鐵路勘察設計中BIM與GIS結合方法討論

■ 任曉春

鐵路勘察設計中BIM與GIS結合方法討論

■ 任曉春

分析BIM與GIS的技術特點及相互關系，根據鐵路勘察設計的技術特點，提出針對鐵路設計階段的BIM與GIS結合的方法。基于現有的技術發展水平，分析當前實現BIM與GIS結合過程中待解決的地形局部修改套合、模型多分辨率與輕量化、語義信息傳遞、面向服務的架構等技術難點，指出鐵路勘察設計中BIM與GIS結合應用的技術方向。

BIM；GIS；鐵路勘察設計；多層次模型

0 引言

BIM將工程建筑的內部結構、外部結構以三維模型的形式進行表達，并將與建筑相關的設計信息、施工信息、運維信息都附著在模型上進行管理。在此基礎上，通過碰撞檢驗、施工模擬、工程量計算、節能優化、物料管理等手段，減少設計中的錯漏缺碰、提高設計精確度和效率，避免施工過程中的資源浪費。2013年上半年，在中國鐵路總公司（簡稱總公司）的統一部署下，全國各大鐵路設計院和工程施工企業積極推進基于BIM的信息化建設。總公司在寶蘭、西成客專等多個在建鐵路項目進行BIM試點。而鐵路工程是條帶狀工程，受到地理環境、地質條件、經濟因素、城市規劃等多方面的影響，目前的BIM模型設計軟件支持的空間范圍較小，無法承載海量大范圍的地形數據，也不具備對地理信息進行分析的功能，無法滿足鐵路工程設計應用的要求。GIS正好從地理信息空間數據處理及分析的角度給予BIM應用支持。

1 鐵路工程中BIM和GIS的關系

從空間維度上來講，BIM關注的是建設項目對象，GIS關注的是整個地理環境，其中也包括了建設對象。也就是說GIS研究的空間較之BIM更為廣闊。GIS研究的是大范圍的空間對象及抽象化的建筑對象；BIM研究的是具體建設對象的詳細構造。因此，在空間維度上GIS包含了BIM的內容。

從價值維度上來講，GIS主要研究地理相關的信息處理及分析的功能，相對于BIM，它只是一個工具。BIM不但關心地理環境的問題，還關心項目規劃、項目管理、參數化建模、協同化設計、工程造價估算、施工模擬、運營維護技術、資產管理技術等多方面的技術問題。GIS只是BIM實施中的支撐工具，為BIM在項目整個生命周期的實施提供三維表現的基礎、空間分析計算的能力及模型溝通的平臺。

從過程維度來講，BIM將整個項目從概念到設計、施工、運營、改建、拆除的全生命周期作為服務對象。對于鐵路項目而言，由于線路分布較長，地理信息有著重要的地位，從規劃到設計、施工、運營都離不開地理信息。在鐵路規劃和設計階段，GIS的地理信息是基礎的設計資料，其空間分析功能對選線優化有著重要的意義。在運營階段，GIS能提供三維可視化的整體空間表達和信息的空間索引，其空間分析功能在鐵路相關的應急響應、災害預警等方面有著突出的作用。總而言之，GIS在各個階段的BIM實施中，都是一個基礎平臺和重要的工具。

綜上所述，BIM在價值、過程維度上比GIS關注得更多。在應用實施過程中，應在總體上采用BIM的方法和思想把GIS的內容按BIM的技術框架融合進來。

2 鐵路勘察設計BIM與GIS的功能

鐵路勘察設計是一個從宏觀到微觀的過程，一開始要確定線路的基本走向，然后再根據城市位置、資源分布、工農布局和自然條件等情況確定線路走向，即選線設計。選線設計過程中地理信息是作為設計的主要參考內容，GIS能為設計提供數據支持和決策分析。在線路確定之后，整個鐵路工程被劃分為多個工點和區段進行工點設計。工點設計過程中，GIS一方面為設計提供局部的地形數據，另一方面提供一個整體的地理空間將各工點設計結果進行整體表達。線路設計和工點設計是循環迭代的過程，在鐵路勘察設計的各個階段都要進行迭代。單從BIM設計的技術角度來講，兩者是兩類不同的設計實施方式。

2.1 選線設計BIM實施

選線設計是在對地理、地質、經濟等多方面資料進行分析后，對線路走向和坡度的選擇。選線設計在初期更多的是關心線路的路徑，對線路的實際設計外觀并不關心。對于橋梁、隧道等工點也只是做定性描述。因此在結合BIM做選線設計時，對工點的具體模型設計還未開始，只能采用概念模型的方式在三維環境中進行描述。

目前利用概念模型進行線路選線工作的軟件，如Autodesk公司BIM解決方案中的Infraworks。該軟件通過繪制曲線，拉坡、設橋設隧等工具在三維環境下直接進行選線設計，并實時建立線路的概念模型。

Infraworks具備大范圍地理信息數據的展示功能，但不具備地理信息數據的存儲和分析功能。此時必須有GIS軟件平臺的空間數據庫及地理信息分析服務作為Infraworks的支撐。例如，以Arcgis的ArcSDE建立空間數據庫，管理地形數據（DEM）、影像數據（DOM）及地理要素數據，Infraworks通過數據源的接口連接在ArcSDE上，并將地形及地理要素數據在三維環境下表達出來。

