夏永俊，李樓，劉全海

(1.常州市軌道交通發(fā)展有限公司，江蘇 常州 213022； 2.常州市測繪院，江蘇 常州 213003；3.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213003)

1 引 言

近年來，BIM技術(shù)在軌道交通上的應(yīng)用發(fā)展迅速，包括北京、上海、廣州等特大城市在地鐵建設(shè)與運(yùn)維中都深入地應(yīng)用了BIM技術(shù)，部分城市已經(jīng)試點(diǎn)了地鐵建設(shè)全過程從設(shè)計(jì)到施工再到運(yùn)維的BIM化。BIM技術(shù)的應(yīng)用給地鐵建設(shè)帶來了直接經(jīng)濟(jì)效益，不僅優(yōu)化了部門管理職能，還真正地縮短了建設(shè)周期，提高了建設(shè)質(zhì)量。而GIS技術(shù)是一門相對成熟的技術(shù)，一直都作為軌道交通建設(shè)與發(fā)展的技術(shù)支撐。由于GIS系統(tǒng)基于空間數(shù)據(jù)庫，對于大場景的顯示具有很好的效率，但是對于細(xì)節(jié)的顯示卻一直存在較大的不足。而BIM技術(shù)先天具有顯示進(jìn)行，信息豐富的特點(diǎn)，為GIS技術(shù)更加深入的應(yīng)用提供了有益的補(bǔ)充[1，2，5]。而BIM模型都是基于三維的立體空間來設(shè)計(jì)的，為了完整地展示BIM模型細(xì)節(jié)，必須以三維的方式來呈現(xiàn)，傳統(tǒng)二維GIS不足以支撐BIM技術(shù)的完整應(yīng)用。BIM技術(shù)只有跟3DGIS結(jié)合才能發(fā)揮更大的效用。而BIM、3DGIS的本身技術(shù)體系是不一樣的，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也有明顯不同之處，兩者之間的結(jié)合也涉及更多的技術(shù)細(xì)節(jié)。本文從軌道交通數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立、BIM模型轉(zhuǎn)換、再到BIM與3DGIS數(shù)據(jù)融合等方面進(jìn)行了研究，并實(shí)現(xiàn)了若干BIM與三維GIS結(jié)合的應(yīng)用，形成了一套完整的技術(shù)路線。

2 技術(shù)路線

在軌道交通建設(shè)運(yùn)維過程中，要實(shí)現(xiàn)BIM與3DGIS結(jié)合應(yīng)用需要打通四大重要環(huán)節(jié)：①符合軌道交通應(yīng)用的BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立；②BIM數(shù)據(jù)向3DGIS的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)庫建設(shè)；③高效的3DGIS+BIM模型三維可視化軟件平臺(tái)建設(shè)；④3DGIS下軌道交通BIM應(yīng)用體系建設(shè)，圖1所示為軌道交通BIM+3DGIS技術(shù)框架。

圖1 軌道交通BIM+3DGIS技術(shù)框架

2.1 軌道交通BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

軌道交通項(xiàng)目整個(gè)生命周期中參與方眾多，產(chǎn)生的信息類型復(fù)雜，形式多樣，數(shù)量龐大，使得在管理的過程中信息溝通不暢、信息流失嚴(yán)重，在很大程度上制約了項(xiàng)目管理水平和管理效率的提高。因此，需統(tǒng)一設(shè)計(jì)、施工、安裝、運(yùn)維等不同階段不同部門所生產(chǎn)的信息資源，提升各參與方的信息聯(lián)動(dòng)性與協(xié)同性，實(shí)現(xiàn)信息資源的有效傳遞與共享。

