■ 任曉春

鐵路勘察設(shè)計(jì)中BIM與GIS結(jié)合方法討論

■ 任曉春

分析BIM與GIS的技術(shù)特點(diǎn)及相互關(guān)系，根據(jù)鐵路勘察設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)，提出針對鐵路設(shè)計(jì)階段的BIM與GIS結(jié)合的方法?；诂F(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展水平，分析當(dāng)前實(shí)現(xiàn)BIM與GIS結(jié)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(wù)的架構(gòu)等技術(shù)難點(diǎn)，指出鐵路勘察設(shè)計(jì)中BIM與GIS結(jié)合應(yīng)用的技術(shù)方向。

BIM；GIS；鐵路勘察設(shè)計(jì)；多層次模型

0 引言

BIM將工程建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部結(jié)構(gòu)以三維模型的形式進(jìn)行表達(dá)，并將與建筑相關(guān)的設(shè)計(jì)信息、施工信息、運(yùn)維信息都附著在模型上進(jìn)行管理。在此基礎(chǔ)上，通過碰撞檢驗(yàn)、施工模擬、工程量計(jì)算、節(jié)能優(yōu)化、物料管理等手段，減少設(shè)計(jì)中的錯(cuò)漏缺碰、提高設(shè)計(jì)精確度和效率，避免施工過程中的資源浪費(fèi)。2013年上半年，在中國鐵路總公司（簡稱總公司）的統(tǒng)一部署下，全國各大鐵路設(shè)計(jì)院和工程施工企業(yè)積極推進(jìn)基于BIM的信息化建設(shè)?？偣驹趯毺m、西成客專等多個(gè)在建鐵路項(xiàng)目進(jìn)行BIM試點(diǎn)。而鐵路工程是條帶狀工程，受到地理環(huán)境、地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)因素、城市規(guī)劃等多方面的影響，目前的BIM模型設(shè)計(jì)軟件支持的空間范圍較小，無法承載海量大范圍的地形數(shù)據(jù)，也不具備對地理信息進(jìn)行分析的功能，無法滿足鐵路工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的要求。GIS正好從地理信息空間數(shù)據(jù)處理及分析的角度給予BIM應(yīng)用支持。

1 鐵路工程中BIM和GIS的關(guān)系

從空間維度上來講，BIM關(guān)注的是建設(shè)項(xiàng)目對象，GIS關(guān)注的是整個(gè)地理環(huán)境，其中也包括了建設(shè)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(shè)對象的詳細(xì)構(gòu)造。因此，在空間維度上GIS包含了BIM的內(nèi)容。

從價(jià)值維度上來講，GIS主要研究地理相關(guān)的信息處理及分析的功能，相對于BIM，它只是一個(gè)工具。BIM不但關(guān)心地理環(huán)境的問題，還關(guān)心項(xiàng)目規(guī)劃、項(xiàng)目管理、參數(shù)化建模、協(xié)同化設(shè)計(jì)、工程造價(jià)估算、施工模擬、運(yùn)營維護(hù)技術(shù)、資產(chǎn)管理技術(shù)等多方面的技術(shù)問題。GIS只是BIM實(shí)施中的支撐工具，為BIM在項(xiàng)目整個(gè)生命周期的實(shí)施提供三維表現(xiàn)的基礎(chǔ)、空間分析計(jì)算的能力及模型溝通的平臺。

從過程維度來講，BIM將整個(gè)項(xiàng)目從概念到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、改建、拆除的全生命周期作為服務(wù)對象。對于鐵路項(xiàng)目而言，由于線路分布較長，地理信息有著重要的地位，從規(guī)劃到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營都離不開地理信息。在鐵路規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，GIS的地理信息是基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)資料，其空間分析功能對選線優(yōu)化有著重要的意義。在運(yùn)營階段，GIS能提供三維可視化的整體空間表達(dá)和信息的空間索引，其空間分析功能在鐵路相關(guān)的應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)害預(yù)警等方面有著突出的作用?？偠灾?，GIS在各個(gè)階段的BIM實(shí)施中，都是一個(gè)基礎(chǔ)平臺和重要的工具。

綜上所述，BIM在價(jià)值、過程維度上比GIS關(guān)注得更多。在應(yīng)用實(shí)施過程中，應(yīng)在總體上采用BIM的方法和思想把GIS的內(nèi)容按BIM的技術(shù)框架融合進(jìn)來。

