城市轨道交通BIM与3DGIS结合应用研究

夏永俊，李楼，刘全海

(1.常州市轨道交通发展有限公司，江苏 常州 213022； 2.常州市测绘院，江苏 常州 213003；3.常州市地理信息智能技术中心，江苏 常州 213003)

1 引 言

近年来，BIM技术在轨道交通上的应用发展迅速，包括北京、上海、广州等特大城市在地铁建设与运维中都深入地应用了BIM技术，部分城市已经试点了地铁建设全过程从设计到施工再到运维的BIM化。BIM技术的应用给地铁建设带来了直接经济效益，不仅优化了部门管理职能，还真正地缩短了建设周期，提高了建设质量。而GIS技术是一门相对成熟的技术，一直都作为轨道交通建设与发展的技术支撑。由于GIS系统基于空间数据库，对于大场景的显示具有很好的效率，但是对于细节的显示却一直存在较大的不足。而BIM技术先天具有显示进行，信息丰富的特点，为GIS技术更加深入的应用提供了有益的补充[1，2，5]。而BIM模型都是基于三维的立体空间来设计的，为了完整地展示BIM模型细节，必须以三维的方式来呈现，传统二维GIS不足以支撑BIM技术的完整应用。BIM技术只有跟3DGIS结合才能发挥更大的效用。而BIM、3DGIS的本身技术体系是不一样的，数据结构也有明显不同之处，两者之间的结合也涉及更多的技术细节。本文从轨道交通数据标准建立、BIM模型转换、再到BIM与3DGIS数据融合等方面进行了研究，并实现了若干BIM与三维GIS结合的应用，形成了一套完整的技术路线。

2 技术路线

在轨道交通建设运维过程中，要实现BIM与3DGIS结合应用需要打通四大重要环节：①符合轨道交通应用的BIM数据标准建立；②BIM数据向3DGIS的三维模型数据转换实现及数据库建设；③高效的3DGIS+BIM模型三维可视化软件平台建设；④3DGIS下轨道交通BIM应用体系建设，图1所示为轨道交通BIM+3DGIS技术框架。

图1 轨道交通BIM+3DGIS技术框架

2.1 轨道交通BIM数据标准建设

轨道交通项目整个生命周期中参与方众多，产生的信息类型复杂，形式多样，数量庞大，使得在管理的过程中信息沟通不畅、信息流失严重，在很大程度上制约了项目管理水平和管理效率的提高。因此，需统一设计、施工、安装、运维等不同阶段不同部门所生产的信息资源，提升各参与方的信息联动性与协同性，实现信息资源的有效传递与共享。

2.2 BIM数据转换及建库

在工程建造的不同阶段需要用到不同的软件，如在工程设计阶段应用较多的是Revit、Arch2012、Sketchup、天正建筑、犀牛、Magicad、Naviswork，在施工阶段主要有广联达算量、鲁班算量、鲁班PDS等软件，在运维阶段，则有ArchiBUS。这些软件都是BIM常用软件，工程项目BIM落地大多基于以上软件平台的应用。然而，3DGIS跟BIM软件本身的技术体系就不一样，三维GIS平台更加关注数据的展示功能，BIM软件关注工程各个阶段的具体应用，原始数据不同的软件其格式也各不相同，三维GIS平台也无法直接高效地展示这些数据。因此BIM数据格式的交换是BIM与3DGIS应用结合最基础也最关键的技术之一。

BIM数据库的建设也是关键之一，轨道交通建设本身就涉及大量的数据，单靠纸质、电子文档等方式来管理十分繁杂，只有充分利用数据库技术，将数据有效进行管理组织，才能为应用提供支撑。BIM数据库的设计既要符合业务应用需求，又要与GIS平台的数据库进行耦合，相互补充。BIM数据库建设应该遵循轨道交通BIM数据标准，满足可扩展需求。前期应当梳理清楚关键属性字段，能够关联已有应用系统。在后期业务梳理过程中，能够进行便利的扩展，能够支撑新的功能开发。

2.3 BIM模型三维可视化

三维GIS软件有别于BIM设计、算量、运维等软件的最大不同就在于它是基于大场景的，需要承载海量的地理空间数据。而BIM三维模型相较于传统的城市三维模型(包括人工精细三维模型、倾斜三维模型、其他自动建模三维模型等)，具有更高的数据密度，单位空间体积内的三角面片更多。特别是大批量BIM模型集成到三维平台后，数据量的大增，将是传统数字城市三维平台所必须考虑的，对于三维引擎性能、数据分发都提供了更为严苛的挑战。

