夏 宇 ，譚衢霖,2，蔡小培，秦曉春

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京交通大學 線路工程勘測空間信息技術研究所，北京 100044）

建筑信息化模型（BIM）是一個完備的、多層次的三維信息模型[1-2]，能夠將工程項目全壽命周期不同階段的信息、過程和資源集成在一個模型中，通過信息交流來實現(xiàn)項目工程協(xié)同設計，滿足工程項目建設發(fā)展的要求。同建筑行業(yè)相比，鐵路項目有其自身的特殊性[3]，涉及專業(yè)繁多且龐雜、覆蓋區(qū)域范圍廣、距離長、構造物繁多、地形地質條件復雜，使BIM技術在鐵路行業(yè)的應用帶來了諸多困難。當前，BIM在鐵路行業(yè)的三維場景構建應用已有一些研究，如文獻[4]實現(xiàn)了基于E-R模型的虛擬高速鐵路場景組合建模方法,建立了具有符合實際標準和高度仿真感覺的虛擬高速鐵路場景；文獻[5]實現(xiàn)了基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線設計系統(tǒng)；文獻[6]研究了基于遙感信息的選線系統(tǒng)地理環(huán)境建模方法及應用。目前，鐵路行業(yè)的BIM應用還處于起步階段，由于行業(yè)標準缺失、三維協(xié)同設計理念缺乏、輔助建模軟件支撐不足等原因，未能形成一個完整的技術體系，還遠未發(fā)揮BIM技術在鐵路項目全生命周期中的價值。

本文針對鐵路線路建設前期工作階段，應用BIM技術建立鐵路線路三維場景，旨在直觀表達地理環(huán)境空間對象間的關系，實現(xiàn)對空間對象三維空間分析和操作，滿足線路勘察設計對數(shù)據(jù)可視化、空間分析等方面的需求，從而進行線路方案優(yōu)化設計與決策，提高線路設計效率、直觀地觀看設計效果。

1 鐵路三維線路場景構建

在鐵路項目建設前期工作階段，利用衛(wèi)星遙感技術獲取目標區(qū)域范圍的遙感影像與數(shù)字高程信息，建立三維地形環(huán)境模型。根據(jù)研究區(qū)域空間位置信息，構建鐵路構造物、沿線附屬設施等三維模型?；跇嫿ǖ蔫F路BIM三維場景，確定線路初步走向，實現(xiàn)三維場景下線路場景展示、實時漫游、動態(tài)瀏覽、方案比選。線路三維場景構建流程如圖1所示，并支持外部數(shù)據(jù)源的導入。

圖1 鐵路BIM三維場景構建流程圖

1.1 三維地形環(huán)境建模

鐵路BIM三維場景所需的地理信息包括數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程信息等[7-8]。數(shù)字正射影像圖與數(shù)字高程信息相結合，可建立起逼真的地形環(huán)境，是構建鐵路線路三維場景的基礎。

高分辨率衛(wèi)星遙感影像提供了充分、豐富、精確的信息，通過對高分辨率、多光譜衛(wèi)星遙感影像的解譯，可以對控制性工程的水文、地質等進行前瞻性評估、優(yōu)化線路設計方案、規(guī)避線路方案設計風險。能清楚的反映出地物、地貌、水系分布，提高了鐵路選線設計工作的質量。當前，高分辨率衛(wèi)星主要有高分一號、高分二號、高分三號、ALOS 、Planet Labs 、IKONOS 、Quick Bird、GeoEye-1 、WorldView等，不同分辨率的遙感影像可適用于鐵路項目建設的不同階段，目前常用的高分辨率衛(wèi)星遙感影像如表1所示。

數(shù)字高程模型（DEM）描述了地面高程信息，可對地形進行數(shù)字化模擬，是建立三維地形的重要數(shù)字信息。獲取DEM的方法通常有地面測量、航空攝影測量、衛(wèi)星立體測圖、采集現(xiàn)有地形圖等，DEM獲取方式如表2所示。

表1 高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)源

表2 DEM獲取方式

數(shù)字地形模型是三維地形建模的關鍵，根據(jù)獲取的DEM數(shù)據(jù)，可生成不同形式的表面來表示實際地形空間分布，常用的三維數(shù)字地形模型表達方式主要有不規(guī)則三角網(wǎng)和等高線地形圖。不規(guī)則三角網(wǎng)模型如圖2所示，等高線模型如圖3所示。

圖2 不規(guī)則三角網(wǎng)模型

圖3 等高線模型

將遙感影像與數(shù)字地形模型相疊加，利用計算機可視化技術可建立大范圍三維地形模型。在三維地形環(huán)境下可以初步確定線路起終點及線路基本走向，在較大范圍內進行線路方案比選，選擇線路走廊帶，而后截取帶狀范圍可構建線路走廊帶。某線路局部三維地形模型如圖4所示。

1.2 鐵路構造物建模

圖4 某線路區(qū)域局部三維地形模型

鐵路構造物的類型眾多、結構復雜，在三維環(huán)境下根據(jù)基礎數(shù)據(jù)建模需要繁多的參數(shù)控制，精細建模需要花費大量的時間精力。在鐵路選線前期階段，可采用簡單的空間幾何形體模擬構造物模型，如用長方體表示軌枕、梯形體表示道床、圓柱表示橋墩。針對不同類型鐵路線路構造物分別進行建模，如圖5所示。

