基于BIM-GIS技术的城市轨道交通附属一体化工程应用研究——以北京地铁19号线一期工程为例

苏立勇， 周 轶， 张志伟， 路清泉

(1. 北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京 100068； 2. 城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室， 北京 100068)

0 引言

根据中国城市轨道协会的统计，截至 2019 年底，中国内地开通轨道交通的城市共 40 座，运营里程达6 730.27 km[1]。随着地铁线路开通数量的增加，地面地铁出入口的数量也不断增加。地铁出入口及其附属建筑不仅承载着重要的交通功能，其形象也需要结合城市周边环境综合考虑进行设计。随着BIM、GIS技术的发展，城市环境模型的可视化，可以利用BIM技术辅助城市轨道交通附属一体化设计。

国内目前已有针对BIM、GIS技术在轨道交通及其他工程领域研究的相关文献。高银鹰等[2]从数据分类、建模标准、模型构建及多源异构数据化的标准处理等方面分析了城市轨道交通BIM-GIS技术的融合。谢明霞等[3]从数据集成、功能集成和应用集成3个方面对3D GIS 与BIM 进行了集成，并着重对数据集成进行了分析。王孟钧等[4]从模式、方法及实现过程对BIM和GIS技术集成的有效途径进行分析，通过设计界面、虚拟建造和协同平台3个维度对2种技术集成在城市轨道交通中的应用进行阐述。白文等[5]研究了基于CityMaker 平台的多专业、多种类、多格式的多源BIM 与3D GIS 数据的集成技术路线。在轨道交通附属一体化设计工程相关研究领域，李朴[6]以北京轨道交通房山线北延工程四环路站为例，研究了车站与桥梁共建及附属一体化设计思路。李娟等[7]提出有利于改进车站附属设施用地控制的建议，从而引导车站附属设施用地的预留和发展。基于已有的相关研究文献可知，现有大部分研究是对技术手段和附属一体化设计方法的探讨，没有基于实际项目从BIM全生命周期应用的角度综合分析BIM技术对轨道交通附属一体化建设的推动作用。轨道交通全过程精细化设计与管理已是轨道交通行业大势所趋[8]，依托轨道交通全生命周期的BIM-GIS应用等技术，会更加符合精细化管理、数字化建造的目标。

本文基于北京地铁19号线一期工程已有的实践经验，重点关注附属一体化工程中遇到的实际问题，从实际出发，通过多源数据的概念、关键技术、应用点等方面阐述该技术为轨道交通附属一体化设计带来的新思路，站在建设管理单位的角度梳理附属一体化工程中该项技术的应用点与管理流程，以期为日后的工程项目带来启发和借鉴。

1 概述

1.1 项目简介

北京地铁19号线是一条穿越中心城的大运量南北快线。一期工程南起新宫、北至牡丹园，线路全长22.4 km，全部为地下线，共设置10座车站，8座换乘站，1座车辆段[9]。作为一条穿越北京西部中心城区的南北向快线，沿途城市区域环境面貌差异很大(见图1)，既有满载城市历史记忆的高密度老城区(积水潭站、平安里站)，高端的国家级金融核心区(金融街站)，又有解放后在二环外大规模建造起来的大型居住区(牡丹园站、北太平庄站、牛街站、右安门外站)，尚未充分开发的城市新区(新发地站、新宫站)，确定车站出入口和风亭的数量及位置对平面总布局有很大的影响[10]。尤其是19号线沿线城市环境多样，出入口数量众多，一体化出入口形式多变(见表1，表中数据是截至本论文投稿前北京地铁19号线一期工程各站附属建筑数量统计)，其建设条件及与周边环境协调难度极大，运用何种技术手段把控整体性设计效果是本研究的重点难点。

图1 北京地铁19号线一期工程穿越的不同城市风貌区示意图

表1 北京地铁19号线一期工程车站地面附属设计内容

1.2 BIM、GIS技术应用的必要性

随着时代的进步，市民对城市环境要求越来越高，地铁的附属建筑既需要满足乘客的乘车便捷和地铁功能需求，也需要与城市周边环境协调一致，甚至是与周边规划条件或既有建筑物的结合[11]。北京地铁19号线一期工程新宫站一体化设计轴测图如图2所示。地铁周边建设环境复杂，地面附属设计需要根据地铁(包括车站主体和附属)、周边用地(包括规划情况和权属情况等)、周边建构筑物、管线等相关信息资料，统筹考虑城市景观、地铁功能需求和工程可实施性来确定设计方案。

图2 北京地铁19号线一期工程新宫站一体化设计轴测图

由于地铁地面附属设计一般有2个以上设计单位参与，且建设周期长，经常存在设计接口不统一、数据信息不对称等问题，设计管理难度大；另外，传统的设计手段基本都是通过效果图去体现与城市景观的结合，未能体现真实的周边环境，建成效果难以保证，有些建成后与效果图相差甚远，严重"缩水"，如图3所示。通过BIM、GIS技术可以将相关数据进行整合与展示，借助BIM-GIS平台实现多单位、多专业的协同工作，各参与单位使用统一的数据分析、设计，及时发现设计问题，将会更好地推进轨道交通附属工程的精细化设计管理，提高城市的建设管理水平。

