城市軌道交通BIM-GIS融合技術研究與實現(xiàn)
摘要：分析了城市軌道交通BIM-GIS融合技術的研究路線、數(shù)據(jù)分類、建模標準、模型構建、多源異構數(shù)據(jù)標準化處理， 并通過實例研究了BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺的實現(xiàn)目標、技術路線、系統(tǒng)構架和功能。實踐證明，融合BIM和GIS技術進行平臺實現(xiàn)，提升了城市軌道交通系統(tǒng)復雜數(shù)據(jù)信息的智能化應用水平。
關鍵詞：BIM；GIS；融合；城市軌道交通；數(shù)據(jù)庫平臺
目前，BIM技術在我國已廣泛應用于建筑行業(yè)，尤其是在民用建筑領域、BIM標準、基礎軟件及管理平臺均較成熟。城市軌道交通工程因屬于線性工程，不僅跨線長、跨區(qū)多、涉及專業(yè)多、協(xié)調難度大，而且周邊環(huán)境復雜，安全要求高，因此其建設運營一體化應用的需求較為集中。但現(xiàn)階段，城市軌道交通工程應用BIM技術還存在諸多問題：
① 城市軌道交通工程的基礎BIM軟件尚不成熟，未能形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準；
② 城市軌道交通工程建設涉及的環(huán)境因素多、條件復雜，傳統(tǒng)的 BIM技術無法集成所有的數(shù)據(jù)信息；
③ BIM模型數(shù)據(jù)量大，模型輕量化技術和移動互聯(lián)技術落后，限制了其在設計、施工中的便捷應用。為此，筆者借助GIS技術的空間數(shù)據(jù)管理、大場景調度等優(yōu)勢，將BIM與其融合開發(fā)了基礎的BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺，進行了基于BIM的建設、運維、管理的技術應用研究DT。
1.1 研究路線
BIM-GIS融合技術的研究路線是：首先，分析城市軌道交通工程建設過程中的BIM數(shù)據(jù)種類及來源；其次，確定BIM模型數(shù)據(jù)的構建標準;最后，研究模型數(shù) 據(jù)處理工具，將BIM模型標準化處理為GIS數(shù)據(jù)，以便于基礎數(shù)據(jù)庫平臺加載。BIM-GIS融合技術研究路線見圖1。
1.2 BIM數(shù)據(jù)分類
城市軌道交通工程涵蓋的BIM數(shù)據(jù)按應用場景可分為空間基礎數(shù)據(jù)和業(yè)務專題數(shù)據(jù)2類，其具體分類見表1。 
同類型的數(shù)據(jù)具有不同的采集方法和技術要求，具體情況見表2。
1.3 BIM建模標準
BIM建模的標準包括一般規(guī)定（總體要求、建模目標、建模依據(jù)、軟硬件資源配置）、基本要求（基本原則、 建模范圍、模型拆分原則、命名規(guī)則、模型配色）、建模方法（項目基點設置、標高系統(tǒng)設置、模型繪制、附加信息的錄入、模型繪制注意事項、模型深化）、模型自檢（模型檢查方法與要點、模型檢查內容）、模型輕量化處理（清除外部鏈接文件、清除多余的內部構件、清除多余視圖樣板）等幾方面內容。BIM 建模采用了 Autodesk Revit 2015/2016 系列、 NavisWorks 2015/2016 系列和 Autodesk 3D Max 2015/ 2016系列等基礎軟件，同時對項目文件夾、模型文件、 模型構件、構件材質等均提出了命名要求。其中，項目 文件夾的命名要求見圖2。
1.4 BIM模型構建
根據(jù)BIM建模標準制定城市軌道交通工程的專業(yè)項目樣板，所有專業(yè)的BIM工程師均需在統(tǒng)一的項目樣板下工作，以確保所有構件信息統(tǒng)一。BIM模型構 建工作流程見圖3。
1.5 多源異構數(shù)據(jù)標準化處理
為了使不同來源、不同格式、不同時期的結構化和非結構化的多源異構數(shù)據(jù)能夠融合、集成，數(shù)據(jù)調度采用虛擬空間數(shù)據(jù)引擎的方式實現(xiàn)多源異構數(shù)據(jù)的直接訪問。數(shù)據(jù)處理工具可使不同類型、不同格式的原始數(shù) 據(jù)在進入數(shù)據(jù)庫之前即被轉化為數(shù)據(jù)庫平臺支持的 統(tǒng)一格式數(shù)據(jù)，并能夠根據(jù)勘測數(shù)據(jù)展現(xiàn)三維地質模 型，不僅保證了數(shù)據(jù)的一致性和準確性,而且經過處理 的數(shù)據(jù)可以方便地直接導入數(shù)據(jù)庫平臺。數(shù)據(jù)處理工 具介紹見表3。