圖5 鐵路線路構造物

根據(jù)線路樁號位置建立構造物三維模型，將三維模型空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相集成[9-10]，更改三維模型屬性信息即可對三維模型實時更新，實現(xiàn)對其控制和變換，營造出逼真的三維場景空間，實現(xiàn)鐵路構造物的可視化、信息化。某一小段局部線路和橋梁的三維建模圖如圖6所示。

圖6 構造物三維模型

1.3 鐵路附屬設施建模

鐵路附屬設施包括接觸網(wǎng)、警示牌、警示樁、標志牌等。為三維展示鐵路線路沿線附屬設施景觀，通過在路基兩側計算出鐵路附屬設施對應的空間地理坐標，選取特定模型通過旋轉、縮放和平移操作，將模型在鐵路沿線特定位置進行繪制。接觸網(wǎng)、警示牌三維模型如圖7所示。

圖7 附屬設施三維模型

2 三維線路場景構建實例

2.1 三維地形環(huán)境建模

蘭州—張掖三四線是國家“十三五”期間鐵路發(fā)展規(guī)劃的重大項目，線路起于蘭州中川機場，向西經(jīng)永登、天祝、古浪、武威、金昌、山丹至甘肅省張掖市。本文選取永登至天祝段局部區(qū)域，利用正射遙感影像圖、數(shù)字高程模型等信息數(shù)據(jù)，基于Autodesk公司開發(fā)的基礎設施方案設計軟件Infraworks（支持GIS、CAD、BIM數(shù)據(jù)的導入），選擇“新建”命令創(chuàng)建新模型，進入“創(chuàng)建、管理和分析基礎設施模型”模塊，選擇數(shù)據(jù)源，打開Raster類型數(shù)據(jù)，分別加載遙感影像與DEM數(shù)據(jù)并將其疊加處理，生成該區(qū)域三維地形模型。三維地形提供了充分豐富的信息，根據(jù)鐵路為帶狀結構物的特點，通過對遙感影像的解譯，初步研判控制性工程的水文、地質等情況，確定線路起終點及大致走向，選定并截取永登至天祝范圍內鐵路走廊帶，如圖8所示。

圖8 永登—天祝鐵路走廊帶三維地形模型

2.2 構造物及附屬設施建模

基于高分辨率遙感影像與數(shù)字高程模型建立的三維地形環(huán)境，選取線路設計控制點的三維坐標控制線路走向，對方案線路上的橋梁、隧道、路堤、路塹、接觸網(wǎng)等構造物及附屬設施分別進行設置并可進行參數(shù)化設計。線路、橋梁模型參數(shù)如表3所示。

在三維地形場景中模擬出擬定的鐵路線路并進行三維漫游，方便快捷地查看設計效果，對線路的幾何線形以及景觀協(xié)調做出判斷。線路、橋梁、隧道三維建模圖如圖9所示。

表3 線路、橋梁模型參數(shù)

圖9 鐵路線路三維模型

2.3 模型效果

在三維場景下可對鐵路線路方案進行日照分析及效果對比，真實地模擬和展現(xiàn)一年中任意時刻的日照、風速、云量等自然環(huán)境對鐵路線路的影響。某段線路2018年1月1日6：00、12：00、18：00的日照效果圖如圖10所示。

圖10 鐵路線路日照分析

在初步選定線路走向并完成三維建模后，可對在場景下構建的線路方案進行自動漫游、交互漫游、地面漫游、錄制視頻動畫，形象逼真地展現(xiàn)設計線路方案在三維場景下的效果。自動漫游可將沿線路設計中線作為漫游路徑自動生成三維漫游；交互漫游可實現(xiàn)對三維場景進行控制和對選定方案線路的靜態(tài)觀察；根據(jù)設定的視點高程，可實現(xiàn)對三維場景高空漫游；通過創(chuàng)建故事板可對三維線路漫游場景錄制視頻動畫并進行文件保存。

3 結束語

本文結合高分辨率遙感影像與數(shù)字高程信息，構建起三維地形環(huán)境，直觀表現(xiàn)研究區(qū)域內復雜的地形地貌特征。通過虛擬現(xiàn)實中的各種構造物及附屬設施，構建鐵路三維場景，可實現(xiàn)方案比選、實時漫游、方案展示、日照分析等功能，使得設計人員在鐵路項目可行性研究階段即可借助計算機虛擬環(huán)境進行方案比選及方案展示，并可以獲取三維線路場景豐富的空間和屬性信息。

鐵路BIM三維線路場景的構建，實現(xiàn)了鐵路選線環(huán)境的三維可視化。后續(xù)工作可以進一步提高鐵路線路三維場景模型精度，完善與其他工點精細化模型協(xié)同設計。基于BIM模型的鐵路數(shù)字化、智能化、三維可視化、信息化將成為未來鐵路發(fā)展的方向和趨勢，隨著BIM技術的不斷發(fā)展完善，將逐步實現(xiàn)鐵路設計、建設、運維一體化，BIM應用貫穿鐵路項目全生命周期信息化管理。