铁路车站改扩建工程资料管理可视化研究

万伟明， 何越磊， 程 岩， 路宏遥， 刘 俊， 李再帏

(1. 上海工程技术大学 城市轨道交通学院， 上海 201620；2. 中国铁路上海局集团有限公司， 上海 200040)

随着铁路运输的快速发展，铁路运能需求逐年增长。许多铁路车站由于建设年代早，设计标准低，设施落后，已经无法满足当前的铁路运能需求，实施铁路车站改扩建工程的必要性日益凸显。

目前，国内外针对铁路车站改扩建工程的资料管理已展开了大量的研究，如文献[1]针对新形势下的工程资料管理，从优化策划、强化控制、总承包管理手段、信息化技术等方面阐述工程资料管理思路，加强管理创新。文献[2]开发了铁路工程试验资料管理系统，用计算机辅助试验数据的汇总，实现铁道工程实验数据自动存储、自动检索的电子档案管理。文献[3]基于BIM进行了信息管理平台的开发研究，以Microstation平台为基础，研究了其信息储存和交换方法，通过二次开发，建立了监测信息管理平台。文献[4]对新形势下铁路建设中声像档案的形成与管理进行研究，尝试建立了一套完整的声像档案管理系统，以满足新形势下铁路建设项目声像档案的管理与利用。这些研究给出了工程信息管理的一些解决方案，对铁路车站信息管理具有十分重要的实践价值。同时需要注意的是，现有研究虽然在信息化管理上都做了很多的探索，但针对工程资料管理方面还不完善，无法实现工程资料与模型的多维度、多方式关联，尚存在较大的改进和研究空间。

基于此，本文提出铁路车站改扩建工程资料管理方面BIM应用的技术架构、实施流程和应对措施，基于基础设施智慧服务系统(Infrastructure Smart Service System, iS3)[1]进行二次开发形成改扩建工程资料管理系统。通过一体化的管理平台、创新的资料管理手段，为实现基于BIM的工程资料可视化管理奠定了基础。

1 BIM引入的必要性

铁路车站改扩建工程涵盖了建筑、结构、暖通、给排水、信号等专业，改扩建过程中多专业的“新老交替”产生了大量错综复杂的工程资料。

铁路车站改扩建工程往往涉及多个管理部门，多部门管理导致多标准的执行。铁路车站改扩建工程项目需使用车站所在行政区的建筑资料管理标准(地方标准)，以及其所属管理局的相关资料管理标准(铁路标准)，在引入BIM后，需结合BIM的铁路工程信息模型标准(BIM标准)。多标准融合使得改扩建工程资料管理“众口难调”。

多数车站在进行改扩建的同时也需要保证正常的铁路运输，因此该类工程深受项目策划、设计、施工、铁路线运营等多环节决策的影响。

铁路车站改扩建工程的多专业协调、多部门管理、多环节决策等特点，增加了改扩建工程资料的复杂程度，资料缺失、信息断层、管理脱节等问题在该类工程中尤为突出，目前对数字化信息管理研究尚不够深入，这给工程的资料管理带来了巨大的挑战。

依据BIM在可视化、标准化、信息化、参数化等方面的优势特点，将BIM融入铁路车站改扩建工程资料管理中，基于BIM技术的铁路车站改扩建工程资料管理是一种创新的工程管理理念，也是高效、互动、系统的资料管理体系。与传统的资料管理模式不同，这种管理模式与现代的管理技术、信息技术相结合，以资料管理为核心，打通资料在改扩建工程管理全过程的应用。

从信息流的角度，利用基础设施智慧服务系统(iS3)的概念[5]，结合铁路车站改扩建工程项目的需求，并对多种不同的标准进行研究整合，搭建全寿命数据收集、处理、表达、管理的一体化的铁路车站改扩建工程资料管理系统。涵盖设计、施工到运营维护各阶段不同信息流节点的全生命周期。广义上讲，该铁路车站改扩建工程资料管理系统适用于任何领域的信息化应用。

2 铁路车站改扩建工程信息数据库的开发

2.1 资料文档数据库

在工程资料标准化归档方面，本研究对多重标准进行深入分析整合，完成一套适用于铁路车站改扩建工程资料归档的标准。以京沪线上的某车站改扩建工程为例。依据中国铁路BIM联盟的铁路工程信息模型分类和编码标准、车站所属管理局和车站所在行政区等相关标准进行铁路车站改扩建工程资料归档的研究。

