基于GIS+BIM的西十高铁设计成果综合应用平台研究

倪 苇

(1.中国铁建BIM工程实验室，西安 710043；2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

引言

BIM技术起源于美国，经过多年发展，BIM应用已在建筑领域初具规模，形成了由Building SMART国际组织开发的BIM数据交换标准，使BIM技术更加规范和具有普适性。

国内BIM技术起步较晚，但发展很快，目前在轨道交通领域得到越来越广泛的应用。在国铁集团统一部署下，全国各大铁路设计院和工程局积极推进基于BIM信息化建设，探索BIM技术在铁路勘察设计、施工建设、安全运维全生命周期中的应用[1]。铁路工程BIM正由“建模为主”阶段向“多维度数据应用为主”阶段跨越[2]，逐步实现由局部工点转向全线应用，由少数专业应用向全专业应用发展[3]。

BIM模型本身具有几何结构精细、语义信息丰富及参数特征明显的特点[4-5]，实现将传统二维点、线、面组成的工程图纸信息进行三维数字化表达，与所感受的物质世界基本维度一致，能够使铁路工程建设参与人员更直观、便捷地获取模型所承载的几何、物理、属性、过程等信息，提高信息共享水平，同时具有立体组合拼装的能力，利用族库可以实现快速建模。然而，与建筑工程不同，铁路工程表现出线状、跨度大、多专业、工点复杂多样、与地形结合紧密等特点[6-8]。BIM三维信息模型在尺度表达、一致分析、空间统一基准、整体定位等[9-10]方面存在不足，因此，需与GIS进行结合，将BIM模型集成到GIS场景中[11-12]。

GIS是以空间三维可视化为基础，基于空间数据库技术，面向海量三维地理空间数据，集成地上、地下、室内外完整的三维空间实体，具有强大的空间数据存储、管理、检索和分析功能[13-15]。国内外GIS平台主要有美国的ArcGIS、Skyline、Cesium和国内的SuperMap(超图)、CityMaker(伟景行)，iFreedo(飞渡)等，其中，Cesium是WebGL三维客户端且是开源JS库，实现在浏览器中展示三维虚拟地球的功能[16]。

然而，现有的GIS原生系统不能直接支持符合CRBIM1003—2017《铁路工程信息模型表达标准(1.0版)》、CRBIM1004—2017《铁路工程信息模型交付精度标准(1.0版)》要求的模型树状结构管理、虚节点信息维护、参考模型与技术文档挂接功能，且存在数据处理与发布效率较低等问题。为更好地对重点工程BIM设计成果进行表达与应用，亟需对GIS基础平台进行二次开发，扩展符合铁路BIM模型表达的功能模块。最终形成一个能够对铁路项目BIM设计成果进行全方位、多要素展示的数字化三维应用平台，为今后设计方案汇报、比选方案优化及设计成果展示提供良好的环境。

1 项目概况

新建西安至十堰高铁项目位于陕西省东南部和湖北省西北部，是中长期铁路网规划项目。线路西起陕西省西安市，向东穿越秦岭山脉，经商洛、十堰两市与汉十铁路相接。西十高铁新建正线长255.749 km，为中铁一院第一条全线基于BIM正向设计的高速铁路。

2 平台关键技术研究

2.1 多源多分辨率三维地形融合

首先，将BIM设计成果准确放置到地形场景中，需在同一区域快速创建不同细节层次的三维地形模型[17]。大范围区域可选择谷歌卫星影像和30 m精度的DEM数据，线路左右5 km范围采用1∶10 000精度DEM数据和1 m分辨率DOM影像，线路左右200 m范围采用1∶2 000精度DEM和0.2 m分辨率DOM影像，工点局部补充设计用1∶500精度DEM数据。线路跨越既有公路、铁路、居民区时采用无人机倾斜摄影手段获取高精度实景三维模型，具有成本低、灵活可靠等优点[18]，真实准确恢复现场的地理环境，直观反映线路的相对位置关系[19]。图1为创建的高精度真实三维地形场景。

图1 高精度真实三维地形场景效果

2.2 多专业多源BIM设计成果集成

Bentley平台支持真实大地坐标的三维线条，适用于铁路工程长大带状的分布要求，隧道、桥梁、轨道、接触网等专业可直接根据线路三维数据库自动化创建BIM模型。

房建、暖通、结构等专业目前仍习惯于Autodesk平台的Revit软件开展BIM设计，一般约定以轴网(A，1)作为参考项目基点开展工作，要将模型准确放置到地形场景中需进行定向、定位操作。下面给出Bentley平台和Autodesk平台的BIM数据导入3D GIS平台的处理流程，具体示意见图2。

图2 多源BIM数据处理示意

2.3 BIM与三维地形融合

处理局部小范围地形与BIM模型融合时，将地形透明度调整至半透明，参照BIM模型直接手动进行地形的开挖、整平操作；对于挖方路基、车站、施工便道等长带状工程要素手工处理起来准确性和效率都较低，采取导入边界坐标文件自动开挖。边界线可在BIM设计软件中导出，处理后保存为精测网坐标文本文件。以路基BIM模型为例地形自动开挖效果如图3所示。

图3 提取路基模型边界后自动开挖效果

处理倾斜实景模型与BIM模型融合时，目前自动化程度较低，主要采取手工对地表地物进行开挖、整平操作，尤其当碰到主体工程，如隧道洞口倾斜实景模型树木茂盛时融合效果一般。