2 鐵路勘察設(shè)計(jì)BIM與GIS的功能

鐵路勘察設(shè)計(jì)是一個(gè)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(jù)城市位置、資源分布、工農(nóng)布局和自然條件等情況確定線路走向，即選線設(shè)計(jì)。選線設(shè)計(jì)過程中地理信息是作為設(shè)計(jì)的主要參考內(nèi)容，GIS能為設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和決策分析。在線路確定之后，整個(gè)鐵路工程被劃分為多個(gè)工點(diǎn)和區(qū)段進(jìn)行工點(diǎn)設(shè)計(jì)。工點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中，GIS一方面為設(shè)計(jì)提供局部的地形數(shù)據(jù)，另一方面提供一個(gè)整體的地理空間將各工點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行整體表達(dá)。線路設(shè)計(jì)和工點(diǎn)設(shè)計(jì)是循環(huán)迭代的過程，在鐵路勘察設(shè)計(jì)的各個(gè)階段都要進(jìn)行迭代。單從BIM設(shè)計(jì)的技術(shù)角度來講，兩者是兩類不同的設(shè)計(jì)實(shí)施方式。

2.1 選線設(shè)計(jì)BIM實(shí)施

選線設(shè)計(jì)是在對地理、地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)等多方面資料進(jìn)行分析后，對線路走向和坡度的選擇。選線設(shè)計(jì)在初期更多的是關(guān)心線路的路徑，對線路的實(shí)際設(shè)計(jì)外觀并不關(guān)心。對于橋梁、隧道等工點(diǎn)也只是做定性描述。因此在結(jié)合BIM做選線設(shè)計(jì)時(shí)，對工點(diǎn)的具體模型設(shè)計(jì)還未開始，只能采用概念模型的方式在三維環(huán)境中進(jìn)行描述。

目前利用概念模型進(jìn)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(shè)橋設(shè)隧等工具在三維環(huán)境下直接進(jìn)行選線設(shè)計(jì)，并實(shí)時(shí)建立線路的概念模型。

Infraworks具備大范圍地理信息數(shù)據(jù)的展示功能，但不具備地理信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析功能。此時(shí)必須有GIS軟件平臺的空間數(shù)據(jù)庫及地理信息分析服務(wù)作為Infraworks的支撐。例如，以Arcgis的ArcSDE建立空間數(shù)據(jù)庫，管理地形數(shù)據(jù)（DEM）、影像數(shù)據(jù)（DOM）及地理要素?cái)?shù)據(jù)，Infraworks通過數(shù)據(jù)源的接口連接在ArcSDE上，并將地形及地理要素?cái)?shù)據(jù)在三維環(huán)境下表達(dá)出來。

圖1 Infraworks選線設(shè)計(jì)及概念模型生成

另外GIS還可為設(shè)計(jì)提供分析和支持。如：利用DEM數(shù)據(jù)獲取線路縱斷面或橫斷面地面線，計(jì)算土石方量；通過緩沖區(qū)分析，檢查落在線路兩側(cè)規(guī)定范圍內(nèi)的房屋，進(jìn)行拆遷征地的估算；也可利用緩沖區(qū)分析檢查線路是否經(jīng)過了自然保護(hù)區(qū)，與高壓線路的距離是否合適；利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度坡向計(jì)算，然后進(jìn)行匯水分析，為鐵路設(shè)置橋涵提供幫助等。2.2 工點(diǎn)設(shè)計(jì)BIM實(shí)施

在線位選定之后，就可以進(jìn)行局部的工點(diǎn)及區(qū)段的設(shè)計(jì)，工點(diǎn)設(shè)計(jì)采用BIM設(shè)計(jì)工具（如Civil 3D、Revit）進(jìn)行設(shè)計(jì)。工點(diǎn)包括：橋梁、涵洞、隧道、路基和站場。為了方便設(shè)計(jì)，某些特長隧道和長路基的工點(diǎn)可劃分為多個(gè)區(qū)段進(jìn)行設(shè)計(jì)。工點(diǎn)設(shè)計(jì)不止是對構(gòu)筑物建立模型，同時(shí)還要對當(dāng)前的地形和地物產(chǎn)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(shè)計(jì)軟件可以完成地形的設(shè)計(jì)任務(wù)，如Civil 3D。土木工程設(shè)計(jì)軟件可以進(jìn)行地形的修改，設(shè)置邊坡、基坑開挖、開洞等功能。

工點(diǎn)設(shè)計(jì)最終要完成工程模型和地形的設(shè)計(jì)，并在GIS的三維環(huán)境全局環(huán)境下進(jìn)行整體表達(dá)。

3 BIM與GIS結(jié)合的關(guān)鍵點(diǎn)

無論是選線設(shè)計(jì)還是工點(diǎn)設(shè)計(jì)，對于BIM與GIS模型及數(shù)據(jù)的集合，都要解決如下的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 模型的多分辨率處理及輕量化

