基于BIM与GIS融合技术的铁路工程信息化管理应用研究

黄旎诗，赵亮亮，董凤翔

（中铁二院集团有限责任公司 BIM中心，四川 成都 610031）

0 引言

截至2019年底，已开通运营的高速铁路线路共计3.5万km，位居全球第一，已基本形成“八纵八横”高速铁路网。我国铁路线路较长、区域覆盖面积较大且涉及专业广，铁路信息化分散建设模式导致铁路产业数据呈现碎片状、信息资源缺乏整合性的特点。在信息化技术高速发展的时代，铁路工程信息化建设水平呈现出较大落差，原有管理模式难以打破各专业间或不同阶段间各参与方信息共享、传递的壁垒。因此，BIM技术的诞生为铁路信息化管理模式及管理流程提供了新思路，以模型承载大量数据的形式组织和表现铁路各专业组成部分，以期有效实现建设管理过程中的数据共享、传递及协同功能［1-2］。然而，现有BIM设计软件可承载的模型空间范围较小，对长大铁路线路海量地形数据及模型数据承载能力较差，同时不具备空间分析功能，因此单纯的BIM技术应用无法满足铁路行业需求［3］。GIS以其宏观海量数据可承载的特点，可弥补单纯BIM应用在空间处理中的缺陷，BIM与GIS的融合技术越来越受到铁路行业的重视。

1 BIM与GIS融合技术概述

BIM技术是由美国建筑公司率先提出的一种建筑信息模型技术，其核心是以模型为载体承载工程项目过程中的相关数据信息，以其可视化、协调性、可模拟性、可优化性等特点为工程建设全生命周期管理提供技术支撑［4］。但现有铁路信息化模型在共享协同的情况下存在数据接口不统一、结构不完善、融合困难等问题［5］。在与GIS技术结合的过程中，亟待解决数据融合及系统集成融合的问题，实现基于BIM+GIS的铁路工程海量三维地理空间数据与模型数据的存储、管理及分析应用。

目前我国应用较广泛的三维GIS平台包括SuperMap、Cesium、Skyline及CityMaker等，各平台对比见表1。

表1 常用三维GIS软件与BIM模型交互方式及优缺点

BIM与GIS融合技术可用于工程建设信息化管理全生命周期的许多方面，目前我国在城市建设方面使用BIM与GIS融合技术最为广泛，通常被用于建筑物的选址、交通规划、室内声学设计及建筑物设计审查等。铁路行业由于多种因素影响，相关技术的研发较建筑行业相对滞后，但目前针对BIM与GIS融合技术的应用研究也逐渐丰富。在设计阶段，BIM与GIS融合技术可用于方案比选、方案优化、设计审查等；在施工阶段，可用于施工监控、安全监测、超前地质预报等；在运维阶段，可用于设备维修管理、灾害应变和风险管理、能源管理、空间导航等［6］。

2 BIM与GIS技术融合

考虑到数据安全及数据承载力等因素，选用City⁃Maker介绍BIM与GIS技术融合的方式。BIM与GIS实际是孤立的，在两者的融合中应着重考虑不同数据中几何信息、属性信息及空间尺度转换等问题。现有GIS和BIM技术融合相关研究都是以CityGML标准及IFC标准为载体展开［7］。由于BIM与GIS的应用领域不同，导致两者在空间规划及微观表达方面存在一定冲突，IFC作为BIM的载体更加侧重于对建筑实体构件的表达，CityGML则侧重于对建筑内外地理信息的描述，使两者在几何表达方式、细节程度、信息存储等方面存在差异（见表2）［8］。

表2 IFC与CityGML的差异

基于上述差异，为保证在模型导出过程中保留原有属性信息及几何信息，CityMaker平台开发了相应的转换插件，但导出的模型缺失相应坐标信息，需在CityMaker Builder中为模型附加投影，以保证模型的位置放置准确。同时，平台可融合OSGB格式的倾斜摄影数据并支持掏洞、整平、修改精细度等地形数据处理操作。导入基于栅格数据及地面影像数据生成的地形文件，可实现BIM+GIS的初步场景搭建，具体融合流程见图1。

