基于BIM與3D?GIS技術融合的城市軌道交通設計

【摘要】文中針對城市軌道交通設計領域中BIM與3D GIS技術融合進行了深入探討。報告了當前BIM技術在城市軌道交通建設中面臨的挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)規(guī)范不統(tǒng)一、環(huán)境因素影響整合難度和模型輕量化不足等問題。構建了BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的有效融合和三維可視化展示。通過實例分析，驗證了BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺在數(shù)據(jù)整合、在線測量、編輯構建庫、關鍵節(jié)點仿真等方面的功能，并展現(xiàn)了其在城市軌道交通設計中的廣闊應用前景。

【關鍵詞】BIM；3D GIS技術；城市軌道交通

【中圖分類號】TU17 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）07-0019-03

0 引言

當前，BIM技術已經(jīng)在國內(nèi)建筑業(yè)得到了廣泛應用，特別是在民用建設中，BIM標準、基礎軟件和管理平臺已經(jīng)比較成熟。由于城市軌道交通跨度大，涉及的專業(yè)也很多，協(xié)調(diào)比較困難。同時，由于其周圍環(huán)境復雜，對安全性有較高要求，所以對其建設和運行的集成應用有更高的要求。在現(xiàn)階段，BIM技術在城軌建設中的運用還面臨著許多問題。①針對城軌項目的BIM應用還不夠完善，目前還沒有形成一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范；②地鐵工程在施工過程中會受到環(huán)境等因素的影響，所以在整合數(shù)據(jù)時利用傳統(tǒng)的BIM技術很難實現(xiàn)有效的整合；③BIM建模的數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，模型輕量化、移動互聯(lián)等方面的不足，制約了其在設計與建造方面的便利性。因此，本文利用地理信息系統(tǒng)在空間數(shù)據(jù)管理，大場景調(diào)度等方面的優(yōu)越性，結合BIM技術，建立了基本的BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺，同時還對此平臺在建筑以及管理等方面的應用進行探討。

1 BIM和GIS信息的集成

1.1 建設信息集成

隨著社會的不斷發(fā)展和進步，軌道交通線路越來越復雜，所以與其同步的設施和平臺等也需快速建立，在此期間會有比較繁重的任務及眾多問題，其中施工單位主要關注的是施工的進度以及風險的監(jiān)控等，在此背景下建設信息集成系統(tǒng)是至關重要的。

1.2 操作信息集成

要改善多線鐵路的運行管理，就必須對其進行監(jiān)控與失效統(tǒng)計分析，以便注意操作狀況，及時發(fā)現(xiàn)危險區(qū)域，減少或避免意外。

1.3 GIS信息集成

集成系統(tǒng)基于地理信息系統(tǒng)中的圖形空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，這種技術能夠有效地對重要信息進行提取，其中圖形空間數(shù)據(jù)能夠很好地標識出具體位置，而屬性數(shù)據(jù)則可用來刻畫圖中特定的意義。

2 BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺實現(xiàn)

2.1 實現(xiàn)目標

項目旨在構建一套以BIM-GIS為核心的城市軌道交通項目信息數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的有效融合，并在此基礎上進行三維可視化綜合展示和快速瀏覽[1]。

1）支持多源建模數(shù)據(jù)的3D融合顯示，實現(xiàn)對多源建模數(shù)據(jù)的校驗，實現(xiàn)大場景的實時、逼真的動態(tài)調(diào)度。

2）支持各種模式的模式漫游，如PC、移動、大屏幕等。

3）支持漫游瀏覽以及大數(shù)據(jù)查詢調(diào)度。

4）能夠把外部服務功能集中到立體環(huán)境中，從而實現(xiàn)有效的工程監(jiān)控，這樣能夠降低施工安全事故發(fā)生率。

2.2 頂層設計

系統(tǒng)可以根據(jù)項目不同階段的需求，分為不同的客戶端，其中包括CS端、BS端以及MS端。不同的客戶端能夠適用于不同的場景。

1）CS端。系統(tǒng)能有效地發(fā)揮使用者電腦的運算能力，實現(xiàn)大型模型的輸入與展示、復雜動畫的演示等復雜工作。

2）BS端。在不需要安裝任何軟件的情況下，通過網(wǎng)絡瀏覽器就可以實現(xiàn)對此系統(tǒng)有關功能的訪問，特別適用于對常用的商業(yè)功能以及報告數(shù)據(jù)的處理[2]。

3）MS端。它具有即時存取的優(yōu)點，使用者可以在任何時間、任何地點存取，尤其適用于實地考察及即時資料輸入。由于每個應用系統(tǒng)的使用者、使用的環(huán)境不同，所以在應用系統(tǒng)中也有很多不同的客戶。

