铁路BIM应用三维线路场景构建研究

夏 宇 ，谭衢霖,2，蔡小培，秦晓春

（1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.北京交通大学 线路工程勘测空间信息技术研究所，北京 100044）

建筑信息化模型（BIM）是一个完备的、多层次的三维信息模型[1-2]，能够将工程项目全寿命周期不同阶段的信息、过程和资源集成在一个模型中，通过信息交流来实现项目工程协同设计，满足工程项目建设发展的要求。同建筑行业相比，铁路项目有其自身的特殊性[3]，涉及专业繁多且庞杂、覆盖区域范围广、距离长、构造物繁多、地形地质条件复杂，使BIM技术在铁路行业的应用带来了诸多困难。当前，BIM在铁路行业的三维场景构建应用已有一些研究，如文献[4]实现了基于E-R模型的虚拟高速铁路场景组合建模方法,建立了具有符合实际标准和高度仿真感觉的虚拟高速铁路场景；文献[5]实现了基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统；文献[6]研究了基于遥感信息的选线系统地理环境建模方法及应用。目前，铁路行业的BIM应用还处于起步阶段，由于行业标准缺失、三维协同设计理念缺乏、辅助建模软件支撑不足等原因，未能形成一个完整的技术体系，还远未发挥BIM技术在铁路项目全生命周期中的价值。

本文针对铁路线路建设前期工作阶段，应用BIM技术建立铁路线路三维场景，旨在直观表达地理环境空间对象间的关系，实现对空间对象三维空间分析和操作，满足线路勘察设计对数据可视化、空间分析等方面的需求，从而进行线路方案优化设计与决策，提高线路设计效率、直观地观看设计效果。

1 铁路三维线路场景构建

在铁路项目建设前期工作阶段，利用卫星遥感技术获取目标区域范围的遥感影像与数字高程信息，建立三维地形环境模型。根据研究区域空间位置信息，构建铁路构造物、沿线附属设施等三维模型。基于构建的铁路BIM三维场景，确定线路初步走向，实现三维场景下线路场景展示、实时漫游、动态浏览、方案比选。线路三维场景构建流程如图1所示，并支持外部数据源的导入。

图1 铁路BIM三维场景构建流程图

1.1 三维地形环境建模

铁路BIM三维场景所需的地理信息包括数字正射影像图、数字高程信息等[7-8]。数字正射影像图与数字高程信息相结合，可建立起逼真的地形环境，是构建铁路线路三维场景的基础。

高分辨率卫星遥感影像提供了充分、丰富、精确的信息，通过对高分辨率、多光谱卫星遥感影像的解译，可以对控制性工程的水文、地质等进行前瞻性评估、优化线路设计方案、规避线路方案设计风险。能清楚的反映出地物、地貌、水系分布，提高了铁路选线设计工作的质量。当前，高分辨率卫星主要有高分一号、高分二号、高分三号、ALOS 、Planet Labs 、IKONOS 、Quick Bird、GeoEye-1 、WorldView等，不同分辨率的遥感影像可适用于铁路项目建设的不同阶段，目前常用的高分辨率卫星遥感影像如表1所示。

数字高程模型（DEM）描述了地面高程信息，可对地形进行数字化模拟，是建立三维地形的重要数字信息。获取DEM的方法通常有地面测量、航空摄影测量、卫星立体测图、采集现有地形图等，DEM获取方式如表2所示。

表1 高分辨率卫星影像数据源

表2 DEM获取方式

数字地形模型是三维地形建模的关键，根据获取的DEM数据，可生成不同形式的表面来表示实际地形空间分布，常用的三维数字地形模型表达方式主要有不规则三角网和等高线地形图。不规则三角网模型如图2所示，等高线模型如图3所示。

图2 不规则三角网模型

图3 等高线模型

将遥感影像与数字地形模型相叠加，利用计算机可视化技术可建立大范围三维地形模型。在三维地形环境下可以初步确定线路起终点及线路基本走向，在较大范围内进行线路方案比选，选择线路走廊带，而后截取带状范围可构建线路走廊带。某线路局部三维地形模型如图4所示。

1.2 铁路构造物建模

图4 某线路区域局部三维地形模型

铁路构造物的类型众多、结构复杂，在三维环境下根据基础数据建模需要繁多的参数控制，精细建模需要花费大量的时间精力。在铁路选线前期阶段，可采用简单的空间几何形体模拟构造物模型，如用长方体表示轨枕、梯形体表示道床、圆柱表示桥墩。针对不同类型铁路线路构造物分别进行建模，如图5所示。

