铁路勘察设计中BIM与GIS结合方法讨论

■ 任晓春

铁路勘察设计中BIM与GIS结合方法讨论

■ 任晓春

分析BIM与GIS的技术特点及相互关系，根据铁路勘察设计的技术特点，提出针对铁路设计阶段的BIM与GIS结合的方法。基于现有的技术发展水平，分析当前实现BIM与GIS结合过程中待解决的地形局部修改套合、模型多分辨率与轻量化、语义信息传递、面向服务的架构等技术难点，指出铁路勘察设计中BIM与GIS结合应用的技术方向。

BIM；GIS；铁路勘察设计；多层次模型

0 引言

BIM将工程建筑的内部结构、外部结构以三维模型的形式进行表达，并将与建筑相关的设计信息、施工信息、运维信息都附着在模型上进行管理。在此基础上，通过碰撞检验、施工模拟、工程量计算、节能优化、物料管理等手段，减少设计中的错漏缺碰、提高设计精确度和效率，避免施工过程中的资源浪费。2013年上半年，在中国铁路总公司（简称总公司）的统一部署下，全国各大铁路设计院和工程施工企业积极推进基于BIM的信息化建设。总公司在宝兰、西成客专等多个在建铁路项目进行BIM试点。而铁路工程是条带状工程，受到地理环境、地质条件、经济因素、城市规划等多方面的影响，目前的BIM模型设计软件支持的空间范围较小，无法承载海量大范围的地形数据，也不具备对地理信息进行分析的功能，无法满足铁路工程设计应用的要求。GIS正好从地理信息空间数据处理及分析的角度给予BIM应用支持。

1 铁路工程中BIM和GIS的关系

从空间维度上来讲，BIM关注的是建设项目对象，GIS关注的是整个地理环境，其中也包括了建设对象。也就是说GIS研究的空间较之BIM更为广阔。GIS研究的是大范围的空间对象及抽象化的建筑对象；BIM研究的是具体建设对象的详细构造。因此，在空间维度上GIS包含了BIM的内容。

从价值维度上来讲，GIS主要研究地理相关的信息处理及分析的功能，相对于BIM，它只是一个工具。BIM不但关心地理环境的问题，还关心项目规划、项目管理、参数化建模、协同化设计、工程造价估算、施工模拟、运营维护技术、资产管理技术等多方面的技术问题。GIS只是BIM实施中的支撑工具，为BIM在项目整个生命周期的实施提供三维表现的基础、空间分析计算的能力及模型沟通的平台。

从过程维度来讲，BIM将整个项目从概念到设计、施工、运营、改建、拆除的全生命周期作为服务对象。对于铁路项目而言，由于线路分布较长，地理信息有着重要的地位，从规划到设计、施工、运营都离不开地理信息。在铁路规划和设计阶段，GIS的地理信息是基础的设计资料，其空间分析功能对选线优化有着重要的意义。在运营阶段，GIS能提供三维可视化的整体空间表达和信息的空间索引，其空间分析功能在铁路相关的应急响应、灾害预警等方面有着突出的作用。总而言之，GIS在各个阶段的BIM实施中，都是一个基础平台和重要的工具。

综上所述，BIM在价值、过程维度上比GIS关注得更多。在应用实施过程中，应在总体上采用BIM的方法和思想把GIS的内容按BIM的技术框架融合进来。

2 铁路勘察设计BIM与GIS的功能

铁路勘察设计是一个从宏观到微观的过程，一开始要确定线路的基本走向，然后再根据城市位置、资源分布、工农布局和自然条件等情况确定线路走向，即选线设计。选线设计过程中地理信息是作为设计的主要参考内容，GIS能为设计提供数据支持和决策分析。在线路确定之后，整个铁路工程被划分为多个工点和区段进行工点设计。工点设计过程中，GIS一方面为设计提供局部的地形数据，另一方面提供一个整体的地理空间将各工点设计结果进行整体表达。线路设计和工点设计是循环迭代的过程，在铁路勘察设计的各个阶段都要进行迭代。单从BIM设计的技术角度来讲，两者是两类不同的设计实施方式。

2.1 选线设计BIM实施

选线设计是在对地理、地质、经济等多方面资料进行分析后，对线路走向和坡度的选择。选线设计在初期更多的是关心线路的路径，对线路的实际设计外观并不关心。对于桥梁、隧道等工点也只是做定性描述。因此在结合BIM做选线设计时，对工点的具体模型设计还未开始，只能采用概念模型的方式在三维环境中进行描述。

目前利用概念模型进行线路选线工作的软件，如Autodesk公司BIM解决方案中的Infraworks。该软件通过绘制曲线，拉坡、设桥设隧等工具在三维环境下直接进行选线设计，并实时建立线路的概念模型。

Infraworks具备大范围地理信息数据的展示功能，但不具备地理信息数据的存储和分析功能。此时必须有GIS软件平台的空间数据库及地理信息分析服务作为Infraworks的支撑。例如，以Arcgis的ArcSDE建立空间数据库，管理地形数据（DEM）、影像数据（DOM）及地理要素数据，Infraworks通过数据源的接口连接在ArcSDE上，并将地形及地理要素数据在三维环境下表达出来。

