铁路站房建筑BIM快速建模技术方法研究

魏英洪，邱世超，王然

（中国铁路设计集团有限公司信息化院，天津 300142）

0 引言

铁路站房建筑的运维管理对于保障相关设施的安全运行具有重要意义，而传统管理手段基于二维图纸及资料表格，管理效率相对低下。BIM技术的引入，可实现管理场景三维可视化以及信息共享化，将极大地提高运维环节中的信息智能化管理水平［1］。

实现铁路站房建筑的BIM 化运维管理［2］，首要任务是构建运维管理对象的三维BIM 模型，鉴于目前铁路系统中大量的站房属于既有建筑，因此解决其房屋建筑快速建模的问题是推动BIM 运维管理落地的关键环节。

1 技术方法概述

既有站房BIM 模型快速、准确的构建可实现经济价值最大化。现阶段在实际应用层面上，一般依靠传统技术方法创建运维模型，采用人工逐项构建复杂度较高的站房建筑外立面与具有大量构件的内部构造时，需要耗费大量资源，因此研究利用新的技术手段解决上述类别模型的自动化准确创建，是实现站房建筑BIM快速建模的关键［3］。

（1）建筑外立面模型的快速创建。目前，建筑物外立面的三维重建方法主要有基于深度检测设备直接获取三维点云数据［4］和基于图像［5］的三维重建2 种，前者通过深度测距设备（如激光雷达）直接获取目标对象表面的三维点云模型，虽然该方法重建的三维外立面模型精度较高，但是设备成本昂贵；后者利用数码影像设备拍摄的图像，通过三维坐标体系转化软件重构建筑外立面三维模型，具有实施方便且重建模型包含纹理信息等特点［6］，因此得到普遍应用。采用基于图像的三维重构方法，探索适用于站房建筑外立面BIM模型快速创建的技术路线。

（2）建筑内部构造模型的快速创建。Revit 作为目前全球建筑市场普遍采用的BIM 设计软件，提供了强大的原生建模功能和丰富开放的二次开发接口［7］。基于Revit 软件，针对站房建筑物内部构造特点可进行自主开发或购买商业化的快速建模工具集。以站房建筑内部构造涉及专业多、系统复杂为需求目标，进而探索出适用于多种类型构件快速建模的技术路线。

2 关键技术

2.1 利用数码影像构建建筑外立面模型

基于围绕目标物体所拍摄的图像恢复空间三维场景是一项复杂的坐标体系计算转化工作，相片中包含相机内参（焦距、视角及变形等）、特征匹配点及针孔成像极坐标关系，但相机的外参（空间位置及角度等）未知，需要利用射影几何和欧式几何规律，通过对匹配点的不断解算和迭代优化来反算出相机的外参，最终再推算出各特征匹配点在空间的关系，以达到重构三维坐标系统的目的［8］。目前，该技术成熟的解决方案包括以下2种：

（1）利用数码相机阵列拍摄，并通过软件自动生成拍摄物的三角网格模型。实现该技术方法的关键要素是对影像自动建模软件的选取，分别采用Context-Capture Master 和Agisoft Photoscanner 作为模型生成软件，通过对比可以发现前者生成的模型要更为精确（见图1、图2）。

（2）利用数码相机拍摄，并通过专用程序将相片组进行人工标定，解算空间方位后，人工绘制空间几何图形［9］。基于该方法，以廊坊高铁站为例进行试验性研究，利用PhotoModeler scan 作为研究样本软件，在软件操作界面中选择相片上容易辨识的特征点作为标记点位，然后在相片视图中将标记点连接成线，再形成面，自动在3D 空间生成对应的线和面。在获得关键点和主要图形后，将模型输出到3DMAX 中进行后期编辑，最终形成立面模型。廊坊高铁站数码影像与三维模型见图3。

图1 采用ContextCapture Master的效果

图2 采用Agisoft Photoscanner的效果

图3 廊坊高铁站数码影像与三维模型

2.2 参数化快速建模技术

站房建筑内部构造可分为建筑、结构与机电三大专业，这些专业下的构件建模规律性强且数据量大，Revit 提供的原始功能并不能通过程序化的处理将设计人员从繁琐的BIM 建模工作中解放出来，因此需要借助Revit 二次开发接口编写工具集对其原始功能进行伸展，可为用户在Revit 平台上扩充相应的功能或定义新的功能提供便捷性。

基于Revit 实现快速建模的途径分为使用自主开发和商业化快速建模工作集2 种方式，无论采用哪种方式，均以天正二维CAD设计图纸为数据源［10］，其源文件需要严格的设置分层标准，将不同属性的图形对应相应的图层，然后将源文件转化为中间格式的数据文件，并将其导入到快速建模工具集中，一键式生成内部构造模型。其快速建模作业流程见图4，模型生成效果见图5。

图4 快速建模作业流程

图5 模型生成效果

3 结束语

运维模型与设计、施工阶段的模型在空间几何和信息方面有着不同的要求，为实现BIM 运维系统三维可视化引擎对模型的高效显示与操作，运维模型应该以几何外观满足运维需求为建模目标，进而降低对模型精细度的要求。从铁路站房BIM 运维管理应用模型的快速构建需求出发，分别针对建筑的外立面模型与内部构造模型提出快速建模技术路线，为实施基于BIM的运维管理项目时快速获得三维模型提供了技术支撑，从而将更多的时间和人力应用在业务功能的实现上，以适应市场需求，实现更好的经济和社会效益［11］。