基于GIS+BIM的西十高鐵設(shè)計(jì)成果綜合應(yīng)用平臺(tái)研究

倪 葦

(1.中國鐵建BIM工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710043；2.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

引言

BIM技術(shù)起源于美國，經(jīng)過多年發(fā)展，BIM應(yīng)用已在建筑領(lǐng)域初具規(guī)模，形成了由Building SMART國際組織開發(fā)的BIM數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，使BIM技術(shù)更加規(guī)范和具有普適性。

國內(nèi)BIM技術(shù)起步較晚，但發(fā)展很快，目前在軌道交通領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。在國鐵集團(tuán)統(tǒng)一部署下，全國各大鐵路設(shè)計(jì)院和工程局積極推進(jìn)基于BIM信息化建設(shè)，探索BIM技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、安全運(yùn)維全生命周期中的應(yīng)用[1]。鐵路工程BIM正由“建模為主”階段向“多維度數(shù)據(jù)應(yīng)用為主”階段跨越[2]，逐步實(shí)現(xiàn)由局部工點(diǎn)轉(zhuǎn)向全線應(yīng)用，由少數(shù)專業(yè)應(yīng)用向全專業(yè)應(yīng)用發(fā)展[3]。

BIM模型本身具有幾何結(jié)構(gòu)精細(xì)、語義信息豐富及參數(shù)特征明顯的特點(diǎn)[4-5]，實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)二維點(diǎn)、線、面組成的工程圖紙信息進(jìn)行三維數(shù)字化表達(dá)，與所感受的物質(zhì)世界基本維度一致，能夠使鐵路工程建設(shè)參與人員更直觀、便捷地獲取模型所承載的幾何、物理、屬性、過程等信息，提高信息共享水平，同時(shí)具有立體組合拼裝的能力，利用族庫可以實(shí)現(xiàn)快速建模。然而，與建筑工程不同，鐵路工程表現(xiàn)出線狀、跨度大、多專業(yè)、工點(diǎn)復(fù)雜多樣、與地形結(jié)合緊密等特點(diǎn)[6-8]。BIM三維信息模型在尺度表達(dá)、一致分析、空間統(tǒng)一基準(zhǔn)、整體定位等[9-10]方面存在不足，因此，需與GIS進(jìn)行結(jié)合，將BIM模型集成到GIS場景中[11-12]。

GIS是以空間三維可視化為基礎(chǔ)，基于空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，面向海量三維地理空間數(shù)據(jù)，集成地上、地下、室內(nèi)外完整的三維空間實(shí)體，具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、檢索和分析功能[13-15]。國內(nèi)外GIS平臺(tái)主要有美國的ArcGIS、Skyline、Cesium和國內(nèi)的SuperMap(超圖)、CityMaker(偉景行)，iFreedo(飛渡)等，其中，Cesium是WebGL三維客戶端且是開源JS庫，實(shí)現(xiàn)在瀏覽器中展示三維虛擬地球的功能[16]。

然而，現(xiàn)有的GIS原生系統(tǒng)不能直接支持符合CRBIM1003—2017《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)(1.0版)》、CRBIM1004—2017《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)(1.0版)》要求的模型樹狀結(jié)構(gòu)管理、虛節(jié)點(diǎn)信息維護(hù)、參考模型與技術(shù)文檔掛接功能，且存在數(shù)據(jù)處理與發(fā)布效率較低等問題。為更好地對(duì)重點(diǎn)工程BIM設(shè)計(jì)成果進(jìn)行表達(dá)與應(yīng)用，亟需對(duì)GIS基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，擴(kuò)展符合鐵路BIM模型表達(dá)的功能模塊。最終形成一個(gè)能夠?qū)﹁F路項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)成果進(jìn)行全方位、多要素展示的數(shù)字化三維應(yīng)用平臺(tái)，為今后設(shè)計(jì)方案匯報(bào)、比選方案優(yōu)化及設(shè)計(jì)成果展示提供良好的環(huán)境。

