基于三维GIS的铁路BIM空间信息系统构建及其工程应用

王 玮

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)被普遍认为是工程领域的第二次信息革命。在铁路工程中，基于BIM的局部工点设计已经逐步成熟。铁路工程是带状工程，具有范围广、与地形地貌结合紧密的特点，如何在地理信息环境下进行全专业的设计集成应用，一直是传统BIM软件难以解决的问题。GIS提供了解决大范围BIM集成的技术基础。依赖GIS将多工点施工坐标统一到同一地理坐标系,实现对铁路工程完整性及全局性的参考、展示、评估和分析,弥补了BIM在铁路表达上的局限性[1-2]。BIM+GIS被认为是解决长大工程中BIM应用难题的关键技术。近年来国内相关机构和学者对BIM+GIS的理论、方法、标准等进行了深入的研究，提出了基于IFC的BIM数据与GIS数据转换的方法，BIM与GIS之间的几何、语义信息互操作方法等[3-6]。对BIM+GIS的应用也形成了一定的研究成果[7-11]。

本文讨论面向铁路BIM的地理信息融合关键技术，从地理信息数据发布、地理环境下的带状BIM工程设计、GIS平台下的BIM数据转换与集成展示等方面进行分析，提出GIS环境下BIM模型精确定位、工程与地形相结合等关键问题的解决方法，并提出一套完整的BIM+GIS系统构建方案。

1 地理信息对BIM设计的支撑

总体而言，GIS在铁路工程BIM设计中起到两方面的作用：①作为BIM设计地理信息数据服务平台，对设计提供地理信息数据的支撑；②作为设计集成综合展示与空间分析平台，为多专业数据模型集成、碰撞分析等作支撑，如图1所示。

图1 GIS对铁路BIM设计的支撑关系

本文的思路为：首先构建基础地理信息服务，为线路设计提供全局性的大范围DEM、DOM等数据，线路设计成果以概念模型在地理环境下展现；然后根据桥梁隧道等工点范围，以服务的形式提供局部高精度地形数据，支持各专业的详细设计；最后将设计的BIM模型集成到地理信息平台，替换概念模型，并对边坡工程等需要对地形进行修改的设计内容进行集成，形成全专业的BIM模型集成。

2 地理信息数据及服务构建

2.1 地理信息数据处理

铁路工程不同的设计阶段，对地理信息数据的精度要求也不同。在线路廊带选择阶段常采用1∶250 000和1∶50 000的数据；在定线阶段需要1∶10 000和1∶2 000的地形数据才能满足设计要求。

本文采用开放遥感数据+航空摄影测量数据相结合的方式，构建多尺度的DEM+DOM地形表达。大范围的DEM和DOM数据采用开放数据，地面分辨率为2～5 m；铁路沿线范围通过摄影测量制作的2 m分辨率DEM、0.2 m分辨率DOM。多源数据在GIS软件中转换到统一的工程坐标系。

2.2 多源地理信息数据建库

地理信息数据建库是三维GIS数据管理和使用的重要步骤，DEM数据和DOM数据要经过切片和LOD处理，并建立空间索引。为保证数据交换的高效，在高并发下保持极高的IO，切片和空间索引必须采用统一坐标系和分块方法[12]。将多分辨率的DEM、DOM数据进行配准，然后进行统一切片处理并输出为空间数据库。

2.3 地理信息数据服务发布

地理信息服务是地理信息数据对外提供数据支持的接口，支持桌面端和网页端线路设计软件、BIM设计软件，通过标准OGC服务接口获取地形数据。地理信息服务器是空间平台的核心，通过地理信息服务以WMTS服务的形式向客户端提供地形数据[13]。

3 地理信息环境支撑的BIM设计

3.1 地理环境下的线路概念建模

本文采用如下技术路线：以CAD下的铁路专业线路设计软件的设计逻辑[14-15]为依托，引导计算机在地理信息环境下，通过构建基元库、本体知识库及空间语义约束规则，快速建立铁路的概念模型场景[16]。通过开发线路概念建模的软件，实现CAD与地理信息平台的设计表达同步，以基元组合实现桥梁、隧道、路基参数化概念建模。西成高铁线路概念建模的效果如图2所示。

图2 西成高铁线路概念建模

3.2 地理环境下的BIM工点设计

工点设计是概念建模后对局部工程的详细设计。西成高铁项目采用Revit进行桥隧设计，采用Civil3D进行边坡和路基设计。Revit中只能表达工点周边较小范围的地形，通过开发WMTS接口工具软件，实现在工点左右一定范围内DEM数据的自动获取，并自动形成Revit场地模型。Civil3D支持的范围较大且支持地理坐标，可通过文件直接导入从地理信息服务获取的DEM数据。

4 地理环境下的BIM模型集成关键技术

BIM模型与GIS的数据组织有明显的不同，主要体现在两个方面：①BIM模型几何特征丰富，单个构件模型几何细节丰富，其三角网密度远超传统GIS平台可承受的模型密度；②BIM模型语义描述复杂，族库、构件等概念下的多层次语义关系无法直接通过GIS的特征层进行表达。因此，要实现在GIS平台下的BIM模型集成，必须对BIM模型的存储方式进行分析，并对几何特征和语义信息采取不同的处理方式，最终在GIS系统中恢复几何形态和关联表达语义信息。