《铁路工程信息模型分类和编码标准》是为规范铁路工程信息模型的分类、编码，实现铁路工程全生命周期信息的交换、共享，从而制定的标准，其适用于铁路工程全生命周期内各阶段信息模型的分类和编码。《上海铁路局建设项目档案管理暂行办法》是为统一和规范上海铁路局建设项目档案管理，确保档案管理各环节工作标准化、制度化，该办法适用于上海铁路局管辖范围内新建、扩建和改建铁路建设项目及更新改造项目。《江苏省房屋建筑和市政基础设施工程档案资料管理规范》是为加强江苏省房屋建筑和市政基础设施工程档案资料管理，从而制定的标准，该标准适用于江苏省行政区域内新建、改建、扩建房屋建筑和市政基础设施工程的资料管理。上述标准都可应用于铁路车站改扩建工程的资料管理中，但每个标准都有各自的适用对象以及适用范围。针对这些标准以及铁路车站改扩建工程的特点，进行了适合本工程标准化资料归档的研究，并将工程资料进行标准化归档。按照铁路BIM联盟的IFD标准作为基础，结合其他相关规范的要求，并联系工程实际，采用铁路工程工项、铁路工程组织角色、铁路工程人员角色、铁路工程产品这四种分类方式，并结合铁路车站的具体情况对工程资料进行标准化归档。

2.2 属性信息数据库

铁路车站改扩建工程的基本信息都可以在构件的文档资料中查找，但铁路车站改扩建工程的构件繁多、信息复杂，通过文档的方式查看构件信息会造成信息管理效率低下，本文将工程文件中的构件属性信息进行提取，依据铁路车站改扩建工程的信息重要性，按工程实际需求选取所需信息进行汇总整理，利用Access建立铁路车站改扩建工程的属性信息数据库，将构件的属性信息导入其中。

3 铁路车站改扩建工程资料与模型的系统集成

依托BIM技术建立铁路车站改扩建工程三维信息模型，并通过多种方式实现模型的轻量化。利用C#对iS3进行二次开发形成铁路车站改扩建工程资料管理系统，该系统将三维模型与数据库关联实现5D可视化显示、信息标准化查询、资料多样化调取等功能，为铁路车站改扩建工程资料管理提供创新手段。系统集成技术路线图如图1所示。

图1 系统集成技术路线

系统主程序采用语言C#，基于.NET Framework 4.5框架开发而成，采用64位windows操作系统，系统至少为Windows7，处理器至少1.6 GHz，4 GBRAM，并具备11 GB可用硬盘空间。系统的数据资源是多样化的，常用的文件格式有：TXT，DOC，XLS等文本文档格式，JPG，PIC，PNG等图像格式，MP4，AVI，WMV等音频格式。工程的图形数据有二维图纸和三维模型两种，二维图形数据格式包括DWG，ShapeFile等，三维模型数据格式采用通用性较强的FBX格式。系统采用通用、标准的文件格式，具有较强的应用契合性。

3.1 铁路车站改扩建工程模型优化技术

通过对铁路车站改扩建工程二维图纸的分析，建立完善铁路车站的专业族库以及铁路车站的三维模型。目前针对大体量工程的模型优化有众多解决方案，为提高系统运行效率，本研究在渲染引擎中从以下方面进行优化。

一是将车站周围环境中形态相似的静态模型定义为预制(Prefab)对象。例如模型中的候车座椅、轨道设备等批量重复的构件，可利用该方式进行优化；二是压缩模型的片面数，由于铁路专业的特殊性，很多模型构件的模型数量庞大、切面数较多，例如钢轨、弹条等，利用该方式可优化运行效率；三是对周围环境中的建筑使用Unity3D中的Lightmapping技术。对铁路车站的候车大厅、站台等灯光较集中的地方使用光照贴图，可以减少使用光源；四是利用LOD(Levels of Detail)技术，这是根据物体在场景中覆盖屏幕的百分比来调用不同精细度的模型。以轨枕为例，当其距离摄像机较远时使用低模(长方体)，当轨枕距离摄像机较近时使用高模(轨枕的原始模型)，采用该方式可以极大的提高渲染效率。

上述优化方案会存在模型信息丢失、场景失真等问题。为应对模型优化产生的问题，本文提供了多场景展示的模型优化解决方案。该方案通过功能、区段或者专业划分对铁路车站改扩建工程模型进行划分，将整个场景进行区段的划分后按照实际需求进行多场景展示。在三维互动引擎中添加场景切换按键，如图2所示，并利用C#语言对功能脚本进行编写，实现视角切换。该功能可以优化运行效果，解决了由于模型量太大而引起的卡顿，并且可以实现快速的切换场景，方便快速的进行模型信息的查阅。

图2 在Unity3D中添加Botton场景切换键

3.2 BIM 5D可视化显示

在铁路车站改扩建工程资料管理系统中实现模型与属性数据库关联，将构件的进度、成本等属性信息集成到系统中，最终实现BIM 5D可视化显示。

通过对属性数据库的编写，将模型的时间-进度、时间-成本信息添加到数据库中，在数据库中添加Component字段并将其设置为短文本类型，将时间-进度、时间-成本信息加入其中，同时新建Time(时间类型)以及Value(数字类型)字段，并将与ID对应的构件信息加入新建的字段中。利用WPF(Windows Presentation Foundation)为铁路车站改扩建工程资料管理系统添加图表展示功能，通过调取数据库中的相关数据进行关系图的绘制并与模型直接关联，在铁路车站改扩建工程资料管理系统中通过点选构件可在属性窗口中通过关系图的形式直观展示出该构件对应的时间-进度、时间-成本信息，实现BIM 5D的展示。

