基于三维地理信息系统与建筑信息模型融合的城市轨道交通线路设计方法*

吕希奎 王奇胜 孙培培

(1.石家庄铁道大学交通运输学院,050043,石家庄；2.石家庄铁道大学土木工程学院，050043，石家庄//第一作者，教授)

0 引言

目前，二维和分专业的城市轨道交通线路设计模式，存在设计意图表达和理解不明确，设计成果对于城市轨道交通运营、维护和管理的服务效果不明显等一系列问题。BIM(建筑信息模型)技术通过参数模型可整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，BIM技术为解决当前城市轨道交通线路设计中存在的问题提供了新思路。BIM软件对模型的承载量有限，不适合长带状线路的规划设计，而3DGIS(三维地理信息系统)具有海量空间数据管理和空间分析能力[1-2]。采用基于3DGIS的可视化环境的城市轨道交通线路设计方法，有利于直观地评价设计效果，进行智能化空间分析和环境影响评价[3]。3DGIS对BIM的支持相对成熟，为BIM提供丰富地理空间信息，可以打开、调用、管理不同BIM软件创建的模型，并且不丢失模型的属性信息。3DGIS是当前被认可的最能解决城市轨道交通长线工程BIM模型集成展示的技术之一[4-5]。但3DGIS对构筑物本身的模型精度不够，无法实现建筑单体内部的碰撞和工程量分析[6-7]。因此，利用3DGIS和BIM技术的各自优势，研究基于3DGIS和BIM技术的城市轨道交通线路设计方法，解决大数据城市轨道交通工程BIM模型集成展示及管理，有效改善目前城市轨道交通设计方法存在的不足具有重要意义。

1 基于BIM和3DGIS的线路设计

1.1 总体思路

基于BIM和3DGIS线路设计的核心思想是：利用3DGIS线路平台确定线路空间位置，输出线路中线三维坐标、车站中心坐标，以及路基、隧道、桥梁起终里程数据，为在Autodesk Civil 3D中进行线路模型构建提供基础数据。Civil 3D作为面向土木工程设计与BIM的解决方案，广泛应用于多种类型的土木工程项目的设计中[8]，因此，本文采用Autodesk Civil 3D软件实现线路整体模型构建。在Civil 3D中读取3DGIS的数字高程模型，构建三维地形场景，导入3DGIS平台的线路设计数据，实现线路设计结果在Civil 3D中自动集成显示。采用Autodesk Civil 3D的部件编辑器实现路基、隧道、桥梁和轨道等参数化设计，自动生成路基、桥梁、隧道等横断面模型。同时，也可将Civil 3D中创建的线路模型导出到Revit 建模软件中进一步详细建模。

1.2 路基三维模型生成

为了便于处理路基各种断面形式，利用Civil 3D部件编辑器参数化功能，实现参数化定置路基横断面。根据定置的路基横断面，利用平纵横线路数据直接生成横断面扫略面，通过横断面扫略生成三维路基实体，实现快速创建路基三维实体模型，如图1所示。

1.3 隧道三维模型生成

在城市中心繁华地区，为将对城市环境影响减少到最小，城市轨道交通线路多采用地下隧道敷设方式[9]。利用Civil 3D部件编辑器定置和装配隧道断面。根据隧道结构，通过定义顶拱半径、侧拱半径、仰拱半径、初次衬砌厚度、二次衬砌厚度等参数控制隧道断面形式。可以根据需要修改各参数，建立不同隧道断面形式。根据定置隧道参数生成的隧道三维模型如图2所示。

1.4 桥梁三维模型生成

在接近市郊而环境条件又允许时, 城市轨道交通多采用地面或高架线路, 以节约投资。本文利用Civil 3D快速建立桥面模型，通过Revit软件土木工程结构扩展模块对桥梁上部和下部结构(桥跨结构、支座、桥墩台、桥面和栏杆等)进行详细建模。Revit桥梁详细建模效果如图3所示。集成在Civil 3D中桥梁模型效果如图4所示。可根据需要修改桥梁模型属性参数，以建立不同桥梁形式。