(a) 效果图

(b) 实景图

1.3 面临的技术难题

1)数据格式不统一。为能够准确展示附属的设计理念、立面材质、景观效果等，附属一体化设计单位采用草图大师(SketchUp,简称SU)建模，如图4所示。在设计阶段，为了模型的精确性，设计前期一般连同车站主体用Revit统一建模，无法保证展示的效果，如图5所示。

图4 草图大师模型

图5 车站主体Revit模型

2)数据轻量化困难。BIM模型数据量巨大，尤其对于轨道交通行业[12]，全线不适宜用Revit软件建立附属一体化模型；而且区别于民用建筑，轨道交通工程工期长，跨区多，沿线地形地貌信息、拆迁占地信息等需要实时掌控，因此需要结合GIS技术的空间数据管理以及大场景调度的优势，进行多源数据的融合[13]。

如果想要实现全线环境模型与车站出入口附属模型的良好整合效果，就必须解决数据整合的问题。车站主体模型及地下管线模型采用Revit软件制作，地上环境模型采用3D Max软件制作，而附属出入口则是采用SU制作。每种软件现阶段并不能实现良好的兼容，但是由于BIM和GIS采用了完全不同的数据标准(见表2)，如果能够实现数据集成，将BIM 模型技术与3D GIS宏观场景可视化技术和位置信息相结合，就能够实现城市轨道交通附属一体化工程的可视化展示与管理运营维护。

表2 BIM与GIS数据标准对比[3]

2 多源数据的概念与集成

2.1 BIM、GIS

建筑信息模型(BIM)是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目的各种相关信息的工程数据模型[14]，着重于分析和存储建筑构件内部的信息，但是BIM存在无法加载大范围的空间地理数据的弊端[15]。在北京地铁19号线一期工程中，选用常见的Revit软件制作模型，其中BIM模型的搭建涉及地上建筑、市政道路、桥梁、地下市政管网、地下空间、车站主体(含附属)、机电设备等多专业划分，主要涉及到的 BIM 数据见表3。

表3 BIM数据格式

北京地铁19号线一期项目工程中三维GIS集成了大量的多源数据，包括车站沿线地上建构筑物的模型、地形地貌数据等。GIS技术侧重于地理空间环境信息的宏观表达，能处理海量地形数据，但不能创建精细化内部微观模型[4]。3D GIS数据格式见表4。

2.2 数据标准化处理

CityMaker 软件是国产的优质三维地理信息平台软件，在北京地铁19号线一期工程中选用此软件作为三维引擎对项目中的各类数据进行管理。

为了实现不同格式的数据转化成为数据库平台统一支持的格式数据，需要用数据处理工具对数据进行统一处理。在Citymaker系列软件中，BIM 模型和原始三维模型统一通过空间数据库 FDB进行管理。CityMaker 主要以插件的形式来实现 BIM 模型一键式导出为 FDB；并以中间数据交换格式作为过渡，来实现Max模型导入 FDB。SketchUp 中的三维模型可通过 CityMaker Bulider 或 CityMaker Connect 实现外部数据直接导入 FDB[5]。数据集成的技术路线如图6所示。在CityMaker中加载3D模型、Revit模型及SU模型的示意图如图7-9所示。

图6 数据集成的技术路线[5]

图7 加载3D模型

图8 加载Revit模型

图9 加载SU模型

3 地上附属一体化模型展示

3.1 地铁沿线周边环境模型的搭建

为了使地铁车站沿线地上、地下环境得到最真实的展示(考虑到北京六环内禁飞无人机，因此本项目不采用倾斜摄影的方式来换取线路周边的环境模型)，本项目使用3D GIS技术对地铁车站沿线周边地上、地下环境进行了较为细致的建模，模型要求位置准确、材质清晰、体量真实，尽最大可能还原地上、地下环境的真实面貌。建模数据分类见表5。地上建筑模型见图10，地下模型见图11，地质模型见图12。

表5 数据分类[2]

图10 地上建筑模型

图11 地下模型

图12 地质模型

建模注意事项如下：

1)地表环境。将3D Max文件拆分成建筑、地面、种植的3个文件。

2)建筑。每个单栋建筑为一个组，内容完整无缺漏、形态与现场保持一致，贴图尽量贴近真实。

3)地面。单独成组，且道路应封闭，地面贴图材质分辨率一致，完整车道线。

4)小品。以现场为准，包括立交桥、人行天桥、公交站台，电线杆、停车位及其他临边小构筑物。

5)种植。单独成组，包括建筑周围的绿化/隔离带、人行步道的树木形态、地面铺装等。

6)贴图。要求使用分辨率较高的贴图，尺寸不小于512×512像素，图像大小为768 kb。

3.2 地面附属一体化模型的搭建

在初步设计阶段，使用Revit搭建全线车站主体模型(含附属)，建模深度、范围及要求见表6。在此阶段不需要对车站附属的结构形式、立面材质以及周边景观绿化进行深入的建模，只要达到位置准确的要求即可。初步设计阶段的地铁出入口模型如图13所示。