2.3 技術路線

系統(tǒng)整體設計思路是建模數(shù)據(jù)的獲取與數(shù)據(jù)庫平臺的構建。在對數(shù)據(jù)進行采集時，要根據(jù)模型的類型確定數(shù)據(jù)具體采集方法。在數(shù)據(jù)采集完成之后需要導入到數(shù)據(jù)庫中，在此過程中3D GIS系統(tǒng)發(fā)揮了非常重要的作用，此系統(tǒng)能夠為數(shù)據(jù)庫的建立提供相應的支撐。結合空間數(shù)據(jù)庫以及業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，再利用三維地理信息系統(tǒng)技術，建立一種基于3D可視化的模式，為用戶提供可視化的服務，主要包括數(shù)據(jù)漫游以及信息檢索等。設計人員設計了一種基于C/S架構的數(shù)據(jù)庫平臺，此結構能夠有效地對模型、數(shù)據(jù)進行采集和編輯，同時能夠很好的瀏覽和查詢模型數(shù)據(jù)。

2.4 系統(tǒng)架構

在建設過程中，不僅要滿足當前工程中對模式數(shù)據(jù)的要求，而且還要考慮到應用的要求，同時也要考慮到將來鐵路線路模型數(shù)據(jù)的擴充與應用，這就要求系統(tǒng)的結構要靈活、可擴展、開放。架構設計包含基礎設施級服務IaaS、客戶端Client等。

1）IaaS。IaaS即基礎設施級服務（Infrastructure

as a Service）。在網(wǎng)絡環(huán)境下，用戶可以根據(jù)自己的需要，根據(jù)自己的需求來選擇自己想要的服務和資源。IaaS一般有三種應用場景，私有云（僅支持局域網(wǎng)接入）、公有云（支持廣域網(wǎng)接入）、混合云（僅支持LAN接入，非保密業(yè)務可接入廣域網(wǎng)）。云部署主要是保障機房的運行環(huán)境以及服務器的可靠性等。除此之外，客戶還需要自行處理數(shù)據(jù)的備份以及災難恢復等。BIM管理平臺在運行過程中，云服務能夠為其提供良好的運行環(huán)境，其中包括云端服務器、數(shù)據(jù)庫實例、安全服務等。

2）PaaS。PaaS是指平臺即服務（Platform as a

Service）。這是將軟件研發(fā)的平臺作為一種服務，以SaaS模式提交給用戶。PaaS可以在網(wǎng)絡上發(fā)布相應的軟件服務而不需要下載和安裝，既把軟件開發(fā)環(huán)境看作是一種服務，又通過一系列公共功能來加速SaaS層的開發(fā)，其中包括統(tǒng)一的認證機制以及日志管理等。

3）SaaS。SaaS一般指軟件運營服務（即Software

as a Service，簡稱SaaS）。讓用戶能夠通過互聯(lián)網(wǎng)連接來使用基于云的應用程序。這是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的軟件服務模式，由管理員在PaaS平臺上統(tǒng)一地配置插件，用戶可以按照自己的實際需要來獲得特定的功能插件，而不需要對軟件進行維護，并且具有更加靈活和快捷的升級方式。

4）客戶端Client?；蚍Q為用戶端，是指與服務器相對應，為客戶提供本地服務的程序。除了一些只在本地運行的應用程序之外，一般安裝在普通的客戶機上，需要與服務端互相配合運行。通過CS以及BS端等訪問云計算平臺提供的服務。

2.5 功能設計

設計人員在設計過程中，要充分運用現(xiàn)代的網(wǎng)絡技術、通信技術、電腦技術等技術，才能更好地發(fā)揮其應用功能。此系統(tǒng)采用硬件、軟件應用，人機界面等，實現(xiàn)多層次的應用。搜集各種類型的資訊，透過資料分享，為商業(yè)運作提供必要的必要資訊，其中包括施工過程中的實時信息與非實時信息，施工過程中的影像信息，運行過程中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析等。在城市應急GIS中，將構建與運營層次，并以空間數(shù)據(jù)庫為基礎，實現(xiàn)對地圖的基本運算。通過地理信息系統(tǒng)的計算與分析，實現(xiàn)危險監(jiān)控定位、人員信息查詢等。

2.5.1 漫游瀏覽

基于BIM-GIS的數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)在項目執(zhí)行階段的三維建模、三維地貌的瀏覽。

2.5.2 分解結構樹

分解結構樹主要是為了展示場景模型的組織結構，其中主要是以樹形結構為主要方式。在此過程中，采用漸進式層級結構來展現(xiàn)具體的線路，以及專業(yè)等。在這個樹狀架構中，每一個節(jié)點都有一個核取方塊，借由方塊來控制這個零件是被顯示還是被隱藏[3]。關于SBS的訪問方法如下。

1）根據(jù)SBS定位?？梢栽赟BS中點擊一個部件或一個專業(yè)的名字，就可以在場景中迅速找到相應的部件，并將其高亮顯示出來。

2）檢索SBS節(jié)點?？梢栽赟BS中獲取一個節(jié)點，以便看到它處于樹狀結構中的等級關系。

3）顯示/隱藏SBS節(jié)點。可以在SBS節(jié)點中使用復選框來控制是否顯示這個節(jié)點，這樣就可以隱藏不必要的工件，將注意力集中在特定的工件上。

