基于BIM+GIS的城市轨道交通选线应用研究

吴祥龙，高 华，解兴申，刘 辉

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

BIM(building information modeling)即建筑信息模型目前已成为改变工程行业的一股风暴力量，其具有独特可视化、参数化、信息化等优势，可为工程全生命周期服务，对提高城市轨道交通设计、施工和运营水平，降本增效，促进城市信息化发展具有重要意义[1-2]。目前，我国已有多个城市在开展城市轨道交通项目中进行BIM应用，北京、上海、深圳、广州、杭州、武汉等城市均已经开展多专业集成BIM应用，基于BIM对城市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[3-4]。

但是不同于传统建筑BIM，城市轨道交通一般位于城区内部，设计需与城市用地规划相契合，且沿线建(构)筑物密集是制约线路走向的重要因素。作为典型长带状线形工程，其线路长、涉及专业众多、与沿线周边环境关系密切[5-7]。必须依托BIM+GIS 应用等技术，从宏观和微观两方面对工程进行信息化管理[8]。目前，在BIM+GIS选线设计过程中主要面临着以下关键问题。

(1)三维可视化大场景领域建模通常采用无人机搭载传感器进行倾斜摄影，获取沿线地面栅格化实景模型，无法直接获取实体对象，不能进行结构化数据管理[9-12]。

(2)地下管线、桩基分布错综复杂，且缺乏相应三维模型，开展BIM正向设计困难。

(3)城市轨道交通涉及专业多达20余个，在目前阶段各专业适用软件及平台无法完全统一，导致数据格式多样化，专业间无法协同，数据不能互通[13-14]。

(4)信息表达形式与深度尚无法完全满足各专业设计需求，导致设计过程对方案分析不够充分[15]。

针对以上问题，基于城市轨道交通设计需求及特点，提出了一种结构化三维环境模型数据标准并形成模型结构树，基于Openrail软件开发了一种兼容多源数据的BIM选线设计平台，生成标准化三维环境实体模型。结合地理信息模型，开发线路设计功能。最后，利用线路设计成果快速生成方案概念模型以及数据分析统计报表辅助方案研究。

1 三维环境模型数据标准

在进行城市轨道交通选线设计过程中，沿线的地面高层建筑、加油站、重要文物建筑等，以及地下管线、桩基等是制约线路走向的重要因素。在目前缺乏地上、地下一体三维实体模型情况下，首先无法全面感知城市轨道交通沿线周边真实情况，其次无法对模型进行对象化管理，导致开展选线BIM正向设计困难。

IFC数据标准是国际通用的基础工业类表达数据规范，利用IFC数据标准可以达到不同专业在不同设计软件之间的数据互通，提高三维环境模型的利用效果[16-17]。IFC标准通过IfcRoot逐级派生实体，完成对构件实体及属性的表达。在模型解析时，基于IFC表达规则可以恢复模型的三维结构及其属性信息[18-22]。本文采用IFC进行三维实体环境模型的表达。图1为3层级管线模型属性结构树：构件、属性分类和参数，表达环境模型的三维几何和最小构件粒度信息。在各专业协同设计过程中，基于同一IFC标准表达的三维环境实体模型开展设计，实现数据共享。

图1 管线属性结构树

2 系统框架设计

线路方案设计既要宏观关注外界环境因素，也要结合具体土建工程对细节方案进行比选。正向设计过程一般需要依据规划线路、现状地貌、规划用地以及勘察资料等资料开展线站位方案研究，同时与各专业进行协同设计，反复优化达到最佳方案。

本文基于Bentely平台下Openrail Designer软件开发选线设计平台。Openrail Designer软件是一款面向市政工程的专业软件，符合带状工程平、纵、横设计的特性。系统设计兼容常见二维DWG设计资料、DNG文件、imodel数据、IFC数据以及实景栅格数据等。系统底层为数据层，以数据库管理模型几何与非几何信息，与模型之间双向联动，并在专业间协作共享同一数据库。主要应用层为自主开发BIM+GIS选线平台，功能涵盖基础模型创建、线路设计功能、全线方案三维模型创建、数据分析等。系统框架如图2所示。

