呂希奎 王奇勝 孫培培

(1.石家莊鐵道大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,050043,石家莊；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，050043，石家莊//第一作者，教授)

0 引言

目前，二維和分專業(yè)的城市軌道交通線路設(shè)計(jì)模式，存在設(shè)計(jì)意圖表達(dá)和理解不明確，設(shè)計(jì)成果對(duì)于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和管理的服務(wù)效果不明顯等一系列問題。BIM(建筑信息模型)技術(shù)通過(guò)參數(shù)模型可整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過(guò)程中進(jìn)行共享和傳遞，BIM技術(shù)為解決當(dāng)前城市軌道交通線路設(shè)計(jì)中存在的問題提供了新思路。BIM軟件對(duì)模型的承載量有限，不適合長(zhǎng)帶狀線路的規(guī)劃設(shè)計(jì)，而3DGIS(三維地理信息系統(tǒng))具有海量空間數(shù)據(jù)管理和空間分析能力[1-2]。采用基于3DGIS的可視化環(huán)境的城市軌道交通線路設(shè)計(jì)方法，有利于直觀地評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)效果，進(jìn)行智能化空間分析和環(huán)境影響評(píng)價(jià)[3]。3DGIS對(duì)BIM的支持相對(duì)成熟，為BIM提供豐富地理空間信息，可以打開、調(diào)用、管理不同BIM軟件創(chuàng)建的模型，并且不丟失模型的屬性信息。3DGIS是當(dāng)前被認(rèn)可的最能解決城市軌道交通長(zhǎng)線工程BIM模型集成展示的技術(shù)之一[4-5]。但3DGIS對(duì)構(gòu)筑物本身的模型精度不夠，無(wú)法實(shí)現(xiàn)建筑單體內(nèi)部的碰撞和工程量分析[6-7]。因此，利用3DGIS和BIM技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，研究基于3DGIS和BIM技術(shù)的城市軌道交通線路設(shè)計(jì)方法，解決大數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)方法存在的不足具有重要意義。

1 基于BIM和3DGIS的線路設(shè)計(jì)

1.1 總體思路

基于BIM和3DGIS線路設(shè)計(jì)的核心思想是：利用3DGIS線路平臺(tái)確定線路空間位置，輸出線路中線三維坐標(biāo)、車站中心坐標(biāo)，以及路基、隧道、橋梁起終里程數(shù)據(jù)，為在Autodesk Civil 3D中進(jìn)行線路模型構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Civil 3D作為面向土木工程設(shè)計(jì)與BIM的解決方案，廣泛應(yīng)用于多種類型的土木工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中[8]，因此，本文采用Autodesk Civil 3D軟件實(shí)現(xiàn)線路整體模型構(gòu)建。在Civil 3D中讀取3DGIS的數(shù)字高程模型，構(gòu)建三維地形場(chǎng)景，導(dǎo)入3DGIS平臺(tái)的線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)線路設(shè)計(jì)結(jié)果在Civil 3D中自動(dòng)集成顯示。采用Autodesk Civil 3D的部件編輯器實(shí)現(xiàn)路基、隧道、橋梁和軌道等參數(shù)化設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成路基、橋梁、隧道等橫斷面模型。同時(shí)，也可將Civil 3D中創(chuàng)建的線路模型導(dǎo)出到Revit 建模軟件中進(jìn)一步詳細(xì)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(shù)化功能，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化定置路基橫斷面。根據(jù)定置的路基橫斷面，利用平縱橫線路數(shù)據(jù)直接生成橫斷面掃略面，通過(guò)橫斷面掃略生成三維路基實(shí)體，實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)建路基三維實(shí)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(qū)，為將對(duì)城市環(huán)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(shè)方式[9]。利用Civil 3D部件編輯器定置和裝配隧道斷面。根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)，通過(guò)定義頂拱半徑、側(cè)拱半徑、仰拱半徑、初次襯砌厚度、二次襯砌厚度等參數(shù)控制隧道斷面形式?？梢愿鶕?jù)需要修改各參數(shù)，建立不同隧道斷面形式。根據(jù)定置隧道參數(shù)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(huán)境條件又允許時(shí), 城市軌道交通多采用地面或高架線路, 以節(jié)約投資。本文利用Civil 3D快速建立橋面模型，通過(guò)Revit軟件土木工程結(jié)構(gòu)擴(kuò)展模塊對(duì)橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)(橋跨結(jié)構(gòu)、支座、橋墩臺(tái)、橋面和欄桿等)進(jìn)行詳細(xì)建模。Revit橋梁詳細(xì)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?？筛鶕?jù)需要修改橋梁模型屬性參數(shù)，以建立不同橋梁形式。

