基于InfraWorks的城市轨道交通项目规划研究*

2018-05-25吕希奎陈淑娜孙培培

城市轨道交通研究 2018年5期

吕希奎陈淑娜孙培培

（1.石家庄铁道大学交通运输学院，050043，石家庄；2.河北省交通安全与控制重点实验室，050043，石家庄∥第一作者，教授）

0 引言

目前国内的城市轨道交通从规划到设计，再到最终的实施，基本还是采用传统的计算机辅助二维设计为主。这种设计方式不易直观地发现各种潜在的冲突，不仅设计效率低下，且容易造成设计缺陷，难以满足城市轨道交通规划设计工作的需求。以三维数字技术为基础的BIM（建筑信息模型）技术，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目规划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，提供了一个可以供不同参与方进行协同使用的平台，为城市轨道交通设计提供了巨大的推力［1-14］。

InfraWorks作为BIM的一款主流软件，是欧特克公司推出的一款适用于基础设施项目规划和方案阶段的全新设计工具［15］。InfraWorks提供了极其方便和快捷的基础设施要素绘制和编辑功能，能够快速创建逼真的三维数字模型和三维环境。利用Infra-Works提供的多种与可视化相关的功能，使设计师能够在真实场景中进行规划设计，使用可视化成果展示其设计方案。完成方案设计之后，还可以对设计成果进行各种分析，以验证该设计的可行性。同时，Infra-Works可以在一个模型下创建多个不同的方案，设计人员和其他利益相关方可以在同一个真实的场景下直观地对比不同的方案选项，从而快速做出决策。InfraWorks BIM与Revit软件和Civil 3D软件之间具有良好的数据交换能力，使得不同类型的模型和数据得以有效的整合，从而让综合规划设计更为精确。

InfraWorks的这些优势在线路的初步规划设计阶段能够为工程设计、方案比选提供技术支持和新的平台，将极大地改善传统二维环境下的不直观、设计效率低，沟通不顺畅等弊端；对提高设计效率、节约成本、保证质量，实现工程项目策划与设计、运行和维护等全生命周期内进行信息共享、传递、协同、决策等方面具有良好的作用。

1 轨道交通规划设计BIM应用技术路线分析

InfraWorks作为BIM技术的其中一环，从它的特点分析，主要适用于建设工程前期方案研究和后期设计成果的整合与展示。它的核心功能主要体现在三个方面：一是基础模型的创建；二是初步方案的直观拟定与宏观判断，为中期的详细工程设计提供指引；三是漫游浏览和效果展示。InfraWorks突破性的可视化三维建模技术，能够更加方便、高效地管理大型基础设施模型以及加速设计流程。在Infra-Works平台中可以草绘铁路、公路、水域、管道、建筑等基础设施［16］，并且可以评估初步的工程数量、区域属性分析、高程分析。通过直接在InfraWorks的模型生成器中获取地形信息或者从地形数据的网站上下载数字高程数据再导入到InfraWorks中，可规划线路的多种方案。然后将其设计成果导入Civil 3D中进行施工详图设计。桥梁、隧道等线路结构物可在Revit软件中进行精细设计，最后以FBX格式导入到InfraWorks中进行设计成果三维展示。通过InfraWorks对设计成果的整体把控，分析其不合理以及需要调整的地方，再导出到Civil 3D软件中进行调整，以此类推反复循环，直到设计成果为最优。设计流程如图1所示。

图1 InfraWorks与Civil 3D、Revit之间的设计流程

2 轨道交通三维场景建模

2.1 城市轨道交通地形规划设计

InfraWorks支持大范围的三维地形，可在其中进行三维地形规划的，主要有以下两种方式。

（1）在InfraWorks中的模型生成器中有免费低精度的地形图数据（可下载200 km2的范围），其精度取决于微软“必应地图”的精度。下载的地形数据包含三维地形、坐标（经纬度）、高程（单位为m）、卫星航片、水域、路网（包含属性信息，该属性信息取决于公开地图系统的数据精度及内容）、建筑等。

（2）如果城市轨道交通项目范围大，可在免费提供高程数据的网站如“地理空间数据云”和“SRTM”下载数据。在地理空间数据云网站上可下载数字高程数据，并根据城市轨道交通项目所在区域的经纬度选择合适的地形图下载（数据的后缀格式为.img格式）。再从Google Earth（谷歌地球）上下载航拍映像（包括航拍图片、路网标签），以生成.jgw坐标信息文件，在InfraWorks中以Raster类型数据导入。

