GIS+BIM技术在轨道交通工程建造管理中的应用研究

石 硕

(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

近年来，随着我国城市经济的不断发展，轨道交通以其低污染、准时、客流量大、缓解交通拥堵等特点，在各个城市的建设规模不断扩大[1-2]。轨道交通工程是一项投资巨大、与地理环境密切相关、参与方众多、工程极其复杂的项目，从设计、施工到运维全生命周期中涉及大量的过程数据，是一个庞大的系统工程[3]。在物联网、大数据、云计算等信息化技术逐渐融入各行各业的背景下，轨道交通工程的建设管理模式面临着新的挑战，传统以人工为主的管理手段已无法满足项目建设快、周期短、质量高的要求，通过信息化手段提高轨道交通工程建设管理质量，已成为业内人士的共识[4-7]。

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)具有语义丰富、构件精细化、全生命周期应用、参数化建模等特点，通过三维可视化表达技术真实还原轨道交通工程在现实世界中的样貌，不仅便于设计人员直观、便捷地查看设计成果和相关信息，还可以将建设过程中的各项数据与其关联，实现基于BIM模型的数据共享，加强各参建方的交流，提高资源利用率，节约成本[8-9]。然而，BIM模型偏向于微观的细节，无法表达宏观的场景，GIS(Geography Information Science)以地理空间数据可视化表达和空间分析服务为核心，不仅可将多源异构的地理空间数据集成到统一环境下，还可以实现对BIM模型的转换、轻量化处理和集成，在轨道交通规划选线、工程建设和运维等阶段发挥了重要作用[10-12]。BIM与GIS的结合是轨道交通工程三维可视化管理技术升级的必然选择，为设计、管理和决策人员提供强有力的数据支撑，从而使管理更加高效，工程质量得到进一步提升[13-14]。

本研究在综合分析BIM与GIS融合关键技术在轨道交通工程建造管理过程中应用的基础上，以GIS作为一张图数据底盘，以BIM模型为工程管理核心，将分散的业务数据与BIM模型及三维场景结合，实现对轨道交通工程建设管理过程中的质量、安全、进度精细化管理，建立统一、开放的工程信息化管理系统，形成以资源共享、高效协作为核心的管理模式，推进轨道交通工程信息化迈向新的阶段。

1 BIM与GIS融合应用

由于BIM模型设计软件(如Revit、Bentley、Catia)的数据格式多样，实现BIM模型向GIS模型的数据格式转换、语义传递及属性信息提取成为BIM与GIS融合的关键。范登科[15]研究语义信息扩展方法，从几何、语义及属性3个方面，基于Revit模型实现BIM与GIS数据的集成，并对比分析了基于3DMax和FME软件进行数据处理的效果；陈光[16]提出轨道交通一体化三维空间数据模型，实现多专业信息资源与真实场景的集成表达，提高了数据共享效率；钱意[17]研究了BIM+GIS在上海轨道交通规划、设计、施工、竣工不同阶段的应用；卢锦生[18]以东莞市为例，基于GIS与BIM技术，开发了东莞市轨道交通沿线及站场TOD综合地理信息系统，实现了轨道交通一张图、项目库管理、TOD三维展示、汇报展示及辅助决策分析等子系统，并将信息同步到移动端，提高查询效率；石硕[19]采用微服务架构，开发了面向铁路工程管理的BIM+GIS管理系统，实现了铁路工程建设过程管控；杨喆[20]自主研发和设计了基于WebGL的三维引擎，提出了BIM+GIS数据集成方法，以海底盾构隧道工程为例，开发了轨道交通BIM+GIS应用平台，实现了对隧道环境、施工风险的可视化管控。