2.4 轨道交通BIM+3DGIS应用体系

轨道交通BIM与3DGIS技术的研究最终都是为了实际应用。相关的应用应该包含建设前期的应用、施工阶段应用以及轨道交通运维阶段的应用。各个阶段的应用应当形成体系，支撑各阶段需求，创造应用价值。在前期，利用3DGIS平台可以进行城市轨道选线，进行线路、车站的设计方案的三维可视化比选等，耿长良[2]就利用了Google Earth在城市轨道交通工程控制网布设进行了设计，而城市3DGIS平台一般具有更为详尽的数据，数据的现势性也更强，应当充分利用；在项目施工阶段，利用三维GIS平台可以动态地以三维的方式进行施工模拟，更为直观，一方面可以帮助建设主管部门直观了解施工具体进度，另外一方面可以结合虚拟现实技术直接指导工人安装一些复杂设备，提高工作效率，减少出错[3]；在运维阶段，则可以帮助运维人员快速查询设备位置，了解设备资产信息，通过BIM模型与物联网设备的连接实时获取并展示设备状态如摄像头数据、车辆实时位置三维模拟等，显示相关信息等，辅助决策以提高运维安全性，节省成本。

3 轨道交通BIM数据标准建设

根据常州市轨道交通建设经验，为了有效利用BIM技术提升工程建设效率，加强管理能力。项目参与单位多次讨论研究建立了常州市轨道交通BIM建模标准，涵盖了工可与总体设计阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段、竣工交付阶段的具体建模范围。同时，为了支撑BIM在轨道交通中的深入应用，需要解决两个方面的问题：一是设施设备分类编码，需建立一套健全、适用的设施设备分类编码体系，以方便分类管理；二是要建立相应数据库并实现BIM模型与GIS平台关联，既要符合空间数据建库要求，又能够与具体业务相关应用紧密结合。

(1)设施设备分类与编码

城市轨道交通项目涉及多种专业的设施设备，仅设备就有1 000余种，且设备间接口复杂，管网密布。不同部门采用不同的设施设备分类编码体系及数据格式，信息的不一致性导致了各阶段的“信息孤岛”等问题，即若建设项目从设计、施工到运营维护，各阶段的设施设备信息采用不同的分类编码体系，难以开展设施设备的统一化管理。需立足于城市轨道交通全生命周期，建立统一的、标准化的城市轨道交通设施设备数据库。本项目参考了上海轨道交通既有的设施设备分类编码体系，基于建筑信息模型(BIM)技术研究，建立城市轨道交通全生命周期的设施设备分类编码体系。该分类编码体系是以城市轨道交通资产管理的分类编码为基础进行编制的，划分了21类，具有唯一性、稳定性、可扩展性等特点，可兼容既有的设施设备分类编码体系，并能够满足城市轨道交通运营维护管理的需求。

(2)BIM数据标准与3DGIS平台关联

实际上在设施设备分类与编码标准体系中即应当包含此部分内容，搭建设施设备数据库首先要解决设施设备的“身份”问题，即分类与编码。为了能够与GIS系统进行联动，建立BIM数据库内各个设备与相应软件系统的纽带。在具体工程实践中至少需要两个重要的字段。一是设备的唯一ID码，这是进行各个应用系统信息交换的基础。二是设备的位置码。位置码应当能够包含设备准确的空间位置信息，这样3DGIS信息系统能够进行快速定位，同时能够获取实时空间位置的移动设备在现场快速地查询附件的设备信息，支撑相关应用。

4 BIM&3DGIS数据融合与可视化

目前基于大场景的能够融合BIM的三维可视化平台中，SuperMap是一个代表。SuperMap GIS提供了便捷的BIM导入机制，可直接导入BIM模型，支持主流的BIM数据格式，并以关键字段“图元ID”为媒介，确保模型与属性一一对应关联，实现从BIM到3D GIS的模型无缝对接、属性无损集成。国内的SkyLine、Vastscene 3D、蓝色星球等3D GIS软件也均实现了BIM数据的可视化，他们都是基于大场景的，能够实现虚拟地理环境融合BIM数据的三维可视化。用户可以在各个三维平台上实现BIM模型的量测，查询，分析，自由漫游。

由于BIM数据都是面向各个专业的不同需求的，不同BIM软件都有自身的专业格式，这种专业格式的数据是无法直接在3DGIS平台中直接使用的。BIM与3DGIS要能结合，就必须实现数据的交互，BIM模型能够顺利地转换成三维GIS平台所支持的数据格式。而市面上的3DGIS平台所支持的数据格式也各不相同，建立各类BIM格式到对应三维平台支持的数据格式势必存在大量的数据转换研究工作，制约了应用。当前BIM建模软件品类繁多(如Autodesk公司的Revit、Bentley、ArchiCAD、Dassault公司的CATIA等)，各个软件都有自己专门的格式，针对每一类软件开发一个数据转换工具显然是十分烦琐的。而国际标准化组织发布的BIM数据标准工业基础类(Industry Foundation Classes，IFC)已可较为完善地描述建筑工程各专业有关信息，成为国际建筑业数据交换的事实标准，得到大量软件工具的支持。据IFC标准编制组织官方统计资料，当前支持IFC数据导出的设计与建模软件已有45种之多。因此，基于IFC标准进行轨道交通BIM模型转换与共享，可有效减少数据重复建模成本，提高效率[9，10]。本文基于开源IfcOpenShell库，开发一套将IFC格式的数据直接转换为3DMAX模型文件的工具，而3DMAX文件则可以导出市面上几乎所有三维GIS平台支持的三维模型文件。基于IfcOpenShell进行开发[11，12]，本文实现了IFC文件中全部属性数据的提取，转换成相应的XML文件，供后续应用，并对MAX模型对象赋予了唯一GUID，能够与属性文件XML进行关联查询，做到了属性与几何的完整转换。图2是常州市轨道交通某换乘站相连的地下空间商业综合体BIM模型转换效果图。