圖1 Infraworks選線設計及概念模型生成

另外GIS還可為設計提供分析和支持。如：利用DEM數據獲取線路縱斷面或橫斷面地面線，計算土石方量；通過緩沖區分析，檢查落在線路兩側規定范圍內的房屋，進行拆遷征地的估算；也可利用緩沖區分析檢查線路是否經過了自然保護區，與高壓線路的距離是否合適；利用DEM數據進行坡度坡向計算，然后進行匯水分析，為鐵路設置橋涵提供幫助等。2.2 工點設計BIM實施

在線位選定之后，就可以進行局部的工點及區段的設計，工點設計采用BIM設計工具（如Civil 3D、Revit）進行設計。工點包括：橋梁、涵洞、隧道、路基和站場。為了方便設計，某些特長隧道和長路基的工點可劃分為多個區段進行設計。工點設計不止是對構筑物建立模型，同時還要對當前的地形和地物產生改變，如建筑物拆除、對地面整平和開挖。在BIM軟件的解決方案中有土木工程設計軟件可以完成地形的設計任務，如Civil 3D。土木工程設計軟件可以進行地形的修改，設置邊坡、基坑開挖、開洞等功能。

工點設計最終要完成工程模型和地形的設計，并在GIS的三維環境全局環境下進行整體表達。

3 BIM與GIS結合的關鍵點

無論是選線設計還是工點設計，對于BIM與GIS模型及數據的集合，都要解決如下的關鍵技術。

3.1 模型的多分辨率處理及輕量化

BIM模型的特點是設計細節豐富、對象繁多、數據量大。在GIS中進行三維綜合表達，對GIS模型數據的承載力提出了非常高的要求。研究BIM模型的多分辨率層次模型自動生成，利用輕量化模型的手段達到不同比例尺細節的按需表達，是解決兩種模型在同一空間內進行結合的關鍵。為滿足三維瀏覽速度的需要，將BIM模型進行處理，建立與GIS表達的多分辨率地面模型層級相適應多分辨率模型。OGC組織定義的CityGML語言，是虛擬三維城市模型數據交換與存儲的格式標準，其整體框架上劃分了5個細節層次（LOD）將BIM模型和GIS地形的三維表達整合到了一起（見圖2）。LOD0是地形和正射影像，模型以矢量范圍線表示；LOD1將模型抽象為塊體進行表達；LOD2的模型只表達建筑的外表面；LOD3以建筑的基本結構來表達，包括墻體、屋頂結構、門窗等；LOD4在LOD3的基礎上完成室內的結構，包括內部房間、門、家具等。

圖2 CityGML的細節層次體系

目前BIM設計工具設計的模型是LOD3和LOD4的層級的模型，LOD0—LOD2的層級模型需要由LOD3來提取，即“輕量化”過程。在建筑領域已經有一些軟件能通過墻體、門、窗的定義自動提取外表面，生成LOD2模型。鐵路工程設計的工點對象較為復雜，特別是橋梁、隧道，目前的軟件尚不能自動提取其外表面，設計對象的輕量化問題還需做深入的研究。

3.2 地形修改與套合

鐵路工程設計，不但是要設計出構筑物，同時也是對地表形態的重新設計。重新設計的地形與工程本體相符合，有較高精度要求，還可能需要做挖空處理，如隧道的出入口。因此局部設計地面模型采用不規則三角網（TIN）數據結構。GIS中對于大范圍地形模型一般采用連續規則格網（Grid）數據結構。需要研究TIN與Grid結構的混合表達方法，將帶有孔洞的TIN地形模型融入到Grid模型之中。

3.3 語義信息的傳遞和表達

BIM模型有三維模型，還有其附帶的語義信息。在將BIM設計的模型結合到GIS系統平臺的時候，不但要對三維模型進行可視化表達，還要能將模型附帶的語義信息完全的繼承。BIM公開標準數據交換標準IFC，也是工程建設行業數據互用的基于數據模型面向對象的文件格式，對BIM語義數據有完整的描述。但目前GIS系統并不支持從IFC文件中提取語義數據。另外GIS作為整體表現平臺，只需要選擇性地描述整體對象的語義信息，不需要完全理解BIM模型中復雜多維度的語義信息。因此如何轉換BIM的語義信息，提取出需要在GIS系統中表達的語義信息，是GIS與BIM結合的要點之一。

3.4 面向服務的結合模式

目前的BIM系統相對獨立，廠商的軟件產品對GIS系統的對接非常有限。而GIS系統已經走向了服務化和規范化，國際標準的WFS、WMS地理信息服務接口已經廣泛應用。BIM軟件需要完成對GIS軟件服務標準的支持，才能達到與GIS系統的無縫對接。

4 結論和展望

GIS為BIM在鐵路勘察設計中的應用提供了地理信息數據支持、地理分析功能以及三維綜合表達的平臺。推動BIM技術和GIS技術的結合，是鐵路工程BIM實施的必要條件。目前BIM在鐵路工程的應用尚不成熟，與地理信息的結合僅局限于對文件數據的讀取，其在大范圍地形及海量模型數據的表達還存在技術難點，BIM的技術廠商也在尋求與GIS的結合點；另一方面，GIS也在向BIM靠攏，將BIM模型對象引入到地理空間中。要達到GIS與BIM的深度結合，無縫銜接，尚需要解決地形局部修改套合、模型多分辨率與輕量化、語義信息傳遞、面向服務的結合模式等技術難點問題。通過關鍵技術的突破，完善接口標準體系，最終實現GIS系統在鐵路BIM解決方案中的價值體現，是未來地理信息領域和鐵路工程設計領域共同努力的方向。

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任曉春：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，教授級高級工程師，陜西 西安，710043

責任編輯楊環

U212.22；TP391.9

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1672-061X（2014）05-0080-03