基于OSG的BIM+GIS在桥涵方案设计中的应用研究

张宪亮

(1.中铁建大桥设计研究院,武汉 430063; 2.中国铁建股份有限公司桥梁工程实验室,武汉 430063)

引言

BIM (Building Information Modeling)即建筑信息模型，开启了基础建设工程数字化新时代，贯穿勘察、设计、施工和运维等工程全寿命周期所有阶段。BIM 具有几何结构精细、语义信息丰富及参数特征丰富的特点[1-2]，能够更直观更详细地表达铁路项目的几何、物理、附加属性及制造过程等信息。但是BIM缺乏空间分析、整体定位、一致性描述等功能。

GIS是以三维计算机图形学为基础，基于空间数据库技术，为包含地形、地物和设计控制要素在内的海量三维地理空间数据，提供强大的存储、管理、检索和分析等服务[3]。铁路工程建设项目具备地理空间跨度大，专业分工多，工点与地形结合紧密，施工复杂等特点，需要将BIM与GIS有效融合[4]，以解决统一空间定位和设计边界约束等问题。

BIM中的三维模型以计算几何学为基础，专注于三维几何关系的表达；而GIS中的三维模型是利用计算机图形学实现地理信息的可视化。BIM与GIS模型融合，是基于计算机图形学的三维渲染场景的融合。BIM+GIS融合面临坐标统一和模型转换的问题。

BIM+GIS的策略和软件平台有多种选择，可以在GIS平台中导入BIM模型，也可以在BIM设计软件中加载GIS场景。ArcGIS通过导入obj等格式的BIM模型文件实现BIM与GIS集成；Catia则将GIS数据模型加载到BIM设计工作环境中；Autodesk通过Infraworks实现Revit模型与GIS模型的集成。吴祥龙等基于Bentley的Openrail Designer实现了BIM+GIS环境下的轨道交通选线应用[5]；倪苇以CityMaker作为基础3DGIS平台实现了西十高铁设计成果的BIM+GIS展示[6]；范登科等研究了Skyline平台下铁路建设项目BIM+GIS信息化应用[7]；蒋海里等则利用“黑洞”三维图形引擎实现网页端的BIM+GIS应用[8]。

本文基于OpenSceneGraph(以下简称“OSG”)开发了BIM与GIS融合的模型信息处理系统，实现桥梁方案设计可视化，直观而又全面的展示桥梁设计方案及其与周边环境的关系。OSG具有成熟稳定、应用广泛、支持模型格式丰富，以及可以与三维造型引擎OCC的无缝融合等优点。

1 桥梁方案BIM设计

全局工程坐标系C0为采用CGCS2000地理坐标系的直角投影坐标[9]，X轴指向正东，Y轴指向正北，Z竖直向上。本文开发了线路曲线计算工具，依据线路平、纵曲线和桥梁孔跨布置，计算每个桥墩的里程桩号、水平坐标(xi，yi)、线路轨底标高zi和方位角θi，并结合地形曲线及梁高hb和支座高度hz，计算墩高h和承台标高zbi，桥墩平面定位参数和桥梁高度参数计算示意如图1、图2所示。

图1 桥墩平面定位参数示意

图2 桥梁高度参数示意

OpenCasCade(简称OCC)，是一款开源的三维几何造型引擎，拥有强大的曲面造型和实体布尔计算等功能[10-11]。本文以OCC为基础开发了桥梁三维模型设计软件，以线路平曲线在每个桥墩中心里程的法平面为基准面，建立桥墩模型。根据桥梁孔跨布置，计算桥梁起、终点等特征截面的里程，进而得到所有特征截面在线路平曲线上放样点和法平面，以特征截面所在线路法平面为基准面建立特征截面模型，再通过截面放样得到适应线路曲线的梁部BIM模型。

建立铁路桥梁的参数化模型，并利用OCC批量生成铁路全桥的BIM模型，如图3所示。

图3 OCC生成铁路桥BIM模型

本文还建立了涵洞的参数模型，并利用OCC生成涵洞的BIM模型，如图4所示。

图4 参数化涵洞建模

OCC还提供了接口来读写step、iges等格式的三维模型文件，XBIM也有基于OCC的Geometry模块可用于导入IFC模型文件[12]。对于桁架桥、拱桥、斜拉桥等复杂桥型和异形桥墩，难以实现参数化建模，可以借助成熟的商业BIM软件，如Revit、Catia等等，进行BIM设计，将设计结果导出step、iges、ifc等格式的模型文件，再通过OCC和XBIM导入本文的系统中，完成模型的拼装和集成。

利用Catia设计的斜拉桥模型导入到系统内集成的效果如图5所示。

图5 Catia设计的斜拉桥模型

利用OCC建立和导入桥梁BIM模型的过程如图6所示。

图6 OCC生成全桥模型过程示意

2 模型换带坐标协调

2.1 三维直角坐标转换

绕X轴旋转角度α的旋转矩阵为

绕Y轴旋转角度β的旋转矩阵为

绕Z轴旋转角度γ的旋转矩阵为

按绕各旋转轴旋转的顺序依次右乘相应旋转矩阵，即得最终旋转矩阵R(α，β，γ)[13]。

点P在原坐标系中的坐标用(u，v，w)表示，在目标坐标系中的坐标用(x，y，z)表示，两坐标系间平差向量(Δx，Δy，Δz)，不考虑两坐标系间的尺度缩放，则三维坐标转换模型为[14-15]:

(1)

2.2 模型局部坐标转换

桥墩、基础和梁部模型，最终要拼装在一起，需要解决坐标协调问题。桥墩Pri的局部坐标原点oi设置在里程中心线上，该点在工程坐标系中的坐标为Oi(xi，yi，0)，水平方位角为θi。桥墩模型中的点在其局部坐标系中坐标用pi(u，v，w)表示，在全局坐标系中坐标用Pi(x，y，z)表示。桥墩模型坐标转换公式为

