基于BIM與GIS融合技術(shù)的鐵路工程信息化管理應(yīng)用研究

黃旎詩，趙亮亮，董鳳翔

（中鐵二院集團有限責(zé)任公司 BIM中心，四川 成都 610031）

0 引言

截至2019年底，已開通運營的高速鐵路線路共計3.5萬km，位居全球第一，已基本形成“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)。我國鐵路線路較長、區(qū)域覆蓋面積較大且涉及專業(yè)廣，鐵路信息化分散建設(shè)模式導(dǎo)致鐵路產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)碎片狀、信息資源缺乏整合性的特點。在信息化技術(shù)高速發(fā)展的時代，鐵路工程信息化建設(shè)水平呈現(xiàn)出較大落差，原有管理模式難以打破各專業(yè)間或不同階段間各參與方信息共享、傳遞的壁壘。因此，BIM技術(shù)的誕生為鐵路信息化管理模式及管理流程提供了新思路，以模型承載大量數(shù)據(jù)的形式組織和表現(xiàn)鐵路各專業(yè)組成部分，以期有效實現(xiàn)建設(shè)管理過程中的數(shù)據(jù)共享、傳遞及協(xié)同功能［1-2］。然而，現(xiàn)有BIM設(shè)計軟件可承載的模型空間范圍較小，對長大鐵路線路海量地形數(shù)據(jù)及模型數(shù)據(jù)承載能力較差，同時不具備空間分析功能，因此單純的BIM技術(shù)應(yīng)用無法滿足鐵路行業(yè)需求［3］。GIS以其宏觀海量數(shù)據(jù)可承載的特點，可彌補單純BIM應(yīng)用在空間處理中的缺陷，BIM與GIS的融合技術(shù)越來越受到鐵路行業(yè)的重視。

1 BIM與GIS融合技術(shù)概述

BIM技術(shù)是由美國建筑公司率先提出的一種建筑信息模型技術(shù)，其核心是以模型為載體承載工程項目過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以其可視化、協(xié)調(diào)性、可模擬性、可優(yōu)化性等特點為工程建設(shè)全生命周期管理提供技術(shù)支撐［4］。但現(xiàn)有鐵路信息化模型在共享協(xié)同的情況下存在數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)不完善、融合困難等問題［5］。在與GIS技術(shù)結(jié)合的過程中，亟待解決數(shù)據(jù)融合及系統(tǒng)集成融合的問題，實現(xiàn)基于BIM+GIS的鐵路工程海量三維地理空間數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的存儲、管理及分析應(yīng)用。

目前我國應(yīng)用較廣泛的三維GIS平臺包括SuperMap、Cesium、Skyline及CityMaker等，各平臺對比見表1。

表1 常用三維GIS軟件與BIM模型交互方式及優(yōu)缺點

BIM與GIS融合技術(shù)可用于工程建設(shè)信息化管理全生命周期的許多方面，目前我國在城市建設(shè)方面使用BIM與GIS融合技術(shù)最為廣泛，通常被用于建筑物的選址、交通規(guī)劃、室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計及建筑物設(shè)計審查等。鐵路行業(yè)由于多種因素影響，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)較建筑行業(yè)相對滯后，但目前針對BIM與GIS融合技術(shù)的應(yīng)用研究也逐漸豐富。在設(shè)計階段，BIM與GIS融合技術(shù)可用于方案比選、方案優(yōu)化、設(shè)計審查等；在施工階段，可用于施工監(jiān)控、安全監(jiān)測、超前地質(zhì)預(yù)報等；在運維階段，可用于設(shè)備維修管理、災(zāi)害應(yīng)變和風(fēng)險管理、能源管理、空間導(dǎo)航等［6］。

