基于BIM+GIS的铁路工程建设管理一张图关键技术研究及应用

鲍 榴,杨 斌,杨 威,王万齐,陈雪娇

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所,北京 100081； 2.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心,北京 100844 )

铁路建设属于大型基建项目，具有规模大、标准高、周期长，建设速度快、管理分散，协调关系复杂等特点[1]。随着铁路技术的不断发展，“高质量、高速度、高舒适、高安全”已成为现在铁路工程建设的目标。传统的管理模式很难实现铁路建设过程中进度、质量、安全等各项数据资源的高效协同管理。因此，利用建筑信息模型(BIM)及三维可视化的地理信息系统(GIS)，对铁路工程在其建设管理过程中所涉及的资源、活动和产品等进行有效的组织和管理，提高工程建设各阶段信息共享水平，节约成本，避免浪费[2]。

BIM与GIS技术的深度融合，在城市建筑、水利工程、轨道交通等领域已具备设计优化、碰撞检查、工程算量及虚拟施工等成熟应用。GIS反映现实世界，BIM构建现实世界，二者的思维方式和实时过程是互逆的。BIM是从无到有的过程，即从人脑到实体的过程；GIS是从有到虚拟的过程，即从实体到人脑(对现实世界的空间认知)的过程，BIM侧重于三维建筑智慧设计以及几何语义表达；GIS侧重于利用空间数据库对模型、多源数据的分级组织管理，二者集成构成一个闭环，因此3D GIS与BIM的集成是必然和可操作的[3-5]。由于铁路是线状结构，若进行全专业BIM与GIS融合设计，则涉及到航察、线路、站房、地质、桥梁、隧道等多达40多项专业的协同设计，为实现“点”与“线”设计建设的协同管理，铁路全专业的BIM设计必将与GIS结合起来[6-8]。因此，实现GIS宏观应用的广度和BIM精细应用的深度结合。大量高精度BIM模型可作为GIS系统中的一个重要数据来源，而BIM与GIS的集成与融合能实现铁路建筑信息全生命周期信息化管理的革命性转变，深化多领域的协同应用[9-11]，为铁路工程建设解决专业众多、数据海量、数据层级关系复杂等问题创造必要条件[12-14]。

铁路资源信息与地理信息存在紧密的关联性和依附性，依托BIM+GIS技术，将铁路工程路、桥、隧等不同工况类型的设计信息[15-16]、建设信息基于BIM模型进行映射集成，通过全过程动态、静态信息的高度融合，以及多层次、多粒度、多维度的信息汇聚与关联，实现铁路工程资源信息的立体化、可视化，为建设管理与决策提供强有力的技术支撑[17]。鉴于此，在铁路工程建设管理领域，通过建设管理一张图的构建，结合GIS、BIM和数据轻量化混合技术，搭建数据结构互融互通共享的铁路工程建设管理BIM+GIS一张图系统(以下简称“一张图系统”)，实现工程建设数据共享与灵活调用，满足京雄高铁全线可视化、数字化、精益化建设管理需求。

1 需求分析与设计

1.1 建设目标

一张图系统是以铁路工程建设阶段的数据资源为管理对象，基于BIM与3D GIS核心技术，实现多源、多维、异构海量时空数据的无缝融合，通过对进度、质量、安全、投资等业务数据的集成管理，实现工程建设信息“一张底图、共享建库、集成展示”，同时提供多源异构融合数据资源访问服务，保证各参建单位能够按需获取价值信息的目标。

一张图系统按照BIM源头标准设计，通过对航拍、卫星影像、数字高程模型、倾斜摄影模型、GIS矢量和工程CAD图等海量多源异构数据进行融合，在统一要素编码规范基础上，搭建基于WebGL的BIM+GIS多层级立面协同管理云平台。通过数据建模、轻量化、融合及接口访问技术，汇聚成一张图的GIS基础数据库、BIM模型库与业务数据库，并提供统一的数据访问服务，实现工程建设多源时空数据的多层次可视化综合展示和统计分析；深度集成施工级BIM应用系统，从宏观、中观及微观尺度展现全线建设概貌、铁路沿线周边地形地貌、风险动态监测区域及微观尺度的构件级三维形象进度、质量安全红线及问题部位处理进程，满足铁路工程全线三维数字化建设管理需求。