图5 铁路线路构造物

根据线路桩号位置建立构造物三维模型，将三维模型空间数据与属性数据相集成[9-10]，更改三维模型属性信息即可对三维模型实时更新，实现对其控制和变换，营造出逼真的三维场景空间，实现铁路构造物的可视化、信息化。某一小段局部线路和桥梁的三维建模图如图6所示。

图6 构造物三维模型

1.3 铁路附属设施建模

铁路附属设施包括接触网、警示牌、警示桩、标志牌等。为三维展示铁路线路沿线附属设施景观，通过在路基两侧计算出铁路附属设施对应的空间地理坐标，选取特定模型通过旋转、缩放和平移操作，将模型在铁路沿线特定位置进行绘制。接触网、警示牌三维模型如图7所示。

图7 附属设施三维模型

2 三维线路场景构建实例

2.1 三维地形环境建模

兰州—张掖三四线是国家“十三五”期间铁路发展规划的重大项目，线路起于兰州中川机场，向西经永登、天祝、古浪、武威、金昌、山丹至甘肃省张掖市。本文选取永登至天祝段局部区域，利用正射遥感影像图、数字高程模型等信息数据，基于Autodesk公司开发的基础设施方案设计软件Infraworks（支持GIS、CAD、BIM数据的导入），选择“新建”命令创建新模型，进入“创建、管理和分析基础设施模型”模块，选择数据源，打开Raster类型数据，分别加载遥感影像与DEM数据并将其叠加处理，生成该区域三维地形模型。三维地形提供了充分丰富的信息，根据铁路为带状结构物的特点，通过对遥感影像的解译，初步研判控制性工程的水文、地质等情况，确定线路起终点及大致走向，选定并截取永登至天祝范围内铁路走廊带，如图8所示。

图8 永登—天祝铁路走廊带三维地形模型

2.2 构造物及附属设施建模

基于高分辨率遥感影像与数字高程模型建立的三维地形环境，选取线路设计控制点的三维坐标控制线路走向，对方案线路上的桥梁、隧道、路堤、路堑、接触网等构造物及附属设施分别进行设置并可进行参数化设计。线路、桥梁模型参数如表3所示。

在三维地形场景中模拟出拟定的铁路线路并进行三维漫游，方便快捷地查看设计效果，对线路的几何线形以及景观协调做出判断。线路、桥梁、隧道三维建模图如图9所示。

表3 线路、桥梁模型参数

图9 铁路线路三维模型

2.3 模型效果

在三维场景下可对铁路线路方案进行日照分析及效果对比，真实地模拟和展现一年中任意时刻的日照、风速、云量等自然环境对铁路线路的影响。某段线路2018年1月1日6：00、12：00、18：00的日照效果图如图10所示。

图10 铁路线路日照分析

在初步选定线路走向并完成三维建模后，可对在场景下构建的线路方案进行自动漫游、交互漫游、地面漫游、录制视频动画，形象逼真地展现设计线路方案在三维场景下的效果。自动漫游可将沿线路设计中线作为漫游路径自动生成三维漫游；交互漫游可实现对三维场景进行控制和对选定方案线路的静态观察；根据设定的视点高程，可实现对三维场景高空漫游；通过创建故事板可对三维线路漫游场景录制视频动画并进行文件保存。

3 结束语

本文结合高分辨率遥感影像与数字高程信息，构建起三维地形环境，直观表现研究区域内复杂的地形地貌特征。通过虚拟现实中的各种构造物及附属设施，构建铁路三维场景，可实现方案比选、实时漫游、方案展示、日照分析等功能，使得设计人员在铁路项目可行性研究阶段即可借助计算机虚拟环境进行方案比选及方案展示，并可以获取三维线路场景丰富的空间和属性信息。

铁路BIM三维线路场景的构建，实现了铁路选线环境的三维可视化。后续工作可以进一步提高铁路线路三维场景模型精度，完善与其他工点精细化模型协同设计。基于BIM模型的铁路数字化、智能化、三维可视化、信息化将成为未来铁路发展的方向和趋势，随着BIM技术的不断发展完善，将逐步实现铁路设计、建设、运维一体化，BIM应用贯穿铁路项目全生命周期信息化管理。