BIM模型的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)豐富、對象繁多、數(shù)據(jù)量大。在GIS中進(jìn)行三維綜合表達(dá)，對GIS模型數(shù)據(jù)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(dòng)生成，利用輕量化模型的手段達(dá)到不同比例尺細(xì)節(jié)的按需表達(dá)，是解決兩種模型在同一空間內(nèi)進(jìn)行結(jié)合的關(guān)鍵。為滿足三維瀏覽速度的需要，將BIM模型進(jìn)行處理，建立與GIS表達(dá)的多分辨率地面模型層級相適應(yīng)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(shù)據(jù)交換與存儲(chǔ)的格式標(biāo)準(zhǔn)，其整體框架上劃分了5個(gè)細(xì)節(jié)層次（LOD）將BIM模型和GIS地形的三維表達(dá)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(jìn)行表達(dá)；LOD2的模型只表達(dá)建筑的外表面；LOD3以建筑的基本結(jié)構(gòu)來表達(dá)，包括墻體、屋頂結(jié)構(gòu)、門窗等；LOD4在LOD3的基礎(chǔ)上完成室內(nèi)的結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)部房間、門、家具等。

圖2 CityGML的細(xì)節(jié)層次體系

目前BIM設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)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(lǐng)域已經(jīng)有一些軟件能通過墻體、門、窗的定義自動(dòng)提取外表面，生成LOD2模型。鐵路工程設(shè)計(jì)的工點(diǎn)對象較為復(fù)雜，特別是橋梁、隧道，目前的軟件尚不能自動(dòng)提取其外表面，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，不但是要設(shè)計(jì)出構(gòu)筑物，同時(shí)也是對地表形態(tài)的重新設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)地面模型采用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。GIS中對于大范圍地形模型一般采用連續(xù)規(guī)則格網(wǎng)（Grid）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。需要研究TIN與Grid結(jié)構(gòu)的混合表達(dá)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(dá)

BIM模型有三維模型，還有其附帶的語義信息。在將BIM設(shè)計(jì)的模型結(jié)合到GIS系統(tǒng)平臺的時(shí)候，不但要對三維模型進(jìn)行可視化表達(dá)，還要能將模型附帶的語義信息完全的繼承。BIM公開標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)IFC，也是工程建設(shè)行業(yè)數(shù)據(jù)互用的基于數(shù)據(jù)模型面向?qū)ο蟮奈募袷?，對BIM語義數(shù)據(jù)有完整的描述。但目前GIS系統(tǒng)并不支持從IFC文件中提取語義數(shù)據(jù)。另外GIS作為整體表現(xiàn)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(fù)雜多維度的語義信息。因此如何轉(zhuǎn)換BIM的語義信息，提取出需要在GIS系統(tǒng)中表達(dá)的語義信息，是GIS與BIM結(jié)合的要點(diǎn)之一。

3.4 面向服務(wù)的結(jié)合模式

目前的BIM系統(tǒng)相對獨(dú)立，廠商的軟件產(chǎn)品對GIS系統(tǒng)的對接非常有限。而GIS系統(tǒng)已經(jīng)走向了服務(wù)化和規(guī)范化，國際標(biāo)準(zhǔn)的WFS、WMS地理信息服務(wù)接口已經(jīng)廣泛應(yīng)用。BIM軟件需要完成對GIS軟件服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的支持，才能達(dá)到與GIS系統(tǒng)的無縫對接。

4 結(jié)論和展望

GIS為BIM在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了地理信息數(shù)據(jù)支持、地理分析功能以及三維綜合表達(dá)的平臺。推動(dòng)BIM技術(shù)和GIS技術(shù)的結(jié)合，是鐵路工程BIM實(shí)施的必要條件。目前BIM在鐵路工程的應(yīng)用尚不成熟，與地理信息的結(jié)合僅局限于對文件數(shù)據(jù)的讀取，其在大范圍地形及海量模型數(shù)據(jù)的表達(dá)還存在技術(shù)難點(diǎn)，BIM的技術(shù)廠商也在尋求與GIS的結(jié)合點(diǎn)；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(dá)到GIS與BIM的深度結(jié)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(wù)的結(jié)合模式等技術(shù)難點(diǎn)問題。通過關(guān)鍵技術(shù)的突破，完善接口標(biāo)準(zhǔn)體系，最終實(shí)現(xiàn)GIS系統(tǒng)在鐵路BIM解決方案中的價(jià)值體現(xiàn)，是未來地理信息領(lǐng)域和鐵路工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域共同努力的方向。

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任曉春：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，教授級高級工程師，陜西 西安，710043

責(zé)任編輯楊環(huán)

U212.22；TP391.9

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1672-061X（2014）05-0080-03