1.2 总体架构

一张图系统是铁路工程管理平台的重要组成部分，铁路主数据中心为一张图系统运行提供计算资源、存储资源和网络资源等基础设施环境支撑。一张图系统以高铁建设管理业务实际需求为导向，基于信息化顶层规划，采用基于B/S的N层架构体系，利用BIM+3D GIS为核心的三维数字技术，以面向服务架构为主线，从用户需求、数据分类、数据集成服务和功能设计等4个方面构建符合项目建设及施工精细化管理BIM+GIS建设管理一张图系统。一张图系统依据数据接口接入铁路工程管理平台业务主数据，与BIM、GIS、倾斜摄影等数据信息共同构成一张图系统底层数据，形成数据管理、进度管理、质量管理、安全管理及征地拆迁等上层业务应用，为建设阶段各级管理用户提供先进的BIM+GIS可视化服务。系统总体架构如图1所示。

1.3 数据架构

一张图系统的数据主要包括设计期数据、建设期数据、联调调试数据、BIM、GIS、航拍视频及倾斜摄影等数据，通过对数据的分类组织形成系统底层数据组织基础，为上层功能应用提供基础数据服务。

设计期数据包括设计图纸、地质信息、地理信息等；建设数据包括进度、质量、安全等建设业务数据；联调联试数据包括工务、电务、供电专业的检测数据；基础数据包括人员机构、项目信息等数据。通过业务数据共享接口、基础数据服务共享接口接入至建设管理一张图系统，数据架构如图2所示。

图1 总体架构

1.4 技术架构

一张图系统采用SpringBoot微服务架构，按照不同的业务进行模块划分，每个业务模块作为一个微服务。业务模块之间采用共享数据库以及微服务通信进行数据共享和交互。平台采用Spring Security进行统一权限管理，实现业务模块用户认证和授权管理，技术架构如图3所示。

1.5 功能设计

一张图系统利用三维BIM+GIS管理模式，支持大屏、PC端等不同终端类型的接入显示前提下，主要在三维工具集、进度管理、质量管理、安全管理以及数据管理等方面进行系统功能设计。三维工具集模块包括图层切换、地形透明度、底图切换、模糊检索定位、飞行漫游、图层结构树以及航拍视频等功能；进度管理主要包括实物工程量、卡控点进度预警、形象进度等功能；质量管理模块包括拌和站、试验室、桩基检测、隐蔽工程影像等管理等功能；安全管理模块主要包括视频监控、围岩量测、超前地质预报、工程线运输调度等功能；数据管理模块主要包括要素分类编码管理、图层分类编码管理、比例尺与符号库管理等功能；系统管理主要是对用户、权限、版本以及操作日志管理。系统功能架构如图4所示。

图2 数据架构

图3 技术架构

图4 功能设计

2 关键技术

为实现铁路工程建设阶段的可视化展示、过程化管理及多维数据集成共享，建设管理一张图系统需要BIM与GIS数据转换、模型轻量化、数据融合、数据存储、数据集成等技术支撑。

2.1 BIM与GIS数据转换技术

针对设计单位和施工单位交付模型格式不一的问题，自主二次开发插件支持.rvt、.dgn、IFC等多种BIM数据格式向S3M、3D Tiles、obj等3D GIS主流数据格式转换，重点研究了几何模型简化、顶点压缩、数模分离及语义映射等关键技术，对转换得到的数据格式进行模型数据编辑，包括添加坐标参考信息、单例化处理、贴图材质编辑、轻量化处理等，实现BIM与GIS的数据转换与无缝对接。

2.2 BIM+GIS多源数据融合技术

多源异构数据融合及多尺度展示技术以BIM、GIS多源异构数据融合为主线，突破倾斜摄影模型与地形数据融合、粗略卫星影像与局部精细航测影像融合及粗略DEM与局部精细制作DEM融合以及BIM模型与地形影像数据融合等关键技术。

通过GIS平台对融合数据进行综合管理，为不同管理需求提供宏观、中观、微观三个层次尺度的服务，有效辅助建设施工及后期运维管理。

(1)宏观尺度

宏观尺度主要展现铁路建设整块区域全线建设概貌。采用整个大范围粗略卫星影像与局部精细航测影像进行数据融合数据，在铁路大场景模型数据中宜采用混合分辨率数据管理(瓦片图像多层分级管理)；铁路线路及1 km左右范围的地形模型与影像采用高分辨率的数据；对距铁路线较远处采用低分辨率数据。通过设置不同高度对应的影像显示分辨率级别。

(2)中观尺度

中观尺度上表现为某一标段，切换到局部视角时则显示地表精细航测影像，以表达详细地表纹理信息、重要标段、铁路线沿线周边地形地貌、风险动态监测区域。

(3)微观尺度

微观尺度主要展现为模型构件各专业单体内部相关构件及其详细的三维形象进度、质量安全红线及问题部位处理进程。

2.3 BIM与GIS数据存储管理技术

建立统一的数据存储管理，提高GIS平台对空间数据的承载能力。对于地形、遥感影像、倾斜模型、点云等数据采用瓦片化的文件格式进行数据存储；对于轨道、路基、桥涵、隧道、牵引变电、接触网、给排水、通信、信号等BIM模型采用缓存切片文件格式进行数据存储，其属性数据进行数模分离后采用关系型数据库进行存储；铁路工程业务数据采用关系型数据库进行存储。

