基于BIM-GIS技術(shù)的城市軌道交通附屬一體化工程應(yīng)用研究
——以北京地鐵19號線一期工程為例

蘇立勇， 周 軼， 張志偉， 路清泉

(1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 北京 100068； 2. 城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室， 北京 100068)

0 引言

根據(jù)中國城市軌道協(xié)會的統(tǒng)計，截至 2019 年底，中國內(nèi)地開通軌道交通的城市共 40 座，運營里程達6 730.27 km[1]。隨著地鐵線路開通數(shù)量的增加，地面地鐵出入口的數(shù)量也不斷增加。地鐵出入口及其附屬建筑不僅承載著重要的交通功能，其形象也需要結(jié)合城市周邊環(huán)境綜合考慮進行設(shè)計。隨著BIM、GIS技術(shù)的發(fā)展，城市環(huán)境模型的可視化，可以利用BIM技術(shù)輔助城市軌道交通附屬一體化設(shè)計。

國內(nèi)目前已有針對BIM、GIS技術(shù)在軌道交通及其他工程領(lǐng)域研究的相關(guān)文獻。高銀鷹等[2]從數(shù)據(jù)分類、建模標準、模型構(gòu)建及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)化的標準處理等方面分析了城市軌道交通BIM-GIS技術(shù)的融合。謝明霞等[3]從數(shù)據(jù)集成、功能集成和應(yīng)用集成3個方面對3D GIS 與BIM 進行了集成，并著重對數(shù)據(jù)集成進行了分析。王孟鈞等[4]從模式、方法及實現(xiàn)過程對BIM和GIS技術(shù)集成的有效途徑進行分析，通過設(shè)計界面、虛擬建造和協(xié)同平臺3個維度對2種技術(shù)集成在城市軌道交通中的應(yīng)用進行闡述。白文等[5]研究了基于CityMaker 平臺的多專業(yè)、多種類、多格式的多源BIM 與3D GIS 數(shù)據(jù)的集成技術(shù)路線。在軌道交通附屬一體化設(shè)計工程相關(guān)研究領(lǐng)域，李樸[6]以北京軌道交通房山線北延工程四環(huán)路站為例，研究了車站與橋梁共建及附屬一體化設(shè)計思路。李娟等[7]提出有利于改進車站附屬設(shè)施用地控制的建議，從而引導(dǎo)車站附屬設(shè)施用地的預(yù)留和發(fā)展?；谝延械南嚓P(guān)研究文獻可知，現(xiàn)有大部分研究是對技術(shù)手段和附屬一體化設(shè)計方法的探討，沒有基于實際項目從BIM全生命周期應(yīng)用的角度綜合分析BIM技術(shù)對軌道交通附屬一體化建設(shè)的推動作用。軌道交通全過程精細化設(shè)計與管理已是軌道交通行業(yè)大勢所趨[8]，依托軌道交通全生命周期的BIM-GIS應(yīng)用等技術(shù)，會更加符合精細化管理、數(shù)字化建造的目標。

本文基于北京地鐵19號線一期工程已有的實踐經(jīng)驗，重點關(guān)注附屬一體化工程中遇到的實際問題，從實際出發(fā)，通過多源數(shù)據(jù)的概念、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用點等方面闡述該技術(shù)為軌道交通附屬一體化設(shè)計帶來的新思路，站在建設(shè)管理單位的角度梳理附屬一體化工程中該項技術(shù)的應(yīng)用點與管理流程，以期為日后的工程項目帶來啟發(fā)和借鑒。