圖2 隧道三維模型

圖3 Revit橋梁詳細(xì)建模效果圖

圖4 橋梁詳細(xì)建模后在Civil 3D中的集成效果

1.5 軌道三維模型生成

對(duì)于軌道三維模型，利用Civil 3D部件編輯器，通過(guò)參數(shù)裝配控制軌道和斷面的幾何形狀。根據(jù)裝配參數(shù)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(shí)現(xiàn)

根據(jù)在3DGIS中設(shè)計(jì)完成的線路里程，自動(dòng)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(guò)三維漫游瀏覽線路設(shè)計(jì)效果，如圖6和圖7所示。此外，還可以生成設(shè)計(jì)圖紙、計(jì)算填挖方工程量等數(shù)據(jù)。

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(shí)現(xiàn)

2.1 BIM+3DGIS集成技術(shù)框架

BIM和3DGIS相集成，線路展示以BIM與3DGIS相結(jié)合為技術(shù)手段。BIM模型儲(chǔ)存幾何信息與非幾何信息，采用BIM進(jìn)行橋梁、隧道、路基的模型建立和模型信息分析。利用3DGIS進(jìn)行地理環(huán)境建模、空間分析和線路規(guī)劃設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)線路位置的定位。根據(jù)線路工程的特點(diǎn)，通過(guò)線路里程與地理坐標(biāo)的空間關(guān)系，按里程將BIM模型轉(zhuǎn)換到3DGIS地理空間中；3DGIS作為承載BIM模型的地理環(huán)境，實(shí)現(xiàn)線路BIM模型在3DGIS環(huán)境中的表達(dá)。BIM和3DGIS集成構(gòu)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(tái)的三維數(shù)據(jù)交換格式，以scene graph結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)模型所有信息，目前被眾多的標(biāo)準(zhǔn)建模軟件所支持[10]。

Skyline 3DGIS支持BIM圖層 ，可以讀取標(biāo)準(zhǔn)FBX BIM文件，保留所有幾何信息和屬性數(shù)據(jù)，支持空間查詢和屬性查詢，可以在項(xiàng)目中添加模型信息和更新模型屬性數(shù)據(jù)，增強(qiáng)協(xié)作性。因此，本文3DGIS采用Skyline軟件，將FBX BIM模型導(dǎo)入到 Skyline 3DGIS中需要設(shè)置的參數(shù)如表1所示。

以橋梁模型為例，將BIM模型導(dǎo)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(gòu)架圖

參數(shù)示例數(shù)據(jù)比例1高程/m101.4X(經(jīng)度)/(°)114.2Y(緯度)/(°)38.5 注:坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84 Coordinate System

圖9 BIM模型集成到skyline 3DGIS環(huán)境效果圖

以帶有高程信息的線路中心線點(diǎn)位為基礎(chǔ)，通過(guò)線路里程與地理坐標(biāo)的關(guān)系轉(zhuǎn)換(線路里程轉(zhuǎn)換為3DGIS環(huán)境中的經(jīng)緯度坐標(biāo))，計(jì)算出BIM模型在3DGIS中的特征點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)相關(guān)特征點(diǎn)坐標(biāo)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(jié)語(yǔ)

利用3DGIS和BIM技術(shù)分別整合建筑物外部環(huán)境信息和建筑物本身信息，把微觀領(lǐng)域的BIM技術(shù)和宏觀領(lǐng)域的GIS技術(shù)進(jìn)行融合，既能滿足構(gòu)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(tái)，綜合運(yùn)用Autodesk Civil 3D、Revit、Navisworks等BIM軟件，利用 BIM的思想構(gòu)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(huán)境分析及渲染環(huán)境，探索了結(jié)合3DGIS和BIM技術(shù)的城市軌道交通線路設(shè)計(jì)方法，初步實(shí)現(xiàn)了3DGIS環(huán)境中的線路三維設(shè)計(jì)、BIM專業(yè)建模、3DGIS統(tǒng)一管理的設(shè)計(jì)模式。本研究也為BIM技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通全生命周期設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)基于3DGIS與BIM融合的城市軌道交通線路全生命周期設(shè)計(jì)，還需進(jìn)行大量的深入研究。