2.1 實現(xiàn)目標
該平臺實現(xiàn)的總體目標是建立基于BIM-GIS的 基礎數(shù)據(jù)庫平臺，以使城市軌道交通工程的多源數(shù)字模型及相關數(shù)據(jù)能夠更好地融合，實現(xiàn)三維可視化集成展示及快速瀏覽查看。
1） 支持多源模型數(shù)據(jù)的三維融合展示，能夠對合并的模型數(shù)據(jù)進行檢查，支持具有真實感的大場景動態(tài)調度；
2） 支持PC端、移動端、大屏幕等多種方式的模型漫游瀏覽；
3） 支持三維可視化漫游瀏覽、屬性查詢及大數(shù)量的查詢調度；
4） 可集成視頻監(jiān)控、實時監(jiān)測等外部業(yè)務系統(tǒng)， 并可在三維場景中對施工建設過程進行實時監(jiān)測，積極防范安全風險。
2.2 技術路線
數(shù)據(jù)庫平臺的總體技術路線包括模型數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)庫平臺建設。針對不同類型的模型數(shù)據(jù)采用不同的采集方法，最終導入數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合，并構建基于三維GIS引擎的數(shù)據(jù)庫平臺。BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺實現(xiàn)的技術路線見圖4。
基于空間數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫和外部業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)，采用三維GIS技術構建數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)了以三維可視化的方式提供模型數(shù)據(jù)的漫游瀏覽、信息檢索、視頻監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能。該數(shù)據(jù)庫平臺支持C/S結構和B/S結構混合模式，其中C/S結構可實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的采集和編輯，B/S結構可實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的瀏覽、 查詢和監(jiān)測。
2.3 系統(tǒng)架構
數(shù)據(jù)庫的建設不僅要滿足當前項目的模型數(shù)據(jù)和應用功能要求，而且還要滿足后續(xù)地鐵線路模型數(shù)據(jù)和應用功能的拓展，因此該平臺的體系架構要具有較好的靈活性、擴展性和開放性。BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺采用分層模塊化的SOA架構思想，實現(xiàn)了跨系統(tǒng)、 跨平臺、跨語言的信息互聯(lián)互通。BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺的體系架構見圖5。
2.4 功能設計
2. 4.1 漫游瀏覽
B1M-GIS數(shù)據(jù)庫平臺可以進行工程實施范圍內的模型瀏覽和地形瀏覽。BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺場景瀏覽見圖6。
2. 4.2 分解結構樹
分解結構樹（Subway Breakdown Structure,以下簡 稱SBS）是以樹形結構的方式展示場景模型的組織結構，可用線路、專業(yè)、類型、構件名稱等漸進式層級結構來展現(xiàn)。該樹形結構的每個節(jié)點均具有復選框，以此來控制該構件的顯示或隱藏。SBS的瀏覽方式見表4。
2. 4.3 圖檔瀏覽
可以快速瀏覽與工點、部位相關聯(lián)的0伍ce文檔、 DWG圖紙和視頻資料等。BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺的視頻資料在線瀏覽見圖7。
2. 4.4 二、三維聯(lián)動
BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺中的二維DWG圖紙可與BIM模型進行聯(lián)動操作。BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺的二、三維聯(lián)動操作見圖8。