3.3 工程资料标准化查询

根据铁路车站工程文件类型，将工程文件按资料文档数据库的归档标准进行归档，并借鉴BIM在建筑行业的资料管理模式，探寻出适合的铁路工程资料标准化查询方式。

结合已经建立好的工程资料汇总目录，并将本工程相关的各种纸质及电子资料转化为可以加载入iS3平台的文件格式。

在铁路车站改扩建工程资料管理系统中通过XML语言将工程资料按标准写入模型化管理系统中，XML语言编写工程资料汇总目录的部分代码如图3所示。通过标准化的结构目录进行竣工资料的查阅、调取，利用C#语言对iS3平台进行二次开发，实现通过标准化目录查找改扩建工程文件的功能。

图3 XML语言编写竣工资料汇总目录

3.4 三维模型与工程资料关联

本系统可将BIM模型与工程资料相关联实现竣工资料的可视化提交。通过iS3平台架构的研究，对项目资料管理的功能进行二次开发，实现各种体量庞大且相互关联的工程资料通过铁路车站改扩建工程资料管理系统已经完成的工程三维模型进行关联，将三维建筑模型升级为真正的BIM建筑信息模型。

将BIM模型转换成FBX格式文件后导入三维互动引擎，利用ProcessCatalog插件对场景模型的目录进行标准的整理，将整理后的模型导入铁路车站改扩建工程资料管理系统。将工程资料文件按照构件进行分类后汇总到铁路车站改扩建工程资料管理系统自动生成的工程文件夹，最终实现工程资料的可视化提交。通过实现模型与工程资料的关联，可在铁路车站改扩建工程三维场景中直接点选构件模型调取工程资料，这样的资料调取方式直观便捷、快速高效。

4 案例分析

模型化信息管理系统已在京沪线上的某车站改扩建工程中应用，共设计了3个场景：选择场景、外部场景和内部场景。

将铁路车站模型按照车站以及站台的不同视角进行分部展示，以达到场景的快速切换，站房视角界面如图4所示，站台视角界面如图5所示。

图4 站房视角界面

图5 站台视角界面

在该车站改扩建工程中，将资料归档标准写入模型化管理系统中，通过界面右边的资料分类窗口中标准化的结构目录进行竣工资料的查阅、调取，如图6所示。

图6 通过标准分类进行资料调取

在模型化信息管理系统中通过构件直观展示出该构件对应的属性信息，可查看时间-进度、时间-成本信息。该功能效果展示如图7所示。

图7 属性窗口查看构件的时间-进度、时间-成本信息

通过模型与工程资料的关联，可实现三维构件直接调取其所对应的工程文件，如图8所示，并可在铁路车站改扩建项目中进行漫游，对其设备信息也可直接调取其关联文件。

图8 通过点击铁路车站构件调取关联文件

管理人员使用模型化信息管理系统，将工程资料收集后通过多种方式实时关联三维模型。有助于提高资料关联效率，同时保证资料的实时性、准确性。以京沪线上某车站改扩建工程中的主要任务耗费工天(人次)为例，使用该系统前后效率对比如下：

(1)过程性文件的整理，时间跨度久、周期长，使用该系统可以显著提升过程性文件梳理方面的效率，使用前：车站改扩建工程各阶段资料整合需10个工天，使用后：将过程性文件进行实时添加共需4个工天，时间节省60%，效率提高2.5倍。

(2)提高竣工资料整合效率，使用前：手动进行竣工资料的归档需要30个工天，使用后：按标准整合竣工文件需要6工天，时间节省80%，效率提高5倍。

综上可知，该系统有助于管理人员对工程资料进行实时标准化归档，从而提升工作效率，保证了工程资料的准确性。通过三维模型等方式直观、方便的查找相关工程资料，同时可为后期竣工资料的归档节约了大量的人工成本、提升了工程资料管理的效率。

5 结 语

基于BIM技术的铁路车站改扩建工程资料管理打通了智能建造领域的信息传递路径，奠定了智能化管理的基础。

本文以实现改扩建工程资料管理的宏观把控和精益协调为目标，提出基于BIM技术的铁路车站改扩建工程资料管理的思路，构建了铁路车站改扩建工程资料管理系统的构架，并深入开展应用实践，促进了铁路车站改扩建工程的信息化建设，提高了工程资料管理效率及质量，提升了铁路车站改扩建工程资料管理水平，为铁路车站改扩建工程资料管理提供了一套完整的解决方案。

铁路车站改扩建工程资料管理系统在工程中的应用实例表明，它适合于铁路车站改扩建工程的资料数字化、信息化与智慧化管理，在工程应用中有着广阔的前景。