基于三維地理信息系統與建筑信息模型融合的城市軌道交通線路設計方法*

呂希奎 王奇勝 孫培培

(1.石家莊鐵道大學交通運輸學院,050043,石家莊；2.石家莊鐵道大學土木工程學院，050043，石家莊//第一作者，教授)

0 引言

目前，二維和分專業的城市軌道交通線路設計模式，存在設計意圖表達和理解不明確，設計成果對于城市軌道交通運營、維護和管理的服務效果不明顯等一系列問題。BIM(建筑信息模型)技術通過參數模型可整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，BIM技術為解決當前城市軌道交通線路設計中存在的問題提供了新思路。BIM軟件對模型的承載量有限，不適合長帶狀線路的規劃設計，而3DGIS(三維地理信息系統)具有海量空間數據管理和空間分析能力[1-2]。采用基于3DGIS的可視化環境的城市軌道交通線路設計方法，有利于直觀地評價設計效果，進行智能化空間分析和環境影響評價[3]。3DGIS對BIM的支持相對成熟，為BIM提供豐富地理空間信息，可以打開、調用、管理不同BIM軟件創建的模型，并且不丟失模型的屬性信息。3DGIS是當前被認可的最能解決城市軌道交通長線工程BIM模型集成展示的技術之一[4-5]。但3DGIS對構筑物本身的模型精度不夠，無法實現建筑單體內部的碰撞和工程量分析[6-7]。因此，利用3DGIS和BIM技術的各自優勢，研究基于3DGIS和BIM技術的城市軌道交通線路設計方法，解決大數據城市軌道交通工程BIM模型集成展示及管理，有效改善目前城市軌道交通設計方法存在的不足具有重要意義。

1 基于BIM和3DGIS的線路設計

1.1 總體思路

基于BIM和3DGIS線路設計的核心思想是：利用3DGIS線路平臺確定線路空間位置，輸出線路中線三維坐標、車站中心坐標，以及路基、隧道、橋梁起終里程數據，為在Autodesk Civil 3D中進行線路模型構建提供基礎數據。Civil 3D作為面向土木工程設計與BIM的解決方案，廣泛應用于多種類型的土木工程項目的設計中[8]，因此，本文采用Autodesk Civil 3D軟件實現線路整體模型構建。在Civil 3D中讀取3DGIS的數字高程模型，構建三維地形場景，導入3DGIS平臺的線路設計數據，實現線路設計結果在Civil 3D中自動集成顯示。采用Autodesk Civil 3D的部件編輯器實現路基、隧道、橋梁和軌道等參數化設計，自動生成路基、橋梁、隧道等橫斷面模型。同時，也可將Civil 3D中創建的線路模型導出到Revit 建模軟件中進一步詳細建模。

1.2 路基三維模型生成

為了便于處理路基各種斷面形式，利用Civil 3D部件編輯器參數化功能，實現參數化定置路基橫斷面。根據定置的路基橫斷面，利用平縱橫線路數據直接生成橫斷面掃略面，通過橫斷面掃略生成三維路基實體，實現快速創建路基三維實體模型，如圖1所示。

1.3 隧道三維模型生成

在城市中心繁華地區，為將對城市環境影響減少到最小，城市軌道交通線路多采用地下隧道敷設方式[9]。利用Civil 3D部件編輯器定置和裝配隧道斷面。根據隧道結構，通過定義頂拱半徑、側拱半徑、仰拱半徑、初次襯砌厚度、二次襯砌厚度等參數控制隧道斷面形式。可以根據需要修改各參數，建立不同隧道斷面形式。根據定置隧道參數生成的隧道三維模型如圖2所示。

1.4 橋梁三維模型生成

在接近市郊而環境條件又允許時, 城市軌道交通多采用地面或高架線路, 以節約投資。本文利用Civil 3D快速建立橋面模型，通過Revit軟件土木工程結構擴展模塊對橋梁上部和下部結構(橋跨結構、支座、橋墩臺、橋面和欄桿等)進行詳細建模。Revit橋梁詳細建模效果如圖3所示。集成在Civil 3D中橋梁模型效果如圖4所示。可根據需要修改橋梁模型屬性參數，以建立不同橋梁形式。

