結(jié)合BIM與3DGIS的城市軌道交通設(shè)計(jì)方法研究

李佳毅，鞏舜妹，李天峰，杜岷宣，李樂(lè)樂(lè)

（宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

1 引言

城市軌道交通設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是線路設(shè)計(jì)，線路設(shè)計(jì)是否合理對(duì)城市軌道交通造成直接影響。在CAD或者圖紙上進(jìn)行二維設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法，給線路設(shè)計(jì)造成極大的困難[1]，使城市軌道交通選線設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)。因此，城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)的迫切任務(wù)是使線路各種空間信息得到完善的組織、管理和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)和分析空間沖突，從而使得線路設(shè)計(jì)質(zhì)量得到提高。以3DGIS和BIM技術(shù)為核心思想的數(shù)字三維技術(shù)的應(yīng)用，為城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和新的動(dòng)力。利用3DGIS平臺(tái)建立的模型是一個(gè)沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息的模型，3DGIS仍處于瀏覽的技術(shù)層面。BIM技術(shù)存在著空間地理信息分析不完整、地理定位不精確等缺陷[2]。整合BIM技術(shù)和3DGIS技術(shù)在城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)中的微觀和宏觀優(yōu)勢(shì)，憑借技術(shù)平臺(tái)提供的綜合服務(wù)，將相互獨(dú)立的技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使城市軌道交通工程建設(shè)規(guī)劃進(jìn)一步精細(xì)化。

2 城市軌道交通線路深化設(shè)計(jì)

2.1 Infraworks的基本介紹

Infraworks是一款面向工程領(lǐng)域初期設(shè)計(jì)方案和末期設(shè)計(jì)成果展示、整合的軟件，其主要特性分別為基礎(chǔ)模型的創(chuàng)建、方案的設(shè)計(jì)與分析、模型瀏覽及漫游。Infraworks基于BIM的理念屬性和GIS技術(shù)平臺(tái)來(lái)完成設(shè)計(jì)模型，是一款全新的設(shè)計(jì)工具與集成平臺(tái)，可兼容大量的地形數(shù)據(jù)，開(kāi)展大地形、大范圍的設(shè)計(jì)，并整合了大量的設(shè)計(jì)文件。根據(jù)上述論述，可以總結(jié)出一個(gè)Infraworks的公式：

式中BIM將建筑工程項(xiàng)目中各項(xiàng)目相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)信息作為依據(jù)，對(duì)建筑模型進(jìn)行構(gòu)造，為得出建筑物的真實(shí)信息通過(guò)數(shù)字化仿真技術(shù)進(jìn)行模擬，可以更加直觀便利、形象透明地進(jìn)行工程項(xiàng)目建設(shè)和管理。3DGIS從屬性和地理空間分布上詳細(xì)、全面地描述了與線路設(shè)計(jì)相關(guān)的生成數(shù)據(jù)和地理空間信息，給城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了更加詳細(xì)、全面、直觀、有效的信息支持。在Infraworks平臺(tái)中，繪制鐵路、管道、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施，評(píng)估初步工程量，分析區(qū)域?qū)傩?，分析高程，提供詳?xì)設(shè)計(jì)階段所需的數(shù)據(jù)以及詳細(xì)設(shè)計(jì)軟件，軟件包括Revit、Civil 3D 等。

2.2 綜合Infraworks與Civil3D、Revit

Infraworks、Civil 3D 和 Revit，這三者各有優(yōu)缺點(diǎn)。Revit在單體建筑的參數(shù)化程度和三維建模方面具有優(yōu)異的性能，以單體建筑的設(shè)計(jì)為中心，可以對(duì)主線、路基、軌道、扣件等進(jìn)行參數(shù)化和細(xì)化設(shè)計(jì)。但在大型場(chǎng)景、大規(guī)模建模方面存在缺陷。Civil 3D具有良好的軟件本地化、兼容性、三維建模、參數(shù)化、可視化渲染效果，在設(shè)計(jì)分析、數(shù)據(jù)更新方面表現(xiàn)優(yōu)異。然而其視覺(jué)風(fēng)格和效果單調(diào)，且不支持更改橫截面裝配。Infraworks的優(yōu)異性表現(xiàn)在概念設(shè)計(jì)與效果展示方面，其突破性的3D可視化技術(shù)，使大型基礎(chǔ)設(shè)施模型的管理更加方便高效，極大縮短了設(shè)計(jì)周期。但在詳細(xì)周密設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)調(diào)整分析方面卻不精通。將三者協(xié)同運(yùn)用在城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)中[3]，能夠充分滿足城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)需求，顯著提升項(xiàng)目的整體質(zhì)量。

3 融合BIM與3DGIS

將BIM技術(shù)與3DGIS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，以BIM與3DGIS相融合為核心技術(shù)，規(guī)劃設(shè)計(jì)城市軌道交通線路。BIM模型用于存儲(chǔ)構(gòu)筑物內(nèi)部相關(guān)數(shù)據(jù)，利用BIM模擬橋梁、隧道、路基等模型的數(shù)據(jù)分析，給建筑相關(guān)專業(yè)的整合提供幫助。BIM模型的地理環(huán)境由3DGIS平臺(tái)承載，對(duì)線路BIM模型進(jìn)行整體表達(dá)，以此進(jìn)行地理環(huán)境建模和空間分析[4]。根據(jù)線路工程的特點(diǎn)，憑借空間位置坐標(biāo)與線路里程的關(guān)系，按里程將BIM模型轉(zhuǎn)換到3DGIS地理空間中。3DGIS技術(shù)和BIM技術(shù)融合的構(gòu)架圖如下圖所示。