2.2 BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及建庫

在工程建造的不同階段需要用到不同的軟件，如在工程設(shè)計(jì)階段應(yīng)用較多的是Revit、Arch2012、Sketchup、天正建筑、犀牛、Magicad、Naviswork，在施工階段主要有廣聯(lián)達(dá)算量、魯班算量、魯班PDS等軟件，在運(yùn)維階段，則有ArchiBUS。這些軟件都是BIM常用軟件，工程項(xiàng)目BIM落地大多基于以上軟件平臺(tái)的應(yīng)用。然而，3DGIS跟BIM軟件本身的技術(shù)體系就不一樣，三維GIS平臺(tái)更加關(guān)注數(shù)據(jù)的展示功能，BIM軟件關(guān)注工程各個(gè)階段的具體應(yīng)用，原始數(shù)據(jù)不同的軟件其格式也各不相同，三維GIS平臺(tái)也無法直接高效地展示這些數(shù)據(jù)。因此BIM數(shù)據(jù)格式的交換是BIM與3DGIS應(yīng)用結(jié)合最基礎(chǔ)也最關(guān)鍵的技術(shù)之一。

BIM數(shù)據(jù)庫的建設(shè)也是關(guān)鍵之一，軌道交通建設(shè)本身就涉及大量的數(shù)據(jù)，單靠紙質(zhì)、電子文檔等方式來管理十分繁雜，只有充分利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將數(shù)據(jù)有效進(jìn)行管理組織，才能為應(yīng)用提供支撐。BIM數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)既要符合業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，又要與GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行耦合，相互補(bǔ)充。BIM數(shù)據(jù)庫建設(shè)應(yīng)該遵循軌道交通BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足可擴(kuò)展需求。前期應(yīng)當(dāng)梳理清楚關(guān)鍵屬性字段，能夠關(guān)聯(lián)已有應(yīng)用系統(tǒng)。在后期業(yè)務(wù)梳理過程中，能夠進(jìn)行便利的擴(kuò)展，能夠支撐新的功能開發(fā)。

2.3 BIM模型三維可視化

三維GIS軟件有別于BIM設(shè)計(jì)、算量、運(yùn)維等軟件的最大不同就在于它是基于大場景的，需要承載海量的地理空間數(shù)據(jù)。而BIM三維模型相較于傳統(tǒng)的城市三維模型(包括人工精細(xì)三維模型、傾斜三維模型、其他自動(dòng)建模三維模型等)，具有更高的數(shù)據(jù)密度，單位空間體積內(nèi)的三角面片更多。特別是大批量BIM模型集成到三維平臺(tái)后，數(shù)據(jù)量的大增，將是傳統(tǒng)數(shù)字城市三維平臺(tái)所必須考慮的，對于三維引擎性能、數(shù)據(jù)分發(fā)都提供了更為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

2.4 軌道交通BIM+3DGIS應(yīng)用體系

軌道交通BIM與3DGIS技術(shù)的研究最終都是為了實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)的應(yīng)用應(yīng)該包含建設(shè)前期的應(yīng)用、施工階段應(yīng)用以及軌道交通運(yùn)維階段的應(yīng)用。各個(gè)階段的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)形成體系，支撐各階段需求，創(chuàng)造應(yīng)用價(jià)值。在前期，利用3DGIS平臺(tái)可以進(jìn)行城市軌道選線，進(jìn)行線路、車站的設(shè)計(jì)方案的三維可視化比選等，耿長良[2]就利用了Google Earth在城市軌道交通工程控制網(wǎng)布設(shè)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，而城市3DGIS平臺(tái)一般具有更為詳盡的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性也更強(qiáng)，應(yīng)當(dāng)充分利用；在項(xiàng)目施工階段，利用三維GIS平臺(tái)可以動(dòng)態(tài)地以三維的方式進(jìn)行施工模擬，更為直觀，一方面可以幫助建設(shè)主管部門直觀了解施工具體進(jìn)度，另外一方面可以結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)直接指導(dǎo)工人安裝一些復(fù)雜設(shè)備，提高工作效率，減少出錯(cuò)[3]；在運(yùn)維階段，則可以幫助運(yùn)維人員快速查詢設(shè)備位置，了解設(shè)備資產(chǎn)信息，通過BIM模型與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接實(shí)時(shí)獲取并展示設(shè)備狀態(tài)如攝像頭數(shù)據(jù)、車輛實(shí)時(shí)位置三維模擬等，顯示相關(guān)信息等，輔助決策以提高運(yùn)維安全性，節(jié)省成本。