1 概述

1.1 項目簡介

北京地鐵19號線是一條穿越中心城的大運量南北快線。一期工程南起新宮、北至牡丹園，線路全長22.4 km，全部為地下線，共設(shè)置10座車站，8座換乘站，1座車輛段[9]。作為一條穿越北京西部中心城區(qū)的南北向快線，沿途城市區(qū)域環(huán)境面貌差異很大(見圖1)，既有滿載城市歷史記憶的高密度老城區(qū)(積水潭站、平安里站)，高端的國家級金融核心區(qū)(金融街站)，又有解放后在二環(huán)外大規(guī)模建造起來的大型居住區(qū)(牡丹園站、北太平莊站、牛街站、右安門外站)，尚未充分開發(fā)的城市新區(qū)(新發(fā)地站、新宮站)，確定車站出入口和風亭的數(shù)量及位置對平面總布局有很大的影響[10]。尤其是19號線沿線城市環(huán)境多樣，出入口數(shù)量眾多，一體化出入口形式多變(見表1，表中數(shù)據(jù)是截至本論文投稿前北京地鐵19號線一期工程各站附屬建筑數(shù)量統(tǒng)計)，其建設(shè)條件及與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)難度極大，運用何種技術(shù)手段把控整體性設(shè)計效果是本研究的重點難點。

圖1 北京地鐵19號線一期工程穿越的不同城市風貌區(qū)示意圖

表1 北京地鐵19號線一期工程車站地面附屬設(shè)計內(nèi)容

1.2 BIM、GIS技術(shù)應(yīng)用的必要性

隨著時代的進步，市民對城市環(huán)境要求越來越高，地鐵的附屬建筑既需要滿足乘客的乘車便捷和地鐵功能需求，也需要與城市周邊環(huán)境協(xié)調(diào)一致，甚至是與周邊規(guī)劃條件或既有建筑物的結(jié)合[11]。北京地鐵19號線一期工程新宮站一體化設(shè)計軸測圖如圖2所示。地鐵周邊建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，地面附屬設(shè)計需要根據(jù)地鐵(包括車站主體和附屬)、周邊用地(包括規(guī)劃情況和權(quán)屬情況等)、周邊建構(gòu)筑物、管線等相關(guān)信息資料，統(tǒng)籌考慮城市景觀、地鐵功能需求和工程可實施性來確定設(shè)計方案。

圖2 北京地鐵19號線一期工程新宮站一體化設(shè)計軸測圖

由于地鐵地面附屬設(shè)計一般有2個以上設(shè)計單位參與，且建設(shè)周期長，經(jīng)常存在設(shè)計接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)信息不對稱等問題，設(shè)計管理難度大；另外，傳統(tǒng)的設(shè)計手段基本都是通過效果圖去體現(xiàn)與城市景觀的結(jié)合，未能體現(xiàn)真實的周邊環(huán)境，建成效果難以保證，有些建成后與效果圖相差甚遠，嚴重"縮水"，如圖3所示。通過BIM、GIS技術(shù)可以將相關(guān)數(shù)據(jù)進行整合與展示，借助BIM-GIS平臺實現(xiàn)多單位、多專業(yè)的協(xié)同工作，各參與單位使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分析、設(shè)計，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，將會更好地推進軌道交通附屬工程的精細化設(shè)計管理，提高城市的建設(shè)管理水平。

(a) 效果圖

(b) 實景圖

1.3 面臨的技術(shù)難題

1)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一。為能夠準確展示附屬的設(shè)計理念、立面材質(zhì)、景觀效果等，附屬一體化設(shè)計單位采用草圖大師(SketchUp,簡稱SU)建模，如圖4所示。在設(shè)計階段，為了模型的精確性，設(shè)計前期一般連同車站主體用Revit統(tǒng)一建模，無法保證展示的效果，如圖5所示。

圖4 草圖大師模型

圖5 車站主體Revit模型

2)數(shù)據(jù)輕量化困難。BIM模型數(shù)據(jù)量巨大，尤其對于軌道交通行業(yè)[12]，全線不適宜用Revit軟件建立附屬一體化模型；而且區(qū)別于民用建筑，軌道交通工程工期長，跨區(qū)多，沿線地形地貌信息、拆遷占地信息等需要實時掌控，因此需要結(jié)合GIS技術(shù)的空間數(shù)據(jù)管理以及大場景調(diào)度的優(yōu)勢，進行多源數(shù)據(jù)的融合[13]。