1 項(xiàng)目概況

新建西安至十堰高鐵項(xiàng)目位于陜西省東南部和湖北省西北部，是中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目。線路西起陜西省西安市，向東穿越秦嶺山脈，經(jīng)商洛、十堰兩市與漢十鐵路相接。西十高鐵新建正線長255.749 km，為中鐵一院第一條全線基于BIM正向設(shè)計(jì)的高速鐵路。

2 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 多源多分辨率三維地形融合

首先，將BIM設(shè)計(jì)成果準(zhǔn)確放置到地形場景中，需在同一區(qū)域快速創(chuàng)建不同細(xì)節(jié)層次的三維地形模型[17]。大范圍區(qū)域可選擇谷歌衛(wèi)星影像和30 m精度的DEM數(shù)據(jù)，線路左右5 km范圍采用1∶10 000精度DEM數(shù)據(jù)和1 m分辨率DOM影像，線路左右200 m范圍采用1∶2 000精度DEM和0.2 m分辨率DOM影像，工點(diǎn)局部補(bǔ)充設(shè)計(jì)用1∶500精度DEM數(shù)據(jù)。線路跨越既有公路、鐵路、居民區(qū)時(shí)采用無人機(jī)傾斜攝影手段獲取高精度實(shí)景三維模型，具有成本低、靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)[18]，真實(shí)準(zhǔn)確恢復(fù)現(xiàn)場的地理環(huán)境，直觀反映線路的相對(duì)位置關(guān)系[19]。圖1為創(chuàng)建的高精度真實(shí)三維地形場景。

圖1 高精度真實(shí)三維地形場景效果

2.2 多專業(yè)多源BIM設(shè)計(jì)成果集成

Bentley平臺(tái)支持真實(shí)大地坐標(biāo)的三維線條，適用于鐵路工程長大帶狀的分布要求，隧道、橋梁、軌道、接觸網(wǎng)等專業(yè)可直接根據(jù)線路三維數(shù)據(jù)庫自動(dòng)化創(chuàng)建BIM模型。

房建、暖通、結(jié)構(gòu)等專業(yè)目前仍習(xí)慣于Autodesk平臺(tái)的Revit軟件開展BIM設(shè)計(jì)，一般約定以軸網(wǎng)(A，1)作為參考項(xiàng)目基點(diǎn)開展工作，要將模型準(zhǔn)確放置到地形場景中需進(jìn)行定向、定位操作。下面給出Bentley平臺(tái)和Autodesk平臺(tái)的BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D GIS平臺(tái)的處理流程，具體示意見圖2。

圖2 多源BIM數(shù)據(jù)處理示意

2.3 BIM與三維地形融合

處理局部小范圍地形與BIM模型融合時(shí)，將地形透明度調(diào)整至半透明，參照BIM模型直接手動(dòng)進(jìn)行地形的開挖、整平操作；對(duì)于挖方路基、車站、施工便道等長帶狀工程要素手工處理起來準(zhǔn)確性和效率都較低，采取導(dǎo)入邊界坐標(biāo)文件自動(dòng)開挖。邊界線可在BIM設(shè)計(jì)軟件中導(dǎo)出，處理后保存為精測(cè)網(wǎng)坐標(biāo)文本文件。以路基BIM模型為例地形自動(dòng)開挖效果如圖3所示。

圖3 提取路基模型邊界后自動(dòng)開挖效果

處理傾斜實(shí)景模型與BIM模型融合時(shí)，目前自動(dòng)化程度較低，主要采取手工對(duì)地表地物進(jìn)行開挖、整平操作，尤其當(dāng)碰到主體工程，如隧道洞口傾斜實(shí)景模型樹木茂盛時(shí)融合效果一般。

3 平臺(tái)開發(fā)及應(yīng)用

3.1 平臺(tái)開發(fā)