3 軌道交通BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

根據(jù)常州市軌道交通建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，為了有效利用BIM技術(shù)提升工程建設(shè)效率，加強(qiáng)管理能力。項(xiàng)目參與單位多次討論研究建立了常州市軌道交通BIM建模標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了工可與總體設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段、竣工交付階段的具體建模范圍。同時(shí)，為了支撐BIM在軌道交通中的深入應(yīng)用，需要解決兩個(gè)方面的問題：一是設(shè)施設(shè)備分類編碼，需建立一套健全、適用的設(shè)施設(shè)備分類編碼體系，以方便分類管理；二是要建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫并實(shí)現(xiàn)BIM模型與GIS平臺(tái)關(guān)聯(lián)，既要符合空間數(shù)據(jù)建庫要求，又能夠與具體業(yè)務(wù)相關(guān)應(yīng)用緊密結(jié)合。

(1)設(shè)施設(shè)備分類與編碼

城市軌道交通項(xiàng)目涉及多種專業(yè)的設(shè)施設(shè)備，僅設(shè)備就有1 000余種，且設(shè)備間接口復(fù)雜，管網(wǎng)密布。不同部門采用不同的設(shè)施設(shè)備分類編碼體系及數(shù)據(jù)格式，信息的不一致性導(dǎo)致了各階段的“信息孤島”等問題，即若建設(shè)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營維護(hù)，各階段的設(shè)施設(shè)備信息采用不同的分類編碼體系，難以開展設(shè)施設(shè)備的統(tǒng)一化管理。需立足于城市軌道交通全生命周期，建立統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的城市軌道交通設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)庫。本項(xiàng)目參考了上海軌道交通既有的設(shè)施設(shè)備分類編碼體系，基于建筑信息模型(BIM)技術(shù)研究，建立城市軌道交通全生命周期的設(shè)施設(shè)備分類編碼體系。該分類編碼體系是以城市軌道交通資產(chǎn)管理的分類編碼為基礎(chǔ)進(jìn)行編制的，劃分了21類，具有唯一性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，可兼容既有的設(shè)施設(shè)備分類編碼體系，并能夠滿足城市軌道交通運(yùn)營維護(hù)管理的需求。

(2)BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與3DGIS平臺(tái)關(guān)聯(lián)

實(shí)際上在設(shè)施設(shè)備分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)體系中即應(yīng)當(dāng)包含此部分內(nèi)容，搭建設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)庫首先要解決設(shè)施設(shè)備的“身份”問題，即分類與編碼。為了能夠與GIS系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，建立BIM數(shù)據(jù)庫內(nèi)各個(gè)設(shè)備與相應(yīng)軟件系統(tǒng)的紐帶。在具體工程實(shí)踐中至少需要兩個(gè)重要的字段。一是設(shè)備的唯一ID碼，這是進(jìn)行各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)信息交換的基礎(chǔ)。二是設(shè)備的位置碼。位置碼應(yīng)當(dāng)能夠包含設(shè)備準(zhǔn)確的空間位置信息，這樣3DGIS信息系統(tǒng)能夠進(jìn)行快速定位，同時(shí)能夠獲取實(shí)時(shí)空間位置的移動(dòng)設(shè)備在現(xiàn)場快速地查詢附件的設(shè)備信息，支撐相關(guān)應(yīng)用。

4 BIM&3DGIS數(shù)據(jù)融合與可視化

目前基于大場景的能夠融合BIM的三維可視化平臺(tái)中，SuperMap是一個(gè)代表。SuperMap GIS提供了便捷的BIM導(dǎo)入機(jī)制，可直接導(dǎo)入BIM模型，支持主流的BIM數(shù)據(jù)格式，并以關(guān)鍵字段“圖元ID”為媒介，確保模型與屬性一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)從BIM到3D GIS的模型無縫對接、屬性無損集成。國內(nèi)的SkyLine、Vastscene 3D、藍(lán)色星球等3D GIS軟件也均實(shí)現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)的可視化，他們都是基于大場景的，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬地理環(huán)境融合BIM數(shù)據(jù)的三維可視化。用戶可以在各個(gè)三維平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)BIM模型的量測，查詢，分析，自由漫游。