2 轨道交通工程中BIM与GIS集成关键技术

2.1 BIM模型高效渲染

区别于单体建筑BIM模型，轨道交通是线性工程，主要以车站和区间隧道工程为主。其中，隧道、轨道BIM模型包含大量重复、结构复杂的构件单元，利用LOD技术、八叉树索引、三角面简化、顶点合并等传统的轻量化技术仍无法满足展示需要，为提高BIM模型在浏览器中的加载效率和操作流畅度，基于SuperMap 3DGIS平台，通过研究模型实例化技术，采用点位外挂模型缓存和视锥体裁剪的方法实现海量重复构件的快速渲染。

点位外挂模型缓存是利用实例化方法，在数据集渲染的过程中仅绘制一个对象，其他重复构件基于空间点位进行放样，外挂在当前场景中，同时利用视锥体裁剪技术，根据可视域范围，动态加载在当前窗口可见区域内的模型，不仅降低了显卡、内存压力，还提高了三维场景性能，具体实现流程如图1所示，通过该方法，模型显示的平均帧率得到了显著提升，如图2所示。

图1 BIM模型高效渲染实现流程

图2 隧道模型优化前后对比

2.2 轨道交通三维立体一张图

开展城市轨道交通工程建造管理系统建设，必须统一空间参考，依托GIS、多源遥感和对地观测技术，建立以城市轨道交通为核心的多层次、多粒度、多时相的全方位地理空间信息，建立基于GIS+BIM的轨道交通工程建造管理三维立体“一张图”，将规划图、数字地模、三维实景模型、轨道交通线位数据、文字标注等多源异构数据在统一的空间坐标系下，融合为一个支持不同细节层次的场景，从数据存储、数据处理、数据服务发布到可视化应用，统一数据管理与应用机制，实现各参建单位数据共享，一张图建立流程如图3所示。

图3 一张图建设流程

2.3 海量实景三维模型管理

传统基于DEM+DOM的数字地模虽然一定程度上还原了现场真实环境[21]，但其精度较低、纹理不清晰，且无法重现地铁周边现有建筑的三维模型。随着低空对地观测技术迅速发展，倾斜摄影测量技术在各行各业得到了广泛应用，以多角度、大规模、高精度、高清晰度的方式全面感知周围环境，为轨道交通工程建设提供了丰富的地物纹理及地理信息数据，具有高真实性、可量测性、高效率、易于共享的优势，是建设轨道交通三维立体一张图的重要数据支撑。

高精度实景三维模型意味着庞大的数据量，如何合理存储、高效加载和显示这些模型成为困扰用户的一大难题。基于MongoDB数据库实现对西安地铁8号线实景三维模型瓦片的存储，MongoDB是开源NoSQL分布式数据库，数据结构松散，易于扩展，适合存储海量瓦片和缓存数据，入库流程如图4所示。

西安地铁8号线实景三维模型在MongoDB中通过2个文档和2个索引存储s3mb格式的瓦片，以Xian3D_01段实景三维模型为例，集合内容设计如表1、表2所示，其中，集合Tileset_Xian3D_01以二进制BLOB方式存储每个s3mb的瓦片数据，并基于字段“Tileset_key”和“_id”建立索引，集合metadatas_osgb是对实景三维模型的说明，主要包括瓦片集合名字、版本、数据类型、文件类型、渲染模式、位置、边界盒子、s3mb瓦片信息等描述性信息。

图4 实景三维模型入库流程

2.4 BIM模型坐标转换

城市轨道交通工程涉及专业众多，各个专业的BIM模型如何在一个场景下进行无缝集成不仅需考虑参考模型之间的相对位置，还要考虑全线BIM模型在真实环境下的空间位置。设计人员在Revit中建模时采用轴网和高程的方式进行定位，为便于设计，将每个BIM模型的基准参考点设置在轴网交点的(0，0，0)处，从而建立相对坐标系，该坐标系缺少空间参考信息，无法直接在三维场景中加载。传统的坐标转换方法对非测绘专业BIM设计人员而言晦涩难懂[22]，基于旋转、平移的四参数坐标转换方法需对BIM模型的所有构件进行处理，虽然拼接误差较低，但数据处理速度非常慢[23]。为减少计算，提高数据处理效率，提出基于线路共享坐标的转换方法，操作简单，流程清晰，可满足大批量BIM模型的坐标转换处理，具体方法流程如图5所示。