如果想要實現(xiàn)全線環(huán)境模型與車站出入口附屬模型的良好整合效果，就必須解決數(shù)據(jù)整合的問題。車站主體模型及地下管線模型采用Revit軟件制作，地上環(huán)境模型采用3D Max軟件制作，而附屬出入口則是采用SU制作。每種軟件現(xiàn)階段并不能實現(xiàn)良好的兼容，但是由于BIM和GIS采用了完全不同的數(shù)據(jù)標準(見表2)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)集成，將BIM 模型技術(shù)與3D GIS宏觀場景可視化技術(shù)和位置信息相結(jié)合，就能夠?qū)崿F(xiàn)城市軌道交通附屬一體化工程的可視化展示與管理運營維護。

表2 BIM與GIS數(shù)據(jù)標準對比[3]

2 多源數(shù)據(jù)的概念與集成

2.1 BIM、GIS

建筑信息模型(BIM)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目的各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型[14]，著重于分析和存儲建筑構(gòu)件內(nèi)部的信息，但是BIM存在無法加載大范圍的空間地理數(shù)據(jù)的弊端[15]。在北京地鐵19號線一期工程中，選用常見的Revit軟件制作模型，其中BIM模型的搭建涉及地上建筑、市政道路、橋梁、地下市政管網(wǎng)、地下空間、車站主體(含附屬)、機電設(shè)備等多專業(yè)劃分，主要涉及到的 BIM 數(shù)據(jù)見表3。

表3 BIM數(shù)據(jù)格式

北京地鐵19號線一期項目工程中三維GIS集成了大量的多源數(shù)據(jù)，包括車站沿線地上建構(gòu)筑物的模型、地形地貌數(shù)據(jù)等。GIS技術(shù)側(cè)重于地理空間環(huán)境信息的宏觀表達，能處理海量地形數(shù)據(jù)，但不能創(chuàng)建精細化內(nèi)部微觀模型[4]。3D GIS數(shù)據(jù)格式見表4。

2.2 數(shù)據(jù)標準化處理

CityMaker 軟件是國產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)三維地理信息平臺軟件，在北京地鐵19號線一期工程中選用此軟件作為三維引擎對項目中的各類數(shù)據(jù)進行管理。

為了實現(xiàn)不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為數(shù)據(jù)庫平臺統(tǒng)一支持的格式數(shù)據(jù)，需要用數(shù)據(jù)處理工具對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理。在Citymaker系列軟件中，BIM 模型和原始三維模型統(tǒng)一通過空間數(shù)據(jù)庫 FDB進行管理。CityMaker 主要以插件的形式來實現(xiàn) BIM 模型一鍵式導(dǎo)出為 FDB；并以中間數(shù)據(jù)交換格式作為過渡，來實現(xiàn)Max模型導(dǎo)入 FDB。SketchUp 中的三維模型可通過 CityMaker Bulider 或 CityMaker Connect 實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入 FDB[5]。數(shù)據(jù)集成的技術(shù)路線如圖6所示。在CityMaker中加載3D模型、Revit模型及SU模型的示意圖如圖7-9所示。

圖6 數(shù)據(jù)集成的技術(shù)路線[5]

圖7 加載3D模型

圖8 加載Revit模型

圖9 加載SU模型

3 地上附屬一體化模型展示

3.1 地鐵沿線周邊環(huán)境模型的搭建

為了使地鐵車站沿線地上、地下環(huán)境得到最真實的展示(考慮到北京六環(huán)內(nèi)禁飛無人機，因此本項目不采用傾斜攝影的方式來換取線路周邊的環(huán)境模型)，本項目使用3D GIS技術(shù)對地鐵車站沿線周邊地上、地下環(huán)境進行了較為細致的建模，模型要求位置準確、材質(zhì)清晰、體量真實，盡最大可能還原地上、地下環(huán)境的真實面貌。建模數(shù)據(jù)分類見表5。地上建筑模型見圖10，地下模型見圖11，地質(zhì)模型見圖12。

表5 數(shù)據(jù)分類[2]