2.4 空间数据可视化动态渲染展示技术

搭建基于WebGL的云GIS平台，将BIM模型按照所在的地理坐标和范围进行动态加载。BIM模型被切片生成不同精细程度的模型切片。通过四叉树空间索引实现基于视点距离的BIM模型动态加载。根据视距和相机位置，加载不同范围及精细程度的BIM模型。采用LOD结构和实例化技术突破高密度模型的浏览性能瓶颈：LOD技术可根据距离远近来选择展示不同精细程度的模型，极大缓解显卡渲染压力；采用实例化技术实现复用模型，显著提高渲染效率。

2.5 BIM模型轻量化技术

为提升BIM模型的加载和运行效率，开发模型数据转换工具对模型进行轻量化处理，在处理过程中分析模型的数据，对需要的几何数据进行提取，减少造型数据，从而减小模型的体量，减少模型面片数量，提高显示效率；采用异步加载的方法，将模型加载和模型显示分开处理，利用背面剔除的方法，减小需要显示的模型的体量，提升对显存、内存的释放效率，确保资源的合理应用，增加显示效率和流畅度；BIM模型在进行轻量化处理后转化成为统一格式的轻量化模型文件，解决了各个BIM建模软件模型格式不统一的问题，实现BIM模型和数据的共享。

2.6 基于BIM模型的多源数据关联技术

结合BIM应用现状及铁路BIM联盟颁布的相关技术标准，对铁路工程数据分类及传递流程开展研究，以IFD和EBS分类编码体系为关联，通过数据编码关联、特征映射和数据重构，形成基于BIM的多源数据整合关联和分析应用，评估设施和设备运维需求，进行铁路大跨度桥梁构件划分和设施设备的构建，通过标准化编码及BIM模型绑定，整合各分散信息源，实现数据时空融合和综合应用。主要涉及信息模型分类存储、信息交互共享技术和基于运维的桥梁模型构建技术。

3 应用实践

一张图系统通过对建设项目的三维建模，实现对建设项目全线的三维可视化服务。通过运用BIM与GIS数据转换、存储、服务等关键技术，实现对铁路建设项目进度、质量、安全、大临、征拆等信息的集成管理。一张图系统在京雄城际铁路进行试点应用。

质量信息管理提供沉降观测、隐蔽工程影像、试验室、拌和站、检验批、施工日志等与质量密切相关的数据信息，如图5、图6所示。

图5 质量管理

图6 桩基检测信息

在进度管理方面，通过工程进度数据采集比对设计与施工进度计划，实现对进度状态的表达，确保施工管理人员通过模型就能对施工进度情况全面掌握，三维形象进度如图7所示。

图7 三维形象进度

对全线的特殊及重难点工程进行卡控式集中统一管理，关注进度、质量安全及实时监控监测数据，实现全面与局部相结合管理。重点关注工程如图8所示。

图8 重点关注工程

4 创新点

(1)依托铁路BIM联盟发布的BIM系列标准，建立支撑各方协同应用落地的铁路BIM标准数据库。通过BIM技术结合工程外业、内业管理和生产组织，应用数据分类编码、数字化、构件化等技术，实现对铁路工程实体单元的划分。通过建立实体单元的编码体系和表达规范，实现工程实体和设备的单元化、规范化管理；通过统一数据格式和接口标准，实现从BIM设计到施工各业务系统之间的互联互通、数据集成和数据共享。

(2)首次采用二/三维BIM模型一体化设计、竣工交付模式，实现三阶段两交付的全寿命周期的数据传递和共享，初步实现设计、竣工成果的数字化管理。

(3)基于BIM、GIS与工程建设业务数据融合，构建面向京雄高铁的时空大数据技术框架，突破京雄高铁全线动态多源数据的融合，实现时空大数据应用场景下的大规模数据可视化。

5 结语

针对铁路工程项目建设管理需求，提出基于BIM+GIS的一张图管理模式，实现了大体量BIM模型轻量化处理、海量数据汇集以及基于BIM的多源数据关联融合等关键技术，并从总体架构、数据架构、技术架构和功能设计等方面提出解决方案，研发京雄高铁BIM+GIS建设管理一张图系统，实现工程建设数据综合可视化描述分析，设计成果管理、建设施工管理与竣工交付各阶段的数据共享、信息传递、灵活调用，满足京雄高铁全线三维可视化、数字化、全要素信息建设管理精益化需求。