图2 选线平台系统架构

3 选线应用

以某一城市轨道交通项目为试验区，线路全长6.3 km，设站4座，包含地下线和高架线，对线路设计过程中各阶段的应用需求进行测试。

3.1 线路设计

基于自主开发的BIM+GIS选线设计平台，导入上游资料作为线路设计依据，并形成三维环境实体模型辅助方案决策。既有二维规划线路通过DWG格式导入进行参照。现状地形地貌结合三维数字地形和实景模型清晰准确表达地上真实情况，解决实景模型植被覆盖以及高程精度等问题。三维数字网格地形如图3所示，兼容导入模型与测量数据生成两种方式。实景模型如图4所示，通过倾斜摄影生成。

图3 三维数字地形

图4 三维实景模型

规划用地利用规划单位提供DWG文件生成三维实体规划用地模型，并在数据库中储存用地信息，如图5所示。地质模型以勘察单位提供，系统兼容常见模型数据格式，如图6所示。

图5 三维实体规划地块

图6 地质实体模型

利用勘测数据以及扩展结构化IFC数据标准生成标准化三维实体环境模型，包括地上建(构)筑物、地下管线、桩基础等，模型信息与系统数据库双向关联，如图7所示。

图7 标准化三维实体环境模型

基于以上资料可以全面开展线路正向设计工作，利用实景模型进行平面设计，结合地形、地质进行纵断面设计，利用三维实体环境模型进行精确量测、数据统计分析，线路方案设计成果如图8所示。

图8 线路方案比选

3.2 协同设计

线路设计需整合各专业设计模型与GIS地理信息，对线站位方案进行综合分析比较。目前我院在城市轨道交通领域BIM应用软件主要为Autodesk平台下Revit以及Bentley平台下Openrail、Openbridge等，基于选线平台将各专业标准化模型进行集成，综合分析，如图9所示。

图9 模型集成

在正向设计过程中，方案调整与各专业对接协同过程基于同一模型下开展工作，利用共享数据库将修改方案同步调整至相关专业。

3.3 数据统计分析

利用三维实体模型可以轻松获取单体模型数据、精确测量空间距离，从而进行拆迁数据统计、空间限界分析等，如图10、图11所示，对于线路方案分析具有重要意义。

图11 空间限界分析结果

3.4 应用效果评价

与传统轨道交通线路设计相比，基于BIM选线设计平台开展线路正向设计在对接协调、方案汇报、数据分析、设计检查过程中效益提升明显。传统轨道交通设计过程中，由于专业多、二维设计意图难以表达，导致对接沟通困难，存在大量设计反复。同时二维设计方案中数据、属性与元素相互孤立，在进行方案比选过程中无法直接获取数据进行分析研究。

本项目实施过程中基于BIM选线设计平台融合项目中所有控制因素和方案三维模型，清晰直观展示方案成果，各专业基于同一模型开展工作，专业间协调对接往往仅需一次，较传统设计减少30%时间，向各级领导进行方案汇报过程均一次通过。在方案研究过程中，通过实体模型便捷获取数据属性，生成分析报表，较传统设计减少60%时间。同时利用限界检查、三维漫游等功能可以自动获取方案中隐藏问题，大大减少人为因素导致的设计质量问题。

4 结语

推进城市轨道交通工程BIM应用进程是解决当前工程中信息孤岛、各专业对接协调困难的重要手段，为城市进一步信息化、智能化发展提供可行的基础。本文从前期线路正向设计阶段开展研究，从标准化模型、平台系统开发到选线应用，利用全面准确的三维环境模型辅助线路设计，基于标准化的数据结构实现各专业间的数据共享，为选择一条符合规划、经济合理、因地制宜的城市轨道交通线路提供了可借鉴参考的思路。综合分析，得出如下结论。

(1)基于IFC标准创建三维环境实体，可以实现设计输入资料的共享，发挥BIM应用过程中数据价值。

(2)自主开发BIM选线设计平台对数据兼容性较好，能够整合各方信息模型，开展线路正向设计工作。

(3)基于BIM的选线应用对于提升设计效率和设计质量效果明显，对城市信息化建设具有重要意义。