2 BIM與GIS技術(shù)融合

考慮到數(shù)據(jù)安全及數(shù)據(jù)承載力等因素，選用City?Maker介紹BIM與GIS技術(shù)融合的方式。BIM與GIS實際是孤立的，在兩者的融合中應(yīng)著重考慮不同數(shù)據(jù)中幾何信息、屬性信息及空間尺度轉(zhuǎn)換等問題?，F(xiàn)有GIS和BIM技術(shù)融合相關(guān)研究都是以CityGML標(biāo)準(zhǔn)及IFC標(biāo)準(zhǔn)為載體展開［7］。由于BIM與GIS的應(yīng)用領(lǐng)域不同，導(dǎo)致兩者在空間規(guī)劃及微觀表達方面存在一定沖突，IFC作為BIM的載體更加側(cè)重于對建筑實體構(gòu)件的表達，CityGML則側(cè)重于對建筑內(nèi)外地理信息的描述，使兩者在幾何表達方式、細節(jié)程度、信息存儲等方面存在差異（見表2）［8］。

表2 IFC與CityGML的差異

基于上述差異，為保證在模型導(dǎo)出過程中保留原有屬性信息及幾何信息，CityMaker平臺開發(fā)了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換插件，但導(dǎo)出的模型缺失相應(yīng)坐標(biāo)信息，需在CityMaker Builder中為模型附加投影，以保證模型的位置放置準(zhǔn)確。同時，平臺可融合OSGB格式的傾斜攝影數(shù)據(jù)并支持掏洞、整平、修改精細度等地形數(shù)據(jù)處理操作。導(dǎo)入基于柵格數(shù)據(jù)及地面影像數(shù)據(jù)生成的地形文件，可實現(xiàn)BIM+GIS的初步場景搭建，具體融合流程見圖1。

圖1 基于CityMaker平臺的BIM與GIS技術(shù)融合流程

通過重建模型拓撲關(guān)系及關(guān)聯(lián)屬性等方式，可基本保證導(dǎo)出BIM模型在材質(zhì)、幾何等方面與導(dǎo)出前一致，同時也可導(dǎo)出模型的附加屬性，為工程信息化管理提供數(shù)據(jù)支撐。模型幾何材質(zhì)及屬性格式轉(zhuǎn)換前后對比見圖2。

圖2 模型幾何材質(zhì)及屬性格式轉(zhuǎn)換前后對比

3 基于CityMaker平臺的BIM解決方案

以某長大鐵路為例，線路總長約1 500 km，穿越多條地震斷裂帶，經(jīng)過區(qū)域具有“地形陡峻、板塊活動強烈、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境敏感、氣候條件惡劣、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱”六大特點。為實現(xiàn)該線路精細化信息管理的目的，平臺除了需要融合各專業(yè)BIM模型與地形搭建基礎(chǔ)場景外，還需考慮棄渣場、施工道路、施工電力、大臨設(shè)施、地震斷裂等重要工程信息的集成應(yīng)用。同時，由于該線路由幾家設(shè)計院分標(biāo)段設(shè)計，在模型建立初期需按標(biāo)準(zhǔn)對模型結(jié)構(gòu)分層、模型細度、展示方式、結(jié)構(gòu)樹組成、附加信息等預(yù)先設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)，以保證模型的統(tǒng)一性。在BIM+GIS場景搭建完成的基礎(chǔ)上，可利用對CityMaker平臺二次開發(fā)的方式，對項目概況、橋梁、隧道、路基、棄渣場、施工電力、施工道路、大臨工程等各大模塊開展應(yīng)用開發(fā)?；贐IM與GIS融合技術(shù)的信息化管理應(yīng)用流程見圖3。

圖3 基于BIM與GIS融合技術(shù)的信息化管理應(yīng)用流程

3.1 標(biāo)準(zhǔn)建立

各專業(yè)在開展具體應(yīng)用前，應(yīng)結(jié)合行業(yè)已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)及各專業(yè)具體的應(yīng)用需求，總結(jié)相應(yīng)應(yīng)用點模型應(yīng)具備的精度及屬性附加要求，形成針對該鐵路工程各階段、各專業(yè)的項目級建模標(biāo)準(zhǔn)、交互標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及流程標(biāo)準(zhǔn)。為滿足鐵路全生命周期信息化管理，應(yīng)對模型結(jié)構(gòu)樹及具體構(gòu)件附加屬性內(nèi)容進行詳細梳理。

