鐵路站房建筑BIM快速建模技術方法研究

魏英洪，邱世超，王然

（中國鐵路設計集團有限公司信息化院，天津 300142）

0 引言

鐵路站房建筑的運維管理對于保障相關設施的安全運行具有重要意義，而傳統管理手段基于二維圖紙及資料表格，管理效率相對低下。BIM技術的引入，可實現管理場景三維可視化以及信息共享化，將極大地提高運維環節中的信息智能化管理水平［1］。

實現鐵路站房建筑的BIM 化運維管理［2］，首要任務是構建運維管理對象的三維BIM 模型，鑒于目前鐵路系統中大量的站房屬于既有建筑，因此解決其房屋建筑快速建模的問題是推動BIM 運維管理落地的關鍵環節。

1 技術方法概述

既有站房BIM 模型快速、準確的構建可實現經濟價值最大化。現階段在實際應用層面上，一般依靠傳統技術方法創建運維模型，采用人工逐項構建復雜度較高的站房建筑外立面與具有大量構件的內部構造時，需要耗費大量資源，因此研究利用新的技術手段解決上述類別模型的自動化準確創建，是實現站房建筑BIM快速建模的關鍵［3］。

（1）建筑外立面模型的快速創建。目前，建筑物外立面的三維重建方法主要有基于深度檢測設備直接獲取三維點云數據［4］和基于圖像［5］的三維重建2 種，前者通過深度測距設備（如激光雷達）直接獲取目標對象表面的三維點云模型，雖然該方法重建的三維外立面模型精度較高，但是設備成本昂貴；后者利用數碼影像設備拍攝的圖像，通過三維坐標體系轉化軟件重構建筑外立面三維模型，具有實施方便且重建模型包含紋理信息等特點［6］，因此得到普遍應用。采用基于圖像的三維重構方法，探索適用于站房建筑外立面BIM模型快速創建的技術路線。

（2）建筑內部構造模型的快速創建。Revit 作為目前全球建筑市場普遍采用的BIM 設計軟件，提供了強大的原生建模功能和豐富開放的二次開發接口［7］。基于Revit 軟件，針對站房建筑物內部構造特點可進行自主開發或購買商業化的快速建模工具集。以站房建筑內部構造涉及專業多、系統復雜為需求目標，進而探索出適用于多種類型構件快速建模的技術路線。

2 關鍵技術

2.1 利用數碼影像構建建筑外立面模型

基于圍繞目標物體所拍攝的圖像恢復空間三維場景是一項復雜的坐標體系計算轉化工作，相片中包含相機內參（焦距、視角及變形等）、特征匹配點及針孔成像極坐標關系，但相機的外參（空間位置及角度等）未知，需要利用射影幾何和歐式幾何規律，通過對匹配點的不斷解算和迭代優化來反算出相機的外參，最終再推算出各特征匹配點在空間的關系，以達到重構三維坐標系統的目的［8］。目前，該技術成熟的解決方案包括以下2種：

（1）利用數碼相機陣列拍攝，并通過軟件自動生成拍攝物的三角網格模型。實現該技術方法的關鍵要素是對影像自動建模軟件的選取，分別采用Context-Capture Master 和Agisoft Photoscanner 作為模型生成軟件，通過對比可以發現前者生成的模型要更為精確（見圖1、圖2）。

（2）利用數碼相機拍攝，并通過專用程序將相片組進行人工標定，解算空間方位后，人工繪制空間幾何圖形［9］。基于該方法，以廊坊高鐵站為例進行試驗性研究，利用PhotoModeler scan 作為研究樣本軟件，在軟件操作界面中選擇相片上容易辨識的特征點作為標記點位，然后在相片視圖中將標記點連接成線，再形成面，自動在3D 空間生成對應的線和面。在獲得關鍵點和主要圖形后，將模型輸出到3DMAX 中進行后期編輯，最終形成立面模型。廊坊高鐵站數碼影像與三維模型見圖3。

圖1 采用ContextCapture Master的效果

圖2 采用Agisoft Photoscanner的效果

圖3 廊坊高鐵站數碼影像與三維模型

2.2 參數化快速建模技術

站房建筑內部構造可分為建筑、結構與機電三大專業，這些專業下的構件建模規律性強且數據量大，Revit 提供的原始功能并不能通過程序化的處理將設計人員從繁瑣的BIM 建模工作中解放出來，因此需要借助Revit 二次開發接口編寫工具集對其原始功能進行伸展，可為用戶在Revit 平臺上擴充相應的功能或定義新的功能提供便捷性。

基于Revit 實現快速建模的途徑分為使用自主開發和商業化快速建模工作集2 種方式，無論采用哪種方式，均以天正二維CAD設計圖紙為數據源［10］，其源文件需要嚴格的設置分層標準，將不同屬性的圖形對應相應的圖層，然后將源文件轉化為中間格式的數據文件，并將其導入到快速建模工具集中，一鍵式生成內部構造模型。其快速建模作業流程見圖4，模型生成效果見圖5。

圖4 快速建模作業流程

圖5 模型生成效果

3 結束語

運維模型與設計、施工階段的模型在空間幾何和信息方面有著不同的要求，為實現BIM 運維系統三維可視化引擎對模型的高效顯示與操作，運維模型應該以幾何外觀滿足運維需求為建模目標，進而降低對模型精細度的要求。從鐵路站房BIM 運維管理應用模型的快速構建需求出發，分別針對建筑的外立面模型與內部構造模型提出快速建模技術路線，為實施基于BIM的運維管理項目時快速獲得三維模型提供了技術支撐，從而將更多的時間和人力應用在業務功能的實現上，以適應市場需求，實現更好的經濟和社會效益［11］。