基于GIS+BIM的西十高鐵設(shè)計(jì)成果綜合應(yīng)用平臺(tái)，采用CityMaker基礎(chǔ)GIS平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，采取駕駛艙模式的UI界面設(shè)計(jì)風(fēng)格，滿足會(huì)議室大屏、計(jì)算機(jī)顯示器等多類型終端界面顯示。CityMaker產(chǎn)品體系涵蓋三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)制作、組織管理、應(yīng)用開發(fā)全過程[20-21]，提供豐富的組件，可使用多種開發(fā)語言和環(huán)境，支持Direct3D和OpenGL圖形渲染引擎。圖4為CityMaker GIS產(chǎn)品體系示意。

圖4 CityMaker平臺(tái)產(chǎn)品架構(gòu)

西十高鐵BIM設(shè)計(jì)成果綜合應(yīng)用平臺(tái)前端采用JavaScript腳本進(jìn)行CityMaker網(wǎng)頁二次開發(fā)，后臺(tái)采用Java SpringBoot+Mybatis+MySQL技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，涉及關(guān)系型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫中，可以大大簡化數(shù)據(jù)持久化任務(wù)。

3.2 平臺(tái)應(yīng)用

基于GIS+BIM的西十高鐵設(shè)計(jì)成果綜合應(yīng)用平臺(tái)，通過在真實(shí)的三維地形場景中無縫融合西十高鐵BIM設(shè)計(jì)成果，搭建滿足BIM設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化交付環(huán)境，實(shí)現(xiàn)BIM設(shè)計(jì)成果綜合展示，BIM模型結(jié)構(gòu)樹解析與創(chuàng)建、方案設(shè)計(jì)優(yōu)化、三維空間分析等功能，主要應(yīng)用功能及特點(diǎn)如下。

3.2.1 設(shè)計(jì)成果展示

左側(cè)以卡片列表的形式直觀展示車站、隧道、橋梁、路基等專業(yè)的設(shè)計(jì)工點(diǎn)，包括工點(diǎn)名稱、里程信息、工程重難點(diǎn)信息等。單擊某個(gè)卡片可快速定位到對(duì)應(yīng)的工點(diǎn)，同時(shí)提供關(guān)鍵字檢索功能方便用戶查找感興趣工點(diǎn)。

平臺(tái)場景中完整保留BIM設(shè)計(jì)成果的幾何、材質(zhì)、屬性信息，通過鼠標(biāo)點(diǎn)選顯示模型構(gòu)件的豐富屬性信息，并以畫中畫多窗口渲染的形式表達(dá)模型構(gòu)件對(duì)應(yīng)的施工圖精度級(jí)別的精細(xì)參考模型。隧道帶配筋參考模型示意見圖5。

圖5 隧道精細(xì)參考模型展示效果

底部幻燈片欄顯示該工點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的場景漫游腳本、二維設(shè)計(jì)圖紙、施工工法和不良地質(zhì)介紹視頻等多種素材，通過訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫可直接調(diào)取查看，更好地表達(dá)BIM設(shè)計(jì)意圖。

3.2.2 BIM結(jié)構(gòu)樹解析

目前，各專業(yè)在設(shè)計(jì)軟件中創(chuàng)建的BIM模型主要以要素圖層的形式進(jìn)行管理，IFD標(biāo)準(zhǔn)編碼無法有效識(shí)別單個(gè)模型構(gòu)件，模型構(gòu)件間的邏輯關(guān)系缺失。通過在BIM建模時(shí)添加定位碼屬性信息，模型導(dǎo)入GIS平臺(tái)中解析定位碼信息后創(chuàng)建工程結(jié)構(gòu)樹。

利用工程結(jié)構(gòu)樹可直觀展示BIM模型的邏輯層次關(guān)系，平臺(tái)中點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)樹節(jié)點(diǎn)可快速定位并高亮顯示該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的BIM構(gòu)件及屬性信息。以橋梁模型為例，結(jié)構(gòu)樹中選中墩身托盤子節(jié)點(diǎn)后場景定位，顯示結(jié)果見圖6。