Pi=Oi+R(θi)pi。

梁部模型在建模时即考虑线路曲线平弯布置和纵坡，可适应曲线梁的三维模型设计，然后起始桥墩为基准作整体转换。

2.3 GIS换带坐标转换

在长大干线铁路工程的勘察设计工作中，为了保证精度，时常需要将全线的投影坐标系按不同的投影度带进行拆分。而在方案设计时，需要将全线的建设项目拼装整合。这就需要将在不同投影坐标下设计的桥梁模型，统一转换到GIS场景所用的坐标系下。

桥梁起止里程点的投影坐标分别为P0(u0，v0，w0)和P1(u1，v1，w1)，经过投影坐标度带转换工具计算得到的目标度带投影坐标系下的相应点坐标为Q0(x0，y0，z0)和Q1(x1，y1，z1)。点P0到Q0的平移向量V=Q0-P0，桥梁在两个投影坐标中的方向向量分别为p和q，其中p=P1-P0，q=Q1-Q0。p与q的夹角为

式中，P为桥梁模型在原投影坐标系中的坐标；Q为桥梁模型在目标投影坐标系中的坐标，则在不同度带投影坐标系间的坐标转换模型由公式(1)可得

P=V+R(θ)Q

3 三维几何模型协调

OSG是基于OpenGL开发的高性能三维图形渲染引擎[16]，可以对倾斜摄影osgb模型、激光点云las数据文件[17-18]、数字高程模型DEM数据[19]、三维几何实体模型、shapefile矢量图等多种地理信息数据进行高效渲染。同OpenGL一样，OSG也只能对点、线、三角形等简单图形进行绘制[20]，复杂几何体如球体、锥体、样条曲面等都要先离散化成简单网格面片后再进行渲染。

OCC生成的BIM模型，是用边界表示法(BRep)组织管理点、线、面、体的复杂逻辑关系的三维几何实体模型。因此要将OCC创建的BIM模型，与OSG中的GIS数据模型融合，需要先对几何实体模型进行网格化处理，将离散化的网格模型在OSG中重构生成OSG.Geometry节点，再添加到OSG场景树中进行融合。

本文以构件为单位，将涵洞、基础、桥墩、梁部、附属结构等构件进行离散化转换，再在OSG场景中逐一重构和组装。

4 工程实例

某新建高速铁路总长18.9 km的桥梁项目，其中包含10.3 km的公铁合建段。双层公铁合建桥梁包含1座总长704 m的双塔双层钢桁斜拉桥，1座总长576 m双层连续钢桁梁和1座总长553 m的独塔双层钢桁斜拉桥。

公铁合建段桥梁采用Π形桥墩上叠加双柱式墩的异形桥墩，铁路段桥梁采用圆端形桥墩。

本项目使用五轴摄影无人机，对线路左右各300 m的区域进行了倾斜摄影测绘生产，生成本工点的三维地形实景模型，模型精度为5 cm。

本项目使用Autodesk Revit+Dynamo[21]，以参数化建模的方式生成了异形桥墩的BIM模型；使用Catia设计了斜拉桥和钢桁梁的模型；使用本文基于OCC开发的三维桥梁设计软件，以参数化方式批量生成了全桥的箱梁模型和圆端形铁路桥桥墩的模型。

以基于OSG开发的BIM+GIS整合处理系统为平台，将全桥桥墩、梁部以及特殊大跨桥梁的BIM模型进行坐标转换和模型转换后，集成拼装组成全桥BIM模型，并与倾斜摄影实景模型融合，如图7所示。直观地表达了桥梁工程的桥型方案和地理定位，以及桥梁与江河、道路的跨越关系，与周边建筑物的相邻关系，并以此集成模型进行了桥梁方案比选和评审。

图7 全桥方案集成拼装

本项目所用的三维数字地形为约23GB的倾斜摄影实景模型，在本文设计开发的BIM+GIS集成平台上加载约耗时1 min。本项目所用的桥梁方案BIM模型共60MB大小，加载耗时约32 s。

5 结语

使用本文软件系统进行桥梁方案BIM+GIS设计，可以直观表达梁型、墩型和基础形式，以及桥梁与周边环境的立交关系和相邻距离等约束条件，实现桥梁方案可视化、精细化设计，设计成果的展示也更直观，信息量更饱满，方便进行桥梁方案汇报展示、比选和评审。通过基于OSG的BIM+GIS桥梁设计系统研究与开发，得出如下结论。

(1)经过坐标转换和模型转换，基于OSG和OCC可以实现BIM与GIS的无缝融合，可以实现BIM+GIS环境下桥梁方案设计和可视化与自动化，BIM设计成果可实时展示在GIS场景中。

(2)OSG作为一个开源的、开放的、高性能的三维图形渲染引擎，支持分级和分页加载机制，支持多种GIS数据格式，可满足大数据量大场景的模型渲染任务。利用开源的OSG、OCC等工具平台，可实现开放的BIM设计系统以及BIM+GIS的融合应用平台，体现了开源软件更灵活、更开放的优势。

(3)基于ifc、step、iges等开放数据格式的OpenBIM，可实现多专业和多软件平台间BIM协同设计，建议BIM设计工作及相关软件的开发向OpenBIM的方向发展，消除专业间和软件平台的壁垒。

OSG还支持自动漫游和动画生成，本文中软件系统将在这方面做进一步开发，使桥梁方案的展示更生动。

另外，桥梁工程设计中，还需要对地形做一些处理，比如基坑开挖、边坡防护等。这也是本文软件系统存在的不足之处和努力方向。