表6 建模要求

(a) (b)

在附属一体化设计阶段，为了更好地展示地面附属一体化模型，全线采用SU建立地上附属建筑物一体化模型和地面出入口模型，如图14、15所示。建模内容包括车站出入口、建构筑物模型、景观小品、绿化、广场、停车场、河湖、桥梁及周边一定范围内的地上环境模型，达到能够清晰展示建构筑物立面效果、材质、构造以及位置关系的建模深度。

图14 地上附属建筑物一体化模型展示效果

图15 地面出入口展示效果

3.3 整合各阶段设计成果

使用插件将3D Max模型、Revit模型导出为统一格式，载入数据库，在平台直接加载SU模型，整合效果如图16所示，可查看地上地下建构筑物的情况。若后期调整地上附属一体化设计方案，直接添加数据源即可。

图16 模型整合效果

其中需要注意的是，由于SU中展示的地上环境过多，包含大量的树、人、车，使用Builder打开时加载数据量过大，因此应首先删除多余的无关组件，只保留出入口、附属建筑及建构筑物即可；删除SU文件中隐藏组件，这样打开时在Bulider中才不会显示；由于FDB数据缺少投影信息，添加坐标时，模型坐标的偏移量需要根据模型坐标与所在大地坐标差值进行偏移。

4 附属一体化设计应用

4.1 初步应用: 附属一体化方案的展示

地铁附属设施也是城市环境中的有机组成部分，通过BIM的三维模型与仿真技术，对地面附属设计进行协调整合，实现一体化专项设计，确保以人为本、高效、便捷的乘车环境，实现轨道交通与城市的融合，提升城市形象和环境品质。通过各方配合，可以在平台中看到整体的城市环境与轨道交通附属的融合关系，因为地上环境是1∶1真实建模，保证了展示效果的真实性。

4.2 深度应用: 基于BIM-GIS数据平台的应用

为实现多源数据的融合，实现数据信息共享，以及方便后续新建线路的全生命周期的管理，自主研发基于三维GIS引擎的数据库平台，如图17和图18所示。该平台集成规划设计、前期工程、图模管理、计划管理、进度管理、风险管理、安全质量管理、数字化移交及隐患排查等多功能模块。其中，本文所研究的附属一体化工程管理主要依托于规划设计模块进行管理。规划设计模块分为规划分析、规划数据填报、方案分析及方案数据填报4大功能。此外，还可以对地上环境进行实时修改、模型剖切测量等。

图17 数据库平台架构[2]

图18 平台界面设计

方案分析功能如图19所示，可以使用多个窗口同时展示不同方案的拆迁面积、产权单位、路面周围环境的基本信息、车站建筑信息、车站风险源情况。地铁附属出入口的位置设置十分重要，通过地上地下环境的真实展示，可以实现附属出入口方案比选决策的直观与高效。

图19 方案分析功能

在北太平庄站附属方案比选时，先后上传提交不同方案至协同平台，期间通过不断讨论与优化，调整了出入口的立面设计方案、街角绿化小品设计方案、街角风亭位置以及标准出入口设计方案的调整，如图20-22所示。

(a) 街角风亭设计方案1

(b) 街角风亭设计方案2

(a) 标准出入口方案1

(b) 标准出入口方案2

5 结论与建议

本文依托北京轨道交通19号线一期附属一体化工程，开展了全线BIM、GIS数据整合以及应用功能的针对性研究。研究成果在19号线全线推广实施，在业内取得了良好的应用效果评价，推动了基于BIM、GIS技术的轨道交通附属一体化工程的发展。研究和应用过程中得出以下结论与建议:

1)通过建立车站的三维信息模型和数据的集成整合多源数据，可为城市轨道交通工程提供一个可视化的整体设计环境，解决轨道交通附属建筑与周围环境融合的可视化问题，其展现出来的效果比效果图更贴近真实环境。

2)通过北京地铁19号线一期工程的实践，在轨道交通附属一体化工程设计中可以实现多源数据的整合、附属一体化设计方案的比选、分析方案与城市环境的融合度这些方面的初步应用，具有较大价值和可行性。

3)未来随着政府"多规合一"业务协同平台建设工作的不断完善，建设单位可直接将项目相关数据、成果纳入政府规划部门多规合一平台，进一步统筹协调建设需求和管理需求，实现真正的数据共享与实现基于一张蓝图的建设工程项目信息、城市现状二维数据、城市三维地面模型数据和建设工程报批BIM精细模型数据的集成显示和可量化计算与分析。

目前北京轨道交通19号线全线推广BIM-GIS技术也处于一个不断探索的阶段，全线附属一体化也是首次应用BIM-GIS技术来进行项目管理，以往的针对附属一体化的研究案例较少，不够丰富，本文介绍的数据融合方式只是一种目前找到的比较适用的、满足项目管理需求的，但是从数据的融合度、操作的便捷性等方面还有待提升，后续会继续探索数据融合的新方式，从数据层面上打破技术障碍，在项目管理方面实现新的突破。未来随着"BIM+GIS"技术在工程中的继续推广应用和迭代，最终能形成完整且实用的地铁附属一体化工程的设计实施方案。