图2 隧道三维模型

图3 Revit桥梁详细建模效果图

图4 桥梁详细建模后在Civil 3D中的集成效果

1.5 轨道三维模型生成

对于轨道三维模型，利用Civil 3D部件编辑器，通过参数装配控制轨道和断面的几何形状。根据装配参数生成的轨道模型效果如图5所示。

图5 轨道BIM模型效果图

1.6 线路整体模型实现

根据在3DGIS中设计完成的线路里程，自动装配好桥梁、隧道和路基三维模型，组成线路整体模型。在Civil 3D中，可通过三维漫游浏览线路设计效果，如图6和图7所示。此外，还可以生成设计图纸、计算填挖方工程量等数据。

图6 线路整体建模效果图(路基)

图7 线路整体建模效果图(桥梁、隧道)

2 BIM与3DGIS集成实现

2.1 BIM+3DGIS集成技术框架

BIM和3DGIS相集成，线路展示以BIM与3DGIS相结合为技术手段。BIM模型储存几何信息与非几何信息，采用BIM进行桥梁、隧道、路基的模型建立和模型信息分析。利用3DGIS进行地理环境建模、空间分析和线路规划设计，实现线路位置的定位。根据线路工程的特点，通过线路里程与地理坐标的空间关系，按里程将BIM模型转换到3DGIS地理空间中；3DGIS作为承载BIM模型的地理环境，实现线路BIM模型在3DGIS环境中的表达。BIM和3DGIS集成构架如图8所示。

2.2 基于FBX格式BIM模型的集成

FBX是Autodesk用于跨平台的三维数据交换格式，以scene graph结构存储模型所有信息，目前被众多的标准建模软件所支持[10]。

Skyline 3DGIS支持BIM图层 ，可以读取标准FBX BIM文件，保留所有几何信息和属性数据，支持空间查询和属性查询，可以在项目中添加模型信息和更新模型属性数据，增强协作性。因此，本文3DGIS采用Skyline软件，将FBX BIM模型导入到 Skyline 3DGIS中需要设置的参数如表1所示。

以桥梁模型为例，将BIM模型导入到Skyline 3DGIS中的效果如图9所示。

图8 城市轨道交通3DGIS与BIM集成构架图

参数示例数据比例1高程/m101.4X(经度)/(°)114.2Y(纬度)/(°)38.5 注:坐标系统为WGS84 Coordinate System

图9 BIM模型集成到skyline 3DGIS环境效果图

以带有高程信息的线路中心线点位为基础，通过线路里程与地理坐标的关系转换(线路里程转换为3DGIS环境中的经纬度坐标)，计算出BIM模型在3DGIS中的特征点坐标，根据相关特征点坐标集成线路三维模型，集成效果如图10所示。

图10 线路BIM模型在3DGIS中集成效果图

3 结语

利用3DGIS和BIM技术分别整合建筑物外部环境信息和建筑物本身信息，把微观领域的BIM技术和宏观领域的GIS技术进行融合，既能满足构筑物BIM信息的管理，又能满足空间信息的管理。本文采用Skyline 3DGIS平台，综合运用Autodesk Civil 3D、Revit、Navisworks等BIM软件，利用 BIM的思想构造城市轨道交通线路的三维模型，利用3DGIS为城市轨道交通线路提供空间地理环境分析及渲染环境，探索了结合3DGIS和BIM技术的城市轨道交通线路设计方法，初步实现了3DGIS环境中的线路三维设计、BIM专业建模、3DGIS统一管理的设计模式。本研究也为BIM技术应用于城市轨道交通全生命周期设计提供了可以借鉴的思路和方法。本文研究尚属于初步阶段，若要完全实现基于3DGIS与BIM融合的城市轨道交通线路全生命周期设计，还需进行大量的深入研究。