圖6 BIM模型工程結(jié)構(gòu)樹解析定位示意

3.2.3 方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

基于該平臺(tái)可對(duì)專業(yè)BIM設(shè)計(jì)成果進(jìn)行方案優(yōu)化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)BIM設(shè)計(jì)中存在的“差錯(cuò)漏碰”問題，比如線路下穿既有高速公路時(shí)，借助高精度傾斜實(shí)景三維模型可準(zhǔn)確恢復(fù)現(xiàn)場既有地表構(gòu)筑物的空間關(guān)系；疊加融合不同方案的BIM設(shè)計(jì)成果以雙視口的方式展現(xiàn)，輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行決策，優(yōu)化既有的設(shè)計(jì)方案。不同方案對(duì)比見圖7。

圖7 雙視口BIM橋梁設(shè)計(jì)方案比選示意

3.2.4 三維空間分析

平臺(tái)提供三維空間分析功能包括：①剖切分析，支持面剖切和體剖切模式，方便查看房屋內(nèi)部設(shè)備等隱蔽工程；②量測(cè)分析，支持點(diǎn)坐標(biāo)、距離、面積量算等多種測(cè)量模式；③地形分析，支持對(duì)地形透明度進(jìn)行調(diào)整及開挖、整平處理。模型剖切分析效果見圖8。

圖8 剖切車站房屋查看內(nèi)部設(shè)備效果

4 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)通過研究多源三維地形融合、多平臺(tái)BIM設(shè)計(jì)成果集成及與三維地形融合等關(guān)鍵技術(shù)，搭建西十高鐵全線GIS+BIM高精度三維場景。同時(shí)，對(duì)全線明線段落進(jìn)行傾斜實(shí)景三維建模，真實(shí)準(zhǔn)確反映BIM設(shè)計(jì)成果與現(xiàn)場環(huán)境的相對(duì)關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化BIM設(shè)計(jì)方案。

(2)通過解析BIM模型的定位碼生成工程結(jié)構(gòu)樹，實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM構(gòu)件按照邏輯結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行定位管理和屬性信息查詢，可快速定位到橋梁模型的具體某一孔梁、某一號(hào)墩、某根樁，有效解決IFD標(biāo)準(zhǔn)編碼無法識(shí)別單個(gè)BIM構(gòu)件的問題，更加符合設(shè)計(jì)人員的使用習(xí)慣。

(3)采用BIM設(shè)計(jì)成果二維、三維一體化平臺(tái)交付模式，建立BIM模型與精細(xì)參考模型、場景漫游腳本、二維設(shè)計(jì)圖紙、施工工法視頻等多種素材之間的關(guān)聯(lián)，方便用戶隨時(shí)查閱BIM設(shè)計(jì)的相關(guān)資料，有效彌補(bǔ)BIM三維模型信息表達(dá)的單一性。

5 結(jié)語

基于3D GIS技術(shù)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、檢索和分析功能，鐵路工程BIM設(shè)計(jì)成果被賦予了豐富的地理空間信息，達(dá)到宏觀與微觀統(tǒng)一管理的目標(biāo)。鐵路工程BIM模型批量集成到3D GIS中，可打破鐵路BIM應(yīng)用的“數(shù)字孤島”問題，有效解決了設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維管理等不同階段的數(shù)據(jù)共享與挖掘利用。

通過搭建基于GIS+BIM的西十高鐵設(shè)計(jì)成果綜合應(yīng)用平臺(tái)，解決了項(xiàng)目全線BIM設(shè)計(jì)成果交付與展示匯報(bào)問題，今后可在多個(gè)鐵路BIM試點(diǎn)項(xiàng)目中推廣應(yīng)用，具有廣泛的社會(huì)效益和良好的經(jīng)濟(jì)效益。