表1 metadatas_osgb集和设计

表2 Tileset_Xian3D_01集合设计

图5 BIM模型坐标转换方法流程

经过该方法可得到西安市城市独立坐标系的BIM模型，通过加载投影文件将BIM模型动态投影到球面上，实现与倾斜三维实景环境集成，如图6所示。

图6 坐标转换后的BIM模型

2.5 BIM模型元数据

随着BIM技术应用深化，仅依赖BIM模型的属性信息无法实现各参建方BIM模型数据资源整合，数据之间缺少对应关系，无法统一构件元素含义与关联关系，很难真正实现信息共享。传统的方式是通过编码描述构件的信息，按照线分法或面分法从专业内部去定义构件，如IFD、EBS、WBS等[24]，但不同来源的模型与外部系统之间无法进行准确的特征描述，导致BIM模型信息无法流转，需额外大量数据处理工作。

面对上述问题，研究轨道交通工程BIM模型元数据扩展与管理方法，定义了元数据的子集、实体和元素构成，主要包括数据标识信息、内容、质量、分发、参照系、扩展等，突出用户关注的元数据内容，考虑设计内容、格式和更新的方便性，同时，兼顾基于元数据的BIM模型数据检索功能，实现BIM模型元数据管理，具体元数据UML模型结构如图7所示。

图7 元数据UML模型

本文还设计研发了BIM模型元数据管理工具，实现BIM模型元数据管理，主要包括BIM元数据录入、元数据内容审核及元数据发布功能，如图8所示。

图8 BIM模型元数据管理流程

基于BIM元数据进行数据管理，不仅统一了BIM构件与工程实体之间的对应关系，还可以标准化BIM构件属性信息，达到BIM与其他数据资源语义一致的效果，从而满足BIM模型在不同信息系统之间的流转，是深化BIM技术应用、加强BIM与业务融合的有力支撑。

3 工程应用实践

3.1 研究区域概况

以西安地铁8号线及其周边区域为研究对象，西安地铁8号线运行于陕西省西安市，是关中平原城市群大都市圈轨道交通线网中最为重要的骨干线路和换乘线路，也是目前线网规划中的唯一条环线。线路全长约49.896 km，均为地下线，共设车站37座，换乘站18座，采用西安市独立坐标系，高程系统采用1985国家高程基准，如图9所示。

图9 西安地铁8号线工程走向示意

3.2 工程应用

3.2.1 BIM模型编码与结构解析

目前，铁路BIM联盟发布的IFD、EBS编码无法满足轨道交通工程的应用需求，为建立种类齐全、可重复使用、包含各类标准信息的BIM数据资产，结合GB/T 37486—2019《城市轨道交通设施设备分类与代码》标准与西安地铁3期建设的实际情况，制定了《西安市轨道交通工程信息模型设施设备分类与编码标准试行版》，采用线分法进行分类，每个构件通过设施设备类型编码和物理位置编码唯一确定，不仅表达了构件的逻辑层级、类别、序号，还定义了构件的位置信息，便于构件快速定位，是实现BIM与业务信息深度融合的数据基础，将BIM模型导入系统，通过解析构件的编码建立具有物理位置和逻辑层级的BIM模型结构树，不仅可以高亮显示模型，还可以关联业务、属性信息，以8号线苏王村站为例，如图10、图11所示。