圖10 地上建筑模型

圖11 地下模型

圖12 地質(zhì)模型

建模注意事項如下：

1)地表環(huán)境。將3D Max文件拆分成建筑、地面、種植的3個文件。

2)建筑。每個單棟建筑為一個組，內(nèi)容完整無缺漏、形態(tài)與現(xiàn)場保持一致，貼圖盡量貼近真實。

3)地面。單獨成組，且道路應(yīng)封閉，地面貼圖材質(zhì)分辨率一致，完整車道線。

4)小品。以現(xiàn)場為準，包括立交橋、人行天橋、公交站臺，電線桿、停車位及其他臨邊小構(gòu)筑物。

5)種植。單獨成組，包括建筑周圍的綠化/隔離帶、人行步道的樹木形態(tài)、地面鋪裝等。

6)貼圖。要求使用分辨率較高的貼圖，尺寸不小于512×512像素，圖像大小為768 kb。

3.2 地面附屬一體化模型的搭建

在初步設(shè)計階段，使用Revit搭建全線車站主體模型(含附屬)，建模深度、范圍及要求見表6。在此階段不需要對車站附屬的結(jié)構(gòu)形式、立面材質(zhì)以及周邊景觀綠化進行深入的建模，只要達到位置準確的要求即可。初步設(shè)計階段的地鐵出入口模型如圖13所示。

表6 建模要求

(a) (b)

在附屬一體化設(shè)計階段，為了更好地展示地面附屬一體化模型，全線采用SU建立地上附屬建筑物一體化模型和地面出入口模型，如圖14、15所示。建模內(nèi)容包括車站出入口、建構(gòu)筑物模型、景觀小品、綠化、廣場、停車場、河湖、橋梁及周邊一定范圍內(nèi)的地上環(huán)境模型，達到能夠清晰展示建構(gòu)筑物立面效果、材質(zhì)、構(gòu)造以及位置關(guān)系的建模深度。

圖14 地上附屬建筑物一體化模型展示效果

圖15 地面出入口展示效果

3.3 整合各階段設(shè)計成果

使用插件將3D Max模型、Revit模型導(dǎo)出為統(tǒng)一格式，載入數(shù)據(jù)庫，在平臺直接加載SU模型，整合效果如圖16所示，可查看地上地下建構(gòu)筑物的情況。若后期調(diào)整地上附屬一體化設(shè)計方案，直接添加數(shù)據(jù)源即可。

圖16 模型整合效果

其中需要注意的是，由于SU中展示的地上環(huán)境過多，包含大量的樹、人、車，使用Builder打開時加載數(shù)據(jù)量過大，因此應(yīng)首先刪除多余的無關(guān)組件，只保留出入口、附屬建筑及建構(gòu)筑物即可；刪除SU文件中隱藏組件，這樣打開時在Bulider中才不會顯示；由于FDB數(shù)據(jù)缺少投影信息，添加坐標時，模型坐標的偏移量需要根據(jù)模型坐標與所在大地坐標差值進行偏移。

4 附屬一體化設(shè)計應(yīng)用

4.1 初步應(yīng)用: 附屬一體化方案的展示

地鐵附屬設(shè)施也是城市環(huán)境中的有機組成部分，通過BIM的三維模型與仿真技術(shù)，對地面附屬設(shè)計進行協(xié)調(diào)整合，實現(xiàn)一體化專項設(shè)計，確保以人為本、高效、便捷的乘車環(huán)境，實現(xiàn)軌道交通與城市的融合，提升城市形象和環(huán)境品質(zhì)。通過各方配合，可以在平臺中看到整體的城市環(huán)境與軌道交通附屬的融合關(guān)系，因為地上環(huán)境是1∶1真實建模，保證了展示效果的真實性。

4.2 深度應(yīng)用: 基于BIM-GIS數(shù)據(jù)平臺的應(yīng)用

為實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，以及方便后續(xù)新建線路的全生命周期的管理，自主研發(fā)基于三維GIS引擎的數(shù)據(jù)庫平臺，如圖17和圖18所示。該平臺集成規(guī)劃設(shè)計、前期工程、圖模管理、計劃管理、進度管理、風險管理、安全質(zhì)量管理、數(shù)字化移交及隱患排查等多功能模塊。其中，本文所研究的附屬一體化工程管理主要依托于規(guī)劃設(shè)計模塊進行管理。規(guī)劃設(shè)計模塊分為規(guī)劃分析、規(guī)劃數(shù)據(jù)填報、方案分析及方案數(shù)據(jù)填報4大功能。此外，還可以對地上環(huán)境進行實時修改、模型剖切測量等。