InfraWorks中生成的三维地形如图2～4所示。

2.2 城市轨道交通三维场景创建方法

图2 InfraWorks中展现的地形图

图3 加上正射影像后展现的地形图

三维真实场景是进行线路规划设计的基础环境，如何快速创建真实度高的三维场景就显得尤为重要。Autodesk Raster Design软件可以使CAD矢量图与光栅图进行匹配，因此使用Autodesk Raster Design将已有的城市建筑及道路矢量图与城市卫星影像图进行匹配（匹配之后效果见图5）。匹配之后通过生成的.jgw坐标文件，为建筑物及道路指定坐标。再将这些建筑物及道路导出为sdf文件，然后导入InfraWorks中。这种方法可以快速地创建建筑物及道路，效果图如图6所示。

图4 修整后展现的地形图

图5 匹配之后的效果图及放大图

图6 InfraWorks中的效果图

InfraWorks可生成建筑模型，为了使建筑物更加逼真，可使用Revit平台进行细化建筑物。

再添加上道路、绿化、树木、路灯等其它附属设施，最后完成的三维场景如图7所示。

图7 InfraWorks三维场景效果图

3 基于InfraWorks的城市轨道交通线路规划设计方法

城市轨道交通线路规划设计是在已经确定的城市轨道交通线网条件下，研究某一条或某一段线路的具体位置，确定相关细节，包括线路的路由方案、敷设方式以及站点选择等。在InfraWorks中三维环境建立之后，就可以开展线路规划设计。根据InfraWorks平台特点，基于InfraWorks的轨道交通线路规划设计主要围绕基于三维场景模型所明确的线路控制点及周边条件进行粗线条、高效率的宏观线路方案展开。

3.1 线路平面设计（建立路由方案）

InfraWorks的一大优势是基于设计规范建模，以保证所设计的线路符合设计规范。在三维环境中，通过线路创建工具，根据确定线路控制点及直观的周边条件，可以直接在三维环境中基于角点进行平面线形设计，确定线路空间走向，从而建立路由方案。轨道交通的区间线路平面由直线、圆曲线和缓和曲线组成，可在InfraWorks中设置曲线半径、缓和曲线半径及缓和曲线长度；也可以直接在三维环境中拖动线路中心线，实时调整线路空间走向，实现在直观的三维环境中快速建立线路路由方案，如图8所示。

图8 线路空间走向动态调整

3.2 线路纵断面初步设计（确定线路敷设方式）

根据建立的线路路由方案，可自动提取线路中心线对应的数字高程模型作为地面线，利用Infra-Works的纵断面视图，可进行方案初步的纵断面设计（见图9）。在纵断面视图中直接拖动控制点标高三角形，拖至相应的高度处即可；也支持手动输入参数，根据线路中线高程与地面线高程关系，即可快速确定线路敷设方式（地下隧道、地面线和高架桥梁）。在InfraWorks进行的初步设计并不能出线路纵断面图，将InfraWorks设计数据导入到Civil 3D软件中，可在Civil 3D软件平台中进行施工详图设计。

图9 线路纵断面图

3.3 线路Revit精细化设计

城市轨道交通线路的横断面设计内容包括确定路基、桥梁、隧道等。在InfraWorks中根据地形地物及设计规范确定路基、桥梁、隧道的里程位置。InfraWorks中有线路设计及其相应横断面设计的功能，编辑高架桥梁、地下隧道的大致样式表示。在Revit平台中对于重点地段的梁体、桥墩的族模型以及拼接、参数化控制，进行精细化设计，以确保城市轨道交通设计的真实性。所设计的路基、桥梁和隧道图分别如图10～12所示。

InfraWorks中线路初步设计完成之后，将初步设计成果导入到Civil 3D软件中进行线路的精确设计。

图10 路基俯视图

图11 桥梁效果图

图12 隧道效果图

3.4 集成设计效果展示

在三维设计的基础上，将调整后的Civil 3D设计成果以IMX文件重新导入到InfraWorks中来展示最新的设计成果。这样不但可以精准地展示设计方案，而且在后期项目施工图设计阶段，可在Revit平台中进行深化设计，并可结合精确的地形模型进行站位规划，又能兼顾各种规划设计问题。图13给出了高架桥的设计效果图，图14给出了隧道出口的设计效果图，图15给出了车站出站口设计方案。通过效果图可以直观地看出车站出站口、高架桥和隧道出口设置与周边建筑和交通的融合情况，可为方案决策提供更直观的依据。

图13 城市轨道交通高架桥设计效果图

图14 城市轨道交隧道出口设计效果图

4 结语

BIM三维模型实景展示比起单一的常规二维平面展示，有利于让参与各方了解项目、了解方案。本文以InfraWorks BIM平台为基础，研究了利用BIM技术进行城市轨道交通项目的地形规划设计、三维场景建模、线路规划设计、集成设计效果展示等，实现了城市轨道交通在规划和方案阶段的解决方案。同时，利用InfraWorks多种与可视化相关的功能，实现了在真实场景中设计方案的可视化成果展示，有利于决策者最终确定设计方案，更有利于后期的深化设计。研究成果也为城市轨道交通BIM设计奠定了一定的基础。