铁路勘测设计BIM应用基础研究

金 星

(中铁一院兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000)

铁路勘测设计是铁路建设中一项重要的统领全局的工作。伴随着工程认知和技术条件的发展，铁路选线经历了实地选线、沙盘选线和目前通用的二维投影选线技术作业模式。随着工业设计三维化的推进，铁路选线从外业数据采集到内业设计作业模式正逐步向虚拟环境选线发展。基于此，亟需在已取得的铁路勘测设计信息化成果上，进一步融入BIM应用技术，促进铁路建设全生命周期的三维决策和管理。

1 铁路勘测设计现状

1.1 铁路虚拟环境选线发展现状

在铁路信息化建设进程中，单独的二维设计软件功能已基本满足现场需要，即通过平面、纵断面、横断面功能软件可以实现既有作业模式下铁路选线流程化设计，进行标准化出图出表，大幅提高了工作效率。鉴于铁路选线的多层次多目标灰色决策特性[1]，国内选线专家提出了虚拟环境选线概念，旨在以数字地形模型为基础，构架三维仿真系统，模拟铁路沿线复杂场景，结合RS地质遥感判释和专家系统进行动态选线[2]。随着数据源质量提升、知识表达推理机制的推演完善和三维图形操作技术的瓶颈突破，该项技术正处于逐步发展中。

1.2 BIM 简介[3-4]

BIM(Building Information Model)是一个四维管理系统，即三维实体的全生命周期管理系统。它是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命期信息进行数字化形式表现，从而为决策提供支持，以更好地实现项目的价值。BIM的推广应将目前国内主流的三维演示升级为可视化的三维设计，为设计师、建筑师、设备工程师、业主乃至最终用户等各环节人员提供“模拟和分析”的科学协作平台，帮助他们利用三维数字模型对建筑项目进行设计、建造及运营管理。目前，该技术已应用于基础建设规划、设计、建设和管理，比较典型的应用有北京奥运会奥运村空间规划及物资管理信息系统、南水北调工程、香港地铁等项目。在公路设计方面，国内相关软件研发公司已推出基于BIM理念的道路三维设计软件[5]，同时，在积极开展基于BIM的高速公路4D建设管理系统研究工作。在铁路设计方面，中铁二院在西部某高速铁路项目中利用三维设计BIM技术首次实现了线路、路基、桥梁等主要设计专业之间数据的协同与共享，不仅提高了工程设计质量，而且为业主提供了更为直观的交付方式，体现出了BIM技术在铁路建设领域广阔的发展空间。但在和既有设计软件的三维整合度上仍存在设计观念的转变问题，因此研究并建立一套全新的符合三维设计思路的工作模式和设计流程，从而保证从二维绘图到三维设计的顺利过渡和实施，是当前铁路BIM应用技术要解决的关键问题。

2 铁路勘测设计BIM应用技术探讨

2.1 应用领域

铁路勘测设计BIM进一步推进了虚拟环境选线的发展，借助第四代勘测技术激光扫描技术的发展，大型工程数据库的开发以及三维图形交互技术的成熟，它将从技术应用的层面对铁路选线理论做出三维完善。其应用渗透勘测、设计、施工、运营全过程。具体来说，根据初步设计的具体勘测要求，利用机载(车载)地面激光扫描技术获取线路行经地区连续的地形数据，无需空三加密，直接构建三维实体地面模型，提供给选线设计人员一个仿真的地形环境，通过地质信息的空间叠加，结合专家系统的技术经济约束表达，可动态进行线路走向决策，并具备实时三维线位和设备查询及检查修正功能。在施工过程中，可进一步通过工程实时扫描数据和设计原型进行对比分析，进而完成工程体量计算，可有效进行工程进度监控和资金控制。投入运营后，以竣工验收的工程实景为原型进行技术交接，便于运营单位根据实际线路运营情况进行设备管理。具体描述如图1所示。

图1 铁路勘测设计BIM应用

2.2 应用技术分析

铁路勘测设计BIM系统研发的总体框架如图2所示。

针对目前较为成熟的业内工程数据库技术、网络传输技术和界面集成技术，本文将着重研究三维数据流的接驳关键技术，主要包括三维环境构建、三维实体库创建和三维人机交互技术。

2.2.1 三维环境构建

图2 铁路勘测设计BIM系统研发

地形环境三维曲面建模是线路三维可视化动态仿真与基于三维场景中的线路走向选择的关键问题，是铁路勘测设计BIM应用要首先解决的问题。基于目前业内地形数据采集模式，易思蓉[2]提出了带状地形三维环境建模方法，通过Coons曲面模型表达线路路基本体表面曲面，并利用分形布朗函数建立地面三维曲面仿真模型，同时提出了与现有二维作业模式衔接的三维投影坐标网格的方法，有效地解决了选线三维投影变换问题。