图2 文化宫站BIM模型转换结果

解决了BIM数据格式转换的问题，就可以将BIM模型与传统数字城市模型进行融合展示了。但是BIM模型相较于传统数字城市三维模型具有更高的数据密度，由于模型的细节程度特别高，数据量十分庞大，对三维渲染引擎的要求就特别高。本文利用了VastSence3D三维引擎进行二次开发，建立了轨道交通的三维应用平台。进入VastSence3D场景显示的三维模型数据需要一个专门的数据发布过程。发布工具实际是将三维模型进行LOD(多细节层次技术)处理，从数据层面解决三维场景如何共存BIM与其他海量三维模型，既满足了场景完整性需求，也提升了浏览性能。利用LOD技术，三维引擎在进行场景渲染时，可以根据距离等参数动态调用不同层级的模型数据，可以大幅提高场景的渲染效率。本文研究实现了将一个轨道交通站台及附近地下空间的BIM数据集成到三维场景进行浏览，并取得了不错的浏览效率，效果如图3所示。涉及轨道交通全线所有站点这样级别的BIM三维模型数据量尚未进行测试，还有诸多挑战，这将是后续研究的重要内容。

图3 轨道交通BIM与3DGIS场景集成

5 轨道交通BIM与3DGIS结合应用

在轨道交通BIM数据标准体系建立后，解决了BIM模型数据转换及超大场景三维可视化性能等问题之后，最终的落脚点就是应用。包括BIM+3DGIS怎么用、用于何处以及最大程度地发挥BIM+3DGIS应用系统的作用问题。

在项目前期，可以利用3DGIS平台进行轨道线路规划选取，传统的二维GIS虽然也可以辅助轨道交通线路设计工作，但是相较二维GIS平台，3DGIS能够更加直观地反映立体空间的真实样貌，特别是涉及地下空间的建筑物、地下管线等，三维GIS能够更加清楚地反映出轨道交通线路与相关对象空间的关系。利用3DGIS可以进行车站等方案的三维比选评审。同时3DIGS平台还可以根据设计的线路、车站等缓冲区，快速导出现状管线、地下空间建构筑物信息，辅助管线迁改方案设计、地下建构筑物迁移等工作。应用效果如图4所示。

图4 轨道交通待迁改管线展示

项目建设期间，3DGIS可以结合施工在重要复杂设备设施安装上进行应用。由于所有的BIM模型对象都集成到三维GIS平台，设计与真实模型基本一致，复杂设施的安装可以综合利用虚拟现实技术，让工人在不需要特殊专业知识的情况下，就可以进行设备组装，提升效率。同时，三维GIS还可以对施工进度进行三维模拟，让管理人员更加直观地了解施工进度等。

项目运维阶段，3DGIS+BIM平台则能集成轨道交通设施设备的所有信息，可以快速地查询各个对象的属性信息，如图5所示。同时依托三维GIS平台，还可以将运维过程中的各类信息都集成到平台中，如通过物联网将各类传感器(变形监测装置、摄像头、温度、湿度等)实时数据集成到平台进行展示[6～8]。3DGIS平台的所有数据还可以以服务的方式提供给其他应用系统共享。

图5 BIM模型属性查询

6 结 语

BIM相对GIS技术是一门较新的技术，3DGIS技术在城市规划、建设、城管等领域已有较多的应用。BIM技术在轨道交通建设方面的应用近年来也逐渐深入，BIM更加注重微观，若能很好地结合3DGIS，则能相互补充，发挥更大的价值。本文总结了轨道交通BIM与3DGIS结合应用过程中的整体技术路线，并对技术路线中相对重要的BIM数据转换及三维可视化进行了介绍。研究过程中，尝试开发了轨道交通3DGIS应用系统原型软件，目前也已经应用到常州市轨道交通建设中。但是还有诸多待完善的研究，包括系统的数据承载量需进一步测试提升，移动端、WEB端等多端应用还需开发，3DGIS应用体系也有待进一步完善。