由于BIM數(shù)據(jù)都是面向各個(gè)專業(yè)的不同需求的，不同BIM軟件都有自身的專業(yè)格式，這種專業(yè)格式的數(shù)據(jù)是無法直接在3DGIS平臺(tái)中直接使用的。BIM與3DGIS要能結(jié)合，就必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，BIM模型能夠順利地轉(zhuǎn)換成三維GIS平臺(tái)所支持的數(shù)據(jù)格式。而市面上的3DGIS平臺(tái)所支持的數(shù)據(jù)格式也各不相同，建立各類BIM格式到對應(yīng)三維平臺(tái)支持的數(shù)據(jù)格式勢必存在大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換研究工作，制約了應(yīng)用。當(dāng)前BIM建模軟件品類繁多(如Autodesk公司的Revit、Bentley、ArchiCAD、Dassault公司的CATIA等)，各個(gè)軟件都有自己專門的格式，針對每一類軟件開發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具顯然是十分煩瑣的。而國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)基礎(chǔ)類(Industry Foundation Classes，IFC)已可較為完善地描述建筑工程各專業(yè)有關(guān)信息，成為國際建筑業(yè)數(shù)據(jù)交換的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，得到大量軟件工具的支持。據(jù)IFC標(biāo)準(zhǔn)編制組織官方統(tǒng)計(jì)資料，當(dāng)前支持IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)出的設(shè)計(jì)與建模軟件已有45種之多。因此，基于IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軌道交通BIM模型轉(zhuǎn)換與共享，可有效減少數(shù)據(jù)重復(fù)建模成本，提高效率[9，10]。本文基于開源IfcOpenShell庫，開發(fā)一套將IFC格式的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為3DMAX模型文件的工具，而3DMAX文件則可以導(dǎo)出市面上幾乎所有三維GIS平臺(tái)支持的三維模型文件?；贗fcOpenShell進(jìn)行開發(fā)[11，12]，本文實(shí)現(xiàn)了IFC文件中全部屬性數(shù)據(jù)的提取，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的XML文件，供后續(xù)應(yīng)用，并對MAX模型對象賦予了唯一GUID，能夠與屬性文件XML進(jìn)行關(guān)聯(lián)查詢，做到了屬性與幾何的完整轉(zhuǎn)換。圖2是常州市軌道交通某換乘站相連的地下空間商業(yè)綜合體BIM模型轉(zhuǎn)換效果圖。

圖2 文化宮站BIM模型轉(zhuǎn)換結(jié)果

解決了BIM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的問題，就可以將BIM模型與傳統(tǒng)數(shù)字城市模型進(jìn)行融合展示了。但是BIM模型相較于傳統(tǒng)數(shù)字城市三維模型具有更高的數(shù)據(jù)密度，由于模型的細(xì)節(jié)程度特別高，數(shù)據(jù)量十分龐大，對三維渲染引擎的要求就特別高。本文利用了VastSence3D三維引擎進(jìn)行二次開發(fā)，建立了軌道交通的三維應(yīng)用平臺(tái)。進(jìn)入VastSence3D場景顯示的三維模型數(shù)據(jù)需要一個(gè)專門的數(shù)據(jù)發(fā)布過程。發(fā)布工具實(shí)際是將三維模型進(jìn)行LOD(多細(xì)節(jié)層次技術(shù))處理，從數(shù)據(jù)層面解決三維場景如何共存BIM與其他海量三維模型，既滿足了場景完整性需求，也提升了瀏覽性能。利用LOD技術(shù)，三維引擎在進(jìn)行場景渲染時(shí)，可以根據(jù)距離等參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)用不同層級的模型數(shù)據(jù)，可以大幅提高場景的渲染效率。本文研究實(shí)現(xiàn)了將一個(gè)軌道交通站臺(tái)及附近地下空間的BIM數(shù)據(jù)集成到三維場景進(jìn)行瀏覽，并取得了不錯(cuò)的瀏覽效率，效果如圖3所示。涉及軌道交通全線所有站點(diǎn)這樣級別的BIM三維模型數(shù)據(jù)量尚未進(jìn)行測試，還有諸多挑戰(zhàn)，這將是后續(xù)研究的重要內(nèi)容。

