟件工具的支持。據(jù)IFC標準編制組織官方統(tǒng)計資料，當前支持IFC數(shù)據(jù)導出的設計與建模軟件已有45種之多。因此，基于IFC標準進行軌道交通BIM模型轉(zhuǎn)換與共享，可有效減少數(shù)據(jù)重復建模成本，提高效率[9，10]。本文基于開源IfcOpenShell庫，開發(fā)一套將IFC格式的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為3DMAX模型文件的工具，而3DMAX文件則可以導出市面上幾乎所有三維GIS平臺支持的三維模型文件。基于IfcOpenShell進行開發(fā)[11，12]，本文實現(xiàn)了IFC文件中全部屬性數(shù)據(jù)的提取，轉(zhuǎn)換成相應的XML文件，供后續(xù)應用，并對MAX模型對象賦予了唯一GUID，能夠與屬性文件XML進行關聯(lián)查詢，做到了屬性與幾何的完整轉(zhuǎn)換。圖2是常州市軌道交通某換乘站相連的地下空間商業(yè)綜合體BIM模型轉(zhuǎn)換效果圖。

圖2 文化宮站BIM模型轉(zhuǎn)換結(jié)果

解決了BIM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的問題，就可以將BIM模型與傳統(tǒng)數(shù)字城市模型進行融合展示了。但是BIM模型相較于傳統(tǒng)數(shù)字城市三維模型具有更高的數(shù)據(jù)密度，由于模型的細節(jié)程度特別高，數(shù)據(jù)量十分龐大，對三維渲染引擎的要求就特別高。本文利用了VastSence3D三維引擎進行二次開發(fā)，建立了軌道交通的三維應用平臺。進入VastSence3D場景顯示的三維模型數(shù)據(jù)需要一個專門的數(shù)據(jù)發(fā)布過程。發(fā)布工具實際是將三維模型進行LOD(多細節(jié)層次技術)處理，從數(shù)據(jù)層面解決三維場景如何共存BIM與其他海量三維模型，既滿足了場景完整性需求，也提升了瀏覽性能。利用LOD技術，三維引擎在進行場景渲染時，可以根據(jù)距離等參數(shù)動態(tài)調(diào)用不同層級的模型數(shù)據(jù)，可以大幅提高場景的渲染效率。本文研究實現(xiàn)了將一個軌道交通站臺及附近地下空間的BIM數(shù)據(jù)集成到三維場景進行瀏覽，并取得了不錯的瀏覽效率，效果如圖3所示。涉及軌道交通全線所有站點這樣級別的BIM三維模型數(shù)據(jù)量尚未進行測試，還有諸多挑戰(zhàn)，這將是后續(xù)研究的重要內(nèi)容。

圖3 軌道交通BIM與3DGIS場景集成

5 軌道交通BIM與3DGIS結(jié)合應用

在軌道交通BIM數(shù)據(jù)標準體系建立后，解決了BIM模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及超大場景三維可視化性能等問題之后，最終的落腳點就是應用。包括BIM+3DGIS怎么用、用于何處以及最大程度地發(fā)揮BIM+3DGIS應用系統(tǒng)的作用問題。

在項目前期，可以利用3DGIS平臺進行軌道線路規(guī)劃選取，傳統(tǒng)的二維GIS雖然也可以輔助軌道交通線路設計工作，但是相較二維GIS平臺，3DGIS能夠更加直觀地反映立體空間的真實樣貌，特別是涉及地下空間的建筑物、地下管線等，三維GIS能夠更加清楚地反映出軌道交通線路與相關對象空間的關系。利用3DGIS可以進行車站等方案的三維比選評審。同時3DIGS平臺還可以根據(jù)設計的線路、車站等緩沖區(qū)，快速導出現(xiàn)狀管線、地下空間建構(gòu)筑物信息，輔助管線遷改方案設計、地下建構(gòu)筑物遷移等工作。應用效果如圖4所示。

圖4 軌道交通待遷改管線展示

項目建設期間，3DGIS可以結(jié)合施工在重要復雜設備設施安裝上進行應用。由于所有的BIM模型對象都集成到三維GIS平臺，設計與真實模型基本一致，復雜設施的安裝可以綜合利用虛擬現(xiàn)實技術，讓工人在不需要特殊專業(yè)知識的情況下，就可以進行設備組裝，提升效率。同時，三維GIS還可以對施工進度進行三維模擬，讓管理人員更加直觀地了解施工進度等。

項目運維階段，3DGIS+BIM平臺則能集成軌道交通設施設備的所有信息，可以快速地查詢各個對象的屬性信息，如圖5所示。同時依托三維GIS平臺，還可以將運維過程中的各類信息都集成到平臺中，如通過物聯(lián)網(wǎng)將各類傳感器(變形監(jiān)測裝置、攝像頭、溫度、濕度等)實時數(shù)據(jù)集成到平臺進行展示[6～8]。3DGIS平臺的所有數(shù)據(jù)還可以以服務的方式提供給其他應用系統(tǒng)共享。

圖5 BIM模型屬性查詢

6 結(jié) 語

BIM相對GIS技術是一門較新的技術，3DGIS技術在城市規(guī)劃、建設、城管等領域已有較多的應用。BIM技術在軌道交通建設方面的應用近年來也逐漸深入，BIM更加注重微觀，若能很好地結(jié)合3DGIS，則能相互補充，發(fā)揮更大的價值。本文總結(jié)了軌道交通BIM與3DGIS結(jié)合應用過程中的整體技術路線，并對技術路線中相對重要的BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及三維可視化進行了介紹。研究過程中，嘗試開發(fā)了軌道交通3DGIS應用系統(tǒng)原型軟件，目前也已經(jīng)應用到常州市軌道交通建設中。但是還有諸多待完善的研究，包括系統(tǒng)的數(shù)據(jù)承載量需進一步測試提升，移動端、WEB端等多端應用還需開發(fā)，3DGIS應用體系也有待進一步完善。