以礦山法隧道部分構(gòu)件為例說明標(biāo)準(zhǔn)建立方式［9］，礦山法隧道部分構(gòu)件分層方式及屬性附加內(nèi)容梳理見表3。在進行模型構(gòu)件劃分時，應(yīng)盡可能細化組成構(gòu)件，以保證精細化管理的需求，同時在模型建立時應(yīng)附加定位信息、材質(zhì)類型、施工方法等工程信息，以模型為載體實現(xiàn)鐵路全生命周期管理。

表3 礦山法隧道部分構(gòu)件分層方式及屬性附加內(nèi)容梳理

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

為完善基礎(chǔ)場景中對工程方案有重要影響的工程信息，場景中除應(yīng)包含附加工程屬性的BIM模型及包含地理信息的地形外，還應(yīng)對施工道路、施工電力、大臨設(shè)施、不良地質(zhì)、地震斷裂等信息進行表示。通過在CityMaker平臺中對各專業(yè)展示效果的探索，選擇利用矢量方式加載塊狀信息（大臨設(shè)施、不良地質(zhì)、環(huán)保區(qū)域范圍等），利用ArcGIS服務(wù)方式加載線狀信息（施工道路、施工供電、地震斷裂帶、線路方案等）。

3.3 基于CityMaker的各模塊開發(fā)

為滿足區(qū)域性、長線、大規(guī)模鐵路工程信息化管理需求，在集成大量工程信息基礎(chǔ)上，可針對各大重點模塊進行開發(fā)，利用讀取模型附加的各類屬性信息及定位信息等，實現(xiàn)工點的快速定位及屬性信息的快速讀取。數(shù)據(jù)存儲方面可基于空間關(guān)系數(shù)據(jù)庫，建立三維數(shù)據(jù)模型架構(gòu)及存儲了表面柵格數(shù)據(jù)的Geometry關(guān)聯(lián)字段，同時利用數(shù)據(jù)庫存儲的信息建立一一映射的類型表及屬性表。利用對數(shù)據(jù)訪問層及領(lǐng)域?qū)拥拈_發(fā)實現(xiàn)模型屬性信息的讀取，并在CityMaker平臺中開展項目可視化分析及應(yīng)用。BIM與GIS融合技術(shù)架構(gòu)見圖4，基于Citymaker的各模塊功能展示見圖5。

圖4 BIM與GIS融合技術(shù)架構(gòu)

圖5 基于CityMaker的各模塊功能展示

4 結(jié)束語

以CityMaker平臺為基礎(chǔ)、以BIM與GIS融合技術(shù)為核心，探究了一套鐵路工程信息化管理流程，實現(xiàn)了鐵路全線隧道、橋梁、路基、地質(zhì)、大臨等全專業(yè)BIM模型與地理地質(zhì)信息的集成，在海量工程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)針對鐵路工程概況、工期安排、環(huán)境保護、方案比選等情況的統(tǒng)攬，實現(xiàn)對重難點工程建造風(fēng)險、施工進度的監(jiān)控及模擬，輔助把控工程各工點與沿線生態(tài)環(huán)保、地理地質(zhì)的關(guān)系。

鐵路工程大體量的三維幾何模型加上海量屬性信息使模型數(shù)據(jù)量十分龐大，因此對計算機圖形處理能力也提出了嚴(yán)峻考驗，為實現(xiàn)平臺從桌面端到Web端的應(yīng)用，后期應(yīng)針對模型輕量化及可視化渲染進行深度研究，探究一種高效率的瀏覽方式，實現(xiàn)BIM模型的深度應(yīng)用。