2. 4.5 空間分析
可以在BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺的三維模型中對構件的空間信息進行分析，包括計算空間距離、實時操作面剖切和體剖切等。BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺的實時面剖切見圖9。
某地鐵工程線路全長22.4km,全部為地下線。該工程共設10座車站，車輛段1座，計劃于2020年底建成通車。該工程現(xiàn)已全線開工,正在進行場地臨建和臨時結構的施工，包括豎井、橫通道開挖、基坑、圍護結構等。該工程全線采用BIM-GIS融合技術，并進行了平臺實現(xiàn)。
3.1 全線模型構建
根據(jù)勘察資料、地形圖、地下市政管線圖等資料， 該工程采用了統(tǒng)一的坐標系構建全線環(huán)境模型。其建模范圍為車站邊界200m范圍內、區(qū)間邊界外100m范圍；其建模精度為車站周邊建筑模型精度0.1m，區(qū)間周邊建筑模型0.2m。
3.2 全線數(shù)據(jù)集成
該工程集成各標段工程自身的土建模型、周邊環(huán)境模型、施工場地模型共計245個，經輕量化處理后， 將模型信息分解為幾何空間信息和業(yè)務屬性信息，實現(xiàn)了同一場景中漫游瀏覽，為后續(xù)BIM技術應用提供了基礎數(shù)據(jù)。
3.3 BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺實現(xiàn)
該工程的BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺具有以下功能：
①數(shù)據(jù)集成和大場景顯示功能;
②在線剖切、測量、標 注、出圖功能;
③強大的構件庫調用和編輯功能;
④重點關注點的設置與管理功能;
⑤交通導改、管線改移、 征占地、地上物移除、房屋拆遷、園林伐移、周邊風險分析、周邊建筑分析等8項匯總分析能力；
⑥換乘路線、交通接駁和線路巡游等分析能力;
⑦關鍵、復雜節(jié)點的模擬能力；
⑧工程4D進度輔助管理能力；
⑨移動端接入，輔助現(xiàn)場巡視功能。該工程BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺移動端訪問輔助質量管理見圖10。
該平臺較好地實現(xiàn)了工程全線數(shù)據(jù)的集成化和數(shù)字化、前期環(huán)境分析、方案在線研討、現(xiàn)場復雜和關鍵節(jié)點方案分析、虛擬現(xiàn)場快速構建、進度和現(xiàn)場狀態(tài)掌控、質量和安全輔助管理等。
結語：
BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺采用工程級數(shù)據(jù)模型技術、 多源異構模型數(shù)據(jù)融合技術和大場景動態(tài)調度技術進行BIM和GIS的融合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)精度分級管理、 空間索引和LOD算法優(yōu)化，并可在數(shù)據(jù)庫平臺中進行三維場景數(shù)據(jù)動態(tài)組織、三維地形地貌數(shù)據(jù)動態(tài)簡化， 使該平臺具備了長線、大區(qū)域、大數(shù)據(jù)量空間信息的 處理能力。
通過某地鐵工程的實際應用，證明BIM-GIS數(shù)據(jù)庫平臺不僅較好地實現(xiàn)了各工點BIM模型數(shù)據(jù)的集成處理，而且可以流暢地漫游瀏覽，完成基礎性操作，為后續(xù)工程建設管理的應用、開發(fā)打下了堅實基礎。
作者簡介：
高錢鷹，女，高級工程師，碩士，北京市軌道交通建設管理有限公司&城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室，主要從事城市軌道交通規(guī)劃設計管理及新技術研究應用工作。
王輝，城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室
宋宗霞，北京市軌道交通設計研究院有限公司
趙爽，蘭州市軌道交通有限公司
路清泉，北京市軌道交通建設管理有限公司&城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室
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