3 平台开发及应用

3.1 平台开发

基于GIS+BIM的西十高铁设计成果综合应用平台，采用CityMaker基础GIS平台进行二次开发，采取驾驶舱模式的UI界面设计风格，满足会议室大屏、计算机显示器等多类型终端界面显示。CityMaker产品体系涵盖三维数据的生产制作、组织管理、应用开发全过程[20-21]，提供丰富的组件，可使用多种开发语言和环境，支持Direct3D和OpenGL图形渲染引擎。图4为CityMaker GIS产品体系示意。

图4 CityMaker平台产品架构

西十高铁BIM设计成果综合应用平台前端采用JavaScript脚本进行CityMaker网页二次开发，后台采用Java SpringBoot+Mybatis+MySQL技术进行开发，涉及关系型业务数据存储到MySQL数据库中，可以大大简化数据持久化任务。

3.2 平台应用

基于GIS+BIM的西十高铁设计成果综合应用平台，通过在真实的三维地形场景中无缝融合西十高铁BIM设计成果，搭建满足BIM设计成果的数字化交付环境，实现BIM设计成果综合展示，BIM模型结构树解析与创建、方案设计优化、三维空间分析等功能，主要应用功能及特点如下。

3.2.1 设计成果展示

左侧以卡片列表的形式直观展示车站、隧道、桥梁、路基等专业的设计工点，包括工点名称、里程信息、工程重难点信息等。单击某个卡片可快速定位到对应的工点，同时提供关键字检索功能方便用户查找感兴趣工点。

平台场景中完整保留BIM设计成果的几何、材质、属性信息，通过鼠标点选显示模型构件的丰富属性信息，并以画中画多窗口渲染的形式表达模型构件对应的施工图精度级别的精细参考模型。隧道带配筋参考模型示意见图5。

图5 隧道精细参考模型展示效果

底部幻灯片栏显示该工点相关联的场景漫游脚本、二维设计图纸、施工工法和不良地质介绍视频等多种素材，通过访问后台数据库可直接调取查看，更好地表达BIM设计意图。

3.2.2 BIM结构树解析

目前，各专业在设计软件中创建的BIM模型主要以要素图层的形式进行管理，IFD标准编码无法有效识别单个模型构件，模型构件间的逻辑关系缺失。通过在BIM建模时添加定位码属性信息，模型导入GIS平台中解析定位码信息后创建工程结构树。

利用工程结构树可直观展示BIM模型的逻辑层次关系，平台中点击结构树节点可快速定位并高亮显示该节点对应的BIM构件及属性信息。以桥梁模型为例，结构树中选中墩身托盘子节点后场景定位，显示结果见图6。

图6 BIM模型工程结构树解析定位示意

3.2.3 方案设计优化

基于该平台可对专业BIM设计成果进行方案优化，及时发现BIM设计中存在的“差错漏碰”问题，比如线路下穿既有高速公路时，借助高精度倾斜实景三维模型可准确恢复现场既有地表构筑物的空间关系；叠加融合不同方案的BIM设计成果以双视口的方式展现，辅助设计人员进行决策，优化既有的设计方案。不同方案对比见图7。

图7 双视口BIM桥梁设计方案比选示意

3.2.4 三维空间分析

平台提供三维空间分析功能包括：①剖切分析，支持面剖切和体剖切模式，方便查看房屋内部设备等隐蔽工程；②量测分析，支持点坐标、距离、面积量算等多种测量模式；③地形分析，支持对地形透明度进行调整及开挖、整平处理。模型剖切分析效果见图8。

图8 剖切车站房屋查看内部设备效果

4 创新点

(1)通过研究多源三维地形融合、多平台BIM设计成果集成及与三维地形融合等关键技术，搭建西十高铁全线GIS+BIM高精度三维场景。同时，对全线明线段落进行倾斜实景三维建模，真实准确反映BIM设计成果与现场环境的相对关系，进而优化BIM设计方案。

(2)通过解析BIM模型的定位码生成工程结构树，实现对BIM构件按照逻辑结构树进行定位管理和属性信息查询，可快速定位到桥梁模型的具体某一孔梁、某一号墩、某根桩，有效解决IFD标准编码无法识别单个BIM构件的问题，更加符合设计人员的使用习惯。

(3)采用BIM设计成果二维、三维一体化平台交付模式，建立BIM模型与精细参考模型、场景漫游脚本、二维设计图纸、施工工法视频等多种素材之间的关联，方便用户随时查阅BIM设计的相关资料，有效弥补BIM三维模型信息表达的单一性。

5 结语

基于3D GIS技术强大的空间数据存储、管理、检索和分析功能，铁路工程BIM设计成果被赋予了丰富的地理空间信息，达到宏观与微观统一管理的目标。铁路工程BIM模型批量集成到3D GIS中，可打破铁路BIM应用的“数字孤岛”问题，有效解决了设计、施工与运维管理等不同阶段的数据共享与挖掘利用。

通过搭建基于GIS+BIM的西十高铁设计成果综合应用平台，解决了项目全线BIM设计成果交付与展示汇报问题，今后可在多个铁路BIM试点项目中推广应用，具有广泛的社会效益和良好的经济效益。