图10 苏王村站编码

图11 BIM模型结构树解析及属性

3.2.2 质量安全管控

质量和安全是轨道交通工程建设过程中重点关注的问题，从施工人员进场到工程竣工验收，质量、安全问题伴随着整个施工过程，并对工程进度起到至关重要的作用。目前，常用的质量、安全管理办法均基于二维表单或是与BIM模型进行简单的绑定关联，无法实现对质量、安全问题的准确把控，无法在应急救援中高效准确定位，同时缺少空间位置预警功能。为此，提出基于LBS(Location Based Service)服务的质量安全管控方法，并研发了移动端app实现现场质安巡检功能，该方法可快速定位现场质安问题出现的位置，并显示导航路线，便于工作人员及时赶往现场。然后，施工人员通过移动端将施工现场的质安问题、整改情况及时向项目组通报，技术人员在路途中可通过查看相关设计图纸及BIM模型分析现场问题，如图12所示。

图12 移动端APP质安巡检功能

针对现场整改问题，整改后的照片由施工单位或监测单位通过移动端上传，监理单位通过web客户端快速审核检查，最后由业主单位进行验收查看，从而形成事件闭环，如图13所示。

图13 Web端质量巡检

3.2.3 三维形象计划进度

三维形象计划进度结合二维甘特图和三维场景中的BIM模型，以工程进度看板的方式直观便捷地表达了工程进度情况，通过将项目、标段、工区三级明细计划任务与BIM模型进行绑定，形成含有工程结构的时间计划树，通过进度追踪、统计和纠偏的功能实现计划进度三维可视化展示和精细化管理，如图14、图15所示。项目管理人员可随时随地查看计划执行情况，了解当前工程施工状态，统计各个工序的花费时间，及时发现影响进度问题并采取纠偏措施，保障项目按时完成。

图14 计划进度与纠偏流程

图15 三维形象进度

4 结论

(1)通过研究BIM与GIS融合技术、BIM模型高效渲染方法、轨道交通三维立体一张图、海量实景三维模型管理、BIM坐标转换等关键技术，结合实际工程项目应用，搭建了轨道交通综合建造管理系统，将建造过程中的质量、安全、进度等信息与BIM模型深度融合，同时根据BIM模型的设施设备编码和物理位置编码解析工程结构树，不仅实现了设施设备的快速定位，还可实现属性、质安问题、物资等信息的高效查询。

(2)采用点位外挂模型缓存方法实现重复构件仅绘制一次，并利用视锥体裁剪技术减少当前窗口外模型的加载，不仅提高了模型的加载效率，还减少了计算机的运行压力，显著提升了模型渲染效果。

(3)提出基于线路共享坐标的BIM模型坐标转换方法，无需复杂的坐标转换参数计算，操作流程清晰简单，通过研发的插件工具可实现批量模型坐标转换，大大提高数据处理效率。

(4)为建立轨道交通三维立体一张图，将西安地铁8号线50 km的实景模型通过开源数据库MongoDB进行存储和服务发布，不仅提高了海量瓦片数据入库存储速度，还提高了实景模型数据调度效率和渲染的流畅性。

(5)首次采用轨道交通BIM模型元数据实现设计、施工、运维全生命周期信息共享，研究设计了轨道交通BIM模型元数据的组成结构，建立了元数据信息基本框架，为BIM模型快速检索、不同系统之间实现互操作奠定了数据基础。

(6)移动端基于LBS服务不仅实现了质量安全事故发生地的应急救援快速响应与路线规划导航，还实现了空间位置预警功能，为应急救援人员提供便捷服务。

5 结语

基于GIS+BIM技术的西安市轨道交通综合管理系统采用微服务架构，通过将管理业务和BIM模型进行深度融合，形成面向建设过程的微服务，在GIS数据底盘的支撑下，通过三维直观可视化表达，实现项目生产组织与技术管理，覆盖计划编制到项目创建、人员配置、进度管理、质量安全管理的全过程，不仅提高工程建设的质量，保障安全，还可以缩短建设周期，保证工期进度，通过西安地铁8号线工程项目的实践应用表明，该系统可满足城市轨道交通项目信息化管理需求，系统设计合理，能有效提高轨道交通工程的管理效率。