4.1 BIM构筑物模型信息提取

BIM模型信息的提取是地理信息环境下模型集成的核心问题之一。本文深入研究Revit模型的特点，研究出一套既能保持模型信息，又能最小化模型数据存储的方法。

Revit模型基于族实现设计概念可复用，实现参数化的设计。本项目基于Revit提供的IExportContext接口，扩展了自定义的数据导出程序。本文方法继承了Revit当前视图的参数设置，如族过滤、精细程度等，实现了输出的所见即所得。IExportContext接口将文档所有对象都按元素(Eliment)导出。每个元素由材质、面、多边形网格构成其几何特征，同时具有一个坐标转换矩阵参数及属性特征集。为了尽可能减少输出文件的大小，本文采用了材质库和几何引用的方法。在一个Revit模型文件中，形态相同的对象模型是复用的，因此成百上千的扣件引用了同一个扣件几何对象。通过构建模型库，将Revit中的引用关系继承下来，使得几何相同的对象引用到同一个Mesh模型中。因此可大幅降低导出模型文件大小。属性数据通过唯一的标识符进行关联且直接存储在XML文件或数据库中，需要引用属性时，可通过唯一标识符调用数据。

4.2 BIM构筑物模型空间精准定位

在BIM设计软件中模型建立都在局部的工程坐标系下。当模型集成到地理信息系统中时，必须对模型进行坐标转换。铁路BIM模型的构建都以线路里程为基准，因此定位可以通过线路平纵数据为中介进行转换。Revit建立的局部坐标系为空间直角坐标系，其Z方向为天顶方向，因此Revit局部坐标与地理坐标之间存在4参数转换关系，公式如下

(1)

式中，(X、Y、Z)表示局部坐标值；(X′、Y′、Z′)表示地理空间坐标；(ΔX、ΔY、ΔZ)为局部坐标系到地理坐标系的相对偏移量值；α表示两个坐标系之间的方位角夹角。

通过2个点里程的地理坐标，即可平差计算出(ΔX、ΔY、ΔZ、α)4个未知数，即可确定局部坐标与地理坐标之间的关系。

在西成铁路设计中，通过对不同桥梁、隧道工点模型沿线路进行定位，实现在地理环境下的BIM模型总装，拼接误差优于1 mm。图3为西成高铁十岔沟中桥和清凉山隧道衔接效果。

图3 十岔沟中桥与清凉山隧道精准定位效果

4.3 Civil3D模型信息提取和转换

路基工程、隧道洞口边坡等处理地形设计工作在Civil3D中完成。在Civil3D中可直接导入线路和洞口局部地形数据，其坐标系统也完全一致。洞口边坡的设计，本质是对地形的修改，在GIS平台中，不支持地形修改与原始地形直接对接。本文通过软件研发，将Civil3D设计开挖地形无缝整合到GIS中，算法过程如图4所示。

图4 洞口开挖设计与地理信息整合流程

首先通过从Civil3D中准确提取开挖区域的边界多边形，对原始地形进行精确开挖；然后以边坡模型填补开挖区域，实现了边坡模型与地形的无缝融合；最后将边坡模型与隧道洞口模型进行求交，实现边坡洞口的开挖。最终实现地形、边坡模型、洞口模型的整合。西成高铁清凉山隧道入口集成隧道模型、边坡模型、地形模型的效果如图5所示。

图5 清凉山隧道入口整合效果

4.4 BIM模型轻量化处理与多层级LOD处理

BIM模型的特点是设计细节丰富，对象复杂且数据量巨大。为满足全线BIM模型的无缝流畅浏览，必须对BIM模型进行轻量化处理并建立多分辨率细节层次模型。模型轻量化目前常用如下两种方法[17]：

(1)采用整体模型三角网抽稀的方法，如Skyline的LOD三维格网图层数据库(3DML)。这种方法的优势是人工干预少，可快速建立BIM多分辨率细节层次模型，并且与地理信息系统表达的多分辨率地面模型的层级相适应，显示效率极高。但此方法对锚杆、扣件等小模型产生Mesh面粘连。

(2)采用逐个单体模型Mesh面抽稀再组合的方法。这种方法解决了模型之间的Mesh面粘连问题，但是逐个存储管理降低了索引和存取效率。

本文提出了一种混合的策略，解决效率和效果之间的矛盾：对于模型较大复用率较低的模型，采用一次抽稀的方法建立LOD模型；对于小零件或可复用模型，采取单独抽稀并建立引用的方法。本文方法既保持了模型精细度，又有效降低了外部存储IO，提高了浏览模型加载效率。图6为采用本文方法建立的清凉山隧道轻量化LOD模型效果。

图6 清凉山隧道LOD分层模型浏览效果

5 铁路BIM空间信息平台构建

以西成高铁试点项目工程BIM设计为例，其设计采用Autodesk、Revit、Civil3D实施。三维GIS平台采Skyline为主体平台，采用SOA服务架构，结合自主研发的模型处理模块实施。

在铁路设计中，利用本平台可实现对构建的统一管理，在设计阶段实现模型的集成、属性信息的管理与维护、构件统计与工程算量、断面提取等功能。在工点衔接处，可通过多专业BIM模型集成，检测工点碰撞，及早发现和修正设计问题。通过构件统计实现工程量的估算，为评估工程造价作支撑。

6 结 语

BIM+GIS作为解决长大铁路工程BIM应用的核心技术，近年来受到业内外的广泛关注。本文结合西成铁路的设计需求，构建了用于铁路BIM设计集成的GIS空间信息平台。在此过程中，研究并解决了线路概念模型构建、多专业多类型BIM模型数据信息提取、空间基准统一与基于线路坐标的模型定位、地形开挖、海量模型轻量化与多层次细节显示策略等关键技术，形成了一套完整的BIM+GIS铁道工程技术解决方案。本文的成果在西城铁路设计中得到了应用和验证，并且可在其他带状工程BIM设计中使用。