圖2 隧道三維模型

圖3 Revit橋梁詳細建模效果圖

圖4 橋梁詳細建模后在Civil 3D中的集成效果

1.5 軌道三維模型生成

對于軌道三維模型，利用Civil 3D部件編輯器，通過參數裝配控制軌道和斷面的幾何形狀。根據裝配參數生成的軌道模型效果如圖5所示。

圖5 軌道BIM模型效果圖

1.6 線路整體模型實現

根據在3DGIS中設計完成的線路里程，自動裝配好橋梁、隧道和路基三維模型，組成線路整體模型。在Civil 3D中，可通過三維漫游瀏覽線路設計效果，如圖6和圖7所示。此外，還可以生成設計圖紙、計算填挖方工程量等數據。

圖6 線路整體建模效果圖(路基)

圖7 線路整體建模效果圖(橋梁、隧道)

2 BIM與3DGIS集成實現

2.1 BIM+3DGIS集成技術框架

BIM和3DGIS相集成，線路展示以BIM與3DGIS相結合為技術手段。BIM模型儲存幾何信息與非幾何信息，采用BIM進行橋梁、隧道、路基的模型建立和模型信息分析。利用3DGIS進行地理環境建模、空間分析和線路規劃設計，實現線路位置的定位。根據線路工程的特點，通過線路里程與地理坐標的空間關系，按里程將BIM模型轉換到3DGIS地理空間中；3DGIS作為承載BIM模型的地理環境，實現線路BIM模型在3DGIS環境中的表達。BIM和3DGIS集成構架如圖8所示。

2.2 基于FBX格式BIM模型的集成

FBX是Autodesk用于跨平臺的三維數據交換格式，以scene graph結構存儲模型所有信息，目前被眾多的標準建模軟件所支持[10]。

Skyline 3DGIS支持BIM圖層 ，可以讀取標準FBX BIM文件，保留所有幾何信息和屬性數據，支持空間查詢和屬性查詢，可以在項目中添加模型信息和更新模型屬性數據，增強協作性。因此，本文3DGIS采用Skyline軟件，將FBX BIM模型導入到 Skyline 3DGIS中需要設置的參數如表1所示。

以橋梁模型為例，將BIM模型導入到Skyline 3DGIS中的效果如圖9所示。

圖8 城市軌道交通3DGIS與BIM集成構架圖

參數示例數據比例1高程/m101.4X(經度)/(°)114.2Y(緯度)/(°)38.5 注:坐標系統為WGS84 Coordinate System

圖9 BIM模型集成到skyline 3DGIS環境效果圖

以帶有高程信息的線路中心線點位為基礎，通過線路里程與地理坐標的關系轉換(線路里程轉換為3DGIS環境中的經緯度坐標)，計算出BIM模型在3DGIS中的特征點坐標，根據相關特征點坐標集成線路三維模型，集成效果如圖10所示。

圖10 線路BIM模型在3DGIS中集成效果圖

3 結語

利用3DGIS和BIM技術分別整合建筑物外部環境信息和建筑物本身信息，把微觀領域的BIM技術和宏觀領域的GIS技術進行融合，既能滿足構筑物BIM信息的管理，又能滿足空間信息的管理。本文采用Skyline 3DGIS平臺，綜合運用Autodesk Civil 3D、Revit、Navisworks等BIM軟件，利用 BIM的思想構造城市軌道交通線路的三維模型，利用3DGIS為城市軌道交通線路提供空間地理環境分析及渲染環境，探索了結合3DGIS和BIM技術的城市軌道交通線路設計方法，初步實現了3DGIS環境中的線路三維設計、BIM專業建模、3DGIS統一管理的設計模式。本研究也為BIM技術應用于城市軌道交通全生命周期設計提供了可以借鑒的思路和方法。本文研究尚屬于初步階段，若要完全實現基于3DGIS與BIM融合的城市軌道交通線路全生命周期設計，還需進行大量的深入研究。