2.5.3 空間分析

基于BIM-GIS的3D建模平臺，實現(xiàn)了組件空間信息的分析，此算法主要包括空間距離的計算、表面的實時切割[4]。表面的實時切割是BIM-GIS 3D建模平臺中的另一項重要功能。通過這項功能，用戶可以根據(jù)需要，對建筑物的外表面或內(nèi)部空間進行任意切割，以觀察內(nèi)部結構、檢查材料使用情況或進行其他類型的分析。平臺的實時切割算法能夠在保證計算精度的同時，實現(xiàn)快速的切割操作，并將切割結果以三維模型的形式展示給用戶。它還可以通過對建筑物的幾何形狀、材料屬性、光照條件等因素的綜合考慮，進行能耗模擬、結構分析、熱工性能評估等。這些分析功能能夠幫助設計師和工程師更好地理解建筑性能，優(yōu)化設計方案，提高建筑質(zhì)量。

2.5.4 建設風險監(jiān)控

通過地理信息系統(tǒng)和施工進度信息的融合，能夠很好地發(fā)現(xiàn)施工過程中所存在的隱患和風險。在此基礎上，將各級別的盾構等重要信息按照不同的顏色、圖標進行歸類。除此之外還能夠?qū)Φ貓D進行縮放和定位等一系列的操作，能夠很好的控制圖層。

2.5.5 交通監(jiān)控

通過地理信息系統(tǒng)和電子地圖的定位，確定預警的臨界值，實現(xiàn)對列車在途監(jiān)控信息的綜合研究。此項目提出一種新的方法，能夠在電子地圖上對坐標以及列車的位置信息進行相應的關聯(lián)，這樣就能夠幫助有關人員確定列車的位置。

2.5.6 設備故障報警

設備故障報警系統(tǒng)能夠根據(jù)實際情況進行等級劃分，為有關人員提供設備的具體工作信息以及時效數(shù)學等。在此過程中還能夠結合仿真地圖來反映設備的具體失效部位，以及相關的信息，維修人員在開展設備維修工作時，可以充分地參考此系統(tǒng)[5]。

2.5.7 大客流預警

客運專線在節(jié)假日和重要時段容易發(fā)生大客流事件。在此背景下，開展智能化分析工作是至關重要的，而GIS技術能夠發(fā)揮重要的作用，它能有效地捕獲大客流擁擠區(qū)域，如換乘樞紐，人流集中區(qū)域等。

3 工程實例分析

某城市軌道交通項目的總長度為22.4 km，均為地下軌道。項目包括10個站點和1個車場，BIM-GIS融合技術被應用到整個項目中，并在此基礎上開發(fā)了一個平臺。

3.1 全線模型構建

在勘測數(shù)據(jù)、地形圖和市政地下管線圖的基礎上，提出了一種基于統(tǒng)一坐標系統(tǒng)的全線環(huán)境建模方法。模擬范圍是站外200 m以內(nèi)，區(qū)間外100 m以內(nèi)，此方法對站點周圍建筑物的模擬精度為0.1 m。

3.2 全線數(shù)據(jù)集成

項目將每個項目的土建模型、周圍環(huán)境模型和施工場地模型進行整合，共計245個。在此基礎上，通過對模型進行輕量級的建模，將其進行幾何與商業(yè)屬性的融合，從而可以在同一個場景中進行漫游，為BIM技術的進一步應用奠定基礎。

3.3 BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺實現(xiàn)

BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺實現(xiàn)了有很多的功能：①很好地對數(shù)據(jù)進行整合，從而實現(xiàn)大場景的展示；②實現(xiàn)在線測量以及在線標注等各項功能；③有效地編輯構建庫，并且實現(xiàn)有效調(diào)用；④設置和管理部分重要的功能；⑤具備多種分析匯總能力，其中包括交通導改以及房屋拆遷等；⑥對換乘線路，運輸銜接，線路巡視等進行分析；⑦對關鍵復雜節(jié)點進行仿真；⑧4D項目進度的支持與管理；⑨具有移動終端訪問功能及現(xiàn)場巡檢的輔助功能。

4 結語

由以上可知，BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺很好地整合了BIM與GIS技術，并且在數(shù)據(jù)建模技術以及數(shù)據(jù)融合技術等方面得到了廣泛應用。相關行業(yè)通過運用這些技術，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效管理，同時還能夠優(yōu)化相應的算法，從而實現(xiàn)大范圍、大容量的空間信息處理。文中以某城市軌道交通項目為例，驗證了BIM-GIS數(shù)據(jù)平臺在各個工作點上的整合處理效果，并能順利地進行基本的瀏覽，為整個工程項目的順利進行奠定了良好基礎。

參考文獻

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[4] 張純，代成，夏海山.基于數(shù)據(jù)融合的城市軌道交通規(guī)劃理論研究：BIM與GIS一體化研究綜述[J].都市快軌交通，2020，33（4）：10.

[5] 張永福，劉毅堅.基于城市軌道交通GIS+BIM平臺的設計變更管理應用研究[J].鐵道勘測與設計，2023（2）：40-43.

[作者簡介]劉文海（1995—），男，河南南陽人，本科，助理工程師，研究方向：市政道路設計。