图1 基于CityMaker平台的BIM与GIS技术融合流程

通过重建模型拓扑关系及关联属性等方式，可基本保证导出BIM模型在材质、几何等方面与导出前一致，同时也可导出模型的附加属性，为工程信息化管理提供数据支撑。模型几何材质及属性格式转换前后对比见图2。

图2 模型几何材质及属性格式转换前后对比

3 基于CityMaker平台的BIM解决方案

以某长大铁路为例，线路总长约1 500 km，穿越多条地震断裂带，经过区域具有“地形陡峻、板块活动强烈、地质灾害频发、生态环境敏感、气候条件恶劣、基础设施薄弱”六大特点。为实现该线路精细化信息管理的目的，平台除了需要融合各专业BIM模型与地形搭建基础场景外，还需考虑弃渣场、施工道路、施工电力、大临设施、地震断裂等重要工程信息的集成应用。同时，由于该线路由几家设计院分标段设计，在模型建立初期需按标准对模型结构分层、模型细度、展示方式、结构树组成、附加信息等预先设立标准，以保证模型的统一性。在BIM+GIS场景搭建完成的基础上，可利用对CityMaker平台二次开发的方式，对项目概况、桥梁、隧道、路基、弃渣场、施工电力、施工道路、大临工程等各大模块开展应用开发。基于BIM与GIS融合技术的信息化管理应用流程见图3。

图3 基于BIM与GIS融合技术的信息化管理应用流程

3.1 标准建立

各专业在开展具体应用前，应结合行业已发布标准及各专业具体的应用需求，总结相应应用点模型应具备的精度及属性附加要求，形成针对该铁路工程各阶段、各专业的项目级建模标准、交互标准、应用标准及流程标准。为满足铁路全生命周期信息化管理，应对模型结构树及具体构件附加属性内容进行详细梳理。

以矿山法隧道部分构件为例说明标准建立方式［9］，矿山法隧道部分构件分层方式及属性附加内容梳理见表3。在进行模型构件划分时，应尽可能细化组成构件，以保证精细化管理的需求，同时在模型建立时应附加定位信息、材质类型、施工方法等工程信息，以模型为载体实现铁路全生命周期管理。

表3 矿山法隧道部分构件分层方式及属性附加内容梳理

3.2 基础数据处理

为完善基础场景中对工程方案有重要影响的工程信息，场景中除应包含附加工程属性的BIM模型及包含地理信息的地形外，还应对施工道路、施工电力、大临设施、不良地质、地震断裂等信息进行表示。通过在CityMaker平台中对各专业展示效果的探索，选择利用矢量方式加载块状信息（大临设施、不良地质、环保区域范围等），利用ArcGIS服务方式加载线状信息（施工道路、施工供电、地震断裂带、线路方案等）。

3.3 基于CityMaker的各模块开发

为满足区域性、长线、大规模铁路工程信息化管理需求，在集成大量工程信息基础上，可针对各大重点模块进行开发，利用读取模型附加的各类属性信息及定位信息等，实现工点的快速定位及属性信息的快速读取。数据存储方面可基于空间关系数据库，建立三维数据模型架构及存储了表面栅格数据的Geometry关联字段，同时利用数据库存储的信息建立一一映射的类型表及属性表。利用对数据访问层及领域层的开发实现模型属性信息的读取，并在CityMaker平台中开展项目可视化分析及应用。BIM与GIS融合技术架构见图4，基于Citymaker的各模块功能展示见图5。

图4 BIM与GIS融合技术架构

图5 基于CityMaker的各模块功能展示

4 结束语

以CityMaker平台为基础、以BIM与GIS融合技术为核心，探究了一套铁路工程信息化管理流程，实现了铁路全线隧道、桥梁、路基、地质、大临等全专业BIM模型与地理地质信息的集成，在海量工程数据基础上实现针对铁路工程概况、工期安排、环境保护、方案比选等情况的统揽，实现对重难点工程建造风险、施工进度的监控及模拟，辅助把控工程各工点与沿线生态环保、地理地质的关系。

铁路工程大体量的三维几何模型加上海量属性信息使模型数据量十分庞大，因此对计算机图形处理能力也提出了严峻考验，为实现平台从桌面端到Web端的应用，后期应针对模型轻量化及可视化渲染进行深度研究，探究一种高效率的浏览方式，实现BIM模型的深度应用。