上述方法的数据源采集点是离散的，因此在地形拟合过程中为了更好地和地形吻合，需要进行空三加密，导致数据处理工作强度大，由此引发的数字地形建模不同方法都是试图在数据处理速度和精度之间寻求平衡[5]。因此铁路勘测设计BIM在仿真环境的构建中可借助既有GIS平台进行二次开发，如GoogleEarth，以节约开发成本，提高工作效率。或可直接引入激光扫描技术，通过连续数据点的获取，以点云数据为基础，结合工程数据库，直接进行地形数据的读取和分析计算[6];可避免空三加密，实现点对点直接操作，数据可靠，且大幅提高数模处理速度。

2.2.2 三维实体库

BIM的核心技术是面向对象的建模技术，在上述仿真环境具备的前提下，需要将线路实体依照设计意向进行空间摆放;因此需要基于参数化控制进行三维图元库的建立。建立的方法有两种:一是将线路设备原件进行扫描，通过点云后处理软件进行曲线(曲面)建模，按照单位长度尺寸导入工程数据库待用;另一种是获取设备三维尺寸，通过三维设计软件进行矢量化组合，将截面特征数据导入工程数据库待用。鉴于国内三维图形处理常用的OpenGL环境，可利用专业的三维建模软件，采用 Oracle数据库进行管理，通过构建转换模块读取模型数据，经转换后在OpenGL环境中重新构建三维模型，解决了OpenGL中的复杂三维建模问题，实现三维人机交互平台的统一[7]。

2.2.3 三维人机交互

首先介绍BIM绘图。针对业内常见的三维浏览只能“看”不能“动”，BIM明显地脱胎于三维图形演示，让用户直接在三维环境中进行动态人机交互，一边设计一边直接进行空间线位检查、视距检查、设备检查、列车运动仿真等，真实感强，有助于提升设计质量。国内常用的三维人机交互软件主要有3DMAX(三维浏览)、OpenGL(三维设计)，但数据接口不够灵活。因此，针对大型BIM应用，Autodesk公司推出了基于绘图的以 Revit三件套为核心，配以 Autodesk Navisworks和Autodesk 3ds Max的成套软件。该软件以Autocad图形环境为支撑，升级了其原有的三维功能，集成了三维图元库的创建，具备良好的人机交互界面，灵活的数据接口和三维CAD二次开发接口，适用于铁路建设使用。使用Autodesk Revit的工作集和链接管理，将多专业的Autodesk Revit模型进行整合和冲突检测，避免了因为一个小小的专业间的碰撞所可能导致的施工成本的大幅追加。不仅如此，通过Autodesk Revit系列软件，可以让业主能够更加直观生动地了解设计成果的最终形态。

其次，在结构设计软件、算量软件方面早已有稳定的产品融合BIM概念使用，功能完善。但在管理软件方面，基于全生命周期的项目管理软件囿于使用效果，依然只是概念设计，此处不再赘述。

3 结语

铁路勘测设计BIM应用技术是工业设计三维趋势下的必然产物，在研究工作中围绕三维设计技术应用，须做好三维数据源采集及处理研究，工程数据库研究(包括三维信息表达标准制定)，三维图元库的建立，三维人机交互界面的研发技术，以及结合三维算量软件的配套使用进行三维项目管理研究等。铁路BIM应用将极大改观目前的只可三维浏览不可三维人机交互的局面，对于提高设计质量，完善工程信息管理具有积极的意义。

[1]易思蓉，张家玲.基于智能CAD系统的铁路选线多方案目标综合评价方法[J].铁道学报，2000(5):95-101.

[2]易思蓉.虚拟环境铁路选线设计系统的理论与方法研究[D].成都:西南交通大学，2000.

[3]朱江.BIM 在铁路设计中的应用初探[J].铁道勘察，2010(6):73-76.

[4]刘大园，姚力，庞玲.基于BIM的铁路轨道工程三维数字化设计构想[J].高速铁路技术，2013，4(6):9-13.

[5]朱庆.分形理论及其在数字地形分析和地面仿真中的应用[D].北京:北方交通大学，1995.

[6]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉:武汉大学出版社，2007.

[7]吕希奎，易思蓉，何丽.OpenGL环境下的模型数据库管理与复杂三维建模[J].工程图学学报，2007(2):12-16.