圖17 數(shù)據(jù)庫平臺架構(gòu)[2]

圖18 平臺界面設(shè)計

方案分析功能如圖19所示，可以使用多個窗口同時展示不同方案的拆遷面積、產(chǎn)權(quán)單位、路面周圍環(huán)境的基本信息、車站建筑信息、車站風險源情況。地鐵附屬出入口的位置設(shè)置十分重要，通過地上地下環(huán)境的真實展示，可以實現(xiàn)附屬出入口方案比選決策的直觀與高效。

圖19 方案分析功能

在北太平莊站附屬方案比選時，先后上傳提交不同方案至協(xié)同平臺，期間通過不斷討論與優(yōu)化，調(diào)整了出入口的立面設(shè)計方案、街角綠化小品設(shè)計方案、街角風亭位置以及標準出入口設(shè)計方案的調(diào)整，如圖20-22所示。

(a) 街角風亭設(shè)計方案1

(b) 街角風亭設(shè)計方案2

(a) 標準出入口方案1

(b) 標準出入口方案2

5 結(jié)論與建議

本文依托北京軌道交通19號線一期附屬一體化工程，開展了全線BIM、GIS數(shù)據(jù)整合以及應(yīng)用功能的針對性研究。研究成果在19號線全線推廣實施，在業(yè)內(nèi)取得了良好的應(yīng)用效果評價，推動了基于BIM、GIS技術(shù)的軌道交通附屬一體化工程的發(fā)展。研究和應(yīng)用過程中得出以下結(jié)論與建議:

1)通過建立車站的三維信息模型和數(shù)據(jù)的集成整合多源數(shù)據(jù)，可為城市軌道交通工程提供一個可視化的整體設(shè)計環(huán)境，解決軌道交通附屬建筑與周圍環(huán)境融合的可視化問題，其展現(xiàn)出來的效果比效果圖更貼近真實環(huán)境。

2)通過北京地鐵19號線一期工程的實踐，在軌道交通附屬一體化工程設(shè)計中可以實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的整合、附屬一體化設(shè)計方案的比選、分析方案與城市環(huán)境的融合度這些方面的初步應(yīng)用，具有較大價值和可行性。

3)未來隨著政府"多規(guī)合一"業(yè)務(wù)協(xié)同平臺建設(shè)工作的不斷完善，建設(shè)單位可直接將項目相關(guān)數(shù)據(jù)、成果納入政府規(guī)劃部門多規(guī)合一平臺，進一步統(tǒng)籌協(xié)調(diào)建設(shè)需求和管理需求，實現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)共享與實現(xiàn)基于一張藍圖的建設(shè)工程項目信息、城市現(xiàn)狀二維數(shù)據(jù)、城市三維地面模型數(shù)據(jù)和建設(shè)工程報批BIM精細模型數(shù)據(jù)的集成顯示和可量化計算與分析。

目前北京軌道交通19號線全線推廣BIM-GIS技術(shù)也處于一個不斷探索的階段，全線附屬一體化也是首次應(yīng)用BIM-GIS技術(shù)來進行項目管理，以往的針對附屬一體化的研究案例較少，不夠豐富，本文介紹的數(shù)據(jù)融合方式只是一種目前找到的比較適用的、滿足項目管理需求的，但是從數(shù)據(jù)的融合度、操作的便捷性等方面還有待提升，后續(xù)會繼續(xù)探索數(shù)據(jù)融合的新方式，從數(shù)據(jù)層面上打破技術(shù)障礙，在項目管理方面實現(xiàn)新的突破。未來隨著"BIM+GIS"技術(shù)在工程中的繼續(xù)推廣應(yīng)用和迭代，最終能形成完整且實用的地鐵附屬一體化工程的設(shè)計實施方案。