图1 Infraworks选线设计及概念模型生成

另外GIS还可为设计提供分析和支持。如：利用DEM数据获取线路纵断面或横断面地面线，计算土石方量；通过缓冲区分析，检查落在线路两侧规定范围内的房屋，进行拆迁征地的估算；也可利用缓冲区分析检查线路是否经过了自然保护区，与高压线路的距离是否合适；利用DEM数据进行坡度坡向计算，然后进行汇水分析，为铁路设置桥涵提供帮助等。2.2 工点设计BIM实施

在线位选定之后，就可以进行局部的工点及区段的设计，工点设计采用BIM设计工具（如Civil 3D、Revit）进行设计。工点包括：桥梁、涵洞、隧道、路基和站场。为了方便设计，某些特长隧道和长路基的工点可划分为多个区段进行设计。工点设计不止是对构筑物建立模型，同时还要对当前的地形和地物产生改变，如建筑物拆除、对地面整平和开挖。在BIM软件的解决方案中有土木工程设计软件可以完成地形的设计任务，如Civil 3D。土木工程设计软件可以进行地形的修改，设置边坡、基坑开挖、开洞等功能。

工点设计最终要完成工程模型和地形的设计，并在GIS的三维环境全局环境下进行整体表达。

3 BIM与GIS结合的关键点

无论是选线设计还是工点设计，对于BIM与GIS模型及数据的集合，都要解决如下的关键技术。

3.1 模型的多分辨率处理及轻量化

BIM模型的特点是设计细节丰富、对象繁多、数据量大。在GIS中进行三维综合表达，对GIS模型数据的承载力提出了非常高的要求。研究BIM模型的多分辨率层次模型自动生成，利用轻量化模型的手段达到不同比例尺细节的按需表达，是解决两种模型在同一空间内进行结合的关键。为满足三维浏览速度的需要，将BIM模型进行处理，建立与GIS表达的多分辨率地面模型层级相适应多分辨率模型。OGC组织定义的CityGML语言，是虚拟三维城市模型数据交换与存储的格式标准，其整体框架上划分了5个细节层次（LOD）将BIM模型和GIS地形的三维表达整合到了一起（见图2）。LOD0是地形和正射影像，模型以矢量范围线表示；LOD1将模型抽象为块体进行表达；LOD2的模型只表达建筑的外表面；LOD3以建筑的基本结构来表达，包括墙体、屋顶结构、门窗等；LOD4在LOD3的基础上完成室内的结构，包括内部房间、门、家具等。

图2 CityGML的细节层次体系

目前BIM设计工具设计的模型是LOD3和LOD4的层级的模型，LOD0—LOD2的层级模型需要由LOD3来提取，即“轻量化”过程。在建筑领域已经有一些软件能通过墙体、门、窗的定义自动提取外表面，生成LOD2模型。铁路工程设计的工点对象较为复杂，特别是桥梁、隧道，目前的软件尚不能自动提取其外表面，设计对象的轻量化问题还需做深入的研究。

3.2 地形修改与套合

铁路工程设计，不但是要设计出构筑物，同时也是对地表形态的重新设计。重新设计的地形与工程本体相符合，有较高精度要求，还可能需要做挖空处理，如隧道的出入口。因此局部设计地面模型采用不规则三角网（TIN）数据结构。GIS中对于大范围地形模型一般采用连续规则格网（Grid）数据结构。需要研究TIN与Grid结构的混合表达方法，将带有孔洞的TIN地形模型融入到Grid模型之中。

3.3 语义信息的传递和表达

BIM模型有三维模型，还有其附带的语义信息。在将BIM设计的模型结合到GIS系统平台的时候，不但要对三维模型进行可视化表达，还要能将模型附带的语义信息完全的继承。BIM公开标准数据交换标准IFC，也是工程建设行业数据互用的基于数据模型面向对象的文件格式，对BIM语义数据有完整的描述。但目前GIS系统并不支持从IFC文件中提取语义数据。另外GIS作为整体表现平台，只需要选择性地描述整体对象的语义信息，不需要完全理解BIM模型中复杂多维度的语义信息。因此如何转换BIM的语义信息，提取出需要在GIS系统中表达的语义信息，是GIS与BIM结合的要点之一。

3.4 面向服务的结合模式

目前的BIM系统相对独立，厂商的软件产品对GIS系统的对接非常有限。而GIS系统已经走向了服务化和规范化，国际标准的WFS、WMS地理信息服务接口已经广泛应用。BIM软件需要完成对GIS软件服务标准的支持，才能达到与GIS系统的无缝对接。

4 结论和展望

GIS为BIM在铁路勘察设计中的应用提供了地理信息数据支持、地理分析功能以及三维综合表达的平台。推动BIM技术和GIS技术的结合，是铁路工程BIM实施的必要条件。目前BIM在铁路工程的应用尚不成熟，与地理信息的结合仅局限于对文件数据的读取，其在大范围地形及海量模型数据的表达还存在技术难点，BIM的技术厂商也在寻求与GIS的结合点；另一方面，GIS也在向BIM靠拢，将BIM模型对象引入到地理空间中。要达到GIS与BIM的深度结合，无缝衔接，尚需要解决地形局部修改套合、模型多分辨率与轻量化、语义信息传递、面向服务的结合模式等技术难点问题。通过关键技术的突破，完善接口标准体系，最终实现GIS系统在铁路BIM解决方案中的价值体现，是未来地理信息领域和铁路工程设计领域共同努力的方向。

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任晓春：中铁第一勘察设计院集团有限公司，教授级高级工程师，陕西 西安，710043

责任编辑杨环

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