圖3 軌道交通BIM與3DGIS場景集成

5 軌道交通BIM與3DGIS結(jié)合應(yīng)用

在軌道交通BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系建立后，解決了BIM模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及超大場景三維可視化性能等問題之后，最終的落腳點(diǎn)就是應(yīng)用。包括BIM+3DGIS怎么用、用于何處以及最大程度地發(fā)揮BIM+3DGIS應(yīng)用系統(tǒng)的作用問題。

在項(xiàng)目前期，可以利用3DGIS平臺(tái)進(jìn)行軌道線路規(guī)劃選取，傳統(tǒng)的二維GIS雖然也可以輔助軌道交通線路設(shè)計(jì)工作，但是相較二維GIS平臺(tái)，3DGIS能夠更加直觀地反映立體空間的真實(shí)樣貌，特別是涉及地下空間的建筑物、地下管線等，三維GIS能夠更加清楚地反映出軌道交通線路與相關(guān)對象空間的關(guān)系。利用3DGIS可以進(jìn)行車站等方案的三維比選評審。同時(shí)3DIGS平臺(tái)還可以根據(jù)設(shè)計(jì)的線路、車站等緩沖區(qū)，快速導(dǎo)出現(xiàn)狀管線、地下空間建構(gòu)筑物信息，輔助管線遷改方案設(shè)計(jì)、地下建構(gòu)筑物遷移等工作。應(yīng)用效果如圖4所示。

圖4 軌道交通待遷改管線展示

項(xiàng)目建設(shè)期間，3DGIS可以結(jié)合施工在重要復(fù)雜設(shè)備設(shè)施安裝上進(jìn)行應(yīng)用。由于所有的BIM模型對象都集成到三維GIS平臺(tái)，設(shè)計(jì)與真實(shí)模型基本一致，復(fù)雜設(shè)施的安裝可以綜合利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓工人在不需要特殊專業(yè)知識的情況下，就可以進(jìn)行設(shè)備組裝，提升效率。同時(shí)，三維GIS還可以對施工進(jìn)度進(jìn)行三維模擬，讓管理人員更加直觀地了解施工進(jìn)度等。

項(xiàng)目運(yùn)維階段，3DGIS+BIM平臺(tái)則能集成軌道交通設(shè)施設(shè)備的所有信息，可以快速地查詢各個(gè)對象的屬性信息，如圖5所示。同時(shí)依托三維GIS平臺(tái)，還可以將運(yùn)維過程中的各類信息都集成到平臺(tái)中，如通過物聯(lián)網(wǎng)將各類傳感器(變形監(jiān)測裝置、攝像頭、溫度、濕度等)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成到平臺(tái)進(jìn)行展示[6～8]。3DGIS平臺(tái)的所有數(shù)據(jù)還可以以服務(wù)的方式提供給其他應(yīng)用系統(tǒng)共享。

圖5 BIM模型屬性查詢

6 結(jié) 語

BIM相對GIS技術(shù)是一門較新的技術(shù)，3DGIS技術(shù)在城市規(guī)劃、建設(shè)、城管等領(lǐng)域已有較多的應(yīng)用。BIM技術(shù)在軌道交通建設(shè)方面的應(yīng)用近年來也逐漸深入，BIM更加注重微觀，若能很好地結(jié)合3DGIS，則能相互補(bǔ)充，發(fā)揮更大的價(jià)值。本文總結(jié)了軌道交通BIM與3DGIS結(jié)合應(yīng)用過程中的整體技術(shù)路線，并對技術(shù)路線中相對重要的BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及三維可視化進(jìn)行了介紹。研究過程中，嘗試開發(fā)了軌道交通3DGIS應(yīng)用系統(tǒng)原型軟件，目前也已經(jīng)應(yīng)用到常州市軌道交通建設(shè)中。但是還有諸多待完善的研究，包括系統(tǒng)的數(shù)據(jù)承載量需進(jìn)一步測試提升，移動(dòng)端、WEB端等多端應(yīng)用還需開發(fā)，3DGIS應(yīng)用體系也有待進(jìn)一步完善。