城市軌道交通3DGIS+BIM技術(shù)構(gòu)架圖

3DGIS整理、合成以及管理整個(gè)構(gòu)筑物外部環(huán)境的信息，BIM技術(shù)可以在虛擬三維場(chǎng)景中顯示城市軌道交通中的各類信息，減少了各階段數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬟f。通過(guò)將BIM與3DGIS之間進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，微觀與宏觀的融合，使城市軌道交通線路設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)屬性更為直觀可視，方便快捷，高效科學(xué)[5]。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐分析可知在BIM與3DGIS的融合方法中，以Skyline自身的BIM圖層進(jìn)行集成的方法最為實(shí)用。不僅運(yùn)用簡(jiǎn)單、便捷，而且處理后的文件數(shù)據(jù)內(nèi)存相對(duì)較小，對(duì)電腦配置要求相對(duì)不高。點(diǎn)擊所需的BIM圖層名稱，把.rvt BIM模型文件鏈接到上述圖層中，查看具體內(nèi)容。

3.1 以Skyline自身的BIM圖層進(jìn)行集成的方法

3DGIS采用Skyline平臺(tái)研究集成方法。新版本Skyline有效處理了BIM模型導(dǎo)入失敗的問(wèn)題，將模型以.FBX格式（.FBX是一種用于跨越平臺(tái)的三維數(shù)據(jù)交流格式）存儲(chǔ)到Revit中，便可導(dǎo)入到Skyline中。如今許多建模軟件均支持該格式，模型的所有信息均通過(guò)scene graph結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)。Skyline 3DGIS支持BIM圖層，保留所有屬性數(shù)據(jù)和幾何信息，支持屬性查詢和空間查詢，可以讀取標(biāo)準(zhǔn).FBX格式的BIM文件，同時(shí)支持在項(xiàng)目中補(bǔ)充模型信息以及更新模型屬性數(shù)據(jù)，提高協(xié)作性。

在Skyline 3DGIS中導(dǎo)入.FBX格式的BIM模型的參數(shù)設(shè)置

首先搭接好城市軌道交通模型，在Revit中存入.FBX格式的文件，將BIM模型以一個(gè)圖層的格式導(dǎo)入3DGIS中。在3DGIS環(huán)境下，將線路里程轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標(biāo)，計(jì)算出3DGIS中BIM模型的特征點(diǎn)坐標(biāo)，并根據(jù)特征點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)線路的三維模型進(jìn)行集成。研究Skyline的二次開(kāi)發(fā)及其插件的開(kāi)發(fā)，完成在Skyline中打開(kāi)BIM模型，直接地打開(kāi).rvt格式的文件，以查看BIM模型的詳細(xì)信息。在Skyline 3DGIS中導(dǎo)入.FBX格式的BIM模型，參數(shù)設(shè)置如上表。

在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行變革，結(jié)合BIM與3DGIS之間的優(yōu)勢(shì)，用于三維設(shè)計(jì)城市軌道交通線路。分析并融合3DGIS技術(shù)和BIM技術(shù)后，通過(guò)3DGIS Skyline平臺(tái)，應(yīng)用.FBX格式的BIM圖層的集成方式，在3DGIS中高效集成BIM模型。通過(guò)Skyline的二次開(kāi)發(fā)，解決了紋理丟失問(wèn)題，Revit模型數(shù)據(jù)接口經(jīng)開(kāi)發(fā)后，使得Revit模型在Skyline 3DGIS中無(wú)損集成變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，消除了BIM與3DGIS融合丟失數(shù)據(jù)的主要問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)對(duì)于城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，已在發(fā)達(dá)國(guó)家得到顯著的體現(xiàn)，但我國(guó)目前BIM技術(shù)應(yīng)用還處于初級(jí)階段，開(kāi)發(fā)不夠完善，只有不斷深入探索，才能充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和潛能。將BIM技術(shù)應(yīng)用到城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)，利用BIM技術(shù)和3DGIS技術(shù)，將建筑本身的信息與建筑周圍環(huán)境進(jìn)行集成，即將微觀BIM技術(shù)與宏觀GIS技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通線路的大場(chǎng)景精細(xì)化設(shè)計(jì)。主要研究成果如下：

①綜合運(yùn)用Infraworks、Civil 3D和Revit平臺(tái)，參數(shù)化設(shè)計(jì)線路主體、路基、軌道等，實(shí)時(shí)更新城市軌道交通線路設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)、詳圖，精細(xì)化設(shè)計(jì)城市軌道交通線路，高效、方便地管理城市軌道交通線路與基礎(chǔ)設(shè)施模型；

②采用Skyline二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，降低數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中的流失，減少模型細(xì)化和拼接的冗雜度，實(shí)現(xiàn)軌道線路快速拼接和模型的快速創(chuàng)建，解決了由于手動(dòng)拼接模型導(dǎo)致的耗時(shí)長(zhǎng)、不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，創(chuàng)建了軌道、隧道和橋梁的細(xì)化建模方法；

③利用3DGIS具有較強(qiáng)的空間分析和空間數(shù)據(jù)管理能力，解決BIM軟件對(duì)模型的承載量有限而無(wú)法規(guī)劃設(shè)計(jì)長(zhǎng)帶狀線路問(wèn)題。將BIM和3DGIS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，快速、精確生